Bài giảng Truyền nhiệt - Chương 6: Tỏa nhiệt đối lưu cưỡng bức (Dòng một pha) - Phan Thành Nhân

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
CHƯƠNG 6 
TOẢ NHIỆT ĐỐI LƯU CƯỠNG BỨC 
(Dòng một pha)
1 Khái niệm chung. 
2. Trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức khi chất lỏng chảy trong ống
3. Trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức khi chất lỏng chảy bên ngoài ống
1
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
1. Khái niệm chung
+ Lưu chất chuyển động tác động của ngoai lưc (bơm quat máy nén )
2
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
 ï ï , ï , 
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Lớp biên vận tốc:
Lớp biên 
chảy tầng
Vùng 
chuyển
Lớp biên 
chảy rối
Xét dòng lưu chất chảy qua bề mặt tấm phẳng
đổi
V1
V1
V1
Lớp rối
Bề dày lớp biên 
Lớp đệm
Lớp tầng
v
Lớp biên vận tốc Phân bố vận tốc
Xét dòng lưu chất chảy bên trong ống
ø h û đ ø Vùng thủy động
3
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
Vung t uy ộng vao 
đã phát triển
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Lớp biên nhiệt:
T1
1T
Dòng tự do
Xét dòng lưu chất chảy qua bề mặt tấm phẳng
T1
Lớp biên 
t
nhiệt
Ts+0,99(T1-Ts)
Ph â b á hi ätLớp biên nhiệt
Xét dòng lưu chất chảy bên trong ống
Vùng nhiệt động 
đ h ù i å
an o n e 
Vùng nhiệt động vào
4
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
ã p at tr en
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
2. Trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức khi chất lỏng chảy trong ống
Chế độ dòng chảy của lưu chất chảy trong ống được thể hiện 
qua tiêu chuẩn Reynolds: 
Chế độ chuyển động Re
Chảy tầng Re < 2200
Chảy quá độ 2200 < Re < 104(từ tầng sang rối) 
Chảy rối Re > 104
Tuỳ theo chế độ chuyển động của dòng lưu chất mà cường độ 
trao đổi nhiệt đối lưu khác nhau
5
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
• Lưu lương khối lương: dòng lưu chất chảy trong ống đươc xác ï ï ï 
định theo giá trị tb:
FG  Kg/sctb
L
• Số Reynolds:
 
.Re
• Kích thước xác định:
U
F4dL ctđ 
 : Khối lượng riêng dòng lưu chất
Fc: Diện tích mặt cắt ngang ống
6
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
U: Chu vi ướt.
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Từ lý thuyết đồng dạng kết hợp với thực nghiệm trong điều
kiện trao đổi nhiệt ổn định ta tìm đươc phương trình:ï
Nu = f(Re, Gr, Pr)
Xác định phương trình Nu = f(Re, Gr, Pr) cho các trường hợp:
- Lưu chất chảy rối
- Lưu chất chảy tầng
7
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
- Lưu chất chảy quá độ (từ chảy tầng chuyển sang chảy rối)
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
2.1 Chế độ chảy rối: Khi Re > 104 
Phương trình Nu = f(Re, Gr, Pr) như sau:
Rl
25,0
f43,0
f
8,0
ff Pr
PrPrRe021,0Nu  
w
Á Ù Â ÍĐOI VƠI KHONG KH : Do Pr ít thay đổi theo nhiệt độ: 
800180 ,ff Re,Nu 
8
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
• Nhiệt độ xác định 
+ tf: là nhiệt độ trung bình của lưu chất
- tf’ : nhiệt độ ngõ vào của lưu chất
 
 f
f
f Prt 
- tf’’: nhiệt độ ngõ ra của lưu chất
 tt1t 
 f
+ tw: nhiệt độ bề mặt vách
''f'ff 2
ww Prt  
• Kích thước xác định
Ố ø d+ ng tron: L = tr
+ Hình dạng khác: 
U
F4dL ctđ 
9
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
• Hệ số xét đến ảnh hưởng của phương hướng dòng nhiệt.
250,
fPr 
wPr tf
twq
tf
twq
tw > tf tw < tf
• Hệ số hiệu chỉnh xét đến ảnh hưởng của chiều dài ống: l
Ref
l/d
1 2 5 10 15 20 30 40 50
Nếu l/d 50: thì l tra bảng theo giá trị Re
1.104 1,65 1.50 1,34 1,23 1,17 1,13 1,07 1.03 1
2.104 1,51 1,40 1,27 1,18 1,13 1,10 1,05 1,02 1
5 104 1 34 1 27 1 18 1 13 1 10 1 08 1 04 1 02 1. , , , , , , , ,
1.105 1,28 1,22 1,15 1,10 1,08 1,06 1,03 1,02 1
1.106 1,14 1,11 1,08 1,05 1,04 1,03 1,02 1,01 1
10
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
Nếu l/d > 50: thì l = 1
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
• Hệ số hiệu chỉnh xét đến ảnh hưởng độ cong của ống: R
(do ảnh hưởng của lực ly tâm)
d
RR
d,R 7711 
Đối với ống dẫn thẳng: R = 1
Lư ù hươ t ì h bi å di ã h ä N đươ ử d h iu y: p ng r n eu em quan e uf ïc s ụng c o mọ
dòng lưu chất lỏng, trừ kim loại lỏng
11
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
2.2. Chế độ chảy tầng: Re < 2200 
Phương trình Nu = f(Re, Gr, Pr) như sau:
l
25,0
f1,0
f
43,0
f
33,0
ff Pr
PrGrPrRe15,0Nu  
w
ĐỐI VỚI KHÔNG KHÍ: Do Pr ít thay đổi theo nhiệt độ: 
10330130 ,f
,
ff GrRe,Nu 
12
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
• Số Grashof Gr: 3 )tt(L
2
f
fwgGr 
l ø i á ø 9 81 / 2- g a g a toc trọng trương, g = , m s
-  [1/K] là hệ số giản nở nhiệt 
Chất lỏng:  tra bảng theo tf
á hi hỉ h đ á û h h û û hi à d i á
Chất khí: 
273
11
  ff tT
• Hệ so ệu c n xét en an ương cua c eu à ong: l
Nếu l/d 50: thì l tra bảng theo giá trị Re
l/d 1 2 5 10 15 20 30 40 50
l 1,90 1,70 1,44 1,28 1,18 1,13 1,05 1,02 1
13
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
Nếu l/d > 50: thì l = 1
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
2.3. Chế độ chảy quá độ: 2200 < Re < 104
 
 25,0f43,0 PrPrKNu
Phương trình Nu = f(Re, Gr, Pr) như sau:
  wfof Pr
Ko: Hệ số thực nghiệm, tra theo bảng
Ref.10-3 2,2 2,3 2,5 3,0 3,5 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10
Ko 1,9 3,2 4,0 6,8 9,5 11 16 19 24 27 30 33
• Hệ số hiệu chỉnh xét đến ảnh hưởng của chiều dài ống: l
Nếu l/d 50: thì l tra bảng theo giá trị Re
l/d 1 2 5 10 15 20 30 40 50
l 1,90 1,70 1,44 1,28 1,18 1,13 1,05 1,02 1
14
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
Nếu l/d > 50: thì l = 1
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Bài tập ví dụ 1:
Một ống thép dài l = 2,5m, đường kính trong d = 19mm,
nước có nhiệt độ trung bình tf = 30oC, vận tốc nước chảy
trong ống  = 2m/s, nhiệt độ bề mặt vách ống tw= 70oC.
a) Xác định hệ số toả nhiệt 
b) Tìm nhiệt độ nước vào và ra khỏi ống
á û û û ûc) Neu bo qua anh hương cua phương hướng dòng nhiệt thì
sai số khi tính là bao nhiêu?
15
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Bài tập ví dụ 2:
Không khí chuyển động trong ống có áp suất p1 = 1bar,
đường kính trong ống d = 50mm, chiều dài ống l = 3m, tốc độ
dòng khí  = 15m/s, nhiệt độ trung bình dòng khí tf = 20oC
- Xác định hệ số toả nhiệt 
16
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
3. Trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức khi chất lỏng chảy bên
ngoài vật thể
Lớp biên 
chảy tầng
Vùng 
chuyển 
đổi
Lớp biên 
chảy rối
V
V1
V1
1
Lớp rối
Lớp đệm
Lớp tầng
Bề dày lớp biên 
v
V1
D

Lớp biên Điểm tách
Điểm ứ đọng
Đường tâm 
+ Đối lưu cưỡng bức khi chất lỏng chảy ngang qua tấm phẳng
+ Đối lưu cưỡng bức khi chất lỏng chảy ngang qua ống đơn
17
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
+ Đối lưu cưỡng bức khi chất lỏng chảy ngang qua chùm ống
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
3.1 Đối lưu cưỡng bức khi chất lỏng chảy ngang qua tấm phẳng:
1T
V
Chảy tầng
Vùng 
chuyển 
đổi
Chảy rối
1
x0
• Kích thước xác định: L = l (chiều dài tấm)
• Nhiệt độ xác định: nhiệt độ trung bình của chất lỏng tf
18
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Trường hơp tổng quát
 Khi Ref > 105
25,0
f43,0
f
8,0
ff P
PrPrRe037,0Nu 
 ï 
wr
25,0  Khi Ref < 105
w
f43,0
f
5,0
ff Pr
PrPrRe68,0Nu 
ĐỐI VỚI KHÔNG KHÍ:
8,0
ff Re032,0Nu 
55,0
ff Re59,0Nu 
 Khi Ref > 105
 Khi Ref < 105
19
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
3.2 Đối lưu cưỡng bức khi chất lỏng chảy ngang qua ống đơn:
V1V1
Lớp biên tầng
Lớp biên tầngLớp biên rối
Lớp biên rối
 D
å
D

Điem tách
Điểm tách
(a) Dòng chảy tầng Re 2.105
Quá trình toả nhiệt khi chất lỏng chảy ngang qua các ống có hình dạng
bất kỳ rất phức tạp cần tiến hành thí nghiệm riêng.
Phần này chỉ khảo sát ống tròn.
20
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
• Kích thước xác định: L = dng
• Nhiệt độ xác định: nhiệt độ trung bình của chất lỏng tf
250
 Khi Ref = 10  103  
,
w
f36,0
f
5,0
ff Pr
PrPrRe56,0Nu
 Khi Ref = 103  2.105  
250
36060280
,
f,
f
,
ff
PrPrRe,Nu  wPr
ĐỐI VỚI KHÔNG KHÍ:
50490 ,ff Re,Nu  Khi Ref = 10  103
21
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
602450 ,ff Re,Nu  Khi Ref = 103  2.105
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
á á á: hệ so hiệu chỉnh góc va giữa ong và dòng chat lỏng
+ Dòng chất lỏng chảy vuông góc với ống:  =1 ( = 90o)
+  = 90o: tra đồ thị
22
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
3.3 Đối lưu cưỡng bức khi chất lỏng chảy ngang qua chùm ống:
Đối với chùm ống thì có hai kiểu bố trí là song song và so le
S2 S2
S
1
S
1
0 0
• Kích thước xác định: L = dng
• Nhiệt độ xác định: nhiệt độ trung bình của chất lỏng tf
ù đị h t i ị t í h h át û d ø lư h át
23
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
• : xac n ạ v r ẹp n a cua ong u c a
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
 Chùm ống song song
• Khi Ref < 103  
 i
25,0
f36,0
f
5,0
ff Pr
PrPrRe56,0Nu
w
25,0
36060 Pr• Khi Ref > 103  
 i
w
f,
f
5,
ff Pr
PrRe22,0Nu
50490 ,ReNu 
ĐỐI VỚI KHÔNG KHÍ:
 Khi Re < 103 ff ,
65,0
ff Re149,0Nu 
f
 Khi Ref > 103
24
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
 Chùm ống so le
• Khi Ref < 103  
 i
25,0
w
f36,0
f
5,0
ff Pr
PrPrRe56,0Nu
• Khi Ref > 103  
25,0
f36,06,0 PrPrRe40Nu  iwfff Pr
,
50490 ,ff Re,Nu 
ĐỐI VỚI KHÔNG KHÍ:
 Khi Ref < 103
 Khi Ref > 103
60350 ,ff Re,Nu 
25
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
• : hệ số hiệu chỉnh góc va giữa ống và dòng chất lỏng
+  = 90o  = 1
+  < 90o  tra đồ thị hoặc bảng
 10o 20o 30o 40o 50o 60o 70o 80o 90o
 0,42 0,52 0,67 0,78 0,88 0,94 0,98 1 1
26
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
•  : hệ số hiệu chỉnh số hàng ốngi 
Hàng ống Chùm ống song song Chùm ống so le
Hàng thứ nhất 1 = 0,6 1 = 0,6
Hàng thứ hai 2 = 0,9 2 = 0,7
H ø h ù b û đi 1 1ang t ư a trơ i = i = 
27
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Hệ số toả nhiệt trung bình của toàn chùm ống: 
- Phải xác định hệ số toả nhiệt trung bình của từng hàng:

n
1i
iiF

 n
1i
iF
á á
i Hệ so toả nhiệt trung bình của hàng ong thứ i
Fi tổng diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của hàng ống thứ i
n số hàng ống tính theo chiều dòng chảy 
n
2n 321 
28
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Ví dụ: bài 10 40 trang 243.
Tính hệ số toả nhiệt trung bình từ dòng khói chảy cắt ngang chùm
ống bố trí sole, bước ống S1 = S2 = 2d, đường kính d = 38mm, số
dãy ống theo chiều dòng chảy là 30
Nhiệt độ khói vào chùm ống t’f = 650oC và khi ra t’’f = 350oC, tốc
độ khói qua tiết diện hẹp nhất 10m/s
Nếu ống bố trí song song còn các điều kiện khác giữ nguyên thì
hệ số toả nhiệt trung bình bằng bao nhiêu?
29
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
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.
30
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
HẾT CHƯƠNG 6 
31
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt