Introduction to Heat Transfer, Sixth Edition by Bergman, Lavine, Incropera, DeWitt

• Tác giả: Theodore L. Bergman
• Trường học: John Wiley & Sons
• Chuyên ngành: Truyền nhiệt
• Đề tài: Giới thiệu về Truyền nhiệt
• Loại tài liệu: Giáo trình
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Hoboken

Tóm tắt

I. Tổng quan về giáo trình Incropera Introduction to Heat Transfer 6th Edition

Introduction to Heat Transfer ấn bản thứ sáu là giáo trình kinh điển về truyền nhiệt do các tác giả Theodore L. Bergman, Adrienne S. Lavine, Frank P. Incropera và David P. DeWitt biên soạn. Cuốn sách được xuất bản bởi John Wiley & Sons vào năm 2011, là tài liệu giảng dạy chính tại nhiều trường đại học kỹ thuật hàng đầu trên thế giới. Giáo trình cung cấp nền tảng lý thuyết vững chắc về ba cơ chế truyền nhiệt cơ bản: dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ. Nội dung sách được trình bày logic, từ các khái niệm cơ bản đến các ứng dụng thực tiễn phức tạp. Mỗi chương đều đi kèm bài tập thực hành và ví dụ minh họa sinh động. Ấn bản thứ sáu được cập nhật nhiều nội dung mới, bao gồm các ứng dụng công nghệ hiện đại như pin nhiên liệu và hệ thống làm mát điện tử. Đây là tài liệu không thể thiếu cho sinh viên kỹ thuật cơ khí, kỹ thuật hóa học và các ngành liên quan đến nhiệt động lực học.

1.1. Các tác giả và quá trình biên soạn

Giáo trình Introduction to Heat Transfer được viết bởi bốn chuyên gia hàng đầu trong lĩnh vực truyền nhiệt. Frank P. Incropera từ Đại học Notre Dame là người đặt nền móng cho cuốn sách. David P. DeWitt đến từ Đại học Purdue đóng góp chuyên sâu về bức xạ nhiệt. Theodore L. Bergman thuộc Đại học Connecticut và Adrienne S. Lavine từ UCLA đã mở rộng nội dung cho ấn bản mới. Quá trình biênsoạn kéo dài nhiều năm, liên tục được cải tiến qua sáu ấn bản. Mỗi ấn bản đều tích hợp phản hồi từ giảng viên và sinh viên toàn cầu.

1.2. Cấu trúc nội dung chính của giáo trình

Giáo trình được chia thành nhiều phần logic. Phần đầu giới thiệu các khái niệm cơ bản về truyền nhiệt và điều kiện biên. Phần tiếp theo trình bày dẫn nhiệt chi tiết qua phương trình Fourier và phương trình nhiệt phi tuyến. Phần giữa tập trung vào đối lưu tự nhiên và cưỡng bức. Phần sau thảo luận về truyền nhiệt bức xạ giữa các bề mặt. Cuối sách giới thiệu các phương pháp giải số và ứng dụng thực tế. Phụ lục cung cấp bảng tra cứu tính chất vật liệu cần thiết cho tính toán kỹ thuật.

II. Phân tích các phương trình và nguyên lý truyền nhiệt cơ bản

Phương trình nền tảng trong giáo trình Incropera là định luật Fourier về dẫn nhiệt. Công thức q"ₓ = -k(dT/dx) mô tả dòng nhiệt tỷ lệ thuận với gradient nhiệt độ và độ dẫn nhiệt của vật liệu. Định nghĩa này liên kết dẫn nhiệt với hiện tượng khuếch tán năng lượng do hoạt động phân tử. Trong vật liệu dẫn điện, năng lượng truyền qua chuyển động của electron tự do và sóng mạng tinh thể. Giáo trình cũng phân tích chi tiết phương trình năng lượng tổng quát, áp dụng cho các hệ thống một chiều và đa chiều. Phương trình nhiệt phi tuyến tính được giải bằng phương pháp giải tích và giải số. Các điều kiện biên như nhiệt độ không đổi, dòng nhiệt không đổi và đối lưu được trình bày rõ ràng. Giáo trình cung cấp công cụ tính toán cho bài toán trạng thái dừng và không dừng. Mỗi khái niệm đều được minh họa bằng đồ thị và sơ đồ trực quan.

2.1. Định luật Fourier và ứng dụng trong dẫn nhiệt

Định luật Fourier là công cụ cơ bản để tính toán dẫn nhiệt. Đối với tường phẳng một chiều, dòng nhiệt truyền từ bề mặt nóng sang bề mặt lạnh. Độ dẫn nhiệt k là tính chất vật liệu quyết định tốc độ truyền nhiệt. Giáo trình Incropera giải thích rằng trong vật liệu cách nhiệt, năng lượng truyền chủ yếu qua sóng mạng tinh thể. Trong kim loại, electron tự do đóng vai trò quan trọng hơn. Các ví dụ thực tế bao gồm truyền nhiệt qua vỏ nồi cà phê nóng và tổn thất nhiệt qua tường nhà vào mùa đông. Phương trình Fourier mở rộng cho hình trụ và hình cầu trong các bài toán kỹ thuật thực tế.

2.2. Phương trình nhiệt và điều kiện biên

Phương trình nhiệt mô tả sự phân bố nhiệt độ trong không gian và thời gian. Đối với hệ thống một chiều, phương trình được viết dưới dạng đạo hàm bậc hai theo vị trí và đạo hàm bậc nhất theo thời gian. Giáo trình trình bày ba loại điều kiện biên phổ biến. Loại một là nhiệt độ bề mặt không đổi. Loại hai là dòng nhiệt tại bề mặt được xác định. Loại ba là điều kiện đối lưu tại bề mặt kết hợp hệ số truyền nhiệt. Mỗi loại điều kiện biên tạo ra nghiệm khác nhau cho cùng một bài toán. Việc lựa chọn điều kiện biên phù hợp là bước quan trọng trong giải bài toán truyền nhiệt thực tế.

III. Giải pháp và phương pháp giải các bài toán truyền nhiệt thực tế

Giáo trình Incropera cung cấp nhiều phương pháp giải bài toán truyền nhiệt từ đơn giản đến phức tạp. Phương pháp giải tích áp dụng cho các hình học đơn giản như tường phẳng, hình trụ rỗng và hình cầu. Phương pháp đồ thị Heisler cho phép giải nhanh bài toán trạng thái không dừng. Giáo trình giới thiệu ma trận điện trở nhiệt để phân tích hệ thống nhiều lớp. Phương pháp giải số sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn và phương pháp sai phân hữu hạn. Công cụ tính toán hiện đại như phần mềm mô phỏng được tích hợp trong nội dung. Giáo trình nhấn mạnh việc kiểm tra nghiệm bằng cân bằng năng lượng. Các bài toán thực tế như làm mát chip điện tử và thiết kế bộ trao đổi nhiệt được trình bày chi tiết. Sinh viên được hướng dẫn từng bước để xây dựng mô hình toán học từ bài toán vật lý thực tế.

3.1. Phương pháp giải tích và đồ thị Heisler

Phương pháp giải tích cung nghiệm chính xác cho hình học đơn giản. Đối với tường phẳng một chiều, nghiệm dạng chuỗi Fourier mô tả phân bố nhiệt độ. Đồ thị Heisler rút ngắn thời gian tính toán bằng cách sử dụng số Fourier và số Biot. Giáo trình Incropera cung cấp ba bộ đồ thị cho tường phẳng, hình trụ dài và hình cầu. Số Biot đánh giá tỷ lệ giữa kháng dẫn nhiệt trong và kháng đối lưu ngoài. Khi số Biot nhỏ hơn 0.1, phương pháp lumped capacitance được áp dụng. Phương pháp này giả định nhiệt độ đồng đều trong vật thể, đơn giản hóa đáng kể quá trình tính toán.

3.2. Phương pháp giải số và mô phỏng truyền nhiệt

Phương pháp giải số là công cụ mạnh mẽ cho bài toán hình học phức tạp. Giáo trình giới thiệu phương pháp sai phân hữu hạn để biến đổi phương trình vi phân thành hệ phương trình đại số. Ma trận hệ số được xây dựng dựa trên lưới chia nhỏ miền tính toán. Phương pháp lặp Gauss-Seidel và TDMA được sử dụng để giải hệ phương trình. Giáo trình cũng giới thiệu nguyên lý cân bằng năng lượng tại mỗi nút lưới. Kết quả giải số được kiểm tra bằng cách so sánh với nghiệm giải tích khi có thể. Các phần mềm như MATLAB và ANSYS được sử dụng để mô phỏng các bài toán phức tạp trong công nghiệp.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tế của giáo trình truyền nhiệt Incropera

Giáo trình Introduction to Heat Transfer ấn bản thứ sáu đã trở thành chuẩn mực trong giảng dạy truyền nhiệt. Nội dung sách kết hợp lý thuyết chặt chẽ với ứng dụng thực tiễn đa dạng. Các ví dụ về pin nhiên liệu cho thấy tầm quan trọng của kiểm soát nhiệt trong công nghệ năng lượng sạch. Trong pin nhiên liệu PEM, màng điện giải phải hoạt động ở trạng thái ẩm để dẫn ion. Nhiệt độ tế bào phải được kiểm soát chính xác để tránh ngưng tụ nước lỏng chặn oxy tại catốt. Giáo trình cũng ứng dụng trong thiết kế hệ thống làm mát điện tử, trao đổi nhiệt công nghiệp và cách nhiệt xây dựng. Kiến thức từ cuốn sách giúp kỹ sư giải quyết các thách thức về quản lý nhiệt trong thực tế. Ấn bản thứ sáu với nội dung cập nhật phản ánh xu hướng công nghệ hiện đại và nhu cầu đào tạo kỹ sư chất lượng cao.

4.1. Ứng dụng trong công nghệ pin nhiên liệu

Pin nhiên liệu PEM là ứng dụng nổi bật được phân tích trong giáo trình Incropera. Phản ứng điện hóa tổng thể 2H₂ + O₂ → 2H₂O tỏa nhiệt với tốc độ 11.25 W. Điện năng tạo ra đạt 9 W cho tế bào có kích thước 50mm × 50mm. Giáo trình giải thích cách nhiệt lượng này phải được loại bỏ bằng đối lưu và bức xạ. Điều kiện hơi nước bão hòa tại catốt tương ứng với nhiệt độ 56°C phải được duy trì. Nếu nước lỏng tích tụ tại catốt, oxy không thể tiếp cận vị trí phản ứng. Quản lý nhiệt trở thành yếu tố quyết định hiệu suất và tuổi thọ pin nhiên liệu.

4.2. Giá trị giáo dục và ảnh hưởng toàn cầu

Giáo trình Incropera được sử dụng tại hàng nghìn trường đại học trên toàn thế giới. Nội dung sách phù hợp cho cả chương trình đại học và sau đại học. Hệ thống bài tập phong phú từ cơ bản đến nâng cao hỗ trợ việc tự học hiệu quả. Giải bài tập chi tiết giúp sinh viên hiểu sâu quy trình giải quyết vấn đề. Giáo trình đã được dịch sang nhiều ngôn ngữ và tái bản nhiều lần. Các giảng viên đánh giá cao cách trình bày logic và hệ thống của cuốn sách. Đây là tài liệu tham khảo không thể thiếu cho nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật nhiệt.

Trích đoạn nội dung tài liệu

net http://www.net LIBROS UNIVERISTARIOS Y SOLUCIONARIOS DE MUCHOS DE ESTOS LIBROS LOS SOLUCIONARIOS CONTIENEN TODOS LOS EJERCICIOS DEL LIBRO RESUELTOS Y EXPLICADOS DE FORMA CLARA VISITANOS PARA DESARGALOS GRATIS.net This page intentionally left blank www.net SIXTH EDITION Introduction to Heat Transfer THEODORE L. BERGMAN Department of Mechanical Engineering University of Connecticut ADRIENNE S. LAVINE Mechanical and Aerospace Engineering Department University of California, Los Angeles FRANK P. INCROPERA College of Engineering University of Notre Dame DAVID P. DEWITT School of Mechanical Engineering Purdue University JOHN WILEY & SONS, INC.net VICE PRESIDENT & PUBLISHER Don Fowley EXECUTIVE EDITOR Linda Ratts EDITORIAL ASSISTANT Renata Marchione MARKETING MANAGER Christopher Ruel PRODUCTION MANAGER Dorothy Sinclair PRODUCTION EDITOR Sandra Dumas DESIGNER Wendy Lai EXECUTIVE MEDIA EDITOR Thomas Kulesa PRODUCTION MANAGEMENT SERVICES MPS Ltd. This book was typeset in 10.5/12 Times Roman by MPS Limited, a Macmillan Company and printed and bound by R. The cover was printed by R. Founded in 1807, John Wiley & Sons, Inc. has been a valued source of knowledge and understanding for more than 200 years, helping people around the world meet their needs and fulfill their aspirations. Our company is built on a foundation of principles that include responsibility to the communities we serve and where we live and work. In 2008, we launched a Corporate Citizenship Initiative, a global effort to address the environmental, social, economic, and ethical challenges we face in our business. Among the issues we are addressing are carbon impact, paper specifications and procurement, ethical conduct within our business and among our vendors, and community and charitable support. For more information, please visit our website: www.com/go/citizenship. The paper in this book was manufactured by a mill whose forest management programs include sustained yield harvesting of its timberlands. Sustained yield-harvesting principles ensure that the number of trees cut each year does not exceed the amount of new growth. This book is printed on acid-free paper. Copyright © 2011, 2007, 2002 by 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, 222 Rosewood Drive, Danvers, MA 01923, [phone], fax [phone]. 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]. Evaluation copies are provided to qualified academics and professionals for review purposes only, for use in their courses during the next academic year. These copies are licensed and may not be sold or transferred to a third party. Upon completion of the review period, please return the evaluation copy to Wiley. Return instructions and a free of charge return shipping label are available at www.com/go/returnlabel. If you have chosen to adopt this textbook for use in your course, please accept this book as your complimentary desk copy. Outside of the United States, please contact your local representative. ISBN 13 978-0470-50196-2 Printed in the United States of America 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 www.net Preface In the Preface to the previous edition, we posed questions regarding trends in engineering education and practice, and whether the discipline of heat transfer would remain relevant. After weighing various arguments, we concluded that the future of engineering was bright and that heat transfer would remain a vital and enabling discipline across a range of emerg- ing technologies including but not limited to information technology, biotechnology, phar- macology, and alternative energy generation. Since we drew these conclusions, many changes have occurred in both engineering education and engineering practice. Driving factors have been a contracting global econ- omy, coupled with technological and environmental challenges associated with energy pro- duction and energy conversion. The impact of a weak global economy on higher education has been sobering. Colleges and universities around the world are being forced to set prior- ities and answer tough questions as to which educational programs are crucial, and which are not. Was our previous assessment of the future of engineering, including the relevance of heat transfer, too optimistic? Faced with economic realities, many colleges and universities have set clear priorities. In recognition of its value and relevance to society, investment in engineering education has, in many cases, increased. Pedagogically, there is renewed emphasis on the fundamen- tal principles that are the foundation for lifelong learning. The important and sometimes dominant role of heat transfer in many applications, particularly in conventional as well as in alternative energy generation and concomitant environmental effects, has reaffirmed its relevance. We believe our previous conclusions were correct: The future of engineering is bright, and heat transfer is a topic that is crucial to address a broad array of technological and environmental challenges. In preparing this edition, we have sought to incorporate recent heat transfer research at a level that is appropriate for an undergraduate student. We have strived to include new examples and problems that motivate students with interesting applications, but whose solutions are based firmly on fundamental principles. We have remained true to the peda- gogical approach of previous editions by retaining a rigorous and systematic methodology for problem solving. We have attempted to continue the tradition of providing a text that will serve as a valuable, everyday resource for students and practicing engineers through- out their careers.net iv Preface Approach and Organization Previous editions of the text have adhered to four learning objectives: 1. The student should internalize the meaning of the terminology and physical principles associated with heat transfer. 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 performance from the atten- dant analysis. Moreover, as in previous editions, specific learning objectives for each chapter are clarified, as are means by which achievement of the objectives may be assessed. The sum- mary of each chapter highlights key terminology and concepts developed in the chapter and poses questions designed to test and enhance student comprehension. It is recommended that problems involving complex models and/or exploratory, what- if, and parameter sensitivity considerations be addressed using a computational equation- solving package. To this end, the Interactive Heat Transfer (IHT) package available in pre- vious editions has been updated. Specifically, a simplified user interface now delineates between the basic and advanced features of the software. It has been our experience that most students and instructors will use primarily the basic features of IHT. By clearly identi- fying which features are advanced, we believe students will be motivated to use IHT on a daily basis. A second software package, Finite Element Heat Transfer (FEHT), developed by F-Chart Software (Madison, Wisconsin), provides enhanced capabilities for solving two-dimensional conduction heat transfer problems. To encourage use of IHT, a Quickstart User’s Guide has been installed in the soft- ware. Students and instructors can become familiar with the basic features of IHT in approximately one hour. It has been our experience that once students have read the Quickstart guide, they will use IHT heavily, even in courses other than heat transfer. Students report that IHT significantly reduces the time spent on the mechanics of lengthy problem solutions, reduces errors, and allows more attention to be paid to substantive aspects of the solution. Graphical output can be generated for homework solutions, reports, and papers. As in previous editions, some homework problems require a computer-based solution. Other problems include both a hand calculation and an extension that is computer based. The latter approach is time-tested and promotes the habit of checking a computer-generated solution with a hand calculation. Once validated in this manner, the computer solution can be utilized to conduct parametric calculations. Problems involving both hand- and com- puter-generated solutions 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 prob- lems without assigning their computer-based parts. Solutions to problems for which the number is highlighted (for example, 1.19 ) are entirely computer based.net Preface v What’s New in the Sixth Edition Chapter-by-Chapter Content Changes In the previous edition, Chapter 1 Introduction was modified to emphasize the relevance of heat transfer in various contemporary applica- tions. Responding to today’s challenges involving energy production and its environmental impact, an expanded discussion of the efficiency of energy conversion and the production of greenhouse gases has been added. Chapter 1 has also been modified to embellish the com- plementary nature of heat transfer and thermodynamics. The existing treatment of the first law of thermodynamics is augmented with a new section on the relationship between heat transfer and the second law of thermodynamics as well as the efficiency of heat engines. Indeed, the influence of heat transfer on the efficiency of energy conversion is a recurring theme throughout this edition. The coverage of micro- and nanoscale effects in Chapter 2 Introduction to Conduction has been updated, reflecting recent advances. For example, the description of the thermophysical properties of composite materials is enhanced, with a new discussion of nanofluids. Chapter 3 One-Dimensional, Steady-State Conduction has undergone extensive revision and includes new material on conduction in porous media, thermoelectric power generation, and micro- as well as nanoscale systems. Inclusion of these new topics follows recent fundamental discover- ies and is presented through the use of the thermal resistance network concept. Hence the power and utility of the resistance network approach is further emphasized in this edition. Chapter 4 Two-Dimensional, Steady-State Conduction has been reduced in length. Today, systems of linear, algebraic equations are readily solved using standard computer software or even handheld calculators. Hence the focus of the shortened chapter is on the application of heat transfer principles to derive the systems of algebraic equations to be solved and on the discussion and interpretation of results. The discussion of Gauss–Seidel iteration has been moved to an appendix for instructors wishing to cover that material. Chapter 5 Transient Conduction was substantially modified in the previous edition and has been augmented in this edition with a streamlined presentation of the lumped- capacitance method. Chapter 6 Introduction to Convection includes clarification of how temperature-dependent properties should be evaluated when calculating the convection heat transfer coefficient. The fundamental aspects of compressible flow are introduced to provide the reader with guidelines regarding the limits of applicability of the treatment of convection in the text. Chapter 7 External Flow has been updated and reduced in length. Specifically, presen- tation of the similarity solution for flow over a flat plate has been simplified. New results for flow over noncircular cylinders have been added, replacing the correlations of previous editions. The discussion of flow across banks of tubes has been shortened, eliminating redundancy without sacrificing content. Chapter 8 Internal Flow entry length correlations have been updated, and the discus- sion of micro- and nanoscale convection has been modified and linked to the content of Chapter 3. Changes to Chapter 9 Free Convection include a new correlation for free convection from flat plates, replacing a correlation from previous editions. The discussion of boundary layer effects has been modified. Aspects of condensation included in Chapter 10 Boiling and Condensation have been updated to incorporate recent advances in, for example, external condensation on finned tubes. The effects of surface tension and the presence of noncondensable gases in modifying www.net vi Preface condensation phenomena and heat transfer rates are elucidated.