Giải BT nhiệt (gợi ý) (1)

BÀI TẬP NHIỆT Bài Một tường lò gạch có hai lớp ngồi với chiều dày tương ứng 1 = 200 mm, 2 = 300 mm; nhiệt độ bề mặt tường lớp t T1 = 1200 o C tT2 = 40 oC; nhiệt độ hai lớp 600 oC; độ dẫn nhiệt lớp 2 = 4,64 w/m.độ Tính độ dẫn nhiệt lớp 1 = ? Gợi ý phương pháp giải : Khi dẫn nhiệt ổn định nhiệt dẫn qua tường 1&2  q  (t  t T ) ?   q1   t T  t  ? 1 q   1  1 ? tT  t Bài Để đảm bảo cách nhiệt tốt người ta làm tường phòng làm lạnh gồm lớp thứ tự sau: - Lớp trát: 1 = 25mm; λ1 = 0,777 w/m.độ; t1 = 14oC - Lớp cách nhiệt: λ2 = 0,07 w/m.độ - Lớp gạch: 3 = 250mm; λ3 = 0,29 w/m.độ - Lớp trát: 4 = 25mm; λ4 = 0,777 w/m.độ; t2 = 20oC Xác định bề dày lớp cách nhiệt 2 = ? để lượng nhiệt truyền vào 1,74 w/m2 Gợi ý phương pháp giải : Nhiệt dẫn riêng từ ngồi vào phòng lạnh q k t  k  q ? t k ?   ? Bài Một thiết bị có kích thước: đường kính d = 2m, chiều dài L = 6m đặt phòng rộng 6m, dài 10m cao 3m Nhiệt độ mặt thiết bị t = 177oC, nhiệt độ bề mặt tường phía phòng t = 17oC Tính lượng nhiệt truyền xạ từ thiết bị đến tường Biết C1 = 5,46 w/m2.oK4 C2 = 5,40 w/m2.oK4 Gợi ý phương pháp giải : QBX  T1   T2   C1     .F1 ;  w  100   100   ? F1  1      C1 F2  C C  F1 ? m C1  F2   ? m   QBX ? w Bài Chênh lệch nhiệt độ hai mặt tường t = tT1 – tT2 = 10 oC, bề dày tường 100 mm Xác định nhiệt tải riêng q (w/m2) truyền qua tường, vật liệu làm tường tương ứng là: đồng đỏ có  = 384 w/m.độ, thép có  = 46,5 w/m.độ, gạch thường có  = 0,70 w/m.độ amiăng có  = 0,151 w/m.độ Gợi ý phương pháp giải : Ap dung công thuc q    tT  tT  100.  Đông đo  q1 ? Thep  q ? Gach  q3 ? Amiang  q ? Bài Nhiệt tải riêng truyền qua tường phẳng dày 100 mm q = 69,5 w/m2 Hãy xác định chênh lệch nhiệt độ hai mặt tường gradien nhiệt độ tường đó, tường làm đồng thau ( = 93 w/m.độ), gạch thường ( = 0,70 w/m.độ) thủy tinh ( = 0,035 w/m.độ) Gợi ý phương pháp giải :   tT  tT    t  t  q.     t1 ?  t ?  t ? q Bài Tính hệ số cấp nhiệt nước chảy ống dài 2m, đường kính 25mm, vận tốc nước ống 0,4m/s, nhiệt độ trung bình nước 40oC, trình cấp nhiệt nước khơng thay đổi trạng thái Gợi ý phương pháp giải : Kiểm tra chế độ chảy chất lỏng ống : w.d  0,4  0,025  1000 Re   0,0152.10 15200  Xoay 3  0,656.10 Nên Nu 0,021. x Re Pr  ,8 Pr 0,  Pr   PrT    , 25 C P   Tra bảng có : CP = 0,998 cal/kg.độ = 4,178 j/kg.độ λ = 54,5.10-2 kcal/m.h.độ = 0,633 w/m.độ 4,178  0,656.10  4,329.10  0,633 Pr Coi 1 PrT Pr  Vậy   Nu 0,021   152.10   ,8   4,329.10   , 43 4,497   d  0,633  4,497 113,86; w m đo 0,025 (x cơng thức tính chuẩn số Nu phụ thuộc vào tỷ lệ L/d Re Tra bảng có x = 1) Bài Cho thiết bị đun nóng nước đến nhiệt độ 200 oC khói lò Nhiệt độ khói 1000oC Hệ số cấp nhiệt khói lò đến thiết bị 1 = 60 w/m2.độ, từ thành thiết bị đến nước 2 = 5800 w/m2.độ Hệ số dẫn nhiệt thành thiết bị  = 46,5 w/m.độ Hãy xác định nhiệt tải riêng q (w/m2) truyền từ khói lò vào nước nhiệt độ bề mặt thiết bị (cả hai mặt), biết chiều dày thành 12 mm Gợi ý phương pháp giải : q k t  t ?    1   Bài Dùng nước 10oC để làm nguội gián tiếp benzen từ 80 oC đến 25oC thiết bị truyền nhiệt Hãy xác định hiệu số nhiệt độ trung bình nước benzen cho trường hợp ngược chiều xuôi chiều Cho biết hai trường hợp hiệu số nhiệt độ t2 = 5oC Gợi ý phương pháp giải : t TB t l  t n t ln l t n XC  t TB ? NC  t TB ? Nhận xét: - Khi ngược chiều tăng nhiệt độ cuối chất làm nguội lớn xi chiều nên tốn nước làm nguội hơn, giảm chi phí vận hành, - Hiệu số nhiệt độ trung bình xi chiều lớn ngược chiều nên bề mặt trao đổi nhiệt nhỏ ngược chiều, giảm chi phí đầu tư ban đầu Bài Để đun nóng 1000 kg/h dung dịch có C = 3352 j/kg.độ từ 20 oC đến 80oC thiết bị truyền nhiệt gián tiếp người ta dùng nước 120 oC để đun nóng Hệ số truyền nhiệt thiết bị K = 557 w/m2.độ Hãy so sánh bề mặt truyền nhiệt lượng nước nóng cần thiết trong hai trường hợp xuôi chiều ngược chiều Cho biết hiệu số nhiệt độ t2 dung dịch nước khỏi thiết bị hai trường hợp t2 = 20oC Gợi ý phương pháp giải : tTB tl  tn t ln l tn 20   100  80 ? 120  20 ln 100  80 40  40 NC  tTB  ? Q dd Gdd Cdd t ?  w XC  tTB  F 120  Qdd k tTB   ?  m   FXC ? m  FNC Coi F const thi : GnnXC ? GnnNC Kết luận: XC NC  So sanh tTB va t TB  FXC va FNC  So sanh GnnXC va GnnNC Bài 10 Cũng theo điều kiện (Để đun nóng 1000 kg/h dung dịch ) giữ nhiệt độ nước ngược chiều xi chiều Tính bề mặt truyền nhiệt cho trường hợp ngược chiều, từ kết tính 10 đưa nhận xét đun nóng ngược chiều xuôi chiều Gợi ý phương pháp giải : t TB t l  t n t ln l t n 20  100  80 ? 120  20 ln 100  80 100  20  120  80 ? NC  t TB  100  20 ln 120  80 Q dd Gdd C dd t ?  w XC  t TB  F 120  Qdd k t TB   ?  m   FXC ? m  FNC Coi F const thi : GnnXC ? GnnNC Bài 11 Hệ số truyền nhiệt K thay đổi thay ống thép ống đồng có đường kính d = 38 x 2,5 mm hai trường hợp sau: a Dùng đun nóng khơng khí: 1 = 9300 w/m2.độ; 2 = 35 w/m2.độ b Dùng đun sôi dung dịch: 1 = 9300 w/m2.độ; 2 = 2000 w/m2.độ Bỏ qua nhiệt trở lớp cặn Gợi ý phương pháp giải : k ;    1   w m đô  k thkk ?  k thdd ? kk  k đông ? đk  k đôngg ? Nhận xét: Khi hệ số cấp nhiệt thấp ( phía khơng khí) vật liệu làm ống truyền nhiệt khơng làm thay đổi hệ số truyền nhiệt k ngược lại Trong trường hợp hệ số truyền nhiệt k đun sôi dung dịch với vật liệu đồng tăng gấp 1,899 lần so với ống thép Bài 12 Một thiết bị truyền nhiệt thép dày mm,  = 46,5 w/m.độ, hệ số cấp nhiệt hai phía 1 = 1000 w/m2.độ; 2 = 78 w/m2.độ Hiệu số nhiệt độ trung bình ttb = 54 oC Để tăng lượng nhiệt trao đổi thiết bị người ta đề biện pháp sau: a Tăng 1 lên 60% b Tăng 2 lên 20% c Thay thép đồng đỏ dày mm,  = 384 w/m.độ d Tăng ttb lên 15% Hãy đánh giá bốn biện pháp kết luận biện pháp hiệu Gợi ý phương pháp giải : Khi chưa sử dụng biện pháp để thay đổi lượng nhiệt trao đổi thì: k0  ;    1   w m đô  k ?  q ? Khi tăng 1 lên 60%: 1 = 1,6 x 1000 = 1600, w/m2.độ k1 ?  q1 k t ? Khi tăng 2 lên 20%: 2 = 1,2 x 78 = 93,60, w/m2.độ k ?  q k t ? Khi thay thép đồng đỏ có λ = 384 w/m.độ k ?  q k t ? Khi tăng ∆ttb lên 15% ∆ttb = ? q k t ? Nhận xét: Sử dụng biện pháp tăng hệ số cấp nhiệt phía có hệ số cấp nhiệt thấp có hiệu Bài 13 Trên thành thiết bị đặc có bọc lớp cách nhiệt dày 45mm,  = 0,12 w/m.độ Nhiệt độ sôi dung dịch 12 oC, nhiệt độ khơng khí phòng 20oC Hãy xác định lượng nhiệt tổn thất bên xạ đối lưu (q, w/m2) Khi tính, ta xem thành thiệt bị có nhiệt độ nhiệt độ sơi dung dịch Gợi ý phương pháp giải : Bài 14 Một ống dẫn nằm ngang đường kính 51x2,5(mm), dài 50m Hơi nước bão hòa ống có áp suất tuyệt đối 4at Hãy xác định : a Lượng nhiệt tổn thất ngày đêm (24 giờ) ống không bọc lớp cách nhiệt b Nếu ống bọc lớp cách nhiệt dày 40mm có hệ số dẫn nhiệt  = 0,093 w/m.độ lượng nhiệt tổn thất bao nhiêu? Biết nhiệt độ khơng khí ngồi ống tkk = 15oC Gợi ý phương pháp giải : Bài 15 Tính nhiệt độ bề mặt hai phía thiết bị đun nóng Một bên đốt với áp suất at (tương ứng với nhiệt độ 143 oC), bên khơng khí nước có nhiệt độ trung bình 30oC Thành thiết bị làm thép dày mm với hệ số dẫn nhiệt  = 40 kcal/m.h.độ Biết hệ số cấp nhiệt áp suất at 1 = 11500 kcal/m2.h.độ hệ số cấp nhiệt khơng khí nước nhiệt độ 30 oC tương ứng 2 = 40 kcal/m2.h.độ 2 = 2950 kcal/m2.h.độ Cặn bám bề mặt thành hai phía có nhiệt trở m2.h.độ/kcal Từ số liệu cho kết 2000 tính tốn đưa nhận xét phụ thuộc nhiệt độ bề mặt vào hệ số cấp nhiệt Gợi ý phương pháp giải : Xét hệ – khơng khí k  ;w m đô t 1  r1   r2  1 t 2   k ? q k t ? Mat khác : q   t1  t   t t1  q   t  t   t t  q ? 1 q ? 2 Xét hệ – nước k  ;w m đô t 1  r1   r2  1 t 2   k ? q k t k  t1  t  ? Mat khác : q   t1  t   t t1  q   t  t   t t  q ? 1 q ? 2 Nhận xét: Nhiệt độ bề mặt phía lưu thể lạnh lớn hệ số cấp nhiệt phía nhỏ ngược lại Bài 16 Một thiết bị trao đổi nhiệt ống thép dày mm, hệ số dẫn nhiệt  = 40 kcal/m.h.độ Trên bề mặt thành thiết bị có trở lực lớp rỉ sắt 0,0005 m2.h.độ/kcal phía bên có lớp kết tủa nước bám vào dày 0,5 mm với hệ số dẫn nhiệt  = 1,5 kcal/m.h.độ Tính hệ số truyền nhiệt tốt hệ số truyền nhiệt 1 2 lớn Hãy đề xuất giải pháp kỹ thuật thiết kế vận hành thiết bị để làm tăng hệ số truyền nhiệt Gợi ý phương pháp giải : k 1 r   i 1 2  ;w m  Vì 1 2 lớn nên 1/1 + 1/2 ≈ 0, nên : k r i 1  ?  t  KT rRS   t  KT  k ? Nhận xét : Để tăng hệ số truyền nhiệt - Trong thiết kế : + Chọn kết cấu bề mặt trao đổi nhiệt cho hệ số cấp nhiệt lớn + Chọn vật liệu chế tạo có độ dẫn nhiệt lớn + Chia ngăn cho lưu thể để tăng vận tốc chuyển động - Trong vận hành : + Chọn chất tải nhiệt chế độ thủy động thích hợp + Chọn chiều khơng gian chuyển động thích hợp + Định kỳ làm vệ sinh thiết bị Bài 17 Một tường lò gồm hai lớp: - Lớp vữa chịu lửa dày 500 mm,  = kcal/m.h.độ - Lớp gạch dày 250 mm,  = 0,5 kcal/m.h.độ Nhiệt độ khí nóng bên lò 1300 oC, nhiệt độ khơng khí bên ngồi lò 25oC Xác định : a Lượng nhiệt mát qua bề mặt tường b Nhiệt độ hai lớp tường Biết : - Hệ số cấp nhiệt từ khí nóng đến bề mặt tường 30 kcal/m2.h.độ - Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt ngồi tường đến khơng khí bên 14 kcal/m h.độ Gợi ý phương pháp giải : Luong nhiet mat mat q k t k  t  t ; w k  m  ; w m đô 1      1   2  k ? q k  t1  t  ? Nhiet đô giua lop tuong Tu   t1  t  q  t t1  Tu q ? 1 1  t  t  q  t t  q ? 1 1 Bài 18 Tường thiết bị truyền nhiệt dày mm, lớp bảo ơn bên ngồi dày 50 mm Bề mặt bên tường thiết bị có nhiệt độ t 2, bên ngồi có t3, bên ngồi lớp bảo ơn có nhiệt độ t Nhiệt độ chất lỏng bên thiết bị t = 80 oC, nhiệt độ khơng khí bên ngồi lớp bảo ôn t5 = 10 oC Biết : - Hệ số cấp nhiệt từ chất lỏng đến thành thiết bị 1 = 200 kcal/m2.h.độ - Hệ số cấp nhiệt từ lớp bảo ơn khơng khí 2 = BX + ĐL = kcal/m h.độ - Hệ số dẫn nhiệt lớp bảo ôn B = 0,1 kcal/m.h.độ thành thiết bị T = 40 kcal/m.h.độ Tính t2, t3 t4 = ? Gợi ý phương pháp giải :  m  ; w m đô q k t k  t1  t ; w k t b     t b  2  k ?  q k  t1  t  1,62 80  10  113,4; kcal Tu   t1  t  q  t t1  m h  q ? 1 t  t  t  q  t t  q t ? t t q Tu   t  t  q  t t  ? 2 Nhận xét: Có thể bỏ qua nhiệt trở thép (t2 ≈ t3) lớp ngồi bảo ơn Tu Bài 19 Một tường lò phẳng xây hai lớp: lớp thứ gạch sa mốt dày 250 mm, hệ số dẫn nhiệt 0,93 w/m oC; lớp thứ hai gạch đỏ, dày 250 mm, hệ số dẫn nhiệt 0,7 w/m.oC Biết nhiệt độ mặt mặt ngồi tường lò ln ln 1000oC 50oC a Xác định tổn thất nhiệt qua 1m2 tường lò nhiệt độ mặt tiếp xúc hai lớp b Xác định chiều dày lớp gạch đỏ, thêm vào hai lớp lớp bột điatômit dày 50 mm, có hệ số dẫn nhiệt 0,238 w/m oC để tổn thất nhiệt qua tường nhiệt độ hai bên tường không thay đổi Gợi ý phương pháp giải : Xac đinh tôn thât nhiêt t t q  T 1n T ; w m i  i 1  i    q ? t t  q  T TX  t TX t T  q ? 1 1 1 Hay q  t TX  tT   t TX t T  q  ? 2 2 2 Xđ chieu day lop gach đo : q ? Bài 20 Một ống thép đường kính 100mm có chiều dày mm phủ hai lớp cách nhiệt có bề dày nhau, lớp dày 50 mm Nhiệt độ mặt ống 250oC, mặt lớp cách nhiệt 50 oC, hệ số dẫn nhiệt lớp thứ 0,06 w/m.oC, lớp thứ hai 0,12 w/m oC ống thép 50 w/m.oC a Xác định tổn thất nhiệt qua mét ống nhiệt độ bề mặt tiếp xúc hai lớp cách nhiệt b Nếu đổi vị trí hai lớp cách nhiệt cho thì tổn thất nhiệt qua mét ống ? Gợi ý phương pháp giải : Xac đinh tôn thât nhiêt : q  2  t T  t T  n ri 1 ln  ri i 1 i  w m  q ? Xac đinh đô tiêp xuc Tu : q  t TX ? Tu : q  t TX ? Xac đinh tôn thât nhiêt nêu đôi vi tri q ? Bài 21 Xác định hệ số cấp nhiệt ống dẫn nước nóng , biết đường kính ống d = 32mm, tốc độ trung bình nước 0,8m/s Nhiệt độ trung bình nước 190oC, chiều dài ống 70m Lời giải Kiểm tra chế độ chảy chất lỏng ống : C  kg Tra  190 H O 0,146Cp 0,146.10 ; m.s Re  w.d  0,8  0,032  1000  175,342.10 17534  Xoay 3  0,146.10 Nên Nu 0,021. x Re Pr  C P   Tra bảng có : CP = ? λ=? ,8 Pr 0,  Pr   PrT    0, 25 Nên : 4,178  0,656.10  4,329.10  0,633 Pr Coi 1 PrT Pr    Nu 0,021   152.10   ,8   4,329.10  0,633  4,497 113,86; w m đo 0,025  , 43 4,497   d  ... : a Lượng nhiệt tổn thất ngày đêm (24 giờ) ống không bọc lớp cách nhiệt b Nếu ống bọc lớp cách nhiệt dày 40mm có hệ số dẫn nhiệt  = 0,093 w/m.độ lượng nhiệt tổn thất bao nhiêu? Biết nhiệt độ... pháp tăng hệ số cấp nhiệt phía có hệ số cấp nhiệt thấp có hiệu Bài 13 Trên thành thiết bị đặc có bọc lớp cách nhiệt dày 45mm,  = 0,12 w/m.độ Nhiệt độ sôi dung dịch 12 oC, nhiệt độ không khí phòng... với hệ số dẫn nhiệt  = 1,5 kcal/m.h.độ Tính hệ số truyền nhiệt tốt hệ số truyền nhiệt 1 2 lớn Hãy đề xuất giải pháp kỹ thuật thiết kế vận hành thiết bị để làm tăng hệ số truyền nhiệt Gợi ý