Phần 2: Các quá trình truyền nhiệt | Bài giảng môn Quá trình thiết bị | Đại học Bách khoa hà nội

Phần 2
Các quá trình truyền nhiệt GV: TS. Nguyễn Minh Tân
Bộ môn QTTB CN Hóa – Thực phẩm
Các phương thức truyền nhiệt
• Dẫn nhiệt/Conduction: Quá trình truyền nhiệt từ phần tử
này đến phần tử khác của vật chất khi chúng tiếp xúc trực tiếp với nhau
• Đối lưu/Convection: Quá trình truyền nhiệt do các phần
tử chất lỏng hoặc chất khí đổi chỗ cho nhau, do chúng có
nhiệt độ khác nhau hoặc là do bơm, quạt, khuấy trộn,…
• Bức xạ/Radiation: Qua trình truyền nhiệt dưới dạng các
sóng điện từ. Nhiệt năng biến thành các tia bức xạ rồi
truyền đi, khi gặp vật thể nào đó thì một phần năng lượng
bức xạ đố được biến thành nhiệt năng, một phần phản xạ
lại, và một phần xuyên qua vật thể QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 2 1.2. Nhiệt đối lưu
1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT
Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động tự do
Với chất lỏng có tính thấm ướt thành bình và có Pr > 0,7
Nu = C (Pr ⋅ )n Gr
Với ống truyền nhiệt nằm ngang 0,25 ⎛ Pr ⎞ Nu = 51 ,
0 (Pr ⋅Gr)0,23⎜⎜Pr ⎟⎟ ⎝ T ⎠
PrT: chuẩn số Prandt tính theo nhiệt độ thành tiếp xúc với chất lỏng Với không khí 0,25 Nu = ,047 Gr QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 3 1.2. Nhiệt đối lưu
1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT
Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức
Lưu thể chuyển động trong ống thẳng 0,25 0,8 0,43 ⎛ Pr ⎞ Re > 10.000 Nu = 02 , 0 1ε Re Pr Gr K ⋅ ⎜⎜
εk: ảnh hưởng của L/d tới hệ số cấp nhiệt Pr ⎟⎟ ⎝ T ⎠ Với chất khí 0,8 Nu = C ε Re K 0,9 0,43 2300>Re > 10.000 Nu = 00 , 0 8ε Re Pr K 0,25 Re < 2300 0,33 0,43 0,4 ⎛ Pr ⎞ Nu = 15 , 0 ε Re Pr Gr d ⎜⎜ Pr ⎟⎟ ⎝ T ⎠ QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 4 1.2. Nhiệt đối lưu
1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT
Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức
Lưu thể chuyển động trong ống cong: do tác dụng của lực ly tâm,
độ xoáy sẽ tăng lên, cường độ trao đổi nhiệt tăng lên ⎛ d ⎞ α α 1 , 1 77 c = ⎜ + ⎟ ⎝ R ⎠
d: đường kính trong của ống xoắn
R: Bán kính cong của vòng xoắn QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 5 1.2. Nhiệt đối lưu
1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT
Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức
Lưu thể chuyển động trong ống có tiết diện hình vành khăn: 0,45 d 0,8 0,4 ⎛ ⎞ Nu = , 0 23 Re Pr tn ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ dnt ⎠
dtn: đường kính trong của ống ngoài
dnt: đường kính ngoài của ống trong QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 6 1.2. Nhiệt đối lưu
1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT
Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức
Lưu thể chuyển động trong ống có tiết diện hình vành khăn: 0,45 d 0,8 0,4 ⎛ ⎞ Nu = , 0 23 Re Pr tn ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ dnt ⎠
dtn: đường kính trong của ống ngoài
dnt: đường kính ngoài của ống trong QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 7 1.2. Nhiệt đối lưu
1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT
Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức
Lưu thể chảy ngang bên ngoài một ống: 0,4
Nu = C ε Ren Pr K λ 0,4 α = C ε Ren Pr K dn
dn: đường kính ngoài của ống
C,n: Hệ số phụ thuộc Re QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 8 1.2. Nhiệt đối lưu
1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT
Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức
Lưu thể chuyển động ngang bên ngoài một chùm ống:
Dãy ống thứ ba (thẳng hàng) 0,25 Chất khí 0,65 0,33 ⎛ Pr ⎞ Nu = , 0 23 ε Re Pr ⋅ 0,65 Nu = ,021ε Re ϕ ⎜⎜ Pr ⎟⎟ ⎝ ϕ T ⎠
Dãy ống thứ ba (xen kẽ) 0,25 Chất khí 0,60 0,35 ⎛ Pr ⎞ Nu = , 0 41ε Re Pr ⋅ 0,60 Nu = 37 , 0 ε Re ϕ ⎜⎜ Pr ⎟⎟ ⎝ ϕ T ⎠ QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 9 1.2. Nhiệt đối lưu
1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT
Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức
Lưu thể chuyển động ngang bên ngoài một chùm ống:
Hệ số cấp nhiệt trung bình của toàn bộ chùm ống
α F +α F +α F + ... 1 1 2 2 3 3 αtb =
F + F + F + ... 1 2 3
Khi số dãy ống khá lớn, có thể lấy gần đúng αtb = α3 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 10 1.2. Nhiệt đối lưu
1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT
Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức
Lưu thể chảy dọc bên ngoài một chùm ống: 0,6 0,8 0,23 Nu = 16 , 1 D Re Pr td λ 0,6 0,8 0,23 α = 16 , 1 D Re Pr td dn
Dtd: đường kính tương đương của khoảng không gian giữa các ống,m
dn: đường kính ngoài của ống truyền nhiệt,m QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 11 1.2. Nhiệt đối lưu
1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT
Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức
Lưu thể chảy dọc bên ngoài một chùm ống có tấm chắn chia ngăn: 0 14 , 0,6 0,6 0,23⎛ Pr ⎞ Nu = C D Re Pr td ⎜⎜ Pr ⎟⎟ ⎝ T ⎠014, λ 0,6 0,6 0,23⎛ µ ⎞ α = C D Re Pr td ⎜⎜ ⎟⎟ dn ⎝ T µ ⎠
Tấm chắn hình viên phân: C = 1,72
Tấm chắn hình vanh khan: C = 2,08 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 12 1.2. Nhiệt đối lưu
1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT
Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức
Lưu thể chảy ngang bên ngoài chùm ống có gân: 0 − ,54 0 − 14 , ⎛ d ⎞ ⎛ h n ⎞ 0,4 Nu = C⎜ ⎟ ⎜ ⎟ Ren Pr t t ⎝ ⎠ ⎝ ⎠
Công thức được sử dụng khi 3000< Re<25000 và 3<(d/t), 4,8
dn: đường kính ngoài của ống
t: bước của gân,m
h: khoảng cách giữa thành ống và cạnh ngoài của gân, m
C,n: Hệ số phụ thuộc vào cách sắp xếp ống: xếp thẳng hàng C = 0,116 n= 0,72
xếp xen kẽ C = 0,25 n= 0,65 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 13 1.2. Nhiệt đối lưu
1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT
Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức
Lưu thể chuyển động dọc theo tường phẳng: Re>10.000 0,25 d 0,8 0,43⎛ ⎞ Nu = 03 , 0 7Re Pr tn Không khí ⎜⎜ ⎟⎟ 0,2 ⎝ d Nu = 03 , 0 2 Re nt ⎠ Re <100.000 0,25 d 0,5 0,63⎛ ⎞ Nu = 76 , 0 Re Pr tn Không khí ⎜⎜ ⎟⎟ 0,5 ⎝ d Nu = 66 , 0 Re nt ⎠ QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 14 1.2. Nhiệt đối lưu
1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT
Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức
Lưu thể chảy thành màng theo tường thẳng đứng: Re>2.000 13 Nu = 01 , 0 . Ga Pr .Re Re <2.000 1 2 9 3 Nu = 67 , 0 Ga Re Pr Trong đó αH 2 2 Nu = ρ g H Ga
Các đại lượng vật lý lấy theo = λ 2 µ
nhiệt độ trung bình của màng QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 15 1.2. Nhiệt đối lưu
1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT
Cấp nhiệt khi lưu thể bị khuấy trộn bằng cánh khuấy 0,33 Nu Pr .Rem C (µ = µT )0 14 , Trong đó αH Nu d Cp µ = πρ 2 Re = Pr = λ µ λ
Các đại lượng C, m phụ thuộc vào cấu tạo thiết bị
Thiết bị có vỏ bọc ngoài: C = 0,36; m = 0,67
Thiết bị có ống xoắn: C = 0,87; m = 0,62
Các đại lượng vật lý lấy theo nhiệt độ
trung bình của chất lỏng trong thiết bị QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 16 1.2. Nhiệt đối lưu
1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT
Cấp nhiệt khi lưu thể bị khuấy trộn bằng cánh khuấy 0,33 Nu Pr .Rem C (µ = µT )0 14 , Trong đó αH Nu d Cp µ = πρ 2 Re = Pr = λ µ λ
Các đại lượng C, m phụ thuộc vào cấu tạo thiết bị
Thiết bị có vỏ bọc ngoài: C = 0,36; m = 0,67
Thiết bị có ống xoắn: C = 0,87; m = 0,62
Các đại lượng vật lý lấy theo nhiệt độ
trung bình của chất lỏng trong thiết bị QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 17 1.2. Nhiệt đối lưu
1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT
Cấp nhiệt khi hơi ngưng tụ Ngưng tụ giọt Ngưng tụ màng
- Bề mặt thành thiết bị không
- Bề mặt thành thiết bị thấm ướt nước thấm nước ngưng ngưng
- Khi hơi ngưng tụ trên một thành ống
thẳng đứng, nước ngưng tạo thành
một màng chất lỏng chảy dọc từ trên
xuống dưới, với chiều dày tăng dần
Hệ số cấp nhiệt trong ngưng tụ giọt nhỏ hơn ngưng tụ màng QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 18 1.2. Nhiệt đối lưu
1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT
Cấp nhiệt khi hơi ngưng tụ Ngưng tụ màng
Lượng nhiệt truyền từ hơi đến thành thiết bị, khi qua lớp màng ngưng có thể xem
như quá trình dẫn nhiệt: t − t Q bh T = λ Fτ , J
Theo phương trình tổng quát δ Q = α(t t bh − T ) τ F QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 19 1.2. Nhiệt đối lưu
1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT
Cấp nhiệt khi hơi ngưng tụ λ α = δ
Hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ phụ thuộc:
- Chiều dày của lớp màng
- Vận tốc và chiều chuyển động của hơi
- Trạng thái bề mặt của nước ngưng tụ
- Thành phần của hơi QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 20