Tài liệu Vật Lý: Thiết bị Trao đổi nhiệt

Chia sẻ: Hồ Văn Hiền Hiền | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:27

0
155
lượt xem
89
download

Tài liệu Vật Lý: Thiết bị Trao đổi nhiệt

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tài liệu tổng hợp các bài tập vật lí về thiết bị trao đôỉ nhiệt

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Tài liệu Vật Lý: Thiết bị Trao đổi nhiệt

  1. Chương 8 Thiết bị Trao đổi nhiệt 1 Bài tập giải mẫu Bài 1: Một tường lò bên trong là gạch chịu lửa dày 250mm, hệ số dẫn nhiệt bằng 0,348W/m.0K, bên ngoài là lớp gạch đỏ dày 250mm, hệ số dẫn nhiệt bằng 0,695W/m.0K. Nếu khói trong lò có nhiệt độ 1300 0C, hệ số toả nhiệt từ khói đến gạch là 34,8W/m2.0K; nhiệt độ của không khí xung quanh bằng 30 0C. Hệ số toả nhiệt từ gạch đến không khí là 11,6W/m2.0K. Tính mật độ dòng nhiệt truyền qua tường lò và nhiệt độ tiếp xúc giữa hai lớp gạch. Lời giải: Mật độ dòng nhiệt truyền qua tường là: q = k(tf1 - tf2) 1 1 = k = 1 + δ1 + δ 2 + 1 1 0,250 0,250 1 + + + α1 λ1 λ2 α2 34,8 0,348 0,695 11,6 k = 0,838 W/m2.0K q = 0,838(1300 - 30) = 1064 W/m2 Nhiệt độ bề mặt tường phía khói: 1 1 tW1 = tf1 - q. = 1300 - 1064 α1 34,8 tW1 = 12690C Nhiệt độ tiếp xúc giữa hai lớp gạch: δ1 0,250 = 1269 − 1064 tW2 = tW1 - q λ1 0,348 tW2 = 5040C Bài 2: Một ống dẫn hơi nước làm bằng thép, đường kính 200/216mm, hệ số dẫn nhiệt bằng 46W/m.0K được bọc bằng một lớp cách nhiệt dày 120mm, có hệ số dẫn nhiệt bằng 0,116W/m.0K. Nhiệt độ của hơi bằng 3000C, hệ số toả nhiệt từ hơi đến bề mặt trong của ống bằng 116W/m 2.0K, nhiệt độ không khí xung quanh bằng 250C, hệ số toả nhiệt từ bề mặt ngoài cách nhiệt đến không khí xung quanh bằng 10W/m2.0K. Xác định tổn thất nhiệt trên 1m chiều dài ống và nhiệt độ bề mặt lớp cách nhiệt. Lời giải: Tổn thất nhiệt trên 1m chiều dài ống 91 trêng ®¹i häc c«ng nghiÖp hµ néi bµi tËp kü thuËt nhiÖt
  2. q1 = k1(tf1 - tf2), W/m 1 d d 1 1 1 1, k1 = + ln 2 + ln 3 + α 1 πd 1 2πλ1 d 1 2πλ 2 d 2 α 2 πd 3 d1 = 0,2m d2 = 0,216m d3 = d2 + 2δ = 0,216 + 2.0,120 = 0,456m 1 1 1 216 1 456 1 k1 = + + + ln ln 116.3,14.0,2 2.3,14.216 200 2.3,14.0,116 216 10.3,14.0,456 k1 = 0,9 W/m.0K q1 = 0,9(300 - 25) = 247,5 W/m Nhiệt độ bề mặt ngoài của lớp cách nhiệt: 1 1 = 25 + 247,5 tW3 = tf2 + q1 α 2 10 tW3 = 49,750C Bài 3: Một vách có cánh dày 12mm, hệ số dẫn nhiệt λ = 60W/m.0K. Phía không làm cánh tiếp xúc với môi trường nóng có nhiệt độ 117 0C, hệ số toả nhiệt α1 = 250W/m2. 0K. Phía làm cánh tiếp xúc với không khí nhiệt độ 170C, hệ số toả nhiệt F1 α2 = 12W/m2. 0K. Hệ số cánh F = 12. Xác định mật độ dòng nhiệt phía không làm 2 cánh và phía làm cánh, nhiệt độ bề mặt tiếp xúc với môi trường nóng và môi trường lạnh. Hiệu quả làm việc của cánh. Lời giải: Mật độ dòng nhiệt phía không làm cánh: q1 = k1(tf1 - tf2) 1 1 = k1 = 1 + δ + 1 . F1 1 0,012 1 + + α1 λ α 2 F2 250 60 12.12 k1 = 89,7 W/m2.0K q1 = 89,7(117 - 17) = 897 W/m2 Mật độ dòng nhiệt phía làm cánh: F1 897 = = 74,75 F2 12 W/m2 q2 = q1 92 trêng ®¹i häc c«ng nghiÖp hµ néi bµi tËp kü thuËt nhiÖt
  3. Nhiệt độ bề mặt phía không làm cánh: 1 1 α1 = 117 - 897. 0 tW1 = tf1 - q1 250 =81 C Nhiệt độ bề mặt phía làm cánh: 1 1 α 2 = 17 + 74,75. tW2 = tf2 + q2 12 tW2 = 790C Mật độ dòng nhiệt truyền qua vách ngăn khi không làm cánh: 1 ( t f 1 − t f 2 ), qoc = 1 + δ + 1 α1 λ α 2 1 (117 − 17) qoc = 1 + 0,012 + 1 250 60 12 qoc = 114,2W/m2 q1 897 = Khi làm cánh nhiệt lượng truyền đi tăng =7,85 lần. q oc 114,2 Bài 4: Một thiết bị trao đổi nhiệt, chất lỏng nóng được làm nguội từ 300 0C đến 2000C, chất lỏng lạnh được đốt từ 250C đến 1750C. Tính độ chênh lệch nhiệt độ trung bình trong ba trường hợp: a. Chất lỏng chuyển động song song cùng chiều b. Chất lỏng chuyển động song song ngược chiều c. Chất lỏng chuyển động cắt nhau. Lời giải: a. Trường hợp chất lỏng chuyển động song song cùng chiều: ∆ t1 = t'1 - t'2 = 300 - 25 = 2750C ∆ t2 = t''1 - t''2 = 200 - 175 = 250C ∆t1 − ∆t 2 275 − 25 = 1040 C = ∆t1 275 ∆ tcc = ln ln ∆t 2 25 b. Trường hợp chất lỏng chuyển động song song ngược chiều: ∆ t1 = t'1 - t''2 = 300 - 175 = 1250C ∆ t2 = t''1 - t'2 = 200 - 25 = 1750C 93 trêng ®¹i häc c«ng nghiÖp hµ néi bµi tËp kü thuËt nhiÖt
  4. ∆t1 − ∆t 2 125 − 175 = 1490 C = ∆t1 125 ∆ tnc = ln ln ∆t 2 175 c. Trường hợp chất lỏng chuyển động cắt nhau: ∆ tcn = ε∆ t.∆ tnc Trong đó: ε∆ t = f(P,R) t ' '2 − t '2 175 − 25 = = 0,545 P= t '1 − t '2 300 − 25 t '1 − t ' '1 300 − 200 = = 0,667 R= t ' '2 − t '2 175 − 25 Tra đồ thị: ε∆ t = f(0,545, 0,667) = 0,90 ∆ tcn = 0,9.149 = 1340C Bài 5: Trong một thiết bị trao đổi nhiệt cần làm nguội 275 kg/h chất lỏng nóng từ 1200C đến 500C, chất lỏng nóng có nhiệt dung riêng Cpl = 3,04 kJ/kg. 0K. Chất lỏng lạnh (chất giải nhiệt) có lưu lượng 1000 kg/h, nhiệt độ vào thiết bị là 10 0C, nhiệt dung riêng Cp2 = 4,18 kJ/kg. 0K. Tính diện tích truyền nhiệt của thiết bị trong hai trường hợp. a. Chất lỏng chuyển động song song cùng chiều. b. Hệ số truyền nhiệt của thiết bị k = 1160 W/m2. 0K Lời giải: Nhiệt lượng do chất lỏng nóng nhả ra: Q = G1Cpl(t'1 - t''1) 275 .3,04.103 (120 − 50 ) = 16255,5W Q= 3600 Nhiệt độ ra của chất lỏng lạnh xác định từ phương trình cân bằng nhiệt: Q = G1Cpl(t'1-t''1) = G2Cp2(t''2-t'2) G1.C p1 ( t '1 − t ' '1 ) t''2 = t'2 + G 2 .C p 2 275.3,04(120 − 50 ) = 240C t''2 = 10 + 1000.4,18 Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit trong trường hợp chuyển động song song cùng chiều: ∆ t1 = t'1-t'2 = 120-10 = 1100C ∆ t2 = t''1-t''2 = 50-24 = 260C 94 trêng ®¹i häc c«ng nghiÖp hµ néi bµi tËp kü thuËt nhiÖt
  5. ∆t1 − ∆t 2 110 − 26 = 58,30 C = ∆t1 110 ∆ tcc = ln ln ∆t 2 26 Diện tích bề mặt truyền nhiệt trong trường hợp chất lỏng chuyển động song song cùng chiều: Q = k.Fcc.∆ tcc Q 16255,5 = = 0,24m 2 Fcc = k.∆t cc 1160.58,3 Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit trong trường hợp chuyển động song song ngược chiều: ∆ t1 = t'1 - t''2 = 120-24 = 960C ∆ t2 = t''1-t'2 = 50-10 = 400C ∆t1 − ∆t 2 96 − 40 = 640 C = ∆t1 96 ∆ tnc = ln ln ∆t 2 40 Diện tích bề mặt truyền nhiệt trong trường hợp chất lỏng chuyển động song song ngược chiều: Q = k.Fnc.∆ tnc Q 16255,5 = = 0,22m 2 Fnc = k.∆t nc 1160.64 Bài 6: Lưu lượng nước chảy ra thiết bị trao đổi nhiệt chuyển động ngược chiều là G2 = 10 kg/s, nhiệt độ nước tăng từ 260C lên đến 1000C sau đó sôi và biến thành hơi quá nhiệt có nhiệt độ là 1260C. Toàn bộ quá trình thực hiện với p = 1,013 bar = const. Nước được gia nhiệt nhờ khí cháy. Khí cháy khi đi vào thiết bị có nhiệt đ ộ 6500C và lưu lượng là G1 = 45 kg/s. Biết hệ số truyền nhiệt của thiết bị là k=197 W/m2. Tính diện tích truyền nhiệt của thiết bị. (Thông số vật lý của khí cháy một cách gần đúng lấy theo thông số vật lý của không khí). Lời giải: Nhiệt lượng mà nước nhận được từ 260C đến khi trở thành hơi quá nhiệt có nhiệt độ là 1260C: Q = G2[Cp2(100 - 26) + r(iqn – i’’)] Cp2 - nhiệt dung riêng của nước bằng 4,18 kJ/kg.0K. r-nhiệt hoá hơi của nước ứng với p = 1,013 bar: r = 2257 kJ/kg. tqn - entanpi của hơi quá nhiệt ứng với p = 1,013 bar và nhiệt độ 1260C: iqn = 2729 kJ/kg. 95 trêng ®¹i häc c«ng nghiÖp hµ néi bµi tËp kü thuËt nhiÖt
  6. i'' - entanpi của hơi bão hoà khô ứng với p = 1,013 bar: i'' = 2676 kJ/kg 96 trêng ®¹i häc c«ng nghiÖp hµ néi bµi tËp kü thuËt nhiÖt
  7. Vậy Q = 10[4,18(100 - 26) + 2257(2729 - 2676)].103 Q = 26193.10 3 W Nhiệt độ của khí cháy khi đi ra khỏi thiết bị: Q = G1Cp1(t'1 - t''1) 26193.10 3 Q = 650 − = 68 0 C t''1 = t'1 - 45.4,18.10 3 G 1C p 1 Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit: ∆ t1 = t'1 - t''2 = 650 - 126 = 5240C ∆ t2 = t''1 - t'2 = 68 - 26 = 420C ∆t1 − ∆t 2 524 − 42 = 1910 C = ∆ t = ln ∆t1 524 ln ∆t 2 42 Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt: Q = k.F.∆ t 26193.103 Q = 696m 2 = F= k.∆t 197.191 Bài 7: Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống Hình 27. Nước nóng có lưu lượng G1 = 1,4kg/s. Khi đi vào thiết bị có nhiệt độ 97 0C. Nước nóng chảy trong ống đường kính d2/d1 = 40/37mm. Chất lỏng lạnh chuyển động trong vòng xuyến giữa các ống với lưu lượng G2 = 1,14 kg/s và được đốt nóng từ 17 0C đến 470C. Đường kính ống ngoài là 54 mm. Xác định chiều dài ống của thiết bị. ống thép có λ = 50 W/m. 0K. Lời giải: Lượng nhiệt chất lỏng lạnh (nước lạnh) nhận được: Q = G2Cp2(t''2 - t'2) = 1,14.4,18.103 (47 - 17) Q = 142956 W Nhiệt độ nước nóng khi đi ra khỏi thiết bị: Q = G1Cp1(t'1 - t''1) Q 142956 0 t''1 = t'1 - G .C = 97 − 1.4,18.103 = 63 C 1 p1 Tính chất vật lý của chất lỏng nóng tra theo nhiệt độ: t '1 + t ' '1 97 + 63 = 800 C = t1 = 2 2 97 trêng ®¹i häc c«ng nghiÖp hµ néi bµi tËp kü thuËt nhiÖt
  8. ρ1 = 972 kg/m3 v1 = 0,365.10-6 m2/s; Pr1 = 2,2 λ1 = 0,674 W/m. 0K. Tính chất vật lý của chất lỏng lạnh tra theo nhiệt độ: t '2 + t ' '2 17 + 47 = 32 0 C = t2 = 2 2 ρ 2 = 995 kg/m3 v2 = 0,776.10-6 m2/s; Pr2 = 5,2 λ2 = 0,62 W/m. 0K. Tốc độ chuyển động của nước nóng: Hình 27 G1 1,4 = = 0,96m / s w1 = π.d 1 972.3,14.0,037 2 2 ρ1 4 Tốc độ chuyển động của nước lạnh: G2 1,14.4 = ( ) ( ) π. D − d 2 995.3,14. 0,054 2 − 0,04 2 w2 = 2 2 ρ2 4 w2 = 1,1 m/s Trị số Re của chất lỏng nóng: w1d1 0,96.0,037 = = 97315 Ref = 0,365.10 − 6 v1 Hệ số toả nhiệt về phía chất lỏng nóng được xác định từ phương trình tiêu chuẩn: Prf 0,25 Nuf = 0,021.Ref0,8Prf0,43( ) Prw Nhiệt độ của vách ống lấy bằng: fw = 0,5(t1 + t2) = 0,5(80 + 32) = 560C Prw = 3,2 2,2 0,25 Nuf1 = 0,021.973150,8.2,20,43( ) 3,2 Nuf1 = 262 Nu f 1 .λ1 262.0,674 = = 4772 W / m 2 .0 K α1 = Nên d 0,037 98 trêng ®¹i häc c«ng nghiÖp hµ néi bµi tËp kü thuËt nhiÖt
  9. Trị số Re của chất lỏng lạnh: w 2 .d rd Re2 = v2 dtd = D - d2 = 54 - 40 = 14 mm 1,1.0,014 = 19845 Re2 = 0,776.10 − 6 5,2 0,25 Nuf2 = 0,021.198450,8.5,20,43( ) 3,2 Nuf2 = 132 W/m2. 0K Hệ số toả nhiệt α2: 132.0,62 α2 = 0,014 = 5846 W/m2. 0K Hệ số truyền nhiệt của thiết bị: 1 1 1 d 1 k1 = + ln 2 + α1.π.d1 2.π.λ d1 α 2 .π.d 2 1 1 1 40 1 k1 = + ln + 4772.3,14.0,037 2.3,14.50 37 5846.3,14.0,04 k1 = 293 W/m. 0K Nếu chất lỏng chuyển động ngược chiều, độ chênh nhiệt độ trung bình logarit: ∆ t1 = 97 - 47 = 500C ∆ t2 = 63 - 17 = 460C 50 − 46 = 480 C ∆ t = ln 50 46 Mật độ dòng nhiệt của 1m chiều dài ống: q1 = k1.∆ t = 293.48 = 14064 W/m Chiều dài ống: Q 142956 = = 10m l= q1 14064 Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt: F = πd1.l = 3,14.0,037.10 = 1,16 m2 Nếu chất lỏng chuyển động cùng chiều: ∆ t1 = 97 - 17 = 800C 99 trêng ®¹i häc c«ng nghiÖp hµ néi bµi tËp kü thuËt nhiÖt
  10. ∆ t2 = 63 - 47 = 160C 80 − 16 = 40 0 C ∆ t = ln 80 16 q1 = 293.40 = 11720 W/m Chiều dài ống: 142956 = 12,2 m l= 11720 Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt: F = 3,14.0,07.12,2 = 1,42 m2 Bài 8: Một bộ sấy không khí của lò hơi kiểu chùm ống được bố trí như Hình 28. Khói đi trong ống và không khí chuyển động ngang qua ngoài chùm ống. Các thông số của thiết bị như sau: lưu lượng không khí G2 = 21,5 kg/s, không khí được đốt nóng từ t'2 = 300C đến t''2 = 2600C. Khói có thành phần 13% CO2 và 11% H2O. Khói chuyển động trong ống thép đường kính d2/d1 = 53/50 mm, hệ số dẫn nhiệt λ = 46,5 W/m. 0K, lưu lượng khói G1 = 19,6 kg/s, tốc độ trung bình của khói w1 = 14 m/s. Nhiệt độ khói lúc đi vào thiết bị t' 1 = 3800C. Xác định diện tích bề mặt truyền nhiệt F, chiều cao của ống L và số lượng ống. Biết chùm ống bố trí so le, tốc đ ộ không khí chuyển động ngang qua chùm ống chỗ hẹp nhất bằng 8 m/s. s 1 = s2 = 1,3d2. Lời giải: Lượng nhiệt không khí nhận được: Q = G2Cp2(t''2 - t'2), W Các thông số của không khí tra theo nhiệt độ trung bình của không khí: t2 = 0,5(t'2 + t''2) t2 = 0,5(30 + 260) =1450C p2 = 0,844 kg/m3 λ = 3,52.10-2 W/m. 0K v2 = 28,3.10-6 m2/s Hình 28 Cp2 = 1,01kJ/kg.K. Prf2 = 0,684 Vậy: Q = 21,5.1,01(260 - 30).103 = 4999,450 W Để xác định nhiệt độ ra của khói, ta giả thiết nhiệt độ trung bình của khói t 1 = 3000C, tra Cp1 của khói theo nhiệt độ ta được: 100 trêng ®¹i häc c«ng nghiÖp hµ néi bµi tËp kü thuËt nhiÖt
  11. Cp1 = 1,12 kJ/kg.K Q 4994,450 0 t''1 = t'1 - G .C = 380 − 19,6.1120 = 152 C Nên 1 p1 Dùng nhiệt độ này tính gần đúng lại lần thứ hai: t1 = 0,5(380 + 152) = 2660C Lại tra Cp1 theo t = 2660C ta được: Cp1 = 1,11 kJ/kg.K. Dùng kết quả này ta tính gần đúng lại lần thứ 3 và tìm được: t''1 = 1500C và t1 = 2650C. Sự sai biệt so với giả thiết không đáng kể, do đó ta dùng t1 = 2650C để tính toán. Tra bảng các thông số của khói theo t1 = 2650C ta có: p1 = 0,622 kg/m3 Cp1 = 1,11 kJ/kg.K λf1 = 0,0454 W/m. 0K vf1 = 41,2.10-6 m2/s Pr1 = 0,66 w1d1 14.0,05 = = 17000 Tính: Ref1 = 41,2.10 − 6 vf 1 Nuf1 = 0,021.Re 018 Prf0, 43 , f Nuf1 = 0,021.170000,8.0,660,43 = 42,5 Hệ số toả nhiệt phía khói: Nu f 1.λ f 1 42,5.0,0454 = α1 = d1 0,05 α1 = 38,6 W/m2. 0K Phía không khí: w 2 .d 2 8.0,053 = = 14928 Ref2 = 28,3.10 − 6 vf 2 Nuf2 = 0,41.Re 0,26 Prf0233 , f Nuf2 =0,41.149820,6.0,6840,33 = 115 Hệ số toả nhiệt phía không khí: Nu f 2 .λ 2 115.0,0352 = = 76,3 W/m2. 0K α2 = d2 0,053 Hệ số truyền nhiệt của thiết bị một cách gần đúng: 101 trêng ®¹i häc c«ng nghiÖp hµ néi bµi tËp kü thuËt nhiÖt
  12. 1 1 = k= 1 +δ+ 1 1 0,0015 1 = 26 W/m2. 0K + + α1 λ α 2 38,6 46,5 76,3 102 trêng ®¹i häc c«ng nghiÖp hµ néi bµi tËp kü thuËt nhiÖt
  13. Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit trong trường hợp này được tính: ∆ t = ε∆ t.∆ tnc ∆ t1 = 380 - 150 = 2300C ∆ t2 = 260 - 30 = 2300C ∆t 1 =1 Vì: ∆t 2 ∆ tnc = tf1 - tf2 = 265 - 145 = 1200C Nên: Để tra ε∆ t ta cần tính thêm hai thông số: 260 − 30 = 0,658 P= 380 − 30 380 − 150 = 1,0 R= 260 − 30 ε∆ t = 0,88 Dựa vào P và R tra đồ thị ta tìm được: ∆ t = 0,88.120 = 105,50C Vậy: Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt: Q 4994,450 = = 1820m 2 F= k.∆t 26.105,5 Tổng số lượng ống: G1 19,6.4 n= = = 1080 πd 2 2,3.3,14.0,05 2.14 ρ1 .ω1 4 Chiều cao của mỗi đoạn ống (gồm hai đoạn): F 1820 = = 5,4m l1 = 2π.d1.n 2.3,14.0,05.1080 Tiết diện chảy của dòng không khí: G2 21,5 = 3,2m 2 = f= ρ 2 .w 2 0,844.8 Số ống bố trí ngang dòng không khí: f 3,2 = n1 = l1 (s1 − d 2 ) 5,4(1,3.0,053 − 0,053) n1 = 38 (ống) Số ống bố trí dọc theo dòng không khí: n 1080 = = 29 (ống) n2 = n1 38 103 trêng ®¹i häc c«ng nghiÖp hµ néi bµi tËp kü thuËt nhiÖt
  14. Bài 9: Tính diện tích truyền nhiệt của bộ sấy không khí lò hơi Hình 29. Không khí chuyển động ngang bên ngoài ống. Khói chuyển động trong ống với lưu lượng V 1 = 35 m3/s, nhiệt độ vào t'f1 = 3450C, nhiệt độ ra t''f1 = 1600C. Lưu lượng trung bình của không khí V2 = 23 m3/s, nhiệt độ vào của không khí t'f2 = 200C, nhiệt độ ra của không khí t''f2 = 2500C. Tổng số ống n = 2079, đường kính ống d2/d1 = 53/50 mm. ống bố trí so le bước ngang s1 = 70 mm, bước dọc s2 = 60 mm. Số ống sắp theo chiều ngang n1 = 77 ống, theo chiều dọc n2 = 27 ống. Chiều rộng của đường khói b = 5,4 m. Lời giải: Độ chênh nhiệt độ trung bình: ∆ t = ε∆ t.∆ tnc (160 − 20) − ( 345 − 250) = 1160 C 160 − 20 ∆ tnc = ln 345 − 250 250 − 20 = 0,71 P= 345 − 20 345 − 160 = 0,80 R= 250 − 20 Tra đồ thị ta được ε∆ t = 0,9 ∆ t = 0,9.116 = 104,50C Diện tích thực tế khói chuyển động ngang qua: 2 3,14.0,052 π.d1 = 2079. = 4,1 m2 F1 = n 4 4 Tốc độ trung bình của khói: V1 35 = = 8,5 m/s w1 = F1 4,1 Nhiệt độ trung bình của khói: tf1 = 0,5(345+160) = 252,50C Tra các thông số vật lý theo 252,50C: vf1 = 39,3.10-6 m2/s; λ1 = 4,44.10-2 W/m.K Prf1 = 0,660 Tính Re đối với khói: w 1 .d1 8,5.0,05 = = 10800 Ref1 = 39,3.10 −6 vf1 Nuf1 = 0,021.Re 018 Prf01, 43 , f 104 trêng ®¹i häc c«ng nghiÖp hµ néi bµi tËp kü thuËt nhiÖt
  15. Nuf1 = 0,021.(10800)0,8.0,6600,43 = 29,6 Hệ số toả nhiệt phía khói: Nu f 1.α f 1 29,6.4,44.10 −2 = α1 = d1 0,05 α1 = 26 W/m2. 0K Diện tích dòng không khí chuyển động: F2 = l(b-n1.d2) F2 = l(5,4-77.0,053) = 1,32 l, m2 Tốc độ trung bình của dòng không khí: ωf2 = 0,5(250+20) = 1350C Tra các thông số vật lý của không khí theo ωf2 =1350C ta được: λf2 = 3,46.10-2 W/m.0K vf2 = 27,20.10-6 m2/s Prf2 = 0,685 Cp2 = 1,012 kJ/kg0K ρ2 = 0,865 kg/m3 Trị số Ref2 đối với không khí: w 2 .d 2 17,4 0,053 33900 = = . Ref2 = −6 vf 2 l 27,2.10 l Khi dòng không khí chuyển động ngang qua chùm ống so le: Nuf2 = 0,37.Re 0,26 f α1 + α 2 + (n − 2)α 3 αtb = n ( 0,6 + 0,7 − 25).α 3 = 0,975 αtb = α3 27 Hệ số toả nhiệt của dãy ống thứ ba bằng: λf 2 0, 6 α3 = 0,37Re f 2 . d 2 0, 6 −2  33900  3,46.10 α3 = 0,37  . 1 0,053 132 α3 = l 0, 6 Vậy hệ số toả nhiệt trung bình của không khí: Hình 29 105 trêng ®¹i häc c«ng nghiÖp hµ néi bµi tËp kü thuËt nhiÖt
  16. 132 129 = 0,6 W/m2. 0K α2tb = 0,975. 0, 6 l l Vậy hệ số toả nhiệt được tính gần đúng bằng công thức: 1 1 = k= 1 +δ+ 1 1 0,0015 1 + + α1 λ α 2 46,5 129 / l0,6 26 129 k= 4,96 + l0, 6 Lượng nhiệt khói truyền cho không khí: Q = k.F.∆ t Trong đó: F - diện tích bề mặt truyền nhiệt F = 2πdtb.n.l Q = V1.p2.Cp2(t''f2 - t'f2) Q = 23.0,865.1,012.103(250-20) Q = 4630.103 W Thay vào công thức trên ta có: 2.3,24.51,5.10 −3.2079l.129.104,5 6 4,63.10 = 4,96 + l0,6 9,06.106l 4,63.106 = 4,96 + l0, 6 Giải phương trình bằng phương pháp đồ thị ta tìm được l = 3,65 m. Diện tích bề mặt truyền nhiệt: F = 2.3,14.51,5.10-3.3,65.2079 = 2454 m2 Bài 10: Xác định các kích thước cơ bản của một thiết bị trao đổi nhiệt dùng hơi bão hoà để gia nhiệt cho nước. Vị trí lắp đặt thiết bị rất chật hẹp. Nước cần gia nhiệt từ t'2 = 200C đến t''2 = 950C. Với lưu lượng G2 = 8,34 kg/s, nước chảy trong ống đồng thau có hệ số dẫn nhiệt λ = 104,5 W/m.0K, ống có kích thước d2/d1 = 14/12 mm, ngoặt 4 vòng. Hơi bão hoà có áp suất p = 1,27 bar được ngưng bên ngoài đ ể gia nhiệt cho nước. Khi tính toán dự kiến tổn thất nhiệt ra môi trường khoảng 2%. Lời giải: Nhiệt lượng nước nhận được: Q = G2Cp2(t''2-t'2) = 8,34.4,18.103(95-20) Q = 2620.103 W 106 trêng ®¹i häc c«ng nghiÖp hµ néi bµi tËp kü thuËt nhiÖt
  17. Hơi bão hoà có áp suất p = 1,27 bar. Tra bảng ta có các thông số sau: ts = 1070C Entanpi hơi bão hoà khô: i''1 = 2685 kJ/kg Entanpi nước sôi: i'1 = 447 kJ/kg Nếu xem hơi là hơi bão hoà khô, chất lỏng đi ra là nước bão hoà, tổn thất nhiệt là 2% từ phương trình cân bằng nhiệt ta xác định được lượng hơi cần thiết cung cấp cho thiết bị: Q 2620 = G1 = 0,98( i' '1 −i'1 ) 0,98( 2685 − 447 ) G1 = 1,2 kg/s Vì vị trí lắp đặt hẹp nên ta chọn loại thiết bị đặt đứng. Đ ể xác đ ịnh hệ s ố to ả nhiệt phía hơi ta cần biết nhiệt độ vách tw, chiều cao ống h trong thiết bị. Vì các thông số này chưa biết nên ta phải áp dụng phương pháp tính gần đúng. Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit: ( t s − t '2 ) − ( t s − t ' '2 ) t s − t '2 ∆t = ln t s − t ' '2 95 − 20 = 380 C 107 − 20 ∆ t = ln 107 − 95 Chọn nhiệt độ vách: ∆t 38 = 880 C = 107 − tw = ts - 2 2 Dự kiến chiều cao h = 2 m Nhiệt độ trung bình của màng nước ngưng: tm = 0,5(ts+tw) = 0,5(107+88) tm = 970C Tra các thông số của nước ứng với 970C ρ2 = 960 kg/m3 λ2 = 0,679 W/m. 0K v2 = 0,305.10-6 m2/s Tra các thông số của nước sôi tra theo ts = 1070C r = 2238 kJ/kg 107 trêng ®¹i häc c«ng nghiÖp hµ néi bµi tËp kü thuËt nhiÖt
  18. Hệ số toả nhiệt khi ngưng hơi trên ống đặt đứng: p.g.r.λ3 α1 = 0,943. 4 v( t s − t w ) h 960.9,81.2238.103.0,6783 α1 = 0,943. 4 0,305.10 − 6 (107 − 88).2 Hệ số toả nhiệt phía nước α2 Nhiệt độ trung bình của nước chảy trong ống: t2 = 0,5(t'2 + t''2) = 0,5(20 + 95) = 57,50C Tra các thông số vật lý của nước theo 57,50C ta có: ρ2 = 984 kg/m3 λ2 = 0,665 W/m.0K v2 = 0,498.10-6 m2/s Pr2 = 3,12 Chọn tốc độ của nước trong ống w2 = 1,5 m/s w 2 .d1 1,5.0,012 = = 36145 Re2 = 0,498.10 −6 v2 Vách ống làm bằng đồng thau hệ số dẫn nhiệt lớn đồng thời vách lại rất mỏng nên độ chênh nhiệt độ giữa hai bề mặt vách ống rất nhỏ ước tính 10C. Do đó: tw2 = tw1 - 10C = 88 - 10C = 870C Prw = 2,03 0, 25 0, 43   Pr2   0,8 Nu2 = 0,021.Re 2 . Pr2    Prw  3,12 0,25 Nu2 = 0,021.361450,8.3,120,43( ) = 169 2,03 Hệ số toả nhiệt phía nước: Nu.λ 2 169.0,665 = α2 = d1 0,012 α2 = 9365 W/m2. 0K Hệ số truyền của thiết bị: 1 1 = k= 1 +δ+ 1 1 0,01 1 + + α1 λ α 2 4606 104,5 9365 108 trêng ®¹i häc c«ng nghiÖp hµ néi bµi tËp kü thuËt nhiÖt
  19. k = 2383 W/m2. 0K 109 trêng ®¹i häc c«ng nghiÖp hµ néi bµi tËp kü thuËt nhiÖt
  20. Mật độ dòng nhiệt: q = k.∆ t = 2383.38 = 90554 W/m2 Tính gần đúng lần thứ nhất diện tích bề mặt truyền nhiệt: Q 2620.103 = 29m 2 = F= q 90554 Số ống trong một lần ngoặt: G2 4.8,34 = 2 984.3,14.0,012 2.1,5 m = ρ 2 .π.d1 .w 2 4 m = 50 ống Vì nước đi qua 4 lần ngoặt nên tổng số ống của thiết bị sẽ là: n = 4.m = 4.50 = 200 ống Chiều cao ống tính gần đúng lần thứ nhất: F 29 = = 3,55m h= π.d tb .n 3,14.0,013.200 Tiếp tục tính gần đúng lần thứ hai Giả thiết h = 4m tw1 = 840C tw2 = 830C tm = 0,5(t's + tw1) = 0,5(107 + 84) = 95,50C Tra các thông số của nước ứng với 95,50C ρ1 = 962 kg/m3 λ1 = 0,680 W/m. 0K v1 = 0,310.10-6 m2/s 962.9,81.2238.103.0,6803 α1 = 0,943 4 0,310.10 − 6.(107 − 84 ).4,0 α1 = 3684 W/m2.K Hệ số toả nhiệt phía nước: 0, 25  3,12    0,43  2,13  0,8 Nu2 = 0,021.36145 .3,12 Nu2 = 167 167.0,665 = 9255 W/m2. 0K α2 = 0,012 110 trêng ®¹i häc c«ng nghiÖp hµ néi bµi tËp kü thuËt nhiÖt
Đồng bộ tài khoản