Truyền nhiệt đối lưu là một trong những cơ chế quan trọng để trao đổi năng lượng giữa bề mặt rắn và môi trường chất lỏng hoặc khí khi có chênh lệch nhiệt độ. Về mặt hiện tượng, khi một bề mặt được nung nóng hoặc làm nguội tiếp xúc với dòng chất lỏng (hoặc khí) ở nhiệt độ khác, sẽ xuất hiện quá trình chuyển năng lượng thông qua hai yếu tố: chuyển động ngẫu nhiên của các phân tử (khuếch tán nhiệt) và chuyển động khối của dòng chất lưu (dẫn nhiệt do lưu chất di chuyển).
Xem thêm
Thể tích Kiểm soát quan trọng như thế nào đối với kỹ sư HVAC?
Kỹ thuật HVAC và Định luật Bảo toàn Năng lượng
Trong điều kiện tồn tại gradient nhiệt độ, các phân tử trong lớp chất lưu sát bề mặt sẽ hấp thu (hoặc nhả) năng lượng và truyền dần vào lớp xa hơn, đồng thời dòng chất lưu cũng mang năng lượng dịch chuyển đi. Tổng hợp của hai cơ chế này hình thành hiện tượng truyền nhiệt đối lưu.
Cơ chế của truyền nhiệt đối lưu
Truyền nhiệt đối lưu được quan sát rõ nhất khi xem xét một bề mặt được đốt nóng và dòng không khí (hay chất lỏng) đi qua, như trường hợp tản nhiệt cho các linh kiện điện tử. Ở sát bề mặt, vận tốc dòng chất lưu gần như bằng không (tại y = 0, chất lưu không trượt trên bề mặt), vì thế nhiệt được trao đổi chủ yếu thông qua khuếch tán phân tử.
Xa hơn khỏi bề mặt, vận tốc dòng tăng dần, hiện tượng mang nhiệt do chuyển động khối trở nên chiếm ưu thế. Lớp ranh giới thủy động lực phát triển từ vị trí vận tốc bằng không đến giá trị hữu hạn u∞, đồng thời tồn tại lớp ranh giới nhiệt biểu thị vùng mà nhiệt độ biến thiên từ T_s (nhiệt độ bề mặt) đến T_∞ (nhiệt độ dòng chính).
Để thấy rõ các dạng đối lưu, ta phân biệt đối lưu cưỡng bức và đối lưu tự nhiên. Đối lưu cưỡng bức xảy ra khi có tác động từ bên ngoài, chẳng hạn quạt, bơm hoặc gió áp đặt, nhằm đẩy lưu chất chuyển động qua bề mặt nóng. Trường hợp điển hình là làm mát cưỡng bức các bo mạch điện tử bằng quạt, khi dòng không khí có vận tốc nhất định đi qua mạch, lấy nhiệt từ bề mặt thiết bị rồi mang ra môi trường ngoài.
Ngược lại, đối lưu tự nhiên được sinh ra bởi lực nổi do chênh lệch khối lượng riêng của lưu chất khi nhiệt độ biến đổi; dòng lưu chất nóng bốc lên, thay thế bằng dòng khí mát hơn di chuyển vào gần bề mặt.
Phương trình cơ bản mô tả trao đổi nhiệt đối lưu thường được gọi là định luật làm nguội Newton (Newton’s law of cooling).
q′ = h × (Tₛ − T∞)
Trong đó q′ (W/m²) là mật độ thông lượng nhiệt đối lưu, thể hiện năng lượng được trao đổi trên một đơn vị diện tích bề mặt trong một đơn vị thời gian.
Hệ số truyền nhiệt đối lưu h (W/m²·K) được gọi là convection heat transfer coefficient, phụ thuộc vào các điều kiện của lớp ranh giới, hình học bề mặt, tính chất của dòng chất lưu cũng như thuộc tính nhiệt – động lực học của chính chất lưu đó.
Trong phương trình này, Tₛ là nhiệt độ bề mặt và T∞ là nhiệt độ dòng chất lưu “xa” bề mặt, được hiểu như nhiệt độ của “dòng chính” chưa chịu ảnh hưởng từ lớp ranh giới. Nếu bề mặt nóng hơn môi trường (Tₛ > T∞), ta quy ước hướng nhiệt truyền là từ bề mặt ra dòng, còn nếu Tₛ < T∞, thì nhiệt truyền ngược lại, từ dòng vào bề mặt.
Ý nghĩa của công thức trên nằm ở sự đơn giản và ứng dụng rộng rãi. Bất kể hiện tượng đối lưu cụ thể phức tạp ra sao, nhà phân tích vẫn có thể sử dụng định luật làm nguội Newton như một điều kiện biên để giải các bài toán nhiệt kèm phương trình dẫn nhiệt bên trong vật rắn (thường trình bày trong các chương về phương pháp giải bài toán dẫn nhiệt).
Thử nghiệm và kinh nghiệm thực tế cho thấy hệ số h có thể biến động trên một dải rộng, phụ thuộc vào kiểu dòng (chảy tầng hay rối), tốc độ chất lưu, tính chất vật lý (độ nhớt, khả năng dẫn nhiệt) và hình dạng hình học bề mặt. Các giá trị điển hình của “h” trong một số quá trình, chẳng hạn đối lưu tự do trong khí có giá trị từ 2 đến 25 W/m²·K, đối lưu cưỡng bức trong chất lỏng thường đạt 100 đến 20.000 W/m²·K, còn hiện tượng sôi và ngưng tụ có thể đạt đến 2.500–100.000 W/m²·K.
Nhìn chung, để đánh giá truyền nhiệt đối lưu cho một ứng dụng cụ thể, cần nắm các yếu tố chính: mức chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt và dòng, điều kiện dòng (cưỡng bức hay tự nhiên), đặc trưng hình học (như ống tròn, tấm phẳng) và tính chất lý-hóa của lưu chất. Những phân tích này cho phép ước lượng hoặc đo đạc thực nghiệm giá trị h, từ đó xác định q′ qua công thức trên.
Kiến thức về lớp ranh giới, cơ chế khuếch tán và chuyển động khối chính là nền tảng lý thuyết cốt lõi để hiểu và tính toán truyền nhiệt đối lưu. Mặc dù phân tích chi tiết đòi hỏi các phương pháp giải phức tạp từ ngành cơ học chất lưu, việc nắm vững ý nghĩa vật lý của định luật làm nguội Newton cùng các giá trị điển hình của hhh sẽ giúp kỹ sư ước tính chính xác tốc độ trao đổi nhiệt, từ đó thiết kế hay tối ưu giải pháp tản nhiệt trong thực tế.