Jack P. Holman: Heat Transfer - Các Quan Hệ Cơ Bản và Bảng Chuyển Đổi Đơn Vị Kỹ Thuật

• Tác giả: Jack P. Holman
• Trường học: Southern Methodist University
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
• Đề tài: Truyền nhiệt
• Loại tài liệu: Sách giáo khoa
• Năm xuất bản: 2010
• Địa điểm: New York

Tóm tắt

I. Tổng quan về truyền nhiệt trong giáo trình Jack P

Giáo trình Heat Transfer của Jack P. Holman là tài liệu kinh điển về nguyên lý truyền nhiệt. Nội dung trình bày ba cơ chế truyền nhiệt cơ bản: dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ. Phương trình Fourier cốt lõi qx = -kA(∂T/∂x) mô tả dòng nhiệt tỷ lệ thuận với gradient nhiệt độ. Tài liệu cung cấp các hệ số chuyển đổi chi tiết giữa hệ SI và Anh, rất cần thiết cho kỹ sư quốc tế. Các hằng số vật lý như hằng số Stefan-Boltzmann cũng được liệt kê chính xác. Cuốn sách đặt nền tảng vững chắc cho phân tích nhiệt trong nhiều ứng dụng kỹ thuật.

1.1. Các cơ chế truyền nhiệt cơ bản

Truyền nhiệt xảy ra qua ba cơ chế chính. Dẫn nhiệt là sự truyền năng lượng qua vật liệu rắn nhờ va chạm phân tử, chi phối bởi độ dẫn nhiệt k. Đối lưu là sự truyền nhiệt giữa bề mặt và chất lỏng chuyển động, phụ thuộc vào hệ số đối lưu h. Bức xạ là sự truyền nhiệt qua sóng điện từ, không cần vật liệu trung gian, mô tả bởi hằng số Stefan-Boltzmann σ. Mỗi cơ chế có phương trình và điều kiện áp dụng riêng biệt.

1.2. Các đại lượng và hệ số chuyển đổi quan trọng

Giáo trình liệt kê đầy đủ các hệ số chuyển đổi cho các đại lượng truyền nhiệt. Các đại lượng như nhiệt lượng q, thông lượng nhiệt q/A, độ dẫn nhiệt k, hệ số đối lưu h đều có quy đổi chi tiết. Ví dụ, 1 W/m²·°C = 0.1761 Btu/h·ft²·°F. Việc nắm vững các hệ số này là then chốt khi làm việc với tài liệu kỹ thuật quốc tế. Các hằng số vật lý như hằng số Avogadro và Boltzmann cũng được cung cấp để hỗ trợ tính toán.

II. Phân tích các vấn đề truyền nhiệt phức tạp trong thực tế

Ứng dụng lý thuyết truyền nhiệt vào thực tế gặp nhiều thách thức. Các bài toán thường kết hợp đồng thời nhiều cơ chế truyền nhiệt, ví dụ một vật thể vừa đối lưu với không khí vừa bức xạ với tường bao quanh. Bài tập 1-41 về sân trượt băng minh họa rõ điều này: cần tính cả nhiệt đối lưu với không khí và nhiệt bức xạ với tường. Phương trình cân bằng nhiệt tổng quát dqx + dqy + dqz + dqgen = dE/ dτ phải được áp dụng chính xác. Xác định điều kiện biên phù hợp (nhiệt độ bề mặt, thông lượng, hoặc đối lưu) là bước khó khăn đầu tiên. Các dạng hình học phức tạp (trụ tròn, cầu) đòi hỏi chuyển đổi hệ tọa độ toán học.

2.1. Bài toán kết hợp dẫn đối lưu và bức xạ

Nhiều hệ thống thực tế truyền nhiệt qua nhiều cơ chế cùng lúc. Ví dụ, một ống dẫn nóng mất nhiệt ra môi trường qua cả ba quá trình. Cần áp dụng khái niệm điện trở nhiệt tương đương để tính tổng dòng nhiệt. Điện trở dẫn là Δx/(kA), điện trở đối lưu là 1/(hA). Đối với bức xạ, tính toán phức tạp hơn do phụ thuộc vào độ phát xạ ε và hệ số dạng F12. Phương trình q = hA(Tsurface - T∞) chỉ đủ cho đối lưu đơn giản.

2.2. Bài toán điều kiện biên và hình học phức tạp

Đặt đúng điều kiện biên là bước then chốt trong phân tích truyền nhiệt. Có ba loại phổ biến: nhiệt độ bề mặt không đổi, thông lượng nhiệt không đổi, hoặc điều kiện đối lưu. Bài toán hình học không đơn giản như trong ví dụ 1-42 về hồ trượt đòi hỏi tính toán diện tích lớn. Các dạng hình học đặc biệt như hình cầu hay hình trụ cần phương trình vi phân riêng trong hệ tọa độ tương ứng. Giải thường yêu cầu kỹ năng toán học cao hoặc phương pháp số.

III. Phương pháp giải quyết và ứng dụng phần mềm hiện đại

Để giải quyết các bài toán truyền nhiệt phức tạp, nhiều phương pháp được áp dụng. Phương pháp phân tích giải phương trình vi phân truyền nhiệt cho nghiệm chính xác nhưng chỉ khả thi với hình học và điều kiện biên đơn giản. Phương pháp số như phần tử hữu hạn và biên giới hữu hạn phổ biến hơn cho hình học thực tế. Giáo trình Holman cung cấp nền tảng lý thuyết để hiểu nguyên lý đằng sau các phần mềm mô phỏng như ANSYS Fluent hay COMSOL. Áp dụng lý thuyết vào thiết kế bộ trao đổi nhiệt, hệ thống làm mát, và cách nhiệt công trình là các ứng dụng then chốt. Việc tính toán chính xác giúp tối ưu hóa hiệu suất năng lượng và chi phí vật liệu.

3.1. Các phương pháp giải tích và số học

Phương pháp giải tích sử dụng giải pháp đóng cho các trường hợp lý tưởng, như tường phẳng một chiều với điều kiện biên không đổi. Phương pháp số chia vật thể thành các phần tử nhỏ, lập phương trình cân bằng nhiệt cho từng phần tử và giải hệ phương trình. Phương pháp này phù hợp với hầu hết bài toán công nghiệp có hình học phức tạp và tính chất vật liệu biến thiên. Giáo trình cung cấp cơ sở lý thuyết để kiểm chứng kết quả mô phỏng.

3.2. Ứng dụng trong thiết kế công nghiệp và năng lượng

Nguyên lý truyền nhiệt ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Thiết kế bộ trao đổi nhiệt tối ưu dựa trên hệ số truyền nhiệt tổng U. Trong xây dựng, tính toán tổn thất nhiệt qua tường và mái giúp chọn vật liệu cách nhiệt hiệu quả. Ngành điện tử sử dụng lý thuyết này để làm mát chip xử lý và thiết bị công suất. Bài tập thực tế như tính nhiệt lượng cần làm mát cho sân trượt băng (Ví dụ 1-41) cho thấy tầm quan trọng của phân tích nhiệt chính xác trong vận hành.

IV. Kết luận và vai trò của giáo trình Holman trong đào tạo kỹ sư

Giáo trình Heat Transfer của Jack P. Holman đóng vai trò nền tảng trong đào tạo kỹ sư cơ khí và nhiệt lạnh. Nội dung sách cân bằng giữa lý thuyết nghiêm ngặt và các ví dụ thực tế, như bài tập về hệ thống làm mát và cách nhiệt. Các bảng chuyển đổi và hằng số vật lý được biên soạn chi tiết, là công cụ tham khảo quý giá. Kiến thức từ sách là tiền đề để hiểu và áp dụng các phần mềm mô phỏng nhiệt hiện đại. Việc nắm vững nguyên lý truyền nhiệt là thiết yếu để giải quyết các vấn đề năng lượng và phát triển công nghệ bền vững. Cuốn sách tiếp tục là tài liệu tham khảo đáng tin cậy cho sinh viên và kỹ sư hành nghề.

4.1. Giá trị giáo dục và thực tiễn của tài liệu

Sách của Holman được tổ chức logic từ cơ bản đến nâng cao. Phần giới thiệu với các phương trình cân bằng năng lượng trong thể tích vi phân tạo nền tảng vững chắc. Các ví dụ và bài tập cuối chương liên hệ trực tiếp với các tình huống kỹ thuật thực tế. Cách trình bày rõ ràng, tập trung vào vật lý của vấn đề trước khi đi vào giải toán chi tiết. Điều này giúp người học phát triển tư duy phân tích kỹ thuật toàn diện.

4.2. Hướng phát triển và áp dụng trong bối cảnh hiện đại

Nền tảng từ giáo trình Holman cho phép kỹ sư thích ứng với công nghệ mới. Việc hiểu rõ nguyên lý dẫn-đối lưu-bức xạ là cần thiết khi làm việc với vật liệu composite hoặc chất lỏng nano. Các vấn đề truyền nhiệt trong pin nhiên liệu, năng lượng mặt trời, và hệ thống điện toán đám mây đều dựa trên cùng nguyên lý cơ bản. Giáo trình cung cấp ngôn ngữ chung và phương pháp luận để giải quyết các thách thức nhiệt học của thế kỷ 21.

Trích đoạn nội dung tài liệu

net hol29362_ifc 10/30/2008 18:42 www.net Useful conversion factors Physical quantity Symbol SI to English conversion English to SI conversion Length L 1 m = 3.06243 lbm /ft3 1 lbm /ft3 = 16.45038 × 10−4 lbf /in2 1 lbf /in2 = 6894.76 N/m2 Energy, heat q 1 kJ = 0.05504 kJ Heat flow q 1 W = 3.29307 W Heat flux per unit area q/A 1 W/m2 = 0.317 Btu/h · ft2 1 Btu/h · ft2 = 3.154 W/m2 Heat flux per unit length q/L 1 W/m = 1.0403 Btu/h · ft 1 Btu/h · ft = 0.9613 W/m Heat generation per unit volume q̇ 1 W/m3 = 0.096623 Btu/h · ft3 1 Btu/h · ft3 = 10.4299 Btu/lbm 1 Btu/lbm = 2.326 kJ/kg www.net Energy per unit mass Specific heat c 1 kJ/kg · ◦ C = 0.23884 Btu/lbm · ◦ F 1 Btu/lbm · ◦ F = 4.1869 kJ/kg · ◦ C Thermal conductivity k 1 W/m · ◦ C = 0.5778 Btu/h · ft · ◦ F 1 Btu/h · ft · ◦ F = 1.7307 W/m · ◦ C Convection heat-transfer coefficient h 1 W/m2 · ◦ C = 0.1761 Btu/h · ft2 · ◦ F 1 Btu/h · ft2 · ◦ F = 5.672 lbm /ft · s Viscosity μ = 2419.2 lbm /ft · h 1 lbm /ft · s = 1.4881 kg/m · s Kinematic viscosity and thermal diffusivity ν, α 1 m /s = 10.092903 m2 /s Important physical constants Avogadro’s number N0 = 6.022045 × 1026 molecules/kg mol Universal gas constant R = 1545.35 ft · lbf/lbm · mol · ◦ R = 8314.986 Btu/lbm · mol · ◦ R = 1.986 kcal/kg mol · K Planck’s constant h = 6.626176 × 10−34 J · sec Boltzmann’s constant k = 1.6173 × 10−5 eV/molecule · K Speed of light in vacuum c = 2.997925 × 108 m/s Standard gravitational acceleration g = 32.80665 m/s2 Electron mass me = 9.1095 × 10−31 kg Charge on the electron e = 1.602189 × 10−19 C Stefan-Boltzmann constant σ = 0.1714 × 10−8 Btu/hr · ft2 · R4 = 5.69595 lbf/in2 = 760 mmHg at 32◦ F = 29.01325 × 105 N/m2 # 101675 Cust: McGraw-Hill Au: Holman Pg.1 K/PMS 293 DESIGN SERVICES OF Title: Heat Transfer 10/e Server: Short / Normal / Long S4CARLISLE Publishing Services hol29362_ifc 10/30/2008 18:42 www.net Basic Heat-Transfer Relations Fourier’s law of heat conduction: ∂T qx = −kA ∂x Characteristic thermal resistance for conduction = x/kA Characteristic thermal resistance for convection = 1/hA Overall heat transfer = Toverall /Rthermal Convection heat transfer from a surface: q = hA(Tsurface − Tfree stream ) for exterior flows q = hA(Tsurface − Tfluid bulk ) for flow in channels Forced convection: Nu = f(Re, Pr) (Chapters 5 and 6, Tables 5-2 and 6-8) Free convection: Nu = f(Gr, Pr) (Chapter 7, Table 7-5) ρux ρ2 gβ Tx3 cp μ www.net Re = Gr = Pr = μ μ2 k x = characteristic dimension General procedure for analysis of convection problems: Section 7-14, Figure 7-15, Inside back cover. Radiation heat transfer (Chapter 8) energy emitted by blackbody Blackbody emissive power, = σT 4 area · time energy leaving surface Radiosity = area · time energy incident on surface Irradiation = area · time Radiation shape factor Fmn = fraction of energy leaving surface m and arriving at surface n Reciprocity relation: Am Fmn = An Fnm Radiation heat transfer from surface with area A1 , emissivity 1 , and temperature T1 (K) to large enclosure at temperature T2 (K): q = σA1 1 (T14 − T24 ) LMTD method for heat exchangers (Section 10-5): q = UAF Tm where F = factor for specific heat exchanger; Tm = LMTD for counterflow double-pipe heat exchanger with same inlet and exit temperatures Effectiveness-NTU method for heat exchangers (Section 10-6, Table 10-3): Temperaure difference for fluid with minimum value of mc = Largest temperature difference in heat exchanger UA NTU = = f(NTU, Cmin /Cmax ) Cmin See List of Symbols on page xvii for definitions of terms. # 101675 Cust: McGraw-Hill Au: Holman Pg.2 K/PMS 293 DESIGN SERVICES OF Title: Heat Transfer 10/e Server: Short / Normal / Long S4CARLISLE Publishing Services hol29362_fm 11/6/2008 15:54 www.net Heat Transfer www.net # 101675 Cust: McGraw-Hill Au: Holman Pg.1 K/PMS 293 DESIGN SERVICES OF Title: Heat Transfer 10/e Server: Short / Normal / Long S4CARLISLE Publishing Services hol29362_fm 11/6/2008 15:54 www.net McGraw-Hill Series in Mechanical Engineering CONSULTING EDITORS Jack P. Holman, Southern Methodist University John Lloyd, Michigan State University Anderson Doebelin Shigley and Mischke Computational Fluid Dynamics Measurement Systems: Application Mechanical Engineering Design and Design Anderson Stoecker Modern Compressible Flow: Hamrock Design of Thermal Systems With Historical Perspective Fundamentals of Machine Elements Turns Barber Mattingly An Introduction to Combustion: Intermediate Mechanics of Materials Elements of Gas Turbine Propulsion Concepts and Applications Meirovitch Heywood Baruh Fundamentals of Vibrations Internal Combustion Engine Fundamentals Analytical Dynamics www.net Modest Histand and Alciatore Beer and Johnston Radiative Heat Transfer Introduction to Mechatronics and Vector Mechanics for Engineers: Measurement Systems Statics and Dynamics Norton Design of Machinery Hsu Beer, Johnston and DeWolf MEMS and Microsystems: Design Mechanics of Materials Oosthuizen and Carscallen and Manufacturing Compressible Fluid Flow Borman and Ragland Holman Combustion Engineering Oosthuizen and Naylor Experimental Methods for Engineers Introduction to Convective Heat Budynas Transfer Analysis Kays and Crawford Advanced Strength and Applied Stress Convective Heat and Mass Transfer Palm Çengel and Boles Introduction to MATLAB 6 for Engineers Kelly Thermodynamics: An Engineering Fundamentals of Mechanical Vibrations Palm Approach MATLAB for Engineering Applications Kreider, Rabl and Curtiss Çengel and Turner Heating and Cooling of Buildings Reddy Fundamentals of Thermal-Fluid Sciences Introduction to Finite Element Method Ullman Çengel The Mechanical Design Process Ribando Heat Transfer: A Practical Approach Heat Transfer Tools Ugural Çengel Stresses in Plates and Shells Rizzoni Introduction to Thermodynamics and Principles and Applications for Vu and Esfandiari Heat Transfer Electrical Engineering Dynamic Systems: Modeling and Analysis Chapra and Canale Schey Wark Numerical Methods for Engineers Introduction to Manufacturing Processes Advanced Thermodynamics for Engineers Condoor Schlichting Wark and Richards Mechanical Design Modeling Boundary Layer Theory Thermodynamics with ProEngineer SDRC, Inc. White Courtney I-DEAS Student Edition Fluid Mechanics Mechanical Behavior of Materials SDRC, Inc. White I-DEAS Student Guide Viscous Fluid Flow Dieter Engineering Design: A Materials and Shames Zeid Processing Approach Mechanics of Fluids CAD/CAM Theory and Practice # 101675 Cust: McGraw-Hill Au: Holman Pg.2 K/PMS 293 DESIGN SERVICES OF Title: Heat Transfer 10/e Server: Short / Normal / Long S4CARLISLE Publishing Services hol29362_fm 11/6/2008 15:54 www.net Heat Transfer Tenth Edition J.net Department of Mechanical Engineering Southern Methodist University # 101675 Cust: McGraw-Hill Au: Holman Pg.3 K/PMS 293 DESIGN SERVICES OF Title: Heat Transfer 10/e Server: Short / Normal / Long S4CARLISLE Publishing Services hol29362_fm 11/6/2008 15:54 www.net HEAT TRANSFER, TENTH EDITION Published by McGraw-Hill, a business unit of The McGraw-Hill Companies, Inc., 1221 Avenue of the Americas, New York, NY 10020. Copyright © 2010 by The McGraw-Hill Companies, Inc. All rights reserved. Previous editions 2002, 1997, and 1990. No part of this publication may be reproduced or distributed in any form or by any means, or stored in a database or retrieval system, without the prior written consent of The McGraw-Hill Companies, Inc., including, but not limited to, in any network or other electronic storage or transmission, or broadcast for distance learning. Some ancillaries, including electronic and print components, may not be available to customers outside the United States. This book is printed on acid-free paper.net 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 VNH/VNH 0 9 ISBN 978–0–07–352936–3 MHID 0–07–352936–2 Global Publisher: Raghothaman Srinivasan Senior Sponsoring Editor: Bill Stenquist Director of Development: Kristine Tibbetts Developmental Editor: Lora Neyens Senior Marketing Manager: Curt Reynolds Senior Project Manager: Kay J. Brimeyer Lead Production Supervisor: Sandy Ludovissy Senior Media Project Manager: Tammy Juran Associate Design Coordinator: Brenda A. Rolwes Cover Designer: Studio Montage, St. Louis, Missouri Cover Image: Interferometer photo of air flow across a heated cylinder, digitally enhanced by the author. Compositor: S4Carlisle Publishing Services Typeface: 10.5/12 Times Roman Printer: R. Donnelley, Jefferson City, MO Library of Congress Cataloging-in-Publication Data Holman, J. (Jack Philip) Heat transfer / Jack P. ISBN 978–0–07–352936–3—ISBN 0–07–352936–2 (hard copy : alk.com # 101675 Cust: McGraw-Hill Au: Holman Pg.4 K/PMS 293 DESIGN SERVICES OF Title: Heat Transfer 10/e Server: Short / Normal / Long S4CARLISLE Publishing Services hol29362_fm 11/14/2008 11:48 www.net CONTENTS Guide to Worked Examples ix C HAPT E R 3 Preface xiii Steady-State Conduction—Multiple Dimensions 77 About the Author xvii 3-1 Introduction 77 List of Symbols xix 3-2 Mathematical Analysis of Two-Dimensional Heat Conduction 77 C HAPT E R 1 3-3 Graphical Analysis 81 Introduction 1 3-4 The Conduction Shape Factor 83 1-1 Conduction Heat Transfer 1 3-5 Numerical Method of Analysis 88 www.net 1-2 Thermal Conductivity 5 3-6 Numerical Formulation in Terms of 1-3 Convection Heat Transfer 10 Resistance Elements 98 1-4 Radiation Heat Transfer 12 3-7 Gauss-Seidel Iteration 99 1-5 Dimensions and Units 13 3-8 Accuracy Considerations 102 1-6 Summary 19 3-9 Electrical Analogy for Two-Dimensional Review Questions 20 Conduction 118 List of Worked Examples 21 3-10 Summary 119 Problems 21 Review Questions 119 References 25 List of Worked Examples 120 Problems 120 C HAPT E R 2 References 136 Steady-State Conduction— One Dimension 27 C HAPT E R 4 2-1 Introduction 27 Unsteady-State Conduction 139 2-2 The Plane Wall 27 4-1 Introduction 139 2-3 Insulation and R Values 28 4-2 Lumped-Heat-Capacity System 141 2-4 Radial Systems 29 4-3 Transient Heat Flow in a Semi-Infinite 2-5 The Overall Heat-Transfer Coefficient 33 Solid 143 2-6 Critical Thickness of Insulation 39 4-4 Convection Boundary Conditions 147 2-7 Heat-Source Systems 41 4-5 Multidimensional Systems 162 2-8 Cylinder with Heat Sources 43 4-6 Transient Numerical Method 168 2-9 Conduction-Convection Systems 45 4-7 Thermal Resistance and Capacity 2-10 Fins 48 Formulation 176 2-11 Thermal Contact Resistance 57 4-8 Summary 192 Review Questions 60 Review Questions 193 List of Worked Examples 60 List of Worked Examples 193 Problems 61 Problems 194 References 75 References 214 v # 101675 Cust: McGraw-Hill Au: Holman Pg.5 K/PMS 293 DESIGN SERVICES OF Title: Heat Transfer 10/e Server: Short / Normal / Long S4CARLISLE Publishing Services hol29362_fm 11/6/2008 15:54 www.net vi Contents C HAPT E R 5 7-5 Free Convection from Horizontal Cylinders 340 Principles of Convection 215 7-6 Free Convection from Horizontal Plates 342 7-7 Free Convection from Inclined Surfaces 344 5-1 Introduction 215 7-8 Nonnewtonian Fluids 345 5-2 Viscous Flow 215 7-9 Simplified Equations for Air 345 5-3 Inviscid Flow 218 7-10 Free Convection from Spheres 346 5-4 Laminar Boundary Layer on a Flat Plate 222 7-11 Free Convection in Enclosed Spaces 347 5-5 Energy Equation of the Boundary Layer 228 7-12 Combined Free and Forced Convection 358 5-6 The Thermal Boundary Layer 231 7-13 Summary 362 5-7 The Relation Between Fluid Friction and Heat Transfer 241 7-14 Summary Procedure for all Convection Problems 362 5-8 Turbulent-Boundary-Layer Heat Transfer 243 Review Questions 363 5-9 Turbulent-Boundary-Layer Thickness 250 List of Worked Examples 365 5-10 Heat Transfer in Laminar Tube Flow 253 Problems 365 5-11 Turbulent Flow in a Tube 257 References 375 5-12 Heat Transfer in High-Speed Flow 259 www.