TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CNHH&TP
ĐỀ THI CUỐI KỲ HỌC KỲ 2 NĂM HỌC 2015 Môn: Các QT&TB Truyền Nhiệt trong CNTP Mã môn học: FEGS333350_01 Đề số/Mã đề: 01; Đề thi có 02…..trang. Thời gian: 90 phút.
BỘ MÔN CNTP -------------------------
Sinh viên được sử dụng tài liệu, internet, điện thoại di động, máy ảnh, tất cả các loại thiết bị truyền thông, …v.v.
a. Lưu lượng NH3 (mNH3, kg/h) tuần hoàn qua thiết bị b. Diện tích trao đổi nhiệt của TBNT? c. Nếu trong thời gian 6h thì lượng NH3 ngưng tụ được bao nhiêu?
Câu 1: (2,5 điểm) Một thiết bị ngưng tụ (TBNT) khí NH3 có nhiệt độ 700C ở áp suất P = 12bar (điều kiện ngưng tụ đẳng áp) làm mát bằng nước. Biết: nhiệt độ nước vào và ra khỏi TBNT biến thiên từ 200C đến 250C, lưu lượng nước vào làm mát là Gn = 1200kg/h; nhiệt dung riêng của nước là cn = 4,12975 + 0,0025.T kJ/(kg.K), với T(0C) - là nhiệt độ của nước; hệ số truyền nhiệt của TBNT là K = 148,5 W/(m2.K). Hãy xác định:
Câu 2: (2,5 điểm) Một thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm ngược dòng dùng để làm lạnh rượu Êtylic (C2H5OH) có nồng độ 75% và môi trường làm lạnh là nước (H2O). Êtylíc đi trong ống, nước đi ngoài ống.
- Êtylic 75%: có lưu lượng tuần hoàn qua thiết bị làm lạnh là G’1 = 1800 kg/h, nhiệt dung riêng của C2H5OH nguyên chất là c’C2H5OH = 3,6833 kJ/(kg.K), nhiệt độ ban đầu của Êtylic vào thiết bị là t’1 = 780C và sau khi làm lạnh ra khỏi thiết bị là t’2 = 300C (theo yêu cầu công nghệ).
- Nước : có nhiệt độ ban đầu vào thiết bị t2 = 200C, nhiệt độ ra khỏi thiết bị là t1(0C), lưu lượng
tuần hoàn qua thiết bị G1 (kg/h).
- Thiết bị : có diện tích trao đổi nhiệt là F = 24m2, có hệ số truyền nhiệt tổng là K = 148,9
W/(m2.K).
a. Vẽ sơ đồ mô tả thiết bị và đồ thị biến thiên nhiệt độ theo diện tích trao đổi nhiệt của thiết
bị. Thiết lập tất cả các phương trình để tính toán cần bằng nhiệt cho thiết bị.
b. Tính gần đúng G1 và t1
W, h2
Gd, Cd, td, xd
Câu 3: (2,5 điểm)
Thiết bị cô đặc một nồi cô đặc nước ép trái cây (xem hình 1) của một phân xưởng sản xuất với công suất nhỏ. Anh (chị) hãy giải quyết 2 vấn đề sau đây:
D, h1
Qtt Qc
a. Thiết lập phương trình cân bằng vật chất,
cần bằng nhiệt cho hệ thống cô đặc trên.
D, C,q
Gc, Cc, tc, xc
Hình 1. Sơ đồ thiết bị cô đặc một nồi
3)0C.
, với: S
= (2 ‚
D D
b. Xác định lượng hơi đốt (hơi nước ở trạng thái bão hòa khô có nhiệt độ θ = thnbh = 1120C) tiêu tốn trong quá trình cô đặc D (kg/s), lượng sản phẩm thu được Gc (kg/h), diện tích trao đổi nhiệt của thiết bị F (m2). Biết: năng suất thiết bị Gd = 1000 (kg/h), nồng độ nước ép trái cây trước và sau cô đặc: xd = 30%, xc = 70%; nhiệt độ cô đặc: td = tc = ts = 900C; Qtt = 0,5kW; Qc = 0,8kW; ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước bão hòa là r = 522 + 0,0267.T kCal/kg, với T(0C) – là nhiệt độ hơi bão hòa; entalpy hơi thứ bay ra là h2 = 2844,52 kJ/kg; hệ số truyền nhiệt của thiết bị là K = 126 W/(m2.K), độ chênh lệch nhiệt độ: D t = (thnbh – tc) – (D ’ + D ’’ + D ’’’) = (thnbh – tc) – S
Câu 4: (2,5 điểm)
Trang: 1/1 1Số hiệu: BM1/QT-PĐBCL-RĐTV
Một kho lạnh bảo quản các sản phẩm lạnh đông, có phụ tải lạnh Q0 = 35kW, nhiệt độ yêu cầu của buồng lạnh cần phải duy trì tbl = (-20 ‚ -24)0C, nhiệt độ môi trường làm mát cho thiết bị ngưng tụ là tmt = 350C, hệ thống lạnh chạy cho kho lạnh sử dụng môi chất lạnh R502.
a. Hãy xây dựng đồ thị nhiệt động P – h; T – S của chu trình lạnh của kho lạnh.
hiệu suất sử dụng năng lượng, công suất động cơ lắp đặt cho máy nén
b. Tính công của máy nén lạnh, nhiệt thải ở thiết bị ngưng tụ, hệ số làm lạnh của chu trình và
Nội dung kiểm tra Câu 1
Câu 2
Câu 3
Câu 4
Ghi chú: Cán bộ coi thi không được giải thích đề thi. Chuẩn đầu ra của học phần (về kiến thức) [CĐR 1.1; 1.2; 1.3]: Kiến thức và lập luận kỹ thuật [CĐR 2.1; 2.2]: Khả năng phân tích, giải thích và lập luận giải quyết các vấn đề kỹ thuật truyền nhiệt trong CNTP; Kỹ năng tính toán thiết kế các hệ thống truyền nhiệt ứng dụng trong công nghệ thực phẩm. [CĐR 3.3]: Kỹ năng đọc hiểu các tài liệu kỹ thuật bằng tiếng Anh [CĐR 4.3; 4.4; 4.5; 4.6]: có khả năng thiết kế, triển khai và vận hành [CĐR 1.1; 1.2; 1.3]: Kiến thức và lập luận kỹ thuật [CĐR 2.1; 2.2]: Khả năng phân tích, giải thích và lập luận giải quyết các vấn đề kỹ thuật truyền nhiệt trong CNTP; Kỹ năng tính toán thiết kế các hệ thống truyền nhiệt ứng dụng trong công nghệ thực phẩm. [CĐR 3.3]: Kỹ năng đọc hiểu các tài liệu kỹ thuật bằng tiếng Anh [CĐR 4.3; 4.4; 4.5; 4.6]: có khả năng thiết kế, triển khai và vận hành [CĐR 2.1]: Khả năng phân tích, giải thích và lập luận giải quyết các vấn đề. [CĐR 2.1; 2.2]: Khả năng phân tích, giải thích và lập luận giải quyết các vấn đề kỹ thuật truyền nhiệt trong CNTP; Kỹ năng tính toán thiết kế các hệ thống truyền nhiệt ứng dụng trong công nghệ thực phẩm. [CĐR 3.3]: Kỹ năng đọc hiểu các tài liệu kỹ thuật bằng tiếng Anh [CĐR 2.1]: Khả năng phân tích, giải thích và lập luận giải quyết các vấn đề. [CĐR 2.1; 2.2]: Khả năng phân tích, giải thích và lập luận giải quyết các vấn đề kỹ thuật truyền nhiệt trong CNTP; Kỹ năng tính toán thiết kế các hệ thống truyền nhiệt ứng dụng trong công nghệ thực phẩm. [CĐR 3.3]: Kỹ năng đọc hiểu các tài liệu kỹ thuật bằng tiếng Anh
Ngày 28 tháng 05 năm 2015 Thông qua bộ môn
(ký và ghi rõ họ tên)
Trang: 2/1 2Số hiệu: BM1/QT-PĐBCL-RĐTV
ĐÁP ÁN ĐỀ 1
Câu 1: (2.5 điểm) Một thiết bị ngưng tụ (TBNT) khí NH3 có nhiệt độ 700C ở áp suất P = 12bar (điều kiện ngưng tụ đẳng áp) làm mát bằng nước. Biết: nhiệt độ nước vào và ra khỏi TBNT biến thiên từ 200C đến 250C, lưu lượng nước vào làm mát là Gn = 1200kg/h; nhiệt dung riêng của nước là cn = 4,12975 + 0,0025.T kJ/(kg.K), với T(0C) - là nhiệt độ của nước; hệ số truyền nhiệt của TBNT là K = 148,5 W/(m2.K). Hãy xác định:
d. Lưu lượng NH3 (mNH3, kg/h) tuần hoàn qua thiết bị e. Diện tích trao đổi nhiệt của TBNT? f. Nếu trong thời gian 6h thì lượng NH3 ngưng tụ được bao nhiêu?
Giải
+) Từ điều kiện t1 = 700C (hơi quá nhiệt) và ngưng tự ở áp suất P = 12bar, tra bảng sẽ tìm
được h1, h2, h3 và tk (12: quá trình làm nguội; 23: quá trình ngưng tụ).
+) Mấu chốt bài này là tính giá trị trung bình của nhiệt dung riêng của nước từ Tv = 200C
đến Tr = 250C, nếu không tính được thì xem như lời giải của các câu sau sai hết.
T r
(
) d
n
1 = + T c 4,12975 0, 0025. T - T r
∫ T v T v
Phương trình cân bằng năng lượng:
Q = Gn.cn.(tr – tv) = GNH3.(h1 – h3) = Q1 + Q2
Với: Q1 = Gn.cn.(tx – tv) = GNH3.(h1 – h2): nhiệt thải ra ở quá trình 12, tìm được tx
Q2 = Gn.cn.(ty – tx) = GNH3.(h2 – h3): nhiệt thải ra ở quá trình 23, tìm được ty
)
n
v
kg/h
Vậy lưu lượng NH3 qua thiết bị:
NH3
r h
( G .c . t n h 1
- t = G -
(
3 )
(
x
v
(cid:1) Trường hợp xuôi dòng:
m2
; F1 =
Q 1 t
K.
v
tb1
) t 1 t
k
x
- - - t t t 1 D t = tb1 - D ln -
(
)
- - -
)
t
t
t
t
y
k
x
k
m2
t
; F2 =
= tb2
Q 1 t
K.
k
x
tb2
ln
t t
t t
k
y
t k t t ( D - D -
)
(
(
t
t
t
x
r
1
m2
(cid:1) Trường hợp ngược dòng:
t
; F1 =
= tb1
Q 1 t
K.
r
tb1
ln
) t 1 t
k
x
- - - D - D -
(
)
t k t t (
- - -
)
t
t
t
t
k
k
x
y
m2
t
; F2 =
= tb2
Q 1 t
K.
k
x
tb2
ln
t t
t t
k
y
(cid:1) Diện tích trao đổi nhiệt: F = F1 + F2 (m2).
(cid:1) Lượng NH3 ngưng tụ:
MNH3 = GNH3.t
D - D -
Câu 2: (2,5 điểm)
Trang: 3/1 3Số hiệu: BM1/QT-PĐBCL-RĐTV
Một thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm ngược dòng dùng để làm lạnh rượu Êtylic (C2H5OH) có nồng độ 75% và môi trường làm lạnh là nước (H2O). Êtylíc đi trong ống, nước đi ngoài ống.
- Êtylic 75%: có lưu lượng tuần hoàn qua thiết bị làm lạnh là G’1 = 1800 kg/h, nhiệt dung riêng của C2H5OH nguyên chất là c’C2H5OH = 3,6833 kJ/(kg.K), nhiệt độ ban đầu của Êtylic vào thiết bị là t’1 = 780C và sau khi làm lạnh ra khỏi thiết bị là t’2 = 300C (theo yêu cầu công nghệ).
- Nước : có nhiệt độ ban đầu vào thiết bị t2 = 200C, nhiệt độ ra khỏi thiết bị là t1(0C), lưu lượng
tuần hoàn qua thiết bị G1 (kg/h).
- Thiết bị : có diện tích trao đổi nhiệt là F = 24m2, có hệ số truyền nhiệt tổng là K = 148,9
W/(m2.K).
c. Vẽ sơ đồ mô tả thiết bị và đồ thị biến thiên nhiệt độ theo diện tích trao đổi nhiệt của thiết
bị. Thiết lập tất cả các phương trình để tính toán cần bằng nhiệt cho thiết bị.
d. Tính gần đúng G1 và t1
Giải
Mấu chốt bài này là tính giá trị trung bình của nhiệt dung riêng của hỗn hợp rượu có nồng độ 75%, nếu không tính được thì xem như lời giải của các câu sau sai hết.
Nhiệt dung riêng cp1 của hỗn hợp rượu êtylic – nước có nồng độ 75% được xác định như sau:
)
( . 1 X
p1
C2H5OH
H2O
Với: cH2O = 4,186 kJ/(kg.K); X = 75% = 0,75
Sau khi tính xong sẽ tiến hành làm các bước sau:
= - c c ' + .X c
1) Vẽ sơ đồ mô tả thiết bị và đồ thị biến thiên nhiệt độ theo diện tích trao đổi nhiệt của thiết bị. Thiết lập tất cả các phương trình để tính toán cần bằng nhiệt cho thiết bị (như mô tả ở trong sách)
2) Tính gần đúng G1 và t1
Q = G1.cp1.(t1 – t2) = G2.cp2.(t2’ – t1’) = K.F.D
ttb
)
Phương trình cân bằng năng lượng: (cid:1) Trường hợp ngược dòng: ( ( G .c . t – t
t
2
1 p1
t 1
t ' 1
2
2
) =
t
= tb
1 K.F
ln
- - - D -
) ' t 1 t
2
( t ' t 2 t ' 1
giải hệ phương trình này tìm được t2’ và G2
)
( G .c . t – t
1 p1
1
2
=
(
2
c
p2
) G . t ’ – t ’ 1 2 (cid:1) Trường hợp xuôi dòng:
-
(
)
(
( G .c . t – t
'
t
2
1 p1
2
t 1
t ' 1
) =
t
= tb
1 K.F
ln
- - - D -
) t 1 t
t 2 t ' 1 ' t
2
2
giải hệ phương trình này tìm được t2’ và G2
)
( G .c . t – t
1 p1
1
2
=
(
2
c
p2
) G . t ’ – t ’ 1 2 Việc tính toán không bàn, tính sai sẽ không có điểm.
-
Thiết bị cô đặc một nồi cô đặc nước ép trái cây (xem hình 1) của một phân xưởng sản xuất với công suất nhỏ. Anh (chị) hãy giải quyết 2 vấn đề sau đây:
Câu 3: (2,5 điểm)
c. Thiết lập phương trình cân bằng vật chất, cần bằng nhiệt cho hệ thống cô đặc trên.
Trang: 4/1 4Số hiệu: BM1/QT-PĐBCL-RĐTV
W, h2
Gd, Cd, td, xd
D, h1
D, C,q
Gc, Cc, tc, xc
Qtt Qc
3)0C.
Hình 1. Sơ đồ thiết bị cô đặc một nồi
D D
d. Xác định lượng hơi đốt (hơi nước ở trạng thái bão hòa khô có nhiệt độ θ = thnbh = 1120C) tiêu tốn trong quá trình cô đặc D (kg/s), lượng sản phẩm thu được Gc (kg/h), diện tích trao đổi nhiệt của thiết bị F (m2). Biết: năng suất thiết bị Gd = 1000 (kg/h), nồng độ nước ép trái cây trước và sau cô đặc: xd = 30%, xc = 70%; nhiệt độ cô đặc: td = tc = ts = 900C; Qtt = 0,5kW; Qc = 0,8kW; ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước bão hòa là r = 522 + 0,0267.T kCal/kg, với T(0C) – là nhiệt độ hơi bão hòa; entalpy hơi thứ bay ra là h2 = 2844,52 kJ/kg; hệ số truyền nhiệt của thiết bị là K = 126 W/(m2.K), độ chênh t = (thnbh – tc) – (D ’ + D ’’ + D ’’’) = (thnbh – lệch nhiệt độ: D tc) – S = (2 ‚ , với: S Giải
Mấu chốt bài này là tính giá trị ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước bão hòa, nếu không tính được thì xem như lời giải của các câu sau sai hết. Ở nhiệt độ T = 1120C thì ẩn nhiệt ngưng tụ được xác định như sau:
r = 522 + 0,0267.T = 522 + 0,0267.(112) = 525 kCal/kg = 2197,61 kJ/kg
Sau đó tiến hành tính theo các bước sau: +) Lượng sản phẩm: Gc = Gd.xd/xc ⇒ W = Gd – Gc kg/h +) Lượng hơi đốt cần thiết: ) +
( W. h
+ Q Q s
c
2
=
kg/s
D
-
c .t n c r 3)0C = 30C; D
+) Chọn S
= (2 ‚
D.r
=
+) Diện tích trao đổi nhiệt:
F
D D
t = (thnbh – tc) – (D ’ + D ’’ + D ’’’) = (thnbh – tc) – S Q K.
= t K.
t
D D
Một kho lạnh bảo quản các sản phẩm lạnh đông, có phụ tải lạnh Q0 = 35kW, nhiệt độ yêu cầu của buồng lạnh cần phải duy trì tbl = (-20 ‚ -24)0C, nhiệt độ môi trường làm mát cho thiết bị ngưng tụ là tmt = 350C, hệ thống lạnh chạy cho kho lạnh sử dụng môi chất lạnh R502.
Câu 4: (2,5 điểm)
c. Hãy xây dựng đồ thị nhiệt động P – h; T – S của chu trình lạnh của kho lạnh.
hiệu suất sử dụng năng lượng, công suất động cơ lắp đặt cho máy nén
d. Tính công của máy nén lạnh, nhiệt thải ở thiết bị ngưng tụ, hệ số làm lạnh của chu trình và
Giải:
Giải bài này tư tượng như giải bài tập mẫu mà Thầy đã giải cho các bạn ở trên lớp. Tuy nhiên, kết quả có thể sai do kỹ năng và sự hiểu biết về cách tra cứu đồ thị nhiệt động của môi chất lạnh R502.
t = -22 – 3 = -250C, tra bảng hay đồ thì R502 sẽ tìm được
t = 35 + 3 = 380C, tra bảng hay đồ thì R502 sẽ tìm được
Bước 1: Xây dựng đồ thị nhiệt động lgP – h; T – S của chu trình lạnh của kho lạnh. + Chọn nhiệt độ bay hơi: t0 = tbl - D P0. + Chọn nhiệt độ ngưng tụ: tk = tmt + D Pk. + Kiểm tra tỉ số nén: b
= Pk/P0 < 9 nên sử dụng hệ thống lạnh một cấp nén với chu trình khô.
+ Tra bảng xác định các thông số trạng thái: (1), (2), (3), (4) như trên đồ thị P – h, T – S như sau:
Trang: 5/1 5Số hiệu: BM1/QT-PĐBCL-RĐTV
T
Plg
)2(
)3(
)'2(
KT
)2(
KP
)3(
Kq )'2(
)'1(
KT
0T
0P
)'4(
)4(
0T
)1(
)1(
)4( 0q
0=x
1=x
S =
S
4S
'2S
1=x 1h
2h
0=x 3S
3
1
2
S h h = h 4
1. Tính công của máy nén lạnh, nhiệt thải ở thiết bị ngưng tụ, hệ số làm lạnh của chu trình và
hiệu suất sử dụng năng lượng, công suất động cơ lắp đặt cho máy nén.
Q
mn 0
=
=
m
Bước 2: Xaùc ñònh löu löôïng moâi chaát laïnh tuaàn hoaøn qua heä thoáng
tt
mn Q 0 q
h
0
h 1
4
, kg/s -
Trong ñoù: (1) - traïng thaùi hôi moâi chaát lạnh sau khi ra khỏi thiết bị bay hơi; (4) - traïng thaùi moâi chaát sau khi qua van tieát löu đưa vào thiết bị bay hơi (dàn lạnh); mtt (kg/s) – lưu lượng thực tế môi chất lạnh tuần hoàn qua máy nén.
Bước 3: Theå tích huùt thöïc teá cuûa Xylanh maùy neùn Vtt (m3/s)
Vtt = mtt .v1, m3/s
Trong ñoù: v1 (m3/kg) - theå tích rieâng cuûa hôi moâi chaát laïnh ôû traïng thaùi (1) bắt đầu vào máy
nén.
Bước 4: Naêng suaát huùt cuûa maùy neùn l mn i.l w’ l mn = l
Trong ñoù: l mn - naêng suaát huùt cuûa maùy neùn; l i - heä soá chæ thò theå tích; l w’ - heä soá toån thaát
do taêng nhieät ñoä.
+ D
P 0
P 0
P 0
P 0
P K
P K
C
l = i
1/n
P 0
P 0
P 0
- D - D - - Vôùi:
Trong ñoù: C = (0,03 ‚ 0,05) - heä soá khoâng gian coù haïi; D Pk = (0,039 ‚
0,059) kg/cm2 - 0,059) kg/cm2 - toån thaát aùp suaát ôû phaàn thaáp
0
toån thaát aùp suaát ôû phaàn cao aùp; D P0 = (0,039 ‚ aùp; n = (0,95 ‚
= W '
+ +
t t
T = 0 T k
k
l Vôùi: 1,25) - soá muõ ña bieán hay ñoaïn nhieät 273,15 273,15
Trong ñoù: T0 – nhieät ñoä bay hôi cuûa moâi chaát laïnh; Tk – nhieät ñoä ngöng tuï cuûa moâi chaát
laïnh.
Bước 5: Theå tích huùt lyù thuyeát cuûa maùy neùn Vlt ( m3/s)
Vtt = l mn.Vlt ⇒ Vlt =Vtt /l mn
Ñaây laø cô sôû tính toaùn choïn maùy neùn coù soá xylanh, ñöôøng kính piston khi laép ñaët:
Trang: 6/1 6Số hiệu: BM1/QT-PĐBCL-RĐTV
2
=
n.z.s
, m3/s
V lt
.d 4
p
Vôùi: d (m) - ñöôøng kính piston; n (voøng/s) - soá voøng quay cuûa truïc chính; z - soá xylanh
cuûa maùy neùn; s (m) - haønh trình chuyeån ñoäng cuûa piston.
Bước 6: Coâng suaát neùn ñoaïn nhieät Ns ( kW)
Ns = mtt.l = mtt.(h2 - h1), kW
N
s
N = i
Bước 7: Coâng suaát neùn chæ thò cuûa maùy neùn Ni (kW)
i
h
Trong ñoù: h
i – laø hieäu suaát neùn chæ thò. i = l W’ + b.t0
h
b - laø heä soá thöïc nghieäm phuï thuoäc vaøo moâi chaát laïnh; t0 - nhieät ñoä bay hôi cuûa daøn laïnh.
Bước 8: Coâng suaát ma saùt Nms (kW)
Nms = Pms.Vtt
59.103) N/m2 - söï toån thaát do ma saùt sinh ra. Vôùi: Pms = (39.103‚
Bước 9: Coâng hữu ích cuûa maùy neùn Ne (kW)
Ne = Nms + Ni
e
Bước 10: Coâng suaát tieáp ñieän cho ñoäng cô Nel (kW)
N
el
N .
td
el
= h h
td = (0,85 – 0,98) – hieäu suaát truyeàn ñoäng; h el = (0,92 – 1,0) – hieäu suaát cuûa
Trong ñoù: h
ñoäng cô.
Bước 11: Coâng suaát ñoäng cô caàn laép ñaët cho heä thoáng laïnh Nñc (kW)
.Nel
Nñc = b Trong ñoù: b = (1,1 – 1,15) - heä soá an toaøn cuûa ñoäng cô. Ñaây chính laø coâng suaát ñoäng cô caàn choïn ñeå laép ñaët cho maùy neùn.
Tính toán thiết bị ngưng tụ (dàn ngưng) và thiết bị bay hơi (dàn lạnh) của hệ thống
Nhiệt tải thiết bị bay hơi chính là phụ tải lạnh: mn, kW
Q0 = Qo
Nhiệt tải thiết bị ngưng tụ được xác định:
Qk = mtt qk = mtt.(h2 –h3) + (Ni – Ns)
lạnh một cấp nén
Trang: 7/1 7Số hiệu: BM1/QT-PĐBCL-RĐTV
