Bài giảng Truyền nhiệt - Chương 5: Tỏa nhiệt đối lưu tự nhiên - Phan Thành Nhân

1TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
CHƯƠNG 5
TOẢ NHIỆT ĐỐI LƯU TỰ NHIÊN
1. Khái niệm chung
2. Toả nhiệt đối lưu tự nhiên trong không gian rộng
3. Toả nhiệt đối lưu tự nhiên trong không gian hẹp 
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
2TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
1. Khái niệm chung
Quá trình toả nhiệt đối lưu tự nhiên gặp rất phổ biến trong kỹ 
thuật và trong các hoạt động cuộc sống của con người:
Ví dụ:
– quá trình giải nhiệt cho các thiết bị điện tử,
– transistor công suất, các mạch điện tử, 
– các tấm bức xạ nhiệt, 
– làm nguội các vật đúc, 
– hoặc trong các hệ thống lạnh ứng dụng cho các dàn lạnh, các 
thiết bị ngưng tụ, bay hơi 
– hoặc là các quá trình tỏa nhiệt của các vật thể đặt trong tự nhiên, 
– tỏa nhiệt của cơ thể con người 
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
3TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
Cơ chế chuyển động trong quá trình
• Động lực chuyển động gây nên bởi ∆ρ = ρw - ρf
• ∆ρ là do ∆t = tw - tf
Vật thể nóng 
Dòng 
khí ấm 
Dòng
 khí lạnh 
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
4TRƯỜNG 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
5TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
Tìm hệ số toả nhiệt α của quá trình đối lưu tự nhiên
Toả nhiệt đối lưu tự nhiên được phân làm 2 loại
• Toả nhiệt đối lưu tự nhiên trong không gian rộng
• Toả nhiệt đối lưu tự nhiên trong không gian hẹp
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
6TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
2. Toả nhiệt đối lưu tự nhiên trong không gian rộng:
Biên dạng 
nhiệt độ
Biên dạng 
vận tốc
Lớp biên 
wt
t o
t w
Khảo sát vách phẳng nóng được làm nguội 
bằng cách nhúng vào trong bể chứa lưu chất 
lỏng yên lặng 
Tỏa nhiệt đối lưu tự nhiên trên một bề
mặt phụ thuộc:
• Hình dáng hình học của bề mặt đó cũng
như là vị trí và hướng đặt của bề mặt.
• Nhiệt độ của bề mặt
• Đặc tính nhiệt vật lý của dòng lưu chất
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
7TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
Theo Tiêu chuẩn Grashof: số hạng biểu diễn tỷ số của lực
nâng và lực ma sát tác động trên dòng lưu chất
Chế độ dòng chảy trong đối lưu tự nhiên chịu tác động của
số không thứ nguyên Gr:
2
3 tlgGr
ν
∆β
≡
Với g: là gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s2
β: hệ số giãn nở nhiệt, 1/K (đối với khí lý tưởng β=1/T)
tw: nhiệt đô bề mặt vách
t0: nhiệt độ dòng lưu chất
l: chiều dài hình học tương đương, m
ν: độ nhớt động học của lưu chất, m2/s
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
8TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
Số Gr là tiêu chuẩn để xác định dòng lưu chất ở chế độ chảy tầng 
hay chảy rối trong quá trình tỏa nhiệt đối lưu tự nhiên. 
Ví dụ: đối với tấm phẳng đặt đứng, số Gr tới hạn được xác định là khoảng 109. 
dòng lưu chất chảy rối khi số Gr lớn hơn giá trị tới hạn 109.
Qua phân tích các dữ liệu thực nghiệm 
Tương quan thực nghiệm cho số hạng Nu trung bình trong toả 
nhiệt đối lưu
( ) nn Ra.CPr.GrClNu ==
λ
α
=
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
9TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
( ) nn Ra.CPr.GrCNu ==
λ
α
=
lNu
2
3 tlgGr
ν
∆β
= a
Pr ν=
Giá trị nhiệt độ trung bình tính toán:
(từ ttb tra các thông số vật lý λ, ν, Pr)
Lưu chất lỏng giọt: β tra bảng
Lưu chất khí (hơi): β = 1/ T = 1/ (ttb + 273) , 1/K
Kích thước tính toán:
– Vách đứng, ống đứng: chọn chiều cao l =H
– Ống nằm ngang: chọn đường kính l = d
– Tấm phẳng đặt nằm ngang: chọn kích thước ngắn
( )fw21tb ttt +⋅=
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
10
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
Từ thực nghiệm xác định hệ số C và n theo bảng
Trạng thái chuyển động Ra C n
Chảy màng < 0,001 0,5 0
Chảy quá độ
(từ màng sang tầng) 0,001 ÷ 500 1,18 1/8
Chảy tầng 500 ÷ 2.107 0,54 1/4
Chảy rối 2.107 ÷ 1013 0,135 1/3
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
11
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
Từ thực nghiệm xác định hệ số C và n theo bảng 
Ra = Gr.Pr
C n
Bề mặt nóng
hướng lên trên
Bề mặt nóng
hướng xuống dưới
< 0,001 0,65 0,35 0
0,001 ÷ 500 1,53 0,83 1/8
500 ÷ 2.107 0,7 0,38 1/4
2.107 ÷ 1013 0,176 0,095 1/3
Trường hợp đặc biệt: Đối với tấm phẳng đặt nằm ngang
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
12
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
Ví dụ 1:
Xét một đường ống dẫn nước nóng dài L = 6m, đường
kính ngoài D = 8cm đặt nằm ngang đi qua một phòng rộng
có nhiệt độ phòng là t0 = 18oC.
Nhiệt độ bề mặt ngoài của ống là tw = 70oC.
Hãy xác định lượng nhiệt tổn thất qua ống do quá trình
tỏa nhiệt đối lưu tự nhiên?
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
13
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
Ví dụ 2:
Xét một tấm phẳng hình vuông có kích thước 0,6 x 0,6m
được đặt trong gian phòng có nhiệt độ t0 = 30oC. Một bề mặt tấm
phẳng luôn được duy trì ở nhiệt độ 74oC, mặt bên kia được cách
nhiệt.
Hãy xác định lượng nhiệt trao đổi từ tấm phẳng và môi
trường bằng đối lưu tự nhiên qua các trường hợp sau:
a) Tấm phẳng đặt đứng.
b) Tấm phẳng đặt nằm ngang với bề mặt nóng hướng lên trên.
c) Tấm phẳng đặt nằm ngang với bề mặt nóng hướng xuống
dưới.
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
14
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
3. Toả nhiệt đối lưu tự nhiên trong không gian hẹp:
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
15
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
Có thể xem quá trình tỏa nhiệt đối lưu tự nhiên trong không gian 
kín là quá trình dẫn nhiệt ổn định qua một lớp lưu chất 
(có xét đến toả nhiệt đối lưu)
Hệ số dẫn nhiệt tương đương: λtđ
δ
−
⋅⋅λ= 21tđconv
TTFQ
λε=λ .tđtđ
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
16
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
Xác định εtđ:
• Kích thước các định: l = δ
• Nhiệt độ tính toán: t = 0,5(tw1 + tw2)
• Tính số Gr: 
2
2w1w
3 )tt(lgGr
ν
−β
=
Gr.Pr < 103 εtđ = 1
Gr.Pr ≥ 103 εtđ = 0,18(Gr.Pr)0,25
Theo số liệu thực nghiệm:
λε=λ .tđtđ δ
−
⋅⋅λ= 2w1wtđconv
ttFQ
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
17
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
Ví dụ 3:
Xét một cửa sổ cao 0,8m, rộng 2m loại cửa sổ kép hai
lớp kính.
Giữa hai lớp kính là một lớp không khí có bề dày là 2cm,
Nhiệt độ tại hai bề mặt kính đo được là 12oC và 2oC.
Hãy xác định lượng nhiệt truyền qua cửa sổ.
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
18
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
19
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
HẾT CHƯƠNG 5
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt