8.1. Định nghĩa: Trao đổi nhiệt đối lưu [Truyền nhiệt đối lưu, tỏa nhiệt] là quá trình trao đổi nhiệt xảy ra khi có sự dịch chuyển khối chất lưu [lỏng hoặc khí] trong không gian từ vùng có nhiệt độ này đến vùng có nhiệt độ khác. Quá trình truyền nhiệt đối lưu được thực hiện đồng thời với quá trình dẫn nhiệt, do trong quá trình chuyển động có sự va chạm trực tiếp giữa các phần tử chất lưu có nhiệt độ khác nhau.
2
- Chảy rối: Tốc độ lớn, các phần tử chuyển động hỗn loạn.
lớp biên. Nhiệt truyền theo phương vuông góc với hướng chuyển động được thực hiện bằng dẫn nhiệt qua lớp biên chảy tầng và sau đó được tăng cường bằng lớp chảy rối bên trong [mật độ dòng nhiệt của chảy rối cao hơn chảy tầng]
4
tw
tfd Biên chảy rối
Lớp đệm tầng
t Lớp đệm tầng
Biên chảy rối Biên chảy tầng
w
Hình 8: Dòng nhiệt và lớp biên
3] Tính chất vật lý của vật: , p, v, c, ...- Hình dáng, vị trí, kích thước vách rắn: Vách phẳng, vách trụ, vách cầu, hướng dòng chảy, kích thước không gian truyền nhiệt]
α [hệ số tỏa nhiệt đối lưu]
tw qw tf
Hình 8: Trao đổi nhiệt đối lưu 5
8. Lý luận đồng dạng và phương trình tiêu chuẩn
8.2. Lý do ra đời thuyết đồng dạng:
Từ công thức Newton: q = [tw – tf] [W/m 2 ].Tính qw
Phải tính hệ số toả nhiệt , không xác định được giá trị hệ số tỏa nhiệt đối lưu bằng lý thuyết. xác định bằng thực nghiệm.Xây dựng mô hình thí nghiệm thường nhỏ hơn thiết bị
thực để xác định thông qua các tiêu chuẩn đồng dạng.Khái niệm về đồng dạng ở đây là đồng dạng về mặt hình học, đồng dạng trong các hiện tượng vật lý. 7
8.2. Các tiêu chuẩn đồng dạng, các định lý đồng dạng:
Tiêu chuẩn đồng dạng là tổ hợp các đại lượng vật lý, tiêu chuẩn đồng dạng không có thứ nguyên
: hệ số toả nhiệt của chất lưu, [W/m 2 .độ];l: kích thước xác định của bề mặt toả nhiệt, [m];
: hệ số dẫn nhiệt của chất lưu, [W/m.độ];- Tiêu chuẩn Nusselt, ký hiệu Nu: Nu .l
Ý nghĩa vật lý của tiêu chuẩn Nusselts: Tiêu chuẩn Nusselts đặc trưng cho chế độ trao đổi nhiệt trên bề mặt vật rắn với chất lưu.
Muốn xác định hệ số toả nhiệt của chất lưu , phải sử dụngTiêu chuẩn Nusselts 8
- Tiêu chuẩn Grashoff, ký hiệu Gr:
g: Gia tốc trọng trường, [m/s 2 ];
: Hệ số dãn nở vì nhiệt độ, [1/độ]; t: độ chênh nhiệt độ trong khối chất lưu, [độ].2
l.t. 3Gr
Ý nghĩa vật lý tiêu chuẩn Grashoff: Tiêu chuẩn Grashoff đặc trưng cho lực nâng do sự khác biệt mật độ. Tiêu chuẩn Gr đặc trưng chính cho yếu tố trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên, yếu tố nguyên nhân chuyển động.
10
- Tiêu chuẩn Prandtl, ký hiệu Pr:
a
v
Pr
a: Hệ số dẫn nhiệt độ của chất lưu, [m 2 /s];
Ý nghĩa vật lý tiêu chuẩn Prandtl: Tiêu chuẩn Prandtl đặc trưng cho mức độ đồng dạng của
trường vận tốc [] và trường nhiệt độ [a].Tiêu chuẩn Prandtl đặc trưng chính cho yếu tố tính chất vật lý của chất lưu.
11
.ca
8.2. Phương trình tiêu chuẩn:
Các tiêu chuẩn đồng dạng có mối tương quan, được diễn tả dưới dạng phương trình tiêu chuẩn tổng quát:
Sự truyền nhiệt là quá trình trao đổi nhiệt lượng giữa hai môi trường có nhiệt độ khác nhau qua vách ngăn cách . Cũng có thể truyền nhiệt từ vật này sang vật khác bằng hình thức dẫn nhiệt. Quá trình trao đổi nhiệt diễn ra theo hướng chuyển nhiệt năng từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp cho đến khi nhiệt độ được cân bằng thì ngừng lại.
Quá trình truyền nhiệt thường xảy ra theo các giai đoạn sau:
- Trao đổi nhiệt giữa môi trường có nhiệt độ cao với bề mặt vách ngăn được thực hiện cơ bản bằng đối lưu hoặc đối lưu và bức xạ.
- Dẫn nhiệt qua bề mặt vách ngăn.
- Trao đổi nhiệt giữa bề mặt vách ngăn và môi trường có nhiệt độ thấp được thực hiện cơ bản bằng đối lưu.
Ngoài ra, truyền nhiệt là một quá trình phức tạp xảy ra đồng thời bởi nhiều phương thức khác nhau: dẫn nhiệt, đối lưu nhiệt và bức xạ nhiệt. Tùy theo dạng bề mặt vách ngăn, có các dạng truyền nhiệt như: truyền nhiệt qua vách phẳng, vách trụ hoặc vách có cánh.
Thiết bị truyền nhiệt
Thiết bị truyền nhiệt hay còn gọi là thiết bị trao đổi nhiệt dùng để thực hiện sự trao đổi nhiệt giữa một hay nhiều chất tải nhiệt. Những chất tải nhiệt có thể được ngăn cách bằng các ống [tube] hoặc các tấm [plate] để ngăn sự pha trộn hoặc tiếp xúc trực tiếp giữa các chất tải nhiệt.
Hiểu đơn giản hơn, bộ trao đổi nhiệt là một thiết bị được chế tạo để truyền nhiệt hiệu quả từ bộ phận này sang bộ phận khác. Vật trung gian truyền nhiệt có thể được ngăn cách bởi một bức vách rắn để chúng không pha trộn vào.
Phân loại thiết bị truyền nhiệt:
Với những ưu điểm vượt trội các thiết bị trao đổi nhiệt được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghệ tàu thủy, hóa chất, giấy. Dựa vào nguyên lý làm việc có thể chia thiết bị truyền nhiệt được chia thành 3 loại chính:
- Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu vách ngăn.
- Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu hồi nhiệt.
- Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu hỗn hợp.
Tìm hiểu nguyên lý truyền nhiệt
Khi có hai vật trao đổi nhiệt với nhau thì:
+ Nhiệt lượng truyền từ vật có nhiệt độ cao hơn sang vật có nhiệt độ thấp hơn
+ Sự truyền nhiệt xảy ra cho tới khi nhiệt độ hai vật cân bằng nhau.
+ Nhiệt lượng do vật này tỏa ra bằng nhiệt lượng do vật kia thu vào.
Hệ số truyền nhiệt là gì?
Hệ số truyền nhiệt của vật liệu là một thông số vật lý quan trọng trong việc tính toán các quá trình trao đổi nhiệt, được tính bằng Watt trên mét vuông [W/m²] trên bề mặt 1 gradient nhiệt độ một kelvin [1 °k] / đơn vị dày 1m.
Hệ số trao đổi nhiệt giúp ta giải quyết được nhiều vấn đề về công tác giám sát, sàng lọc nguyên vật liệu, R&D, đánh giá chất lượng sản phẩm trong nhiều lĩnh vực như: Dầu khí, nhiệt điện, vật liệu nano, polime, địa chất, chất lỏng truyền nhiệt, dệt may, bê tông xi măng, vật liệu thay đổi pha, phim mỏng, quang điện, vật liệu cách nhiệt, kim loại, đèn Led, ô tô…Đặc biệt, việc xác định hệ số truyền nhiệt của vật liệu là vô cùng quan trọng giúp tránh khỏi các tác hại tiêu cực: Tổn thất năng lượng, tính toán chính xác nguyên lý hoạt động của các chi tiết, các cảnh báo an toàn cho người tiêu dùng…
Truyền nhiệt đối lưu
Truyền nhiệt đối lưu là quá trình trao đổi nhiệt xảy ra giữa một bề mặt vật rắn tiếp xúc với môi trường chất lỏng [khí] có nhiệt độ khác nhau –> có sự chuyển động của chất lỏng.Quá trình truyền nhiệt đối lưu có thể diễn ra theo 2 cách:
Khái niệm trao đổi nhiệt đối lưu là gì?
Đối lưu nhiệt là quá trình trao đổi nhiệt được thực hiện nhờ sự chuyển động của chất lỏng hay chất khí giữa các vùng có nhiệt độ khác nhau hoặc sự truyền nhiệt từ một hệ rắn sang một hệ lỏng [hoặc khí] và ngược lại.
Trao đổi nhiệt bức xạ là gì?
Bức xạ nhiệt: Đây là phương thức truyền nhiệt xảy ra thông qua sóng điện từ, như ánh sáng hoặc tia tử ngoại. Trong quá trình bức xạ nhiệt, nhiệt lượng được truyền từ một vật đến vật khác mà không cần có chất truyền qua trung gian. Ví dụ, mặt trời truyền nhiệt cho Trái Đất thông qua bức xạ nhiệt.
Quá trình tỏa nhiệt đối lưu xảy ra khi nào?
Truyền nhiệt đối lưu Đối lưu nhiệt tự nhiên: Xảy ra khi giữa các phần tử có nhiệt độ khác nhau và có khối lượng riêng khác nhau. Đối lưu nhiệt cưỡng bức: Dùng công bên ngoài như bơm, quạt, khuấy trộn,… để tạo đối lưu. Vận tốc của quá trình đối lưu cưỡng bức lớn hơn rất nhiều lần so với đối lưu tự nhiên.
Thế nào là sự dẫn nhiệt đối lưu?
Đối lưu [tiếng Anh: Convection] chính là chỉ lưu động tương đối của nội bộ chất lưu bởi vì nhiệt độ của các bộ phận không giống nhau cho nên hình thành, tức là chất lưu [chất khí hoặc chất lỏng] thực hiện quá trình chuyển giao nhiệt lượng thông qua tính lưu động vĩ mô của tự thân các bộ phận.