Vật lý - Chương II: Trao đổi nhiệt đối lưu

CHƯƠNG II TRAO ĐỔI NHIỆT ĐỐI LƯU II.1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM II.2. PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH HỆ SỐ TỎA NHIỆT α II.1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM II.1.1. Quá trình đối lưu Quá trình đối lưu là quá trình trao đổi nhiệt giữa các khối chất khí hoặc chất lỏng với nhau. Quá trình luôn gắn liền với sự dịch chuyển của khối chất lỏng, chất khí từ vùng có nhiệt độ này đến vùng khác. II.1.2. Tỏa nhiệt đối lưu II.1.3. Các nhân tố ảnh hưởng Toả nhiệt đối lưu là quá trình trao đổi nhiệt giữa bề mặt vật rắn với dòng chất lỏng hoặc chất khí chuyển động trên bề mặt đó. + Nguyên nhân gây ra chuyển động. + Chế độ chuyển động. + Bản chất vật lý của chất lỏng, chất khí. + Hình dáng, kích thước và vị trí của bề mặt trao đổi nhiệt. II.1.4. Công thức Newton-Rickmman Xác định lượng nhiệt trao đổi giữa bề mặt vật rắn với chất lỏng hoặc chất khí qua 1(m2) diện tích bề mặt trao đổi nhiệt trong một đơn vị thời gian. q = α(tW - tf); W/m 2 α (W/m2.độ) α = f(, C, tW, tf, hình dáng kích thước) Q = q.F = α (tW-tf)F ;(W) II. 2. PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH HỆ SỐ TỎA NHIỆT α II.2.1. Phương pháp giải tích II.2.1.1. Hệ phương trình vi phân tỏa nhiệt gồm 4 phương trình: - Phương trình năng lượng: 2dt a t d    - Phương trình chuyển động: 2d g gradp d         - Phương trình liên tục (lưu động ổn định): yx z ( )( ) ( ) 0 x y z              - Phương trình vi phân tỏa nhiệt: w f n t -λ = α(t - t ) n       II.2.1.2. Điều kiện đơn trị - Điều kiện thời gian: Đặc trưng cho đặc tính của quá trình (ổn định hay không ổn định) - Điều kiện hình học: Cho biết hình dáng, kích thước, vị trí bề mặt - Điều kiện vật lý: Tính chất của môi trường chất lỏng, chất khí, nhiệt độ, các thông số vật lý , C - Điều kiện biên: Cho biết đặc tính của quá trình trao đổi nhiệt xảy ra trên bề mặt vật thể (đây chính là điều kiện biên loại ba). II.2.2. Phương pháp thực nghiệm  Cơ sở của phương pháp: Nếu hai hiện tượng vật lý đồng dạng với nhau thì kết quả nhận được khi nghiên cứu hiện tượng này có thể áp dụng cho hiện tượng kia và ngược lại. Như vậy, kết quả nhận được từ mô hình có thể áp dụng cho mọi hiện tượng thực tế đồng dạng với mô hình đó.  Định lý đồng dạng Hai hiện tượng vật lý đồng dạng với nhau nếu chúng có cùng bản chất vật lý, cùng được mô tả bằng phương trình hoặc hệ phương trình vi phân giống nhau, điều kiện đơn trị như nhau và các tiêu chuẩn đồng dạng cùng tên có trị số bằng nhau từng đôi một.  Tiêu chuẩn đồng dạng: Tiêu chuẩn đồng dạng là một tổ hợp không thứ nguyên do một số đại lượng vật lý đặc trưng cho hiện tượng đó tạo nên.  Tiêu chuẩn Nusselt: lN u    α - Hệ số tỏa nhiệt, W/m2.K - Hệ số dẫn nhiệt, W/m.K l(m)- Kích thước xác định  Tiêu chuẩn Reynold: l Re    ω- Tốc độ, m/s  - Độ nhớt động học, m2/s  Tiêu chuẩn Grashoff: 3 2 g l t Gr     g - Gia tốc trọng trường; 9,81 m/s2 β - Hệ số giãn nở thể tích, 1/ K t - Độ chênh nhiệt độ; t = tw - tf  Tiêu chuẩn Prandtl: P r a   a - Hệ số dẫn nhiệt độ, m2/s a c    C (J/kgK)- Nhiệt dung riêng ρ (kg/m3)- Khối lượng riêng Trong một bài toán tỏa nhiệt các tiêu chuẩn đồng dạng có mối quan hệ hoàn toàn xác định. Biểu thức mô tả mối quan hệ này được gọi là tiêu chuẩn đồng dạng. Trong các tiêu chuẩn đồng dạng trên Nu chứa đại lượng cần xác định là  nên được gọi là tiêu chuẩn cần xác định, các tiêu chuẩn còn lại gọi là tiêu chuẩn xác định. Dạng tổng quát của phương trình tiêu chuẩn: Nu = CRemPrnGrp C, m, n, p – Các hệ số thực nghiệm * Tóm tắt các bước giải bài toán:  Chọn kích thước xác định (l), xác định nhiệt độ tw, tf  Tra các thông số vật lý , c, β, , a  Tính toán các tiêu chuẩn Re, Gr, Pr Chọn phương trình tiêu chuẩn ứng với trường hợp ta xét, xác định Nu: l Nu    2 Nu W l m K         w fq t t  W/m2