Truyền Nhiệt và Truyền Khối: Các Nguyên lý Cơ bản - Ấn bản lần thứ 6 bởi Incropera, DeWitt

• Tác giả: Frank P. Incropera
• Chuyên ngành: Truyền nhiệt và truyền khối lượng
• Đề tài: Fundamentals of Heat and Mass Transfer
• Loại tài liệu: Giáo trình
• Năm xuất bản: 2007
• Địa điểm: Hoboken

Tóm tắt

I. Tổng quan về giáo trình Fundamentals of Heat and Mass Transfer Incropera

Fundamentals of Heat and Mass Transfer ấn bản thứ sáu là giáo trình kinh điển về truyền nhiệt và truyền khối lượng do Frank P. Incropera, David P. DeWitt, Theodore L. Bergman và Adrienne S. Lavine biên soạn. Sách được xuất bản bởi John Wiley & Sons vào năm 2007. Giáo trình này được sử dụng rộng rãi trong các chương trình kỹ thuật cơ khí, kỹ thuật hóa học và kỹ thuật hàng không trên toàn thế giới. Nội dung sách bao gồm ba phương thức truyền nhiệt cơ bản: dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ. Ngoài ra, sách còn trình bày nguyên lý truyền khối lượng song song với truyền nhiệt. Ấn bản thứ sáu được cập nhật với nhiều ví dụ thực tế mới, bài tập phong phú và ứng dụng kỹ thuật hiện đại. Sách có cấu trúc logic, đi từ nền tảng lý thuyết đến giải quyết vấn đề kỹ thuật thực tiễn. Mỗi chương đều có mục tiêu học tập rõ ràng,졍m bảo người đọc nắm vững kiến thức nền tảng trước khi tiến tới nội dung nâng cao. Đây là tài liệu không thể thiếu cho sinh viên kỹ thuật và kỹ sư hành nghề.

1.1. Các tác giả và quá trình hình thành giáo trình

Giáo trình được xây dựng bởi bốn tác giả hàng đầu trong lĩnh vực nhiệt kỹ thuật. Frank P. Incropera là giáo sư tại Đại học Notre Dame, chuyên gia về truyền nhiệt bức xạ và ứng dụng năng lượng mặt trời. David P. DeWitt công tác tại Đại học Purdue, đóng góp lớn vào công nghệ đo lường nhiệt vật lý. Ông qua đời năm 2005 và ấn bản thứ sáu được dành để tưởng nhớ ông. Theodore L. Bergman đến từ Đại học Connecticut và Adrienne S. Lavine thuộc UCLA. Bộ tứ tác giả đã hợp tác qua nhiều phiên bản, liên tục cập nhật nội dung phù hợp với tiến bộ khoa học kỹ thuật.

1.2. Cấu trúc tổng thể và phạm vi nội dung sách

Giáo trình được chia thành nhiều chương, bao phủ toàn diện lĩnh vực truyền nhiệt và truyền khối lượng. Phần đầu giới thiệu các khái niệm cơ bản và phương trình cân bằng nhiệt. Phần giữa trình bày chi tiết dẫn nhiệt qua vật rắn, đối lưu tự nhiên và cưỡng bức, cùng truyền nhiệt bức xạ. Phần cuối đi sâu vào truyền khối lượng, quá trình ngưng tụ và sôi. Mỗi chương kết thúc bằng danh mục bài tập đa dạng từ cơ bản đến nâng cao. Sách còn cung cấp phụ lục về tính chất nhiệt vật liệu, bảng biểu và dữ liệu kỹ thuật tham khảo cần thiết cho tính toán thực tế.

II. Phân tích các phương thức truyền nhiệt trong giáo trình Incropera

Giáo trình Incropera trình bày ba phương thức truyền nhiệt cơ bản một cách hệ thống và chi tiết. Dẫn nhiệt là quá trình truyền năng lượng từ vùng có nhiệt độ cao sang vùng nhiệt độ thấp thông qua tương tác giữa các phân tử và nguyên tử. Cơ chế này hoạt động ở mọi trạng thái vật chất: rắn, lỏng và khí. Phương trình Fourier mô tả tốc độ dẫn nhiệt tỷ lệ thuận với gradient nhiệt độ và diện tích tiết diện ngang. Đối lưu là phương thức truyền nhiệt liên quan đến chuyển động của chất lưu. Khi chất lưu tiếp xúc với bề mặt có nhiệt độ khác, năng lượng được trao đổi nhờ cả dẫn nhiệt cục bộ và vận chuyển khối. Hệ số truyền nhiệt đối lưu h đóng vai trò then chốt trong tính toán kỹ thuật. Bức xạ là phương thức truyền nhiệt không cần môi trường vật chất. Mọi vật có nhiệt độ tuyệt đối lớn hơn không đều phát ra bức xạ nhiệt theo định luật Stefan-Boltzmann. Giáo trình phân tích cả bức xạ của vật đen và vật xám, cùng tương tác bức xạ giữa các bề mặt.

2.1. Dẫn nhiệt và phương trình Fourier

Dẫn nhiệt là phương thức truyền năng lượng qua tương tác phân tử, không kèm theo chuyển động vĩ mô của vật chất. Trong khí, phân tử có nhiệt độ cao có động năng lớn hơn, va chạm truyền năng lượng sang phân tử lân cận. Trong chất rắn, dao động mạng tinh thể và chuyển động electron tự do là cơ chế truyền năng lượng chính. Phương trình Fourier q = -kA(dT/dx) biểu thị dòng nhiệt tỷ lệ với gradient nhiệt độ. Hệ số dẫn nhiệt k phụ thuộc vào bản chất vật liệu, nhiệt độ và áp suất. Giáo trình Incropera cung cấp bảng dữ liệu hệ số dẫn nhiệt cho nhiều loại vật liệu kỹ thuật phổ biến.

2.2. Đối lưu và bức xạ nhiệt

Đối lưu xảy ra khi chất lưu chuyển động mang theo năng lượng nhiệt. Đối lưu tự nhiên xuất hiện do lực nổi Archimedes khi mật độ chất lưu thay đổi theo nhiệt độ. Đối lưu cưỡng bức sử dụng bơm hoặc quạt để tạo dòng chảy. Hệ số truyền nhiệt đối lưu h được xác định qua số Nusselt, Reynolds và Prandtl. Bức xạ nhiệt dựa trên cơ chế phát xạ photon từ các electron trong nguyên tử và phân tử. Định luật Stefan-Boltzmann q = εσAT⁴ mô tả tổng năng lượng bức xạ từ một bề mặt. Giáo trình Incropera phân tích chi tiết hệ số phát xạ, yếu tố hình dạng và cân bằng bức xạ phức tạp.

III. Phương pháp học tập và áp dụng giáo trình Incropera hiệu quả

Để học tập hiệu quả giáo trình Fundamentals of Heat and Mass Transfer, cần có chiến lược tiếp cận rõ ràng. Bước đầu tiên là nắm vững các khái niệm nhiệt động học và cơ học chất lưu làm nền tảng. Mỗi chương trong sách đều xây dựng trên kiến thức của chương trước, nên việc học theo thứ tự là rất quan trọng. Người học nên đọc kỹ phần giới thiệu và mục tiêu của mỗi chương trước khi đi vào chi tiết. Các phương trình và công thức cần được hiểu từ góc độ vật lý trước khi áp dụng vào tính toán số. Thực hành giải bài tập là yếu tố then chốt. Giáo trình cung cấp nhiều ví dụ có lời giải chi tiết, minh họa cách áp dụng lý thuyết vào tình huống kỹ thuật cụ thể. Nên bắt đầu với bài tập cơ bản để củng cố khái niệm, sau đó tiến tới bài tập phức tạp. Việc sử dụng phần mềm tính toán như MATLAB hoặc Python giúp giải quyết bài toán truyền nhiệt nhiều chiều và quá trình chuyển tiếp hiệu quả. Nhóm học tập cũng là phương pháp hữu ích để thảo luận và làm rõ các khái niệm phức tạp.

3.1. Chiến lược đọc hiểu và ghi chép khoa học

Khi đọc giáo trình Incropera, nên áp dụng phương pháp đọc tích cực. Đầu tiên, lướt qua toàn bộ chương để nắm cấu trúc và nội dung chính. Thứ hai, đọc kỹ từng mục, ghi chú các khái niệm then chốt và công thức quan trọng. Thứ ba, tóm tắt nội dung bằng ngôn ngữ của riêng mình để kiểm tra mức độ hiểu. Việc vẽ sơ đồ tư duy giúp liên kết các khái niệm trong cùng một chương và giữa các chương. Nên ghi chép lại những điểm chưa hiểu để tra cứu hoặc hỏi giảng viên. Mỗi công thức cần được ghi kèm điều kiện áp dụng và ý nghĩa vật lý của từng đại lượng.

3.2. Thực hành giải bài tập và ứng dụng phần mềm

Giáo trình Incropera cung cấp hệ thống bài tập phong phú ở cuối mỗi chương. Nên giải tối thiểu ba đến năm bài tập mỗi chủ đề để củng cố kiến thức. Bài tập cơ bản giúp làm quen với công thức, bài tập trung bình đòi hỏi kết hợp nhiều khái niệm, bài tập nâng cao mô phỏng tình huống kỹ thuật thực tế. Sử dụng phần mềm tính toán giúp xử lý bài toán phức tạp như truyền nhiệt quá trình, dẫn nhiệt hai hoặc ba chiều. MATLAB với công cụ PDE Toolbox hoặc Python với thư viện SciPy là lựa chọn phổ biến. Việc so sánh kết quả số với nghiệm giải tích giúp kiểm chứng và hiểu sâu hơn bản chất vấn đề.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tế của kiến thức truyền nhiệt Incropera

Giáo trình Fundamentals of Heat and Mass Transfer Incropera ấn bản thứ sáu là nguồn kiến thức toàn diện và đáng tin cậy về truyền nhiệt và truyền khối lượng. Kiến thức từ giáo trình này được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật. Trong kỹ thuật cơ khí, kiến thức truyền nhiệt giúp thiết kế hệ thống làm mát động cơ, bộ trao đổi nhiệt và hệ thống điều hòa không khí. Trong kỹ thuật hóa học, nguyên lý truyền khối lượng hỗ trợ thiết kế thiết bị chưng cất, hấp thụ và sấy khô. Ngành năng lượng sử dụng kiến thức này để tối ưu hóa hiệu suất turbine khí, lò hơi và pin nhiên liệu. Giáo trình cũng cung cấp nền tảng cho nghiên cứu tiên tiến trong lĩnh vực vi điện tử, kỹ thuật y sinh và công nghệ nano. Ví dụ, kiểm soát nhiệt trong pin nhiên liệu yêu cầu hiểu biết sâu về cả truyền nhiệt đối lưu và quá trình ngưng tụ. Áp dụng tốt kiến thức truyền nhiệt giúp cải thiện hiệu suất năng lượng, giảm chi phí vận hành và tăng tuổi thọ thiết bị công nghiệp.

4.1. Ứng dụng trong thiết kế bộ trao đổi nhiệt

Bộ trao đổi nhiệt là thiết bị ứng dụng trực tiếp kiến thức truyền nhiệt từ giáo trình Incropera. Thiết kế bộ trao đổi nhiệt yêu cầu phân tích truyền nhiệt đối lưu ở cả hai bên chất lưu nóng và lạnh, cùng dẫn nhiệt qua vách ngăn. Phương pháp số trung bình logarit chênh lệch nhiệt độ và phương pháp hiệu suất-số đơn vị truyền nhiệt được trình bày chi tiết trong sách. Các loại bộ trao đổi nhiệt ống trong ống, vỏ ống và tấm gợn sóng đều được phân tích. Kiến thức này giúp kỹ sư chọn loại thiết bị phù hợp, tính toán diện tích truyền nhiệt và dự đoán hiệu suất hoạt động.

4.2. Vai trò trong nghiên cứu năng lượng và công nghệ mới

Kiến thức truyền nhiệt từ giáo trình Incropera đóng vai trò nền tảng trong nhiều hướng nghiên cứu năng lượng mới. Công nghệ pin nhiên liệu yêu cầu kiểm soát nhiệt độ chính xác để duy trì điều kiện hơi nước bão hòa trong màng điện phân. Thiết kế hệ thống làm mát cho chip vi xử lý áp dụng nguyên lý đối lưu cưỡng bức và dẫn nhiệt qua vật liệu dẫn nhiệt cao. Công nghệ thu hoạch năng lượng mặt trời sử dụng kiến thức bức xạ nhiệt để thiết kế bộ thu có hiệu suất cao. Nghiên cứu vật liệu cách nhiệt cho tòa nhà và hệ thống cryogenic cũng dựa trên nền tảng dẫn nhiệt và bức xạ từ giáo trình này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

qxd 3/6/06 11:11 AM Page iv ffirs.qxd 3/6/06 11:11 AM Page i SIXTH EDITION Fundamentals of Heat and Mass Transfer FRANK P. INCROPERA College of Engineering University of Notre Dame DAVID P. DEWITT School of Mechanical Engineering Purdue University THEODORE L. BERGMAN Department of Mechanical Engineering University of Connecticut ADRIENNE S. LAVINE Mechanical and Aerospace Engineering Department University of California, Los Angeles JOHN WILEY & SONS ffirs.qxd 3/6/06 11:11 AM Page ii www.org ASSOCIATE PUBLISHER Daniel Sayre ACQUISITIONS EDITOR Joseph Hayton SENIOR PRODUCTION EDITOR Valerie A. Vargas MARKETING MANAGER Phyllis Cerys SENIOR DESIGNER Madelyn Lesure COVER and TEXT DESIGNER Karin Gerdes Kincheloe COVER ILLUSTRATIONS Carol Grobe SENIOR ILLUSTRATION EDITOR Sandra Rigby EDITORIAL ASSISTANT Mary Morgan-McGee MEDIA EDITOR Stefanie Liebman PRODUCTION SERVICES Ingrao Associates This book was set in 10/12 Times Roman by GGS Information Services and printed and bound by R. The cover was printed by Phoenix Color. This book is printed on acid-free paper. 
 Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Inc. All rights reserved. No part of this publication may be reproduced, stored in a retrieval system or transmitted in any form or by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording, scanning or otherwise, except as permitted under Sections 107 or 108 of the 1976 United States Copyright Act, without either the prior written permission of the Publisher, or authorization through payment of the appropriate per-copy fee to the Copyright Clearance Center, Inc. 222 Rosewood Drive, Danvers, MA 01923, website www. Requests to the Publisher for permission should be addressed to the Permissions Department, John Wiley & Sons, Inc., 111 River Street, Hoboken, NJ 07030-5774, [phone], fax [phone], website http://www.com/go/permissions. To order books or for customer service, please call 1-800-CALL WILEY (225-5945). Library of Congress Cataloging-in-Publication Data Incropera, Frank P. Fundamentals of heat and mass transfer. Includes bibliographical references and index.402
2–dc22 2005058360 Printed in the United States of America 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 ffirs.qxd 3/6/06 11:11 AM Page iii In Memory David P. DeWitt March 2, 1934–May 17, 2005 The year 2005 was marked by the loss of Dr. DeWitt, a dear friend and col- league who contributed significantly to heat transfer technology and pedagogy throughout a distinguished 45-year career. Dave was educated as a mechanical engi- neer, receiving a BS degree from Duke University, an MS from MIT, and the PhD degree from Purdue University. His graduate studies at Purdue nucleated a strong interest in the fields of thermal physics and radiometry, in which he worked until illness made it impossible to continue. Dave was instrumental in developing radio- metric measurement standards at Purdue’s Thermophysical Properties Research Center, eventually becoming its deputy director and president of Technometrics Inc., an optical and thermal instrument design company. In 1973 he joined Purdue’s School of Mechanical Engineering at the rank of professor, where he taught and con- ducted research until his retirement in 2000. From 2000 to 2004, he worked in the Optical Technology Division of the National Institute of Technology and Standards. Dave was an excellent and demanding teacher, a good researcher and a superb engineer. In our nearly thirty-year collaboration, he provided complementary skills that contributed significantly to the success of the books we have co-authored. However, it is much more on a personal than a professional level that I have my fondest memories of this very special colleague. As co-authors, Dave and I spent thousands of hours working together on all facets of our books, typically in blocks of three to five hours. This time often in- volved spontaneous diversions from the task at hand, typically marked by humor or reflections on our personal lives. Dave and I each have three daughters of comparable ages, and we would often share stories on the joys and challenges of nurturing them. It’s hard to think about Dave without reflecting on the love and pride he had for his daughters (Karen, Amy, and Debbie). In 1990 Dave lost his first wife Jody due to cancer, and I witnessed first hand his personal character and strength as he supported her in battling this terrible disease. I also experienced the joy he felt in the relationship he developed with his second wife Phyllis, whom he married in 1997. I will always remember Dave as a sensitive and kind person of good humor and generosity. Dear friend, we miss you greatly, but we are comforted by the knowl- edge that you are now free of pain and in a better place. Incropera Notre Dame, Indiana ffirs.qxd 3/6/06 11:11 AM Page iv ffirs.qxd 3/6/06 11:11 AM Page v www.org Forward to Preface Not too long after finishing the previous editions of Fundamentals of Heat and Mass Transfer and Introduction to Heat Transfer, Dave DeWitt and I felt the need to plan for that time when we would no longer be able to add appropriate value to future editions. There were two matters of special concern. First, we were advanc- ing in years, and the potential for disruption due to declining health or our own mor- tality could not be ignored. But, perhaps more pertinent to maintaining freshness and vitality to the text books, we also recognized that we were becoming ever more distant from leading-edge activities in the field. In 2002, we concluded that we should proactively establish a succession plan involving the participation of additional co-authors. In establishing desired attrib- utes of potential candidates, we placed high priority on the following: a record of success in teaching heat and mass transfer, active involvement with research in the field, a history of service to the heat transfer community, and the ability to sustain an effective collaborative relationship. A large weighting factor was attached to this last attribute, since it was believed to have contributed significantly to whatever success Dave DeWitt and I have enjoyed with the previous editions. After reflecting long and hard on the many excellent options, Dave and I in- vited Ted Bergman and Adrienne Lavine, professors of Mechanical Engineering at the University of Connecticut and the University of California, Los Angeles, re- spectively, to join us as co-authors. We were grateful for their acceptance. Ted and Adrienne are listed as third and fourth authors for this edition, will move to first and second authors on the next edition, and will thereafter appear as sole authors. Ted and Adrienne have worked extremely hard on the current edition, and you will see numerous enhancements from their efforts, particularly in modern applica- tions related to subjects such as nano and biotechnology. It is therefore most appro- priate for Ted and Adrienne to share their thoughts in the following preface. Incropera Notre Dame, Indiana ffirs.qxd 3/6/06 11:11 AM Page vi fpref.qxd 3/6/06 11:11 AM Page vii Preface Since the last edition, fundamental changes have occurred, both nationally and globally, in how engineering is practiced, with questions raised about the future of the profession. How will the practice of engineering evolve over the next decade? Will tomorrow’s engineer be more valued if he is a specialist, or more handsomely rewarded if she has knowledge of greater breadth but less depth? How will engi- neering educators respond to changing market forces? Will the traditional bound- aries that separate the engineering disciplines in the typical college or university remain in place? We believe that, because technology provides the foundation for improving the standard of living of all humankind, the future of engineering is bright. But, in light of the tension between external demand for generalization and intellectual satisfac- tion of specialization, how will the discipline of heat transfer remain relevant? What will the value of this discipline be in the future? To what new problems will the knowledge of heat transfer be applied? In preparing this edition, we attempted to identify emerging issues in technol- ogy and science in which heat transfer is central to the realization of new products in areas such as information technology, biotechnology and pharmacology, alterna- tive energy, and nanotechnology. These new applications, along with traditional ap- plications in energy generation, energy utilization, and manufacturing, suggest that the discipline of heat transfer is healthy. Furthermore, when applied to problems that transcend traditional boundaries, heat transfer will be a vital and enabling disci- pline of the future. We have strived to remain true to the fundamental pedagogical approach of previous editions by retaining a rigorous and systematic methodology for problem solving, by including examples and problems that reveal the richness and beauty of the discipline, and by providing students with opportunities to meet the learning objectives.qxd 3/6/06 11:11 AM Page viii www.org viii Preface Approach and Organization From our perspective, the four learning objectives desired in any first course in heat transfer, detailed in the previous edition, remain as follows: 1. The student should internalize the meaning of the terminology and physical prin- ciples associated with the subject. The student should be able to delineate pertinent transport phenomena for any process or system involving heat transfer. The student should be able to use requisite inputs for computing heat transfer rates and/or material temperatures. The student should be able to develop representative models of real processes and systems and draw conclusions concerning process/system design or perfor- mance from attendant analysis. As in the previous edition, learning objectives for each chapter are clarified to enhance the means by which they are achieved, as well as means by which achieve- ment may be assessed. The summary of each chapter highlights key terminology and concepts developed in the chapter, and poses questions to test and enhance stu- dent comprehension. For problems involving complex models and/or exploratory, what-if, and para- meter sensitivity considerations, it is recommended that they be addressed by using a computational equation-solving package. To this end, the Interactive Heat Transfer (IHT) package developed by Intellipro, Inc. (New Brunswick, New Jersey) and available in the previous edition has been updated. The seasoned user will find the technical content of IHT to be largely unchanged, but the computational capability and features have been improved significantly. Specifically, IHT is now capable of solving 300 or more simultaneous equations. The user interface has been updated to include a full-function workspace editor with complete control over formatting of text, copy and paste functionality, an equation editor, a new graphing subsystem, and enhanced syntax checking. In addition, the software now has the capability to export IHT-specific functions (e. properties and correlations) as Microsoft Excel add-ins. A second software package, Finite Element Heat Transfer (FEHT), developed by F-Chart Software of Middleton, Wisconsin, provides enhanced capabilities for solv- ing two-dimensional conduction heat transfer problems. As in the previous edition, many homework problems that involve a computer- based solution appear as extensions to problems that can be solved by hand calcula- tion. This approach is time tested and allows students to validate their computer predictions by checking the predictions with their hand solutions. They may then proceed with parametric studies that explore related design and operating conditions. Such problems are identified by enclosing the exploratory part in a red rectangle, as, for example (b) , (c) , or (d) . This feature also allows instructors who wish to limit their assignments of computer-based problems to benefit from the richness of these problems. Solutions to problems for which the number itself is highlighted, as, for example, 1.26 , should be entirely computer based. We are aware that some instructors who use the text have not utilized IHT in their courses. We encourage our colleagues to dedicate, at a minimum, one-half hour of lecture or recitation time to demonstrate IHT as a tool for solving simultaneous equations, and for evaluating the thermophysical properties of various materials.qxd 3/6/06 11:11 AM Page ix Preface ix have found that, once students have seen its power and ease of use, they will eagerly utilize IHT’s additional features on their own. This will enable them to solve prob- lems faster, with fewer numerical errors, thereby freeing them to concentrate on the more substantive aspects of the problems.