Phần 2 Các quá trình truyền nhiệt

1 Phần 2 Các quá trình truyền nhiệt GV: TS. Nguyễn Minh Tân Bộ môn QTTB CN Hóa – Thực phẩm QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 2 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 2 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 3 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động tự do 1.2. Nhiệt đối lưu ( )nGrCNu ⋅= Pr Với chất lỏng có tính thấm ướt thành bình và có Pr > 0,7 ( ) 25,0 23,0 Pr PrPr51,0 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ⋅= T GrNu Với ống truyền nhiệt nằm ngang PrT: chuẩn số Prandt tính theo nhiệt độ thành tiếp xúc với chất lỏng 25,047,0 GrNu = Với không khí QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 4 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức 1.2. Nhiệt đối lưu 25,0 43,08,0 Pr PrPrRe021,0 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ⋅= T K GrNu ε Lưu thể chuyển động trong ống thẳng Với chất khí εk: ảnh hưởng của L/d tới hệ số cấp nhiệt Re > 10.000 8,0ReKCNu ε= 43,09,0 PrRe008,0 KNu ε=2300>Re > 10.000 25,0 4,043,033,0 Pr PrPrRe15,0 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = T d GrNu εRe < 2300 3 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 5 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức 1.2. Nhiệt đối lưu ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ += R d c 77,11αα 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: đường kính trong của ống xoắn R: Bán kính cong của vòng xoắn QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 6 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức 1.2. Nhiệt đối lưu Lưu thể chuyển động trong ống có tiết diện hình vành khăn: dtn: đường kính trong của ống ngoài 45,0 4,08,0 PrRe23,0 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = nt tn d dNu dnt: đường kính ngoài của ống trong 4 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 7 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức 1.2. Nhiệt đối lưu Lưu thể chuyển động trong ống có tiết diện hình vành khăn: dtn: đường kính trong của ống ngoài 45,0 4,08,0 PrRe23,0 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = nt tn d dNu dnt: đường kính ngoài của ống trong QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 8 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức 1.2. Nhiệt đối lưu Lưu thể chảy ngang bên ngoài một ống: dn: đường kính ngoài của ống 4,0PrRenKCNu ε= C,n: Hệ số phụ thuộc Re 4,0PrRenK nd C ελα = 5 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 9 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức 1.2. Nhiệt đối lưu Lưu thể chuyển động ngang bên ngoài một chùm ống: 25,0 33,065,0 Pr PrPrRe23,0 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ⋅= T Nu ϕ ε Dãy ống thứ ba (thẳng hàng) 25,0 35,060,0 Pr PrPrRe41,0 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ⋅= T Nu ϕ ε Dãy ống thứ ba (xen kẽ) 65,0Re21,0 ϕ ε=Nu Chất khí 60,0Re37,0 ϕ ε=Nu Chất khí QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 10 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức 1.2. Nhiệt đối lưu Lưu thể chuyển động ngang bên ngoài một chùm ống: Hệ số cấp nhiệt trung bình của toàn bộ chùm ống Khi số dãy ống khá lớn, có thể lấy gần đúng ... ... 321 332211 +++ +++ = FFF FFF tb ααα α 3αα =tb 6 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 11 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức 1.2. Nhiệt đối lưu Lưu thể chảy dọc bên ngoài một chùm ống: Dtd: đường kính tương đương của khoảng không gian giữa các ống,m 23,08,06,0 PrRe16,1 tdDNu = 23,08,06,0 PrRe16,1 td n D d λ α = dn: đường kính ngoài của ống truyền nhiệt,m QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 12 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức 1.2. Nhiệt đối lưu Lưu thể chảy dọc bên ngoài một chùm ống có tấm chắn chia ngăn: Tấm chắn hình viên phân: C = 1,72 14,0 23,06,06,0 Pr PrPrRe ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = T tdDCNu 14,0 23,06,06,0 PrRe ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = T td n D d C µ µλ α Tấm chắn hình vanh khan: C = 2,08 7 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 13 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức 1.2. Nhiệt đối lưu Lưu thể chảy ngang bên ngoài chùm ống có gân: dn: đường kính ngoài của ống 4,0 14,054,0 PrRenn t h t dCNu −− ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛= 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 t: bước của gân,m h: khoảng cách giữa thành ống và cạnh ngoài của gân, m Công thức được sử dụng khi 3000< Re<25000 và 3<(d/t), 4,8 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 14 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức 1.2. Nhiệt đối lưu Lưu thể chuyển động dọc theo tường phẳng: 25,0 43,08,0 PrRe037,0 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = nt tn d dNu Re>10.000 2,0Re032,0=Nu Không khí 25,0 63,05,0 PrRe76,0 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = nt tn d dNu Re <100.000 5,0Re66,0=Nu Không khí 8 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 15 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức 1.2. Nhiệt đối lưu Lưu thể chảy thành màng theo tường thẳng đứng: 3 1 Re.Pr.01,0 GaNu = Re>2.000 39 12 PrRe67,0 GaNu = Re <2.000 λ αHNu = Trong đó 2 22 µ ρ gHGa = Các đại lượng vật lý lấy theo nhiệt độ trung bình của màng QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 16 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi lưu thể bị khuấy trộn bằng cánh khuấy 1.2. Nhiệt đối lưu ( ) 14,033,0 Re.Pr T mCNu µ µ= λ αHNu = Trong đó µ πρ 2Re d= Các đại lượng C, m phụ thuộc vào cấu tạo thiết bị λ µpC=Pr 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 9 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 17 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi lưu thể bị khuấy trộn bằng cánh khuấy 1.2. Nhiệt đối lưu ( ) 14,033,0 Re.Pr T mCNu µ µ= λ αHNu = Trong đó µ πρ 2Re d= Các đại lượng C, m phụ thuộc vào cấu tạo thiết bị λ µpC=Pr 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 18 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi hơi ngưng tụ 1.2. Nhiệt đối lưu Ngưng tụ giọt - Bề mặt thành thiết bị không thấm nước ngưng Ngưng tụ màng Hệ số cấp nhiệt trong ngưng tụ giọt nhỏ hơn ngưng tụ màng - Bề mặt thành thiết bị thấm ướt nước 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 10 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 19 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi hơi ngưng tụ 1.2. Nhiệt đối lưu 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: JFttQ Tbh ,τ δ λ − = Theo phương trình tổng quát ( ) τα FttQ Tbh −= QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 20 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi hơi ngưng tụ 1.2. Nhiệt đối lưu δ λ α = 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 11 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 21 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi hơi ngưng tụ 1.2. Nhiệt đối lưu CmW tH r tH gr ° Δ = Δ = 24 32 4 32 /,04,215,1 µ λρ µ λρ α Hơi ngưng tụ bên ngoài thành ống thẳng đứng hoặc trên mặt tường thẳng đứng: Tbh ttt −=Δ Với hơi nước CmW tH rA ° Δ = 24 /,04,2α QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 22 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi hơi ngưng tụ 1.2. Nhiệt đối lưu CmW td r td gr ° Δ = Δ = 24 32 4 32 /,28,172,0 µ λρ µ λρ α Hơi ngưng tụ trên bề mặt ngoài của một ống nằm ngang: Tbh ttt −=Δ Với hơi nước CmW td rA ° Δ = 24 /,28,1α 12 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 23 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi hơi ngưng tụ 1.2. Nhiệt đối lưu Hơi ngưng tụ trên bề mặt ngoài của một chùm ống nằm ngang: αεα tbtd = -  Dãy ống phía dưới sẽ bị phủ lên một lớp nước ngưng dày hơn các dãy ống phía trên, đồng thời vận tốc hơi cũng bị giảm từ dãy trên xuỗng dãy dưới do một phần hơi đã ngưng tụ. Hệ số cấp nhiệt giảm dần -  Hệ số cấp nhiệt phụ thuộc vào số ống tại từng dãy: Hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ trên một ống nằm ngang. Hệ số phụ thuộc cách sắp xếp ống và số ống trên mỗi dãy (tra đồ thị thực nghiệm) QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 24 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi hơi ngưng tụ 1.2. Nhiệt đối lưu Hơi ngưng tụ trong ống xoắn: -  Hệ số cấp nhiệt tính gần đúng giống trường hợp ngưng tụ bên ngoài một ống nằm ngang -  Nếu chiều dài ống xoắn lớn, nước ngưng tụ dồn xuống đoạn cuối ống và giảm áp suất hơi -> giảm hiệu quả truyền nhiệt -  Tỉ số tới hạn l/d phụ thuộc vào áp suất hơi Hơi có chứa không khí: -  Hệ số cấp nhiệt tính gần đúng giống trường hợp ngưng tụ bên ngoài một ống nằm ngang nhân thêm với hệ số điều chỉnh ε phụ thuộc : o  Nồng độ không khí trong hơi o  Vận tốc hơi o  … 13 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 25 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi chất lỏng sôi 1.2. Nhiệt đối lưu -  Một chất lỏng bất kỳ chỉ có thể được đun nóng đến nhiệt độ bão hòa -  Nếu tiếp tục cung cấp nhiệt thì chất lỏng sôi Quá trình sôi: - Tạo thành bọt hơi - Bọt tạo thành trên bề mặt đun nóng từ những điểm riêng biệt -  Bề mặt đung nóng thấm ướt tốt thì hệ số cấp nhiệt…? - Bọt khí sau khi tách khỏi bề mặt đun nóng thì nổi lên trên và tăng thể tích QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 26 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi chất lỏng sôi 1.2. Nhiệt đối lưu j -  Đặc tính và cường độ quá trình sôi phụ thuộc vào hiệu số nhiệt độ giữa bề mặt đun nóng và chất lỏng sôi 2/, mWtq Δ=α - Sôi sủi bọt: hiệu số nhiệt độ tăng, tâm tạo bọt tăng, bọt hơi hình thành nhiều, làm tăng vận tốc chuyển động của chất lỏng, chất lỏng bị xáo trộn mạnh, hệ số cấp nhiệt…? - Sôi màng: bọt hơi kết dính với nhau tạo thành màng hơi trên bề mặt đun nóng, hệ số cấp nhiệt giảm đột ngột 14 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 27 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi chất lỏng sôi 1.2. Nhiệt đối lưu - Sôi sủi bọt: hiệu số nhiệt độ tăng, tâm tạo bọt tăng, bọt hơi hình thành nhiều, làm tăng vận tốc chuyển động của chất lỏng, chất lỏng bị xáo trộn mạnh, hệ số cấp nhiệt…? CmWqpn °= 27,013,0 /,14,3α Với các chất lỏng không phải là nước CmWtpn °Δ= 233,25,0 /,3,45α Hoặc nψαα = 435,022565,0 ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = n dd n dd n dd n dd C C µ µ ρ ρ λ λ ψ Với QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 28 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi chất lỏng sôi 1.2. Nhiệt đối lưu 2/, mWtq Δ=α -  Đặc tính và cường độ quá trình sôi phụ thuộc vào hiệu số nhiệt độ giữa bề mặt đun nóng và chất lỏng sôi - Sôi sủi bọt: hiệu số nhiệt độ tăng, tâm tạo bọt tăng, bọt hơi hình thành nhiều, làm tăng vận tốc chuyển động của chất lỏng, chất lỏng bị xáo trộn mạnh, hệ số cấp nhiệt…? CmWqpn °= 27,013,0 /,14,3α Hoặc CmWtpn °Δ= 233,25,0 /,3,45α