bài tập truyền nhiệt tổng hợp và tính toán thiết bị trao đổi nhiệt

Xác định q , nhiệt độ bề mặt trong và ngoài vách lò... - Hãy tính tổn thất nhiệt trên 1 m ống qL - Xác định nhiệt độ bề mặt trong và ngoài của lớp cách nhiệt... Tính tổn thất nhiệt trên

 BÀI 1: ( BÀI 12.6 tr 276): Vách lò hơi bằng thép dày 20 mm, λ = 58

W/mK; nhiệt độ khí lò tf1 = 1000 oC ; áp suất hơi p = 34 bar HSTN của khí lò tới vách α1 = 116 W/m2K ; từ vách lò đến nước α2 = 2320 W/m2K

Xác định q , nhiệt độ bề mặt trong và ngoài vách lò

o C

HSTN qua vách phẳng:

k = 106,4 W/m 2 K

MĐDN q = k(tf1 – tf2) = 80864 W/m 2 K Nhiệt độ bề mặt trong và ngoài vách lò:

303 o C ; 275 o C

2 1

1 1

1 k

α

+ λ

δ + α

=

1

1 f 1

t

α

−

=

2

2 2

1

α

q t

NHẬN XÉT:

- Giá trị HSTN k so với Hệ số toả nhiệt

- Nhiệt độ vách và chênh lệch nhiệt độ vách

 BÀI 2: Ống dẫn hơi bằng thép dtr/dng = 200 / 216 mm có λ1 = 47 W/(mK) được bọc một lớp cách nhiệt dày 120 mm, có λ2 = 0,8 W/(mK) Nhiệt độ hơi là t1

= 360 oC ; hệ số TNĐL phía hơi α1 = 120 W/(m2K) Không khí bên ngoài có t2 =

25 oC; α2 = 11 W/(m2K)

- Hãy tính tổn thất nhiệt trên 1 m ống qL

- Xác định nhiệt độ bề mặt trong và ngoài của lớp cách nhiệt

Giải: Hệ số truyền nhiệt, tính theo 1m chiều dài ống

3 2

1 1

1

1 ln

2

1 1

1

d d

d d

k

i

i

i

L

α λ

=

708 ,

0 1 =

=

q L = πk L (t f1 – t f2 ) = π x 1,412(360 – 25) = 1485,28 kW/m

Tổn thất nhiệt, tính cho 1m ống:

Nhiệt độ bề mặt lớp cách nhiệt:

C d

q t

3 2

2

π

d

q t

2

3 2

3

+

=

πλ

 Giải: TN qua vách trụ 3 lớp

 BÀI 3: (BÀI 12.9 tr 277): ống dẫn gió nóng cho lò cao, tốc độ gió ω1 = 35 m/s;

tf1 = 800 oC có 03 lớp : gạch chịu lửa δ1 = 250 mm , λ1 = 1,17 W/m; thép δ2 = 10

mm , λ2 = 46,5 W/mK; cách nhiệt ngoài δ3 = 200 mm , λ3 = 0,174 W/mK; Đường kính trong d1 = 1000 mm, không khí xung quanh tf2 = 10 oC , ω2 = 4 m/s

Tính tổn thất nhiệt trên 1 m đường ống (bỏ qua bức xạ)

Tổn thất nhiệt trên 1 m đường ống: ql = klπ ( tf1 − tf 2)

1 2 1

1

1 1

1 ln

2

1 1

1

+

=

+ + +

=

n

n

i i

l

l

d d

d d

k

R

α λ

α

Với d2 = d1 + 2δ1

d3 = d2 + 2δ2

d4 = d2 + 2δ3

¾ Cần tính HSTN phía trong và phía ngoài ống

‰ Tính α1: Không khí chuyển động cưỡng bức trong ống

KTXD là d1 = 1m; NĐXĐ là tf1 = 800 oC

Ref1 = 2,6*105 > 104 -> chảy rối

Nuf1 = 0,018 Ref10,8 = 382 -> α1 = 27,4 W/m2K

‰Tính α2: Không khí chuyển động ngang ống đơn

KTXD là d4 = 1,92m; NĐXĐ là tf2 = 10 oC

Ref2 = 5,45*105 > 104 -> chảy rối

Nuf2 = 0,245 Ref20,6 = 680 -> α2 = 8,85 W/m2K

KẾT QUẢ: kl = 0,94 W/m2K ql = 2330 W/m

t kF

C t

t

t

t

100

180 ln

100 180

ln

min max

min

Δ Δ

Δ

− Δ

= Δ

t k Q

BÀI 4: Cần gia nhiệt dầu G2 = 1000 kg/h từ t’2 = 20 oC đến t’’2 = 180 oC bằng khói nóng có t’1 = 280 oC Biết t’’1 = 200 oC; k = 35 W/(m2K); cp1 = 1,1 kJ/(kgK); cp2 = 2,3 kJ/(kgK)

Tính diện tích TĐN (F) khi bố trí dòng chuyển động ngược chiều

GIẢI: Sử dụng PT TRUYỀN NHIỆT

Chênh lệch nhiệt độ tại hai đầu thiết bị:

t’1 - t’’2 = 280 – 180 = 100 oC = Δtmin t’’1 - t’2 = 200 – 20 = 180 oC = Δtmax Độ chênh nh/độ trung bình:

Nhiệt lượng cấp cho dầu: Q = G2 cp2 (t’’2 - t’2 )

= 1000 2,3 (180 – 20)/3600 = 102,2 kW Vậy = 102,2 / (0,035 136,1) = 21,46 m2

BÀI 5: Thiết bị đun nước nóng bằng khói thải từ ĐCĐT, loại lưu động ngược chiều, có các thông số sau:

Phía khói nóng: G1 = 0,8 kg/s; cp1 = 1,12 kJ/(kgK); t’1 = 450 oC

Phía nước: G2 = 3,2 kg/s; cp2 = 4,18 kJ/(kgK); t’2 = 50 oC

Diện tích truyền nhiệt F = 15 m2; k = 85 W/(m2K)

a) Hãy tính Q; nhiệt độ ra của khói và nước

b) Nếu động cơ vận hành non tải với G1* = 0,5G1, các điều kiện ban đầu khác không thay đổi thì nhiệt lượng trao đổi và nhiệt độ nước ra sẽ là bao nhiêu?

GIẢI: a) Tính Q và nhiệt độ cuối các chất, dùng pp NTU

Chênh lệch nhiệt độ tại hai đầu thiết bị:

C1 = G1 cp1 = 0,8 1,12 = 0,896 kW/K = Cmin

C2 = G2 cp2 = 3,2 4,18 = 13,376 kW/K = Cmax Nhiệt lượng truyền cực đại: Qmax = Cmin(t’1 - t’2 )

= 0,896 (450 – 50) = 358,4 kW

max min

*

C

C

C = = 0,896 / 13,376 = 0,067

NTU = kF/Cmin = 85 15 / 896 = 1,42 Hiệu suất thiết bị (tra đồ thị): ε = 0,72

Nhiệt lượng trao đổi: Q = ε Qmax = 0,72 358,4 = 258 kW

Nhiệt độ khói thoát: t1’’ = t1’ – Q/C1 = 450 – 258 / 0,896 = 162 oC Nhiệt độ nước ra: t2’’ = t2’ + Q/C2 = 50 + 258 / 13,376 = 69,3 oC

b) Nếu động cơ vận hành non tải với G1* = 0,5G1

Cmin giảm 2 lần -> C* giảm 2 lần = 0,033

NTU tăng 2 lần = 2,84

Qmax giảm 2 lần

HS truyền nhiệt lúc đó = 0,92

Do vậy: Q = 0,92 358,4 / 2 = 164,8 kW

t2’’ = 50 + 164,8 / 13,376 = 62,3 oC

BÀI 6 : Thiết bị đun nước nóng bằng hơi nước, kiểu chùm ống.

- Tổng lưu lượng nước Gn = 10 kg/s; tốc độ nước trong ống þ19/17 là w = 1 m/s; t’2 = 30 oC và t’’2 =70 oC

- Hơi nước có p = 2 bar, x = 0,9 Nước ngưng ra khỏi bình có tK = 90 oC

Biết HS toả nhiệt phía hơi ngưng tụ α1 = 8000 W/(m2K); nhiệt trở dẫn nhiệt của vách ống

Tính diện tích F của thiết bị và lưu lượng hơi cần cung cấp (Cho phép bỏ qua ảnh hưởng phương hướng dòng nhiệt và coi hệ số εΔt =1

W

K

m2

00017 ,

0

=

∑ δ λ

t k Q

NHẬN XÉT:

™Sử dụng PT TRUYỀN NHIỆT để tính F

™ỐNG MỎNG nên có thể tính HSTN k theo CT vách phẳng (Nhiệt trở dẫn nhiệt đã cho là của vách phẳng)

™Cần tính α2phía nước chảy trong ống để xác định HSTN k

™Tìm nhiệt độ hơi vào để tính Δttb. Áp suất hơi là a/s tuyệt đối

™Tính Q: nhiệt lượng nước nhận được

cp = 4,174 kJ/kgK ; λ = 64,8.10-2 W/mK

Prf = 3,54

10 556 , 0

017 , 0 1

ν tr

f

wd

-> chảy rối Ống thẳng: εR = 1; Giả thiết L/d > 50: εl = 1 PTTC:

Nuf = 0,021Ref0,8Prf0,43 = 0,021 x 306000,8 X 3,540,43= 137,5

TSVL của nước

ν = 0,556.10-6 m2/s ; NĐXĐ: t2 = 0,5(30 + 70) = 50 oC

( )m K

W d

Nu

tr f

2 2

017 , 0

10 8 , 64 5 ,

=

α

2 Hệ số truyền nhiệt

2 1

1 1

1 k

α

+ λ

δ + α

Giải:

1 Tính hệ số toả nhiệt α2 phía nước chảy trong ống

C t

t

t t

23 , 50

60 ln

23 , 50 60

ln

min max

min

Δ Δ

Δ

− Δ

= Δ

t k Q

5 Công suất thiết bị = Nhiệt lượng cần để gia nhiệt nước

Q = Gn cpn (t’’2 - t’2 ) = 10 4,174 (70 – 30) = 1672 kW

6 Diện tích BMTN:

= 1672 / (2,062 55,5) = 14,6 m2

7 Lưu lượng hơi cần: G = Q/(ih – ik) = 1672 / (2486,6 – 377) = 0,79 kg/s

= 2853 kg/h

3 Thông số hơi nước: p = 2 bar, có ts = 120,23 oC; i’= 504,8 kJ/kg

r = 2202 kJ/kg Hơi bão hoà ẩm, x = 0,9: ih = i’+ rx = 2486,6 kJ/kg

4 Độ chênh nhiệt độ TB: Δtmax = 60 oC ; Δtmin = 50,23 oC

BÀI 7: Trong một TBTĐN, nước chảy trong ống có dtr/dng = 28/32 mm với

G2 = 1 kg/s, nhiệt độ nước vào: t’f2 = 25 oC ; ra t’’f2 = 95 oC ; Hơi: tf1 = 120 oC

Hệ số TNĐL phía hơi α1 = 4000 W/m2K ; vách có λv = 45 W/mK

- Hãy tính HSTN về phía nước α2 Xem (Prf/Prw)0.25 = 1

- Xác định HSTN k và mật độ dòng nhiệt trung bình trên 1 m ống qL

- Chiều dài cần thiết của ống là bao nhiêu?

Giải:

TSVL của nước

ρ = 983,2 kg/m3 ;cp = 4,179 kJ/kgK ; λ = 65,9.10-2 W/mK

Prf = 2,98

, ,

d

G w

tr

65

1 028

0 2

983

1 4

4

2

× π

×

×

= ρπ

=

10 478 0

028 0

65

1 × = >

= ν

,

, ,

wd

Re tr f

1 Hệ số toả nhiệt α2

Nhiệt độ TB của nước trong ống: tf2 = 0,5(25 + 95) = 60 oC

ν = 0,478.10-6 m2/s ;

Do chế độ chảy rối nên ta có PTTC:

Nuf = 0,021Ref0,8Prf0,43 = 0,021 x 966520,8 x 2,980,43 = 326,76

K m / W

, ,

, ,

d

Nu

tr

2

028 0

10 9 65 76

=

λ

=

2 Hệ số truyền nhiệt và nhiệt lượng truyền

tr tr

ng v

ng

L

d d

d ln d

k

2 1

1 2

1 1

1

α

+ λ

+ α

=

mK /

W ,

, ,

ln ,

028 0

5 7690

1 28

32 45

2

1 032

0 4000

1

×

+

×

+

×

=

q L = πk L (t f1 – t f2 ) = π x 73,24(120 – 60) = 13,798 kW/m

3 Chiều dài ống cần thiết

Nhiệt cần cấp cho nước:

kW ,

) (

, )

t t(

c G

f

'' f

p2 2 2 1 4 179 95 25 292 53

=

Chiều dài ống:

(Kiểm tra L/d !) L = qQL = 13292,798,53 = 21,2 m