Bài giảng Truyền nhiệt - Chương 4: Tổng quan về tỏa nhiệt đối lưu - Phan Thành Nhân

1TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
CHƯƠNG 4
TỔNG QUAN VỀ TOẢ NHIỆT ĐỐI LƯU
1. Một số khái niệm cơ bản về đối lưu
2. Những nhân tố cơ bản ảnh hưởng đến α
3. Phương trình vi phân trao đổi nhiệt đối lưu
4. Đồng dạng và các số khơng thứ nguyên
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
2TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
1. Một số khái niệm cơ bản về đối lưu
q
dòng chất lỏng
tf
uf
u
Trao đổi nhiệt xảy ra khi bề mặt vật rắn tiếp xúc với lưu chất lỏng 
(khí) khi có sự chênh lệch nhiệt độ
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
3TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
Trao đổi nhiệt đối lưu là quá trình rất phức tạp, 
chịu ảnh hưởng của:
+ Quy luật về năng lượng nhiệt
+ Quy luật về chuyển động của lưu chất 
lỏng (khí): (cơ học lưu chất, biến đổi năng lượng)
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
4TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
Theo định luật Newton:
)tt(FQ fw −α=
α
Trong đó: q – mật độ dòng nhiệt, W/m2
Q – dòng nhiệt, W
F – diện tích bề mặt trao đổi nhiệt, m2
– hệ số tỏa nhiệt đối lưu, W/m2oC
tw – nhiệt độ bề mặt tấm phẳng, oC hoặc K
tf – nhiệt độ trung bình của chất lỏng, oC hoặc K
)tt.(q fw −α= (W/m2)
(W)
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
5TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
( )Km/W,
tt
q 2
fw −
=α
( ),...,,C,,,,,t,tf pfw δφµρλω=α
Hệ số toả nhiệt
Trao đổi nhiệt đối lưu là quá trình phức tạp phụ thuộc nhiều yếu tố:
ω Tốc độ chuyển động của lưu chất, m/s
λ Hệ số dẫn nhiệt của lưu chất, W/mK
µ Hệ số nhớt động lực học, N.s/m2
φ Hình dáng hình học
δ Kích thước tính toán, m
..
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
6TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
Nguyên nhân phát sinh chuyển động:
2 Những nhân tố cơ bản ảnh hưởng đến α:
– Chuyển động tự nhiên: 
+ Gây nên bởi chênh lệch khối 
lượng riêng ∆ρ
– Chuyển động cưỡng bức: 
+ Gây nên do tác động của ngoại 
lực (bơm, quạt, máy nén)
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
7TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
Chế độ chuyển động:
lưu chất màu lưu chất màu
Khảo sát dòng chảy tầng và dòng chảy rối
Dòng chảy tầng: các phần tử lưu chất chảy theo một dòng phẳng, theo một
trật tự nhất định (dòng ổn định).
Dòng chảy rối: các phần tử lưu chất chảy không ổn định và rất ngẫu nhiên.
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
8TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
Tính chất vật lý của lưu chất lỏng (khí):
Các thông số ảnh hưởng rất lớn đến α là:
+ hệ số dẫn nhiệt: λ
+ nhiệt dung riêng cp
+ khối lượng riêng: ρ
+ hệ số khuyếch tán nhiệt: a
+ độ nhớt động lực học: µ
ρµ=ν - hệ số nhớt động học của lưu chất, m2/s 
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
9TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
Xét 3 loại lưu chất thường gặp trong kỹ thuật: để thấy mức độ ảnh
hưởng của thông số vật lý của lưu chất đến α
+ Không khí (hoặc khí, hoặc hơi): có hệ số α rất bé
- Đối lưu tự nhiên: α ≈ 5 ÷ 10W/m2K
- Đối lưu cưỡng bức: α ≈ 15 ÷ 60W/m2K
+ Dầu: tuỳ loại dầu và độ nhớt
- Đối lưu tự nhiên: α ≈ 50 ÷ 100W/m2K
- Đối lưu cưỡng bức: α ≈ 150 ÷ 300W/m2K
+ Nước: có hệ số α rất lớn
- Đối lưu tự nhiên: α ≈ 100 ÷ 600W/m2K
- Đối lưu cưỡng bức: α ≈ 1000 ÷ 9000W/m2K
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
10
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
Hình dáng và kích thước bề mặt trao đổi nhiệt:
Ảnh hưởng đến sự chuyển động của dòng lưu chất
Ảnh hưởng đến hệ số toả nhiệt α
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
11
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
Lớp biên nhiệt và lớp biên thuỷ động
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
12
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
Lớp biên thuỷ động
Lớp biên nhiệt
∞ω⋅=ω 99,0
- Chiều dày của lớp biên δv
là khoảng cách từ bề mặt đến 
giá trị vận tốc 
- Chiều dày của lớp biên nhiệt
δt dọc theo bề mặt là khoảng
cách từ bề mặt sao cho nhiệt
độ tại đó thỏa phương trình
( ) ( )ss TT99,0TT −⋅=− ∞
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
13
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
3 Phương trình vi phân trao đổi nhiệt đối lưu
– Phương trình vi phân toả nhiệt
– Phương trình năng lượng
– Phương trình chuyển động
– Phương trình liên tục 
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
14
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
– Phương trình vi phân toả nhiệt
Ở sát bề mặt vách có một lớp mỏng lưu chất đứng yên
đơn thuần chỉ xảy ra hiện tượng dẫn nhiệt
nhiệt lượng này bằng nhiệt lượng trao đổi đối lưu
0n
qq
=λα
=
( )
0n
fluidfw n
ttt
=∂
∂
⋅λ−=−α
fw
0n
fluid
tt
n
t
−
∂
∂
⋅λ−
=α = (*)
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
15
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
Trong pt (*) muốn xác định α, phải biết sự phân bố nhiệt 
độ của lớp chất lỏng trên bề mặt.
Số ẩn số chưa cân bằng với số phương trình
Viết phương trình vi phân năng lượng
(tìm quy luật phân bố gradient nhiệt độ) 
Giả thiết: 
• Lưu chất lỏng không bị nén, đồng chất, không có nguồn nhiệt bên trong, 
• Bỏ qua toả nhiệt do ma sát.
• Xét phân tử thể tích lưu chất lỏng hình hộp cạnh dx, dy, dz, 
• Nhiệt lượng đưa vào chỉ làm biến đổi entanpi của phần tử lưu chất.
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
16
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
– Phương trình năng lượng
– Phương trình chuyển động






∂
∂
+
∂
∂
+
∂
∂
=
∂
∂
ω+
∂
∂
ω+
∂
∂
ω+
τ∂
∂
2
2
2
2
2
2
zyx z
t
y
t
x
ta
z
t
y
t
x
tt
Phương trình năng lượng thể hiện sự phân bố nhiệt độ bên trong chất lỏng chuyển động
ω∇µ+∇−ρ=
τ
ω
ρ
2pg
d
d
Phương trình Navier - Stock
(**)
Phương trình (**) phụ thuộc thành phần tốc độ 
Thành phần lực tác động lên khối lưu chất:
• lực trọng trường
• lực tác động của khối lưu chất lên bề mặt (do áp suất)
• lực ma sát của khối lưu chất lên bề mặt 
(***)
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
17
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
– Phương trình liên tục 
Phương trình (***) xuất hiện biến số áp suất p 
Dựa trên nguyên lý định luật bảo toàn khối lượng.
Khảo sát với lưu chất không chịu nén
0
zyx
zyx =
∂
ω∂
+
∂
ω∂
+
∂
ω∂ (****) 
Phương trình (****) không xuất hiện biến số mới 
– Điều kiện đơn trị:
• điều kiện hình học
• điều kiện vật lý
• điều kiện biên
• điều kiện thời gian
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
18
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
– Phương trình năng lượng
– Phương trình chuyển động
– Phương trình liên tục 
Đề nghị sinh viên đọc 
thêm trong sách giáo khoa 
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
19
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
4 Đồng dạng và các số không thứ nguyên
Trong các biểu thức tính toán truyền nhiệt đối lưu và các điều kiện
biên có chứa các số hạng không thứ nguyên để biểu diễn các tham số
vật lý:
λ
αl
ν
ωl
a
lω
2
3 tlg
ν
∆β
Các số hạng này được xem như là những tiêu chuẩn đồng dạng,
góp phần rất lớn cho sự phát triển trong nghiên cứu động lực
học lưu chất lỏng và trong truyền nhiệt.
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
20
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
 Tiêu chuẩn Nusselt: Kí hiệu là Nu
(tiêu chuẩn của truyền nhiệt)
λ
α
≡
lNu
• Số Nusselt là giá trị mô tả cho quá trình truyền nhiệt tại 
biên giữa vách và dòng lưu chất. 
• Thường được sử dụng khi chưa xác định được quá trình 
đối lưu, để xác định hệ số tỏa nhiệt đối lưu α
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
21
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
 Tiêu chuẩn Reynold: Kí hiệu là Re
ν
ω
≡
lRe
• Re là số hạng thể hiện mối tương quan giữa lực quán 
tính và tính nhớt. 
• Re đạt được bằng cách chia biểu thức của lực quán tính 
cho biểu thức ma sát
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
22
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
 Tiêu chuẩn Peclet: Kí hiệu Pe
a
lPe ω≡
( )
( )0
0p
tt
l
ttc
a
lPe
−
λ
−ωρ
=
ω
≡
Giá trị Pe là tỷ số giữa lượng nhiệt truyền bằng đối lưu
trên lượng nhiệt truyền bằng dẫn nhiệt.
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
23
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
 Tiêu chuẩn Grashof: Kí hiệu Gr
2
3 tlgGr
ν
∆β
≡
• Số Gr thể hiện đặc tính lực đẩy Archimedes xuất hiện
trong dòng lưu chất do có sự chênh lệch tỷ trọng.
• β là hệ số giản nở thể tích của lưu chất lỏng
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
24
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
 Tiêu chuẩn Euler: Kí hiệu Eu
2
pEu
ρω
=
• Số Eu là đặc tính tương quan giữa lực của áp suất và lực
quán tính.
• Số hạng này có trong biểu thức tính tỏa nhiệt đối lưu
dưới dạng độ chênh áp ∆p của lưu chất ở các vị trí trong
ống dẫn của quá trình:
22
0 pppEu
ρω
∆
=
ρω
−
=
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
25
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
 Tiêu chuẩn Prandtl: Kí hiệu Pr
Số Pe có thể rút gọn được từ phương trình năng lượng đưa
về dạng không thứ nguyên:
a
lPr.RePe ν
ν
ω
==
a
Pr ν=
λ
µ
=
ν
= p
c
a
Pr
• Pr là số chỉ biểu thị các thông số vật lý của lưu chất lỏng.
• Pr là tiêu chuẩn biểu thị ảnh hưởng của các thông số vật lý
của lưu chất lỏng đến quá trình tỏa nhiệt đối lưu
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
26
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
Tài liệu tham khảo:
1. Hồng Đình Tín, truyền nhiệt và tính tốn thiết bị trao đổi 
nhiệt, NXB Khoa học và kỹ thuật, 2001 
2. Nguyễn Tồn Phong, Bài Giảng mơn học truyền nhiệt, Trường 
Đại học Bách Khoa TpHCM
3. J.P.Holman, heat transfer, Ninth edition, Mc Grew Hill.
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
27
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
HẾT CHƯƠNG 4
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt