Bài tập thiết bị trao đổi nhiệt | giáo án điện tử khoa học tự nhiên 8 bài 28 Kết nối tri thức

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 13000C, hệ số toả nhiệt từ khói đến
gạch là 34,8W/m2.0K; nhiệt độ của không khí xung quanh bằng 300C. 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 1  2 1 1 , 0 250 , 0 250 1       1  1  2 2 34 8 , 3 , 0 48 6 , 0 95 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 8, 34 1 tW1 = 12690C
Nhiệt độ tiếp xúc giữa hai lớp gạch: 1  , 0 250 t  1269 1064 W2 = tW1 - q 1  34 , 0 8 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/m2.0K, 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 q1 = k1(tf1 - tf2), W/m
trêng ®¹i häc c«ng nghiÖp hµ néi 91 bµi tËp kü thuËt nhiÖt 1 k 1 1 d 1 d 1 = 2 3 1  ln  ln  , 1 d
 1 21 d1 22 d2 2 d  3 d1 = 0,2m d2 = 0,216m
d3 = d2 + 2 = 0,216 + 2.0,120 = 0,456m 1 k1 = 1 1 216 1 456 1  ln  ln  116 1 , 3 . 4 , 0 . 2 1 , 3 . 2 4 2 . 16 200 1, 3 . 2 4 1 , 0 . 16 216 10 1 , 3 . 4 , 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  5 , 247 t 2 10 W3 = tf2 + q1 tW3 = 49,750C Bài 3:
Một vách có cánh dày 12mm, hệ số dẫn nhiệt  = 60W/m.0K. Phía không làm
cánh tiếp xúc với môi trường nóng có nhiệt độ 1170C, hệ số toả nhiệt 1 =
250W/m2. 0K. Phía làm cánh tiếp xúc với không khí nhiệt độ 170C, hệ số toả nhiệt F  1
2 = 12W/m2. 0K. Hệ số cánh
= 12. Xác định mật độ dòng nhiệt phía không làm 2 F
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  k 1  1 F1 1 01 , 0 2 1 1 =   .   1  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   75 , 74 q F2 12 2 = q1 W/m2
Nhiệt độ bề mặt phía không làm cánh:
trêng ®¹i häc c«ng nghiÖp hµ néi 92 bµi tËp kü thuËt nhiÖt 1 1 t 
W1 = tf1 - q1 1 = 117 - 897. 250 =810C
Nhiệt độ bề mặt phía làm cánh: 1 1 t  W2 = tf2 + q2 2 = 17 + 74,75. 12 tW2 = 790C
Mật độ dòng nhiệt truyền qua vách ngăn khi không làm cánh: 1 (tf1  tf2), q 1  1 oc =   1  2 1 q 1 ( 17 17 oc = ) 1 0 , 0 12 1   250 60 12 qoc = 114,2W/m2 q1 897
Khi làm cánh nhiệt lượng truyền đi tăng  q =7,85 lần. oc 114,2 Bài 4:
Một thiết bị trao đổi nhiệt, chất lỏng nóng được làm nguội từ 3000C 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 t  1  t  2 275  25  1040C t t  1 275 cc = 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
trêng ®¹i häc c«ng nghiÖp hµ néi 93 bµi tËp kü thuËt nhiÖt t  1  t  2 125 175  1490C t t  1 125 nc = ln ln t  2 175
c. Trường hợp chất lỏng chuyển động cắt nhau: tcn = t.tnc Trong đó: t = f(P,R) t''2t'2 175  25 P =   54 , 0 5 t'1t'2 300  25 t'1t' 1 300  200 R =   6 , 0 67 t' 2t'2 175  25
Tra đồ thị: 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 100C, 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) Q = 275 10 . 04 , 3 . 3120 50 5 , 16255 W 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 . 1pt 1't' 1' t''2 = t'2 + G2 C . p2 275  04 , 3 . 120  50 t''2 = 10 + 10 . 00 18 , 4 = 240C
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
trêng ®¹i häc c«ng nghiÖp hµ néi 94 bµi tËp kü thuËt nhiÖt t  1  t  2 110  26   3 , 58 0C t t  1 110 cc = 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 5 , 16255 F   , 0 24m cc = 2 . k t  cc 1160 3 , 58 .
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 t  1  t  2 96  40   640C t t  1 96 nc = 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 , F   , 0 22m nc = 2 . 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 độ
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.
trêng ®¹i häc c«ng nghiÖp hµ néi 95 bµi tËp kü thuËt nhiÖt
i'' - entanpi của hơi bão hoà khô ứng với p = 1,013 bar: i'' = 2676 kJ/kg
trêng ®¹i häc c«ng nghiÖp hµ néi 96 bµi tËp kü thuËt nhiÖt 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) Q 26193 1 . 03 t''  650   680 1 = t'1 - C G1Cp 45 1 , 4 . 8 1 . 03 1
Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit:
t1 = t'1 - t''2 = 650 - 126 = 5240C
t2 = t''1 - t'2 = 68 - 26 = 420C t  1  t  2 524  42   1910C t = t  1 524 ln ln t  2 42
Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt: Q = k.F.t 3 F = Q 10 . 26193 2   696m . k t  191 . 197 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 970C. 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 170C đến 470C. Đường kính ống
ngoài là 54 mm. Xác định chiều dài ống của thiết bị. ống thép có  = 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 t''  97   630 1 = t'1 - C G1 C . 1 , 4 . 1 8 1 . 03 1 p
Tính chất vật lý của chất lỏng nóng tra theo nhiệt độ: t t'1t''1 97  63 0 1 =   80 C 2 2 1  = 972 kg/m3
trêng ®¹i häc c«ng nghiÖp hµ néi 97 bµi tËp kü thuËt nhiÖt v1 = 0,365.10-6 m2/s; Pr1 = 2,2 1 = 0,674 W/m. 0K.
Tính chất vật lý của chất lỏng lạnh tra theo nhiệt độ: t t'2t''2 17  47 0 2 =   32 C 2 2 2 = 995 kg/m3 v2 = 0,776.10-6 m2/s; Pr2 = 5,2 2 = 0,62 W/m. 0K.
Tốc độ chuyển động của nước nóng: Hình 27 G1 , 1 4   9 , 0 6m / s w 2 2 1 =  d . 1 972 1 , 3 . 4 0 , 0 . 37 1 4
Tốc độ chuyển động của nước lạnh: G2 4 . 14 , 1  w 2 2 2 2 2 =  .D  d 2  . 14 , 3 . 995 054 , 0  04 , 0  2 4 w2 = 1,1 m/s
Trị số Re của chất lỏng nóng: w d 1 1 037 , 0 . 96 , 0 Re   f = 97315 v 10 . 365 , 0 6 1
Hệ số toả nhiệt về phía chất lỏng nóng được xác định từ phương trình tiêu chuẩn: Pr Nu 0,8 0,43 f f = 0,021.Ref Prf ( P )0,25 w r
Nhiệt độ của vách ống lấy bằng:
fw = 0,5(t1 + t2) = 0,5(80 + 32) = 560C Prw = 3,2 , 2 2
Nuf1 = 0,021.973150,8.2,20,43( ,32 )0,25 Nuf1 = 262 Nuf1.1 262 6 , 0 . 74 Nên  2 0 1 =   4772W / m . K d , 0 037
Trị số Re của chất lỏng lạnh:
trêng ®¹i häc c«ng nghiÖp hµ néi 98 bµi tËp kü thuËt nhiÖt w d . Re 2 rd 2 = v2 dtd = D - d2 = 54 - 40 = 14 mm 014 , 0 . 1, 1 Re2 =  19845 10 . 776 , 0 6 , 5 2
Nuf2 = 0,021.198450,8.5,20,43( ,32 )0,25 Nuf2 = 132 W/m2. 0K Hệ số toả nhiệt 2: 62 , 0 . 132   2 = 5846 014 , 0 W/m2. 0K
Hệ số truyền nhiệt của thiết bị: 1 k 1 1 d 1 1 = 2  ln  1  . 1 d . . 2 .   1 d 2. d.2 1 k1 = 1 1 40 1  ln  4772 03 , 0 . 14 , 3 . 7 50 . 14 , 3 . 2 37 5846 04 , 0 . 14 , 3 . 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 = 50 ln 46
Mật độ dòng nhiệt của 1m chiều dài ống:
q1 = k1.t = 293.48 = 14064 W/m Chiều dài ống: Q 142956 l=   10m q1 14064
Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt:
F = d1.l = 3,14.0,037.10 = 1,16 m2
Nếu chất lỏng chuyển động cùng chiều: t1 = 97 - 17 = 800C
trêng ®¹i häc c«ng nghiÖp hµ néi 99 bµi tËp kü thuËt nhiÖt t2 = 63 - 47 = 160C 80 16 400  C t = 80 ln 16 q1 = 293.40 = 11720 W/m Chiều dài ống: l = 142956  , 12 2 m 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  = 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 độ không
khí chuyển động ngang qua chùm ống chỗ hẹp nhất bằng 8 m/s. s1 = 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  = 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 t1 =
3000C, tra Cp1 của khói theo nhiệt độ ta được: Cp1 = 1,12 kJ/kg.K
trêng ®¹i häc c«ng nghiÖp hµ néi 100 bµi tËp kü thuËt nhiÖt Q 499 , 4 450 Nên t''  380  1520 1 = t'1 - C G1 C . 1p 19 1 . 6 , 120
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 f1 = 0,0454 W/m. 0K vf1 = 41,2.10-6 m2/s Pr1 = 0,66 w d 1 1 14 0 , 0 . 5 Tính: Re   f1 = 17000 v  f 4 , 1 1 . 2 0 6 1 Nu 0 8 , 0, f1 = 0,021.Re 43 f1 P f r
Nuf1 = 0,021.170000,8.0,660,43 = 42,5
Hệ số toả nhiệt phía khói: Nuf1.f1 04 , 0 . 5 , 42 54   1 = d1 05 , 0 1 = 38,6 W/m2. 0K Phía không khí: w2 d.2 0 , 0 . 8 53 Re   f2 = 14928 v  f 28 1 . 3 , 0 6 2 Nu 0,6 0, f2 = 0,41.Re 33 f 2 P f r 2
Nuf2 =0,41.149820,6.0,6840,33 = 115
Hệ số toả nhiệt phía không khí: Nuf2.2 115 03 , 0 . 52    2 = 3 , 76 d W/m2. 0K 2 05 , 0 3
Hệ số truyền nhiệt của thiết bị một cách gần đúng:
trêng ®¹i häc c«ng nghiÖp hµ néi 101 bµi tËp kü thuËt nhiÖt 1 1  k = 1  1 1 0015 , 0 1     = 26 W/m2. 0K 1   2 6 , 38 5 , 46 3 , 76
trêng ®¹i häc c«ng nghiÖp hµ néi 102 bµi tËp kü thuËt nhiÖt
Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit trong trường hợp này được tính: t = t.tnc t1 = 380 - 150 = 2300C t2 = 260 - 30 = 2300C t Vì: 1  1 t  2 Nên:
tnc = tf1 - tf2 = 265 - 145 = 1200C
Để tra t ta cần tính thêm hai thông số: P = 260  30  658 , 0 380  30 R = 380 150  0 , 1 260  30
Dựa vào P và R tra đồ thị ta tìm được: t = 0,88 Vậy: t = 0,88.120 = 105,50C
Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt: Q 499 , 4 450 F = 2   1820m . k t  10 . 26 5 5 , Tổng số lượng ống: G1 4 . 6 , 19 n    1080 d2  05 , 0 . 14 , 3 . 3 , 2 2 14 . 1 . 4 1
Chiều cao của mỗi đoạn ống (gồm hai đoạn): F 1820 l   , 5 4 1 = m 2 d . 1 n . 1 , 3 . 2 4 0 , 0 . 5 1 . 080
Tiết diện chảy của dòng không khí: G 21 5 , f = 2 2   , 3 2m 2 w . 2 8 , 0 44 8 .
Số ống bố trí ngang dòng không khí: f , 3 2 n  1 = l1 s(1  d2) , 5 0 , 0 . 3 , 1 ( 4 53 0 , 0 5 ) 3 n1 = 38 (ống)
Số ống bố trí dọc theo dòng không khí:
trêng ®¹i häc c«ng nghiÖp hµ néi 103 bµi tËp kü thuËt nhiÖt n 1080 n   2 = 29 n (ống) 1 38
trêng ®¹i häc c«ng nghiÖp hµ néi 104 bµi tËp kü thuËt nhiÖt 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 V1 =
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 = t.tnc
160 20345 250 1160  C tnc = 160  20 ln 345250 P = 250  20  71 , 0 345  20 R = 345 160  80 , 0 250  20
Tra đồ thị ta được t = 0,9 t = 0,9.116 = 104,50C
Diện tích thực tế khói chuyển động ngang qua: 2 2 F  d . 1 05 , 0 . 14 , 3 1 = n  20 . 79  1 , 4 m2 4 4
Tốc độ trung bình của khói: V1 35 w   1 = 5 , 8 F m/s 1 1 , 4
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; 1 = 4,44.10-2 W/m.K Prf1 = 0,660 Tính Re đối với khói: w1 d.1 05 , 0 . 5 , 8 Re   f1 = 10800 v  f 10 . 3 , 39 6 1 Nu 0 8 , 0, f1 = 0,021.Re 43 f1 P f r 1
trêng ®¹i häc c«ng nghiÖp hµ néi 105 bµi tËp kü thuËt nhiÖt
Nuf1 = 0,021.(10800)0,8.0,6600,43 = 29,6
Hệ số toả nhiệt phía khói: Nu  f1.f1 , 4 . 6 , 29 10 . 44 2 1 =  d1 05 , 0 1 = 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: f2 = 0,5(250+20) = 1350C
Tra các thông số vật lý của không khí theo f2 =1350C ta được: f2 = 3,46.10-2 W/m.0K vf2 = 27,20.10-6 m2/s Prf2 = 0,685 Cp2 = 1,012 kJ/kg0K 2 = 0,865 kg/m3
Trị số Ref2 đối với không khí: w2 d.2 , 17 4 053 , 0 33900 Re  .  f2 = v  f l , 27 10 . 2 6 2 l
Khi dòng không khí chuyển động ngang qua chùm ống so le: Nu 0, f2 = 0,37.Re 6 f 2 1   2  (n  2)  3 tb = n  6, 0  7 , 0  25.  3 tb =  97 , 0 5  27 3
Hệ số toả nhiệt của dãy ống thứ ba bằng:  0,6 f 2 .  3 = 0,37Re f 2 d2 0,6 2    33900  , 3 10 . 46 3 = 0,37   .  1  05 , 0 3 132 3 = 0,6 l
Vậy hệ số toả nhiệt trung bình của không khí: Hình 29
trêng ®¹i häc c«ng nghiÖp hµ néi 106 bµi tËp kü thuËt nhiÖt 132 129 2tb = 0,975.  0,6 0,6 W/m2. 0K l l
Vậy hệ số toả nhiệt được tính gần đúng bằng công thức: 1 1  k = 1  1 1 0 , 0 015 1     0,6 1   2 26 46 5 , 129/ l 129 k = 0,6 96 , 4  l
Lượng nhiệt khói truyền cho không khí: Q = k.F.t Trong đó:
F - diện tích bề mặt truyền nhiệt F = 2dtb.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: 3  4,63.106 = , 3 . 2 10 . 5 , 51 . 24 5 , 104 . 129 .l 2079 . 0,6 96 , 4  l l 106 . 06 , 9 4,63.106 = 0,6 96 , 4  l
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  = 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 để 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
trêng ®¹i häc c«ng nghiÖp hµ néi 107 bµi tËp kü thuËt nhiÖt
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 G  1 = 9 , 0  8 i' 1 i  '1 9 , 0  8 2685 447 G1 = 1,2 kg/s
Vì vị trí lắp đặt hẹp nên ta chọn loại thiết bị đặt đứng. Để xác định hệ số toả 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:
ts  t'2ts  t''2 t = ts  t'2 ln ts t''2 95  20 380  C t = 107  20 ln 10795 Chọn nhiệt độ vách: t t  38 0 w = ts - 107   88 C 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 2 = 960 kg/m3 2 = 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
trêng ®¹i häc c«ng nghiÖp hµ néi 108 bµi tËp kü thuËt nhiÖt
Hệ số toả nhiệt khi ngưng hơi trên ống đặt đứng: 3 .r . g . p 
1 = 0,943. 4 vts t h w 3 3  10 . 2238 . 81 , 9 . 960 678 , 0 . 1 = 0,943. 4 6 10 . 305 , 0 107 882.
Hệ số toả nhiệt phía nước 2
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: 2 = 984 kg/m3 2 = 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 w2 d.1 01 , 0 . 5 , 1 2 Re   2 = 36145 v , 0 498 10 . 6 2
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 Nu 0,8 0,43 P 2 r  2 = 0,021.Re 2 .P 2 r  P   w r  12 , 3
Nu2 = 0,021.361450,8.3,120,43( 03 , 2 )0,25 = 169
Hệ số toả nhiệt phía nước: N . u 2 665 , 0 . 169   2 = d1 012 , 0 2 = 9365 W/m2. 0K
Hệ số truyền của thiết bị: 1 1  k = 1  1 1 01 , 0 1     1   2 4606 104 5 , 9365 k = 2383 W/m2. 0K
trêng ®¹i häc c«ng nghiÖp hµ néi 109 bµi tËp kü thuËt nhiÖt Mật độ dòng nhiệt:
q = k.t = 2383.38 = 90554 W/m2
Tính gần đúng lần thứ nhất diện tích bề mặt truyền nhiệt: 3 F = Q 2620 10 . 2   29m q 90554
Số ống trong một lần ngoặt: G2 34 , 8 . 4  m = 2. d.21 012 , 0 . 14 , 3 . 984 2 5 , 1 . w . 4 2 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 h =   m 55 , 3  d . tb n. 200 . 013 , 0 . 14 , 3
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 1 = 962 kg/m3 1 = 0,680 W/m. 0K v1 = 0,310.10-6 m2/s 3 3  10 . 2238 . 81 , 9 . 962 680 , 0 . 1 = 0,943 4 6 10 . 310 , 0 .107 84 0, 4 . 1 = 3684 W/m2.K
Hệ số toả nhiệt phía nước: 0,25  12 , 3   Nu  13 , 2  2 = 0,021.361450,8.3,120,43 Nu2 = 167 665 , 0 . 167   2 = 9255 012 , 0 W/m2. 0K
trêng ®¹i häc c«ng nghiÖp hµ néi 110 bµi tËp kü thuËt nhiÖt