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

Qua trình truyền nhiệt dưới dạng các sóng điện từ. Tài liệu trắc nghiệm môn Hóa học 1 giúp bạn tham khảo, ôn tập và đạt kết quả cao. Mời bạn đọc đón xem!

Phn 2
Các quá trình truyn nhit
GV: TS. Nguyn Minh Tân
B môn QTTB CN Hóa – Thc phm
QTTB II 01 TS. Nguyn Minh Tân 2
Các phương thc truyn nhit
Dn nhit/Conduction: Quá trình truyn nhit t phn t
này đến phn t khác ca vt cht khi chúng tiếp xúc trc
tiếp vi nhau
Đối lưu/Convection: Quá trình truyn nhit do các phn
t cht lng hoc cht khí đổi ch cho nhau, do chúng có
nhit độ khác nhau hoc là do bơm, qut, khuy trn,
Bc x/Radiation: Qua trình truyn nhit dưới dng các
sóng đin t. Nhit năng biến thành các tia bc x ri
truyn đi, khi gp vt th nào đó thì mt phn năng lượng
bc x đố được biến thành nhit năng, mt phn phn x
li, và mt phn xuyên qua vt th
QTTB II 01 TS. Nguyn Minh Tân 3
Đối lưu
Dòng đối lưu được hình
thành khi trong ni có
nước được đun nóng
Dòng không khí đối
lưu hình thành do
chênh lch nhit độ
gia đại dương và lc
địa
QTTB II 01 TS. Nguyn Minh Tân 4
Ti sao b phn sưởi được đặt dưới sàn, còn giàn lnh ca t lnh
được đặt phía trên?
Dòng đối lưu
Giàn lnh
B phn sưởi
QTTB II 01 TS. Nguyn Minh Tân 5
1.2. Nhit đối lưu
Quá trình cp nhit rt phc tp, để đơn gin hóa, người ta dùng định lut cp nhit ca NEWTON
( )
τα
dFdttdQ
T
=
Vi quá trình n định:
1.2.1. ĐỊNH LUT CP NHIT NEWTON
Lượng nhit dQ do mt phân t b mt dF ca vt rn cp cho môi trường xung
quanh (hoc ngược li) trong khong thi gian dτ thì t l vi hiu s nhit độ gia
vt th và môi trường, vi dF và dτ"
( )
WFttQ
T
,=
α
QTTB II 01 TS. Nguyn Minh Tân 6
H s cp nhit α: là lượng nhit do mt đơn v b mt ca tường
cp cho môi trường xung quanh(hoc ngược li) trong khong thi
gian mt giây khi hiu s nhit độ gia tường và môi trường (hoc
ngược li) là 1 độ.
H s cp nhit α là mt đại lượng rt phc tp, ph thuc vào nhiu yếu t:
Loi cht ti nhit (khí, lng, hơi)
Chế độ chuyn động ca cht ti nhit
Tính cht vt lý ca cht ti nhit
Kích thước, hình dng, trng thái ca b mt trao đổi nhit,…
1.2. Nhit đối lưu
[ ]
( )
!
"
#
$
%
&
°
=
!
"
#
$
%
&
=
Cm
W
Ftt
Q
T
2
τ
α
QTTB II 01 TS. Nguyn Minh Tân 7
1.2.2. PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN CA NHIT ĐỐI LƯU
- Cơ s Định lut cân bng nhit
- Tách phân t th tích dV=dxdydz t dòng chy
- Ch xét trường hp trao đổi nhit n định
1.2. Nhit đối lưu
Lượng nhit đi vào và đi ra khi phân t dV do các phn t ca môi
trường chuyn động mang vào và mang ra
Lượng nhit mang vào tính trên trc ox trong mt đơn v thi gian:
dydzWtCQ
xpx
ρ
=
Trong cùng thi gian đó, lượng nhit mang ra khi mt đối din là:
( )
dxdydz
x
WtC
dydzWtCdQQQ
xp
xpxxdxx
+=+=
+
ρ
ρ
QTTB II 01 TS. Nguyn Minh Tân 8
1.2.2. PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN CA NHIT ĐỐI LƯU
1.2. Nhit đối lưu
( )
dxdydz
x
t
W
x
W
tCdydzWtCdQQQ
x
x
pxpxxdxx
!
"
#
$
%
&
+
+=+=
+
ρ
ρ
ρ
Lượng nhit do đối lưu tích theo phương Ox tích li trong phân t dV:
( )
dxdydz
x
t
W
x
W
tCQQdQ
x
x
pxdxxx
!
"
#
$
%
&
+
==
+
ρ
ρ
Lượng nhit do đối lưu tích theo phương Oy tích li trong phân t dV:
( )
dxdydz
y
t
W
y
W
tCQQdQ
y
y
pydyyy
!
!
"
#
$
$
%
&
+
==
+
ρ
ρ
Lượng nhit do đối lưu tích theo phương Ox tích li trong phân t dV:
QTTB II 01 TS. Nguyn Minh Tân 9
1.2.2. PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN CA NHIT ĐỐI LƯU
1.2. Nhit đối lưu
Lượng nhit toàn phn:
dQ = C
p
t
ρ
W
x
( )
x
+
ρ
W
y
( )
y
+
ρ
W
z
( )
z
"
#
$
$
%
&
'
'
+
ρ
W
x
t
x
+
ρ
W
y
t
y
+
ρ
W
z
t
z
(
)
*
d
+
,
-
.
-
V
zyx
dQdQdQdQ ++=
Vi dòng liên tc có:
( )
( )
( )
0=
!
!
"
#
$
$
%
&
+
+
z
W
y
W
x
W
z
y
x
ρ
ρ
ρ
Nên:
dQ =
ρ
C
p
W
x
t
x
+W
y
t
y
+W
z
t
z
"
#
$
d
%
&
'
V
QTTB II 01 TS. Nguyn Minh Tân 10
1.2.2. PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN CA NHIT ĐỐI LƯU
1.2. Nhit đối lưu
Vi quá trình truyn nhit n định, lượng nhit trong nguyên t dV là không
đổi. Lượng nhit này phi bng lượng nhit dn qua các mt ca dV là dQ:
dQ =
ρ
C
p
W
x
t
x
+W
y
t
y
+W
z
t
z
"
#
$
d
%
&
'
V =
λ
2
t
( )
dV
Phương trình vi phân cp nhit đối lưu Fourier- Kirchhoff:
ρ
C
p
W
x
t
x
+W
y
t
y
+W
z
t
z
"
#
$
%
&
'
=
λ
2
t
( )
;
λ
C
p
ρ
2
t
( )
= a
2
t
( )
QTTB II 01 TS. Nguyn Minh Tân 11
1.2.3. ĐỒNG DNG CA CÁC QUÁ TRÌNH NHIT
1.2. Nhit đối lưu
Quá trình đối lưu nhit được mô t bi mt h phương trình:
- Phương trình vi phân cân bng ca Ơle
- Phương trình dòng liên tc
- Phương trình vi phân cp nhit đối lưu Fourier- Kirchhoff
Phi da vào lý thuyết đồng dng để chuyn pt vi phân thành pt chun s
QTTB II 01 TS. Nguyn Minh Tân 12
Chun s Nuxen
1.2. Nhit đối lưu
Trong quá trình truyn nhit n định, lượng nhit truyn do dn nhit phi
bng lượng nhit truyn do cp nhit:
Chun s Nuxen đặc trưng cho quá trình cp nhit trên b mt phân gii
( )
dn
dt
tt
T
λα
=
Đưa chun s đồng dng vào:
( )
dn
dt
a
a
attaa
l
t
aTta
λα
=
l
t
ata
a
a
aaa =
Nuidem
a
a
a
l
a
==
λ
Nu
l
=
λ
α
QTTB II 01 TS. Nguyn Minh Tân 13
Chun s Pecle
1.2. Nhit đối lưu
Được rút ra t phương trình Fourier- Kirchhoff
Ngoài các chun s trên, t các pt chuyn động có các chun s Eu, Fr,
Re, nên có th biu din:
2
2
x
t
a
x
t
w
x
=
Ví d đối vi trc ox:
Pe
a
wl
=
Rút ra:
idem
a
l
w
a
l
w ==
2
2
2
1
1
1
( )
0RePr,,,, =EuPeNuF
QTTB II 01 TS. Nguyn Minh Tân 14
1.2. Nhit đối lưu
Kết hp Pe và Nu có chun s Prandtl đặc trưng cho tính cht vt lý ca môi trường
λ
µ
ρ
λρ
µ
ρ
µ
µ
ρ
p
C
a
wl
a
wl
Pe
=====
Re
Pr
Trong khi
( )
RefEu =
Kết hp Re và Fr có chun s Galile, Ga:
2
3
2
2
2
Re.
γµ
ρ
glwl
w
gl
FrGa =
#
#
$
%
&
&
'
(
==
Chun s Gratkov, đặc trưng cho truyn nhit khi đối lưu t nhiên:
t
gl
Gr Δ=
β
γ
2
3
QTTB II 01 TS. Nguyn Minh Tân 15
1.2. Nhit đối lưu
Phương trình cp nhit tng quát được biu din dưới dng phương trình chun s
( ) ( )
GrfNuEuPeNuF Pr,Re,'0RePr,,,, ==
Quá trình cp nhit xy ra trong dòng đối lưu t nhiên:
( )
GrfNu Pr,'=
Vi các cht khí, chun s Pr không biến đổi nhiu theo nhit độ:
( )
Re
3
fNu =
Chuyn động cưỡng bc
( )
Re
3
fNu =
Đối lưu t nhiên
nmk
GrCNu PrRe=
Dng c th dng hàm s mũ
QTTB II 01 TS. Nguyn Minh Tân 16
1.2. Nhit đối lưu
( )
nmk
Gr
l
C PrRe
λ
α
=
H s
α
được xác định theo quan h :
H s cp nhit
α
ch có th được xác định vi tng trường
hp c th vi mi thiết b riêng bit
| 1/16

Preview text:

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 Đối lưu
Dòng đối lưu được hình thành khi trong nồi có nước được đun nóng Dòng không khí đối lưu hình thành do chênh lệch nhiệt độ
giữa đại dương và lục địa QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 3 Dòng đối lưu Giàn lạnh Bộ phận sưởi
Tại sao bộ phận sưởi được đặt dưới sàn, còn giàn lạnh của tủ lạnh được đặt phía trên? QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 4 1.2. Nhiệt đối lưu
1.2.1. ĐỊNH LUẬT CẤP NHIỆT NEWTON
Quá trình cấp nhiệt rất phức tạp, để đơn giản hóa, người ta dùng định luật cấp nhiệt của NEWTON
Lượng nhiệt dQ do một phân tố bề mặt dF của vật rắn cấp cho môi trường xung
quanh (hoặc ngược lại) trong khoảng thời gian dτ thì tỉ lệ với hiệu số nhiệt độ giữa
vật thể và môi trường, với dF và dτ dQ =α(t t T − )dF τ d
Với quá trình ổn định: Q=α(t t , T )F W QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 5 1.2. Nhiệt đối lưu
Hệ số cấp nhiệt α: là lượng nhiệt do một đơn vị bề mặt của tường
cấp cho môi trường xung quanh(hoặc ngược lại) trong khoảng thời
gian một giây khi hiệu số nhiệt độ giữa tường và môi trường (hoặc ngược lại) là 1 độ. Q W [α] ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ = = ⎢ 2 ⎣(tT t) ⎥ ⎢ ⎥
Fτ ⎦ ⎣m °C ⎦
Hệ số cấp nhiệt α là một đại lượng rất phức tạp, phụ thuộc vào nhiều yếu tố:
• Loại chất tải nhiệt (khí, lỏng, hơi)
• Chế độ chuyển động của chất tải nhiệt
• Tính chất vật lý của chất tải nhiệt
• Kích thước, hình dạng, trạng thái của bề mặt trao đổi nhiệt,… QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 6 1.2. Nhiệt đối lưu
1.2.2. PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN CỦA NHIỆT ĐỐI LƯU
- Cơ sở Định luật cân bằng nhiệt
- Tách phân tố thể tích dV=dxdydz từ dòng chảy
- Chỉ xét trường hợp trao đổi nhiệt ổn định
Lượng nhiệt đi vào và đi ra khỏi phân tố dV do các phần tử của môi
trường chuyển động mang vào và mang ra

Lượng nhiệt mang vào tính trên trục ox trong một đơn vị thời gian: Q = C t W ρ dydz x p x
Trong cùng thời gian đó, lượng nhiệt mang ra khổi mặt đối diện là: ∂(C t W p ρ x ) Q
= Q + dQ = C t W ρ dydz + dxdydz x+dx x x p x x ∂ QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 7 1.2. Nhiệt đối lưu
1.2.2. PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN CỦA NHIỆT ĐỐI LƯU ⎡ ∂( W ρ x ) t Q
= Q + dQ = C t W ρ dydz + C t + W ∂ ⎤ ρ dxdydz x+dx x x p x p ⎢ x xx ⎥ ⎣ ∂ ⎦
Lượng nhiệt do đối lưu tích theo phương Ox tích lại trong phân tố dV: ⎡ ∂( W ρ x ) t dQ = QQ = C t + W ∂ ⎤ ρ dxdydz x x+dx x p ⎢ x xx ⎥ ⎣ ∂ ⎦
Lượng nhiệt do đối lưu tích theo phương Oy tích lại trong phân tố dV: ⎡ ∂( W ρ y ) t ∂ ⎤ dQ = QQ = C t + W ρ dxdydz y y+dy y p ⎢ y yy ⎥ ⎢⎣ ∂ ⎥⎦
Lượng nhiệt do đối lưu tích theo phương Ox tích lại trong phân tố dV: ⎡ ∂( W ρ z ) t dQ = QQ = C t + W ∂ ⎤ ρ dxdydz z z+dz z p ⎢ z zz ⎥ ⎣ ∂ ⎦ QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 8 1.2. Nhiệt đối lưu
1.2.2. PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN CỦA NHIỆT ĐỐI LƯU
Lượng nhiệt toàn phần:
dQ = dQ + dQ + dQ x y z + " - ∂ ρW ( ) ∂ ρW ( ) ∂ ρW ( )% ∂ttt ( dQ x y z = C ,t$ + + '+ρW + ρW + ρW d V p x y z ) $ ∂xyz .- # &' ∂xyz * ⎡∂( W ρ ρ x ) ∂( Wy ) ∂( W ρ z )⎤
Với dòng liên tục có: ⎢ + + ⎥ = 0 ⎢ x y z ⎣ ∂ ∂ ∂ ⎥⎦ Nên: % ∂ttt " dQ = ρC W & + W + W d V p x # ' ∂x y y z z$ QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 9 1.2. Nhiệt đối lưu
1.2.2. PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN CỦA NHIỆT ĐỐI LƯU
Với quá trình truyền nhiệt ổn định, lượng nhiệt ở trong nguyên tố dV là không
đổi. Lượng nhiệt này phải bằng lượng nhiệt dẫn qua các mặt của dV là dQ:
% ∂ttt " dQ = ρC W & + W + W d V = λ ∇2t p x # ( )dV ' ∂x y y z z$
Phương trình vi phân cấp nhiệt đối lưu Fourier- Kirchhoff: % ∂ttt " λ ρC W & + W + W = λ ∇2t ∇2t p x # ( ); ( ) = a ∇2t ( ) ' ∂x y y z z$ C ρ p QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 10 1.2. Nhiệt đối lưu
1.2.3. ĐỒNG DẠNG CỦA CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT
Quá trình đối lưu nhiệt được mô tả bởi một hệ phương trình:
- Phương trình vi phân cân bằng của Ơle
- Phương trình dòng liên tục
- Phương trình vi phân cấp nhiệt đối lưu Fourier- Kirchhoff
Phải dựa vào lý thuyết đồng dạng để chuyển pt vi phân thành pt chuẩn số QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 11 1.2. Nhiệt đối lưu Chuẩn số Nuxen
Trong quá trình truyền nhiệt ổn định, lượng nhiệt truyền do dẫn nhiệt phải
bằng lượng nhiệt truyền do cấp nhiệt:
dt α (t t T )= −λ dn
Đưa chuẩn số đồng dạng vào: a dt a a a tα (tt T ) = −a t a λ a dn l a a t a a = a a l = idem Nu l a t a a a = a α = Nu l λ λ
Chuẩn số Nuxen đặc trưng cho quá trình cấp nhiệt trên bề mặt phân giới QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 12 1.2. Nhiệt đối lưu Chuẩn số Pecle
Được rút ra từ phương trình Fourier- Kirchhoff
Ví dụ đối với trục ox: Rút ra: l l w 1 1 = w 2 2 = idem a a 1 2 2 t ∂ ∂ t w = a x 2 wl xx ∂ = Pe a
Ngoài các chuẩn số trên, từ các pt chuyển động có các chuẩn số Eu, Fr,
Re, nên có thể biểu diễn:
F(Nu, , Pe Eu,Pr,Re)= 0 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 13 1.2. Nhiệt đối lưu Trong khi Eu = f (Re)
Kết hợp Pe và Nu có chuẩn số Prandtl đặc trưng cho tính chất vật lý của môi trường wl Pe a µ µ µCp Pr = = Re wl = = = ρ ρ a λρ λ µ ρ 2 3
gl ⎛ wlρ ⎞ gl
Kết hợp Re và Fr có chuẩn số Galile, Ga: 2 Ga = Fr.Re = = 2 ⎜⎜ ⎟⎟ 2 w ⎝ µ ⎠ γ
Chuẩn số Gratkov, đặc trưng cho truyền nhiệt khi đối lưu tự nhiên: gl3 Gr = β t Δ γ 2 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 14 1.2. Nhiệt đối lưu
Phương trình cấp nhiệt tổng quát được biểu diễn dưới dạng phương trình chuẩn số
là F
(Nu,Pe,Eu,Pr,Re)=0⇔ Nu = f '(Re,Pr,Gr)
Quá trình cấp nhiệt xảy ra trong dòng đối lưu tự nhiên:
Nu = f '(Pr,Gr)
Với các chất khí, chuẩn số Pr không biến đổi nhiều theo nhiệt độ:
Chuyển động cưỡng bức Nu = f (Re 3 )
Đối lưu tự nhiên Nu = f (Re 3 )
Dạng cụ thể ở dạng hàm số mũ k m n
Nu = C Re Pr Gr QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 15 1.2. Nhiệt đối lưu
Hệ số α được xác định theo quan hệ : C λ α = ( k m n Re Pr Gr ) l
Hệ số cấp nhiệt α chỉ có thể được xác định với từng trường
hợp cụ thể với mỗi thiết bị riêng biệt QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 16