Xác định diện tích bề mặt trao đổi nhiệt trong trường hợp các chất lỏng chuyển động cùng chiều và ngược lại. Xác định bề mặt truyền nhiệt, chiều cao của ống và số lượng ống[r]
(1)Chương 8
Thiết bị Trao đổi nhiệt Bài tập giải mẫu
Bài 1:
Một tường lò bên gạch chịu lửa dày 250mm, hệ số dẫn nhiệt 0,348W/m.0K, bên lớp gạch đỏ dày 250mm, hệ số dẫn nhiệt bằng 0,695W/m.0K Nếu khói lị có nhiệt độ 13000C, hệ số toả nhiệt từ khói đến gạch 34,8W/m2.0K; nhiệt độ khơng khí xung quanh 300C Hệ số toả nhiệt từ gạch đến khơng khí 11,6W/m2.0K Tính mật độ dịng nhiệt truyền qua tường lị nhiệt độ tiếp xúc hai lớp gạch
Lời giải:
Mật độ dòng nhiệt truyền qua tường là: q = k(tf1 - tf2)
k = 11,6
1 695 ,
250 , 348 ,
250 , , 34
1
1
1
1
2 2 1
k = 0,838 W/m2.0K
q = 0,838(1300 - 30) = 1064 W/m2 Nhiệt độ bề mặt tường phía khói:
tW1 = tf1 - q
1
= 1300 - 106434,8
tW1 = 12690C
Nhiệt độ tiếp xúc hai lớp gạch:
tW2 = tW1 - q 0,348
250 , 1064 1269
1
1
tW2 = 5040C
Bài 2:
Một ống dẫn nước làm thép, đường kính 200/216mm, hệ số dẫn nhiệt 46W/m.0K bọc lớp cách nhiệt dày 120mm, có hệ số dẫn nhiệt 0,116W/m.0K Nhiệt độ 3000C, hệ số toả nhiệt từ đến bề mặt ống 116W/m2.0K, nhiệt độ khơng khí xung quanh 250C, hệ số toả nhiệt từ bề mặt ngồi cách nhiệt đến khơng khí xung quanh 10W/m2.0K. Xác định tổn thất nhiệt 1m chiều dài ống nhiệt độ bề mặt lớp cách nhiệt
Lời giải:
(2)k1 = 2 3
2
2 1
1 d
1 d
d ln
1 d
d ln
1 d
1
,
d1 = 0,2m d2 = 0,216m
d3 = d2 + 2 = 0,216 + 2.0,120 = 0,456m
k1 = 10.3,14.0,456
1 216
456 ln 116 , 14 ,
1 200
216 ln 216 14 ,
1
, 14 , 116
1
1
k1 = 0,9 W/m.0K
q1 = 0,9(300 - 25) = 247,5 W/m Nhiệt độ bề mặt lớp cách nhiệt:
tW3 = tf2 + q1 10
1 , 247 25
2
tW3 = 49,750C
Bài 3:
Một vách có cánh dày 12mm, hệ số dẫn nhiệt = 60W/m.0K Phía khơng làm
cánh tiếp xúc với mơi trường nóng có nhiệt độ 1170C, hệ số toả nhiệt
1 =
250W/m2. 0K Phía làm cánh tiếp xúc với khơng khí nhiệt độ 170C, hệ số toả nhiệt
2 = 12W/m2 0K Hệ số cánh
F F
= 12 Xác định mật độ dịng nhiệt phía khơng làm cánh phía làm cánh, nhiệt độ bề mặt tiếp xúc với môi trường nóng mơi trường lạnh Hiệu làm việc cánh
Lời giải:
Mật độ dịng nhiệt phía không làm cánh: q1 = k1(tf1 - tf2)
k1 = 12.12
1 60
012 , 250
1
1 F
F 1
1
2
k1 = 89,7 W/m2.0K
q1 = 89,7(117 - 17) = 897 W/m2 Mật độ dịng nhiệt phía làm cánh:
q2 = q1
75 , 74 12 897 F
F
2
1
(3)tW1 = tf1 - q1
1
= 117 - 897.250
1
=810C Nhiệt độ bề mặt phía làm cánh:
tW2 = tf2 + q2
1
= 17 + 74,75.12
1
tW2 = 790C
Mật độ dòng nhiệt truyền qua vách ngăn không làm cánh:
qoc =
), t t ( 1
1
2 f f
2
qoc =
) 17 117 ( 12
1 60
012 , 250
1
qoc = 114,2W/m2
Khi làm cánh nhiệt lượng truyền tăng 114,2
897 q
q
oc
=7,85 lần
Bài 4:
Một thiết bị trao đổi nhiệt, chất lỏng nóng làm nguội từ 3000C đến 2000C, chất lỏng lạnh đốt từ 250C đến 1750C Tính độ chênh lệch nhiệt độ trung bình ba trường hợp:
a Chất lỏng chuyển động song song chiều b Chất lỏng chuyển động song song ngược chiều c Chất lỏng chuyển động cắt
Lời giải:
a.Trường hợp chất lỏng chuyển động song song chiều:
t1 = t'1 - t'2 = 300 - 25 = 2750C t2 = t''1 - t''2 = 200 - 175 = 250C
tcc =
C 104 25
275 ln
25 275 t
t ln
t
t
2
1
b Trường hợp chất lỏng chuyển động song song ngược chiều:
(4)tnc =
C 149 175
125 ln
175 125 t
t ln
t
t
2
1
c Trường hợp chất lỏng chuyển động cắt nhau:
tcn = t.tnc Trong đó: t = f(P,R)
P =
545 , 25 300
25 175 't
't 't '' t
2
2
2
R =
667 , 25 175
200 300 't
'' t
'' t 't
2
1
1
Tra đồ thị: t = f(0,545, 0,667) = 0,90
tcn = 0,9.149 = 1340C Bài 5:
Trong 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 100C, nhiệt dung riêng Cp2 = 4,18 kJ/kg 0K Tính diện tích truyền nhiệt thiết bị hai trường hợp
a Chất lỏng chuyển động song song chiều b Hệ số truyền nhiệt thiết bị k = 1160 W/m2. 0K
Lời giải:
Nhiệt lượng chất lỏng nóng nhả ra: Q = G1Cpl(t'1 - t''1)
Q = 3600.3,04.10 120 50 16255,5W
275
Nhiệt độ chất lỏng lạnh xác định từ phương trình cân nhiệt: Q = G1Cpl(t'1-t''1) = G2Cp2(t''2-t'2)
t''2 = t'2 +
p
1 1 p
C G
'' t 't C
G
t''2 = 10 +
18 , 1000
50 120 04 ,
275
= 240C
Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit trường hợp chuyển động song song chiều:
(5)tcc =
C , 58 26 110 ln
26 110 t
t ln
t
t
2
1
Diện tích bề mặt truyền nhiệt trường hợp chất lỏng chuyển động song song chiều:
Q = k.Fcc.tcc
Fcc =
2 cc
m 24 , , 58 1160
5 , 16255 t
k
Q
Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit trường hợp chuyển động song song ngược chiều:
t1 = t'1 - t''2 = 120-24 = 960C t2 = t''1-t'2 = 50-10 = 400C
tnc =
C 64 40 96 ln
40 96 t
t ln
t
t
2
1
Diện tích bề mặt truyền nhiệt trường hợp chất lỏng chuyển động song song ngược chiều:
Q = k.Fnc.tnc
Fnc =
2 nc
m 22 , 64 1160
5 , 16255 t
k
Q
Bài 6:
Lưu lượng nước chảy thiết bị trao đổi nhiệt chuyển động ngược chiều G2 = 10 kg/s, nhiệt độ nước tăng từ 260C lên đến 1000C sau sơi biến thành hơi q nhiệt có nhiệt độ 1260C Tồn q trình thực với p = 1,013 bar = const Nước gia nhiệt nhờ khí cháy Khí cháy vào thiết bị có nhiệt độ 6500C lưu lượng G1 = 45 kg/s Biết hệ số truyền nhiệt thiết bị k=197 W/m2 Tính diện tích truyền nhiệt thiết bị (Thơng số vật lý khí cháy một cách gần lấy theo thơng số vật lý khơng khí)
Lời giải:
Nhiệt lượng mà nước nhận từ 260C đến trở thành nhiệt có nhiệt độ 1260C:
Q = G2[Cp2(100 - 26) + r(iqn – i’’)]
Cp2 - nhiệt dung riêng nước 4,18 kJ/kg.0K. r-nhiệt hoá nước ứng với p = 1,013 bar:
r = 2257 kJ/kg
(6)(7)Vậy Q = 10[4,18(100 - 26) + 2257(2729 - 2676)].103
W 10 26193
Q
Nhiệt độ khí cháy khỏi thiết bị: Q = G1Cp1(t'1 - t''1)
t''1 = t'1 -
C 68 10 18 , 45
10 26193 650
C G
Q
3
1 p
Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit:
t1 = t'1 - t''2 = 650 - 126 = 5240C t2 = t''1 - t'2 = 68 - 26 = 420C
t =
C 191 42
524 ln
42 524 t
t ln
t
t
2
1
Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt: Q = k.F.t
F =
2
m 696 191
197
10 26193 t
k
Q
Bài 7:
Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống Hình 27 Nước nóng có lưu lượng G1 = 1,4kg/s Khi vào thiết bị có nhiệt độ 970C Nước nóng chảy ống đường kính d2/d1 = 40/37mm Chất lỏng lạnh chuyển động vòng xuyến ống với lưu lượng G2 = 1,14 kg/s đốt nóng từ 170C đến 470C Đường kính ống 54 mm Xác định chiều dài ống 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 khỏi thiết bị: Q = G1Cp1(t'1 - t''1)
t''1 = t'1 -
C 63 10 18 ,
142956 97
C G
Q
3
p
Tính chất vật lý chất lỏng nóng tra theo nhiệt độ:
t1 = 80 C
63 97
'' t
't1
1
(8)v1 = 0,365.10-6 m2/s; Pr1 = 2,2
1 = 0,674 W/m 0K
Tính chất vật lý chất lỏng lạnh tra theo nhiệt độ:
t2 = 32 C
47 17
'' t
't2
2
= 995 kg/m3 v2 = 0,776.10-6 m2/s; Pr2 = 5,2
2 = 0,62 W/m 0K
Tốc độ chuyển động nước nóng: Hình 27
w1 =
s / m 96 , 037 , 14 , 972
4 ,
d G
2
2
1
Tốc độ chuyển động nước lạnh:
w2 =
2
2 2
2
04 , 054 , 14 , 995
4 14 ,
d D
G
w2 = 1,1 m/s Trị số Re chất lỏng nóng:
Ref =
97315 10
365 ,
037 , 96 , v
d w
6
1
1
Hệ số toả nhiệt phía chất lỏng nóng xác định từ phương trình tiêu chuẩn:
Nuf = 0,021.Ref0,8Prf0,43( w f
Pr Pr
)0,25 Nhiệt độ vách ống lấy bằng:
fw = 0,5(t1 + t2) = 0,5(80 + 32) = 560C Prw = 3,2
Nuf1 = 0,021.973150,8.2,20,43(3,2
2 ,
)0,25 Nuf1 = 262
Nên 1 =
K m / W 4772 037
,
674 , 262 d
Nuf1 1 2 0
(9)Re2 = rd
v d w
dtd = D - d2 = 54 - 40 = 14 mm
Re2 = 0,776.10 19845
014 , ,
6
Nuf2 = 0,021.198450,8.5,20,43(3,2
2 ,
)0,25 Nuf2 = 132 W/m2. 0K
Hệ số toả nhiệt 2:
2 =
5846 014
,
62 , 132
W/m2. 0K Hệ số truyền nhiệt thiết bị:
k1 = 2
2
1 d
1 d
d ln
1 d
1
1
k1 = 5846.3,14.0,04
1 37
40 ln 50 14 ,
1 037
, 14 , 4772
1
1
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
t =
C 48 46 50 ln
46
50
Mật độ dòng nhiệt 1m chiều dài ống: q1 = k1.t = 293.48 = 14064 W/m
Chiều dài ống:
l=
m 10 14064 142956 q
Q
1
Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt:
F = d1.l = 3,14.0,037.10 = 1,16 m2
Nếu chất lỏng chuyển động chiều:
(10)t =
C 40 16 80 ln
16
80
q1 = 293.40 = 11720 W/m Chiều dài ống:
l = 11720 12,2
142956
m Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt:
F = 3,14.0,07.12,2 = 1,42 m2
Bài 8:
Một sấy khơng khí lị kiểu chùm ống bố trí Hình 28 Khói ống khơng khí chuyển động ngang qua ngồi chùm ống Các thơng số thiết bị sau: lưu lượng khơng khí G2 = 21,5 kg/s, khơng khí đốt nóng từ t'2 = 300C đến t''2 = 2600C Khói có thành phần 13% CO2 11% H2O Khói chuyển động 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 khói w1 = 14 m/s. Nhiệt độ khói lúc vào thiết bị t'1 = 3800C Xác định diện tích bề mặt truyền nhiệt F, chiều cao ống L số lượng ống Biết chùm ống bố trí so le, tốc độ khơng khí chuyển động ngang qua chùm ống chỗ hẹp m/s s1 = s2 = 1,3d2
Lời giải:
Lượng nhiệt khơng khí nhận được: Q = G2Cp2(t''2 - t'2), W
Các thông số không khí tra theo nhiệt độ trung bình khơng 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 khói, ta giả thiết nhiệt độ trung bình khói t1 = 3000C, tra Cp1 khói theo nhiệt độ ta được:
Cp1 = 1,12 kJ/kg.K
Nên t''1 = t'1 -
C 152 1120 , 19
450 , 4994 380
C G
Q
1 p
(11)Dùng nhiệt độ tính gần 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 ta tính gần lại lần thứ tìm được: t''1 = 1500C t1 = 2650C
Sự sai biệt so với giả thiết khơng đáng kể, ta dùng t1 = 2650C để tính tốn. Tra bảng thơng số 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
Tính: Ref1 =
17000 10
, 41
05 , 14 v
d w
6
f
1
Nuf1 = 0,021.Re0f1,8Prf0,43
Nuf1 = 0,021.170000,8.0,660,43 = 42,5 Hệ số toả nhiệt phía khói:
1 = 0,05
0454 , , 42 d
Nu
1 f f
1 = 38,6 W/m2 0K
Phía khơng khí:
Ref2 =
14928 10
, 28
053 , v
d w
6
f
2
Nuf2 = 0,41.Re0f,26Prf02,33
Nuf2 =0,41.149820,6.0,6840,33 = 115 Hệ số toả nhiệt phía khơng khí:
2 =
3 , 76 053
,
0352 , 115 d
Nu
2 2
f
W/m2. 0K Hệ số truyền nhiệt thiết bị cách gần đúng:
k = 76,3
1 , 46
0015 , , 38
1
1
1
2
(12)Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit trường hợp tính:
t = t.tnc
t1 = 380 - 150 = 2300C t2 = 260 - 30 = 2300C
Vì: 1 t t
Nên: tnc = tf1 - tf2 = 265 - 145 = 1200C
Để tra t ta cần tính thêm hai thơng số: P = 380 30 0,658
30 260
R = 260 30 1,0 150 380
Dựa vào P R tra đồ thị ta tìm được: t = 0,88 Vậy: t = 0,88.120 = 105,50C
Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt: F = m 1820 , 105 26 450 , 4994 t k Q Tổng số lượng ống:
1080 14 05 , 14 , , , 19 d G n 2
1
Chiều cao đoạn ống (gồm hai đoạn):
l1 = m , 1080 05 , 14 , 1820 n d F
Tiết diện chảy dịng khơng khí:
f =
2
2
2 3,2m
8 844 , , 21 w G
Số ống bố trí ngang dịng khơng khí:
n1 = 5,4(1,3.0,053 0,053)
2 , ) d s ( l f 1
n1 = 38 (ống)
Số ống bố trí dọc theo dịng khơng khí:
(13)Bài 9:
Tính diện tích truyền nhiệt sấy khơng khí lị Hình 29 Khơng khí chuyển động ngang bên ngồi ống Khói chuyển động ống với lưu lượng V1 = 35 m3/s, nhiệt độ vào t'f1 = 3450C, nhiệt độ t''f1 = 1600C Lưu lượng trung bình của khơng khí V2 = 23 m3/s, nhiệt độ vào khơng khí t'f2 = 200C, nhiệt độ của khơng 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 theo chiều ngang n1 = 77 ống, theo chiều dọc n2 = 27 ống Chiều rộng đường khói b = 5,4 m
Lời giải:
Độ chênh nhiệt độ trung bình:
t = t.tnc
tnc =
116 C
250 345
20 160 ln
250 345 20
160
P = 345 20 0,71
20 250
R = 250 20 0,80 160
345
Tra đồ thị ta t = 0,9
t = 0,9.116 = 104,50C
Diện tích thực tế khói chuyển động ngang qua:
F1 = n 4,1
05 , 14 , 2079
d
12
m2 Tốc độ trung bình khói:
w1 =
5 , , 35 F V
1
m/s Nhiệt độ trung bình khói:
tf1 = 0,5(345+160) = 252,50C Tra 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 khói:
Ref1 =
10800 10
, 39
05 , , v
d w
6
f
1
(14)Nuf1 = 0,021.(10800)0,8.0,6600,43 = 29,6 Hệ số toả nhiệt phía khói:
1 = 0,05
10 44 , , 29 d
Nu
1 f
f
1 = 26 W/m2 0K
Diện tích dịng khơng khí chuyển động: F2 = l(b-n1.d2)
F2 = l(5,4-77.0,053) = 1,32 l, m2 Tốc độ trung bình dịng khơng khí:
f2 = 0,5(250+20) = 1350C
Tra thông số vật lý khơng 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 khơng khí:
Ref2 = l
33900 10
, 27
053 , l
4 , 17 v
d w
6
f
2
Khi dịng khơng khí chuyển động ngang qua chùm ống so le: Nuf2 = 0,37.Re0f,26
tb = n ) n
( 3
2
1
tb =
0,975
27 25 , ,
0 3
3 Hệ số toả nhiệt dãy ống thứ ba bằng:
3 = 0,37Re 2 f ,
2 f
d
3 = 0,37 0,053 10 46 ,
33900 0,6 2
3 = l0,6 132
(15)2tb = 0,975 0,6 l0,6 129 l
132
W/m2. 0K
Vậy hệ số toả nhiệt tính gần cơng thức:
k = 129/l0,6
1
, 46
0015 , 26
1
1
1
k = 4,96 l0,6
129
Lượng nhiệt khói truyền cho khơng khí: Q = k.F.t
Trong đó:
F - diện tích bề mặt truyền nhiệt F = 2dtb.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 ta có:
4,63.106 = 0,6
l 96 ,
5 , 104 129 l 2079 10 , 51 24 ,
4,63.106 = 4,96 l0,6
l 106 06 ,
Giải phương trình phương pháp đồ thị ta tìm 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 kích thước thiết bị trao đổi nhiệt dùng bão hồ để gia nhiệt cho nước Vị trí lắp đặt thiết bị chật hẹp Nước cần gia nhiệt từ t'2 = 200C đến t''2 = 950C Với lưu lượng G2 = 8,34 kg/s, nước chảy ống đồng thau có hệ số dẫn nhiệt = 104,5 W/m.0K, ống có kích thước d2/d1 = 14/12 mm,
ngoặt vịng Hơi bão hồ có áp suất p = 1,27 bar ngưng bên để gia nhiệt cho nước Khi tính tốn dự kiến tổn thất nhiệt môi trường khoảng 2%
Lời giải:
Nhiệt lượng nước nhận được:
(16)Hơi bão hoà có áp suất p = 1,27 bar Tra bảng ta có thơng số sau: ts = 1070C
Entanpi bão hồ khơ: i''1 = 2685 kJ/kg Entanpi nước sôi:
i'1 = 447 kJ/kg
Nếu xem bão hồ khơ, chất lỏng nước bão hoà, tổn thất nhiệt 2% từ phương trình cân nhiệt ta xác định lượng cần thiết cung cấp cho thiết bị:
G1 = 0,982685 447
2620 'i
'' i 98 ,
Q
1
1
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 ta cần biết nhiệt độ vách tw, chiều cao ống h thiết bị Vì thơng số chưa biết nên ta phải áp dụng phương pháp tính gần
Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit:
t =
s
2 s
2 s s
'' t t
't t ln
'' t t 't t
t =
C 38 95 107
20 107 ln
20
95
Chọn nhiệt độ vách:
tw = ts - 88 C
38 107
t
Dự kiến chiều cao h = m
Nhiệt độ trung bình màng nước ngưng: tm = 0,5(ts+tw) = 0,5(107+88) tm = 970C
Tra thông số nước ứng với 970C
2 = 960 kg/m3 2 = 0,679 W/m 0K
v2 = 0,305.10-6 m2/s
(17)Hệ số toả nhiệt ngưng ống đặt đứng:
1 = 0,943
4
h w s
3
t t v
r g p
1 = 0,943
4
6
3
2 88 107 10 305 ,
678 , 10 2238 81 , 960
Hệ số toả nhiệt phía nước 2
Nhiệt độ trung bình nước chảy ống: t2 = 0,5(t'2 + t''2) = 0,5(20 + 95) = 57,50C Tra thông số vật lý 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 nước ống w2 = 1,5 m/s
Re2 =
36145 10
498 ,
012 , , v
d w
6
1
Vách ống làm đồng thau hệ số dẫn nhiệt lớn đồng thời vách lại mỏng nên độ chênh nhiệt độ hai bề mặt vách ống nhỏ ước tính 10C Do đó:
tw2 = tw1 - 10C = 88 - 10C = 870C Prw = 2,03
Nu2 = 0,021.Re
25 ,
w 43 , ,
Pr Pr Pr
Nu2 = 0,021.361450,8.3,120,43(2,03
12 ,
)0,25 = 169 Hệ số toả nhiệt phía nước:
2 = 0,012
665 , 169 d
Nu
1
2 = 9365 W/m2 0K
Hệ số truyền thiết bị:
k = 9365
1 , 104
01 , 4606
1
1
1
2
(18)Mật độ dòng nhiệt:
q = k.t = 2383.38 = 90554 W/m2
Tính gần lần thứ diện tích bề mặt truyền nhiệt:
F =
2
m 29 90554
10 2620 q
Q
Số ống lần ngoặt:
m =
5 , 012 , 14 , 984
34 , w
d
G
2
2
2
m = 50 ống
Vì nước qua lần ngoặt nên tổng số ống thiết bị là: n = 4.m = 4.50 = 200 ống
Chiều cao ống tính gần lần thứ nhất:
h =
m 55 , 200 013 , 14 ,
29 n
d
F
tb
Tiếp tục tính gần lần thứ hai Giả thiết h = 4m
tw1 = 840C tw2 = 830C
tm = 0,5(t's + tw1) = 0,5(107 + 84) = 95,50C Tra thông số nước ứng với 95,50C
1 = 962 kg/m3 1 = 0,680 W/m 0K
v1 = 0,310.10-6 m2/s
1 = 0,943
4
6
3
0 , 84 107 10 310 ,
680 , 10 2238 81 , 962
1 = 3684 W/m2.K
Hệ số toả nhiệt phía nước:
Nu2 = 0,021.361450,8.3,120,43
25 ,
13 ,
12 ,
Nu2 = 167
2 =
9255 012
,
665 , 167
(19)Hệ số truyền nhiệt thiết bị:
k =
2104 9255
1 , 104
01 , 3684
1
1
W/m2.K q= k.t = 2104.38 = 79952 W/m2
Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt:
F = 79952 32,5
10 2620 q
Q
m2 Chiều cao ống:
h =
m 98 , 200 013 , 14 ,
5 , 32 n
d
F
tb
Kết tìm không khác nhiều với giả thiết, chấp nhận kết Vậy diện tích bề mặt trao đổi nhiệt 32,5 m2 Chiều cao ống 4m.
Bài 11:
Phụ tải nhiệt bình lạnh máy lạnh amoniac Q = 12,5 kW Nhiệt độ ngưng tụ tk = 400C Nhiệt độ lạnh tql = 370C Nhiệt độ nước vào bình quá lạnh tn1= 340C, nhiệt độ nước tn2 = 360C Tính diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của bình lạnh
Lời giải:
Bình lạnh thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ngược chiều loại ống lồng ống Hình vẽ 30 Chọn kích thước sau:
ống ngoài: Da= 70 mm; Di = 60 mm ống trong: da = 38 mm; di = 31 mm Độ chênh entanpi NH3:
G = 14,4 0,868
5 , 12 i Q
kg/s
Lưu lượng thể tích:
V = 581,86 0,001392
868 , G
m3/s
Tốc độ NH3 Hình vành khăn: Hình 30
w=
2
6
a
1 3,14.10 60 38
4 001492 ,
0 d
D
V
w = 0,88 m/s
(20)(21)dtd = Di - da = 60 - 38 = 22 mm
Các thông số vật lý NH3 lỏng nhiệt độ trung bình 38,50C
= 581,5 kg/m3 = 0,4535 W/m 0K
v = 0,2132.10-6 m2/s Pr = 1,32
Các thông số nước nhiệt độ trung bình 350C
= 994 kg/m3 = 0,6257 W/m 0K
v = 0,732.10-6 m2/s Cp = 4,174 kJ/kg 0K Pr = 4,524
Tính Re NH3:
Re = 0,2132.10 90807
022 , 88 , v
d w
6
td
Nu = 0,017Re0,8Pr0,4
18 ,
a i
d D
Nu = 0,017.90800,8.1,320,4 38 172,9
60 0,18
Hệ số toả nhiệt phía NH3:
a =
3564 022
,
4535 , , 172 d
Nu
td
W/m2.0K Lưu lượng nước vào bình lạnh:
Vn = 4,174.99436 34
5 , 12 t
t C
Q
1 n n
p
Vn = 0,0015 m3/s Tốc độ nước chảy ống:
wn =
2 031 , 14 ,
00151 , 4
d V
2
1
n
m/s Trị số Re nước:
Re=
84699 10
732 ,
031 , v
wd
6
i
(22)Nu = 0,021Re0,8.Pr0,43
Nu = 0,021.846990,8.4,5240,43 Nu = 351,9
Hệ số toả nhiệt phía nước:
n =
7103 031
,
6257 , , 351 d
Nu i
W/m2.0K Hệ số truyền nhiệt quy đổi theo bề mặt ống:
k =
i n
i a
1
1
Chọn tổng nhiệt trở vách
4 i
i 0,95.10
m2.0K/W
k =
3 , 729 7103
1 10
95 , 3564
1
1
3
W/m2.0K Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit:
t =
3,48
34 36
30 40 ln
34 36 30 40
0K Diện tích bề mặt truyền nhiệt:
F =
2
m 926 , 48 , , 729
10 , 12 t k
Q
Tổng chiều dài ống:
l =
m , 50 031 , 14 ,
925 , d
F
i
i
(23)2 tập tự luyện
Bài 12:
Tính nhiệt lượng truyền từ phịng qua tường Biết nhiệt độ khơng khí phịng tf1 = 250C Nhiệt độ khơng khí ngồi trời tf2 = 80C Tường xây gách dày 250 mm, hệ số dẫn nhiệt = 0,5 W/moK Hệ số toả nhiệt bề mặt tường 1 = 23 W/m2K bề mặt 2 = W/m2 oK Trả lời: q = 28,3 W/m2 Bài 13:
Một vách lò làm thép dày 20 mm, hệ số dẫn nhiệt = 58 W/moK, nhiệt độ
của khí lị tf1 = 10000C, nước lị sơi áp suất p = 33 bar Hệ số toả nhiệt từ khí lị tới vách 1 = 116 W/m2 oK hệ số toả nhiệt từ vách tới nước 2 = 2320
W/m2. oK Tính mật độ dòng nhiệt truyền qua nhiệt độ bề mặt tw1 tw2. Trả lời: q = 80900 W/m2; tw1 = 3040C; tw2 = 2780C
Bài 14
Xác định mật độ dòng nhiệt truyền qua vách lò thép dày = 10 mm, hệ số
dẫn nhiệt = 50W/moK hệ số truyền nhiệt hai trường hợp:
a Trường hợp 1: Nhiệt độ khói tf1 = 1127oC, nhiệt độ nước sôi tf2 = 227oC. Hệ số toả nhiệt từ phía khói 1 = 100 W/m2 oK, phía nước 2 = 5000 W/m2 oK
b Trường hợp 2: Sau thời gian vận hành bề mặt vách phía khói có lớp cáu bẩn dày 2mm, hệ số dẫn nhiệt = 0,09 W/moK Nhiệt độ khói nước khơng thay
đổi Tính nhiệt độ bề mặt lớp xác định hệ số truyền nhiệt giảm lần có lớp cáu bẩn Trả lời: a q = 86600 W/m2
b q = 27600 W/m2; giảm 3,13 lần
Bài 15:
Một ống dẫn làm thép đường kính d2/d1 = 200/180 mm, hệ số dẫn nhiệt ống = 50 W/moK ống bọc hai lớp cách nhiệt, lớp dày 50mm, hệ số
dẫn nhiệt 0,18 W/moK 0,06 W/moK Nhiệt độ tf1 = 427oC, nhiệt độ khơng khí bên ngồi tf2 = 27oC Hệ số toả nhiệt phía
1 = 200 W/m2 oK,
phía khơng khí 2 = 10 W/m2 oK Xác định tổn thất nhiệt 1m ống nhiệt độ bề
mặt Trả lời: q = 330 W/m; tw1 = 424o C; tw2 = 53,3oC
Bài 16:
Một đường ống dẫn gió nóng cho lị cao, biết tốc độ gió ống w1 = 35 m/s, nhiệt độ trung bình gió nóng tf1 = 800oC Bên bọc ba lớp - lớp gạch chịu lửa dày 250mm, hệ số dẫn nhiệt 1 = 1,17 W/moK, vỏ thép dày mm hệ số dẫn
nhiệt 2 = 46,5 W/moKvà lớp cách nhiệt bên dày 200 mm, hệ số dẫn nhiệt 3 = 0,174 W/moK Đường kính ống d1=1000 mm ống đặt lộ thiên, không
(24)Bài 17:
Một vách có cánh dày 10mm Vật liệu làm vách có hệ số dẫn nhiệt = 40 W/moK,
phía khơng làm cánh tiếp xúc với mơi trường nóng có nhiệt độ tf1 = 75oC hệ số toả nhiệt 1 = 200 W/m2 oK Xác định mật độ dịng nhiệt truyền qua vách có
cánh khơng có cánh nhiệt độ bề mặt phía làm cánh phía khơng làm cánh Biết hệ số cánh F2/F113 Trả lời: Khi làm cánh q = 4620
W/m2
Khi không làm cánh q = 570 W/m2
Bài 18:
Trong thiết bị trao đổi nhiệt cần làm lạnh 250 l chất lỏng nóng từ nhiệt độ 1200C xuống 500C Chất lỏng nóng có khối lượng riêng
1 = 1100 kg/m3 nhiệt
dung riêng Cp1 = kJ/kgoK Nước vào làm lạnh có lưu lượng 1000 l/h nhiệt độ vào 100C Xác định diện tích bề mặt trao đổi nhiệt trường hợp chất lỏng chuyển động chiều ngược lại Biết hệ số truyền nhiệt thiết bị k = 1161 W/m2. oK
Trả lời: Fcc = 0,24 m2; Fnc = 0,22 m2
Bài 19:
Xác định diện tích bề mặt truyền nhiệt số phần tử thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống Nước nóng chuyển động ống thép đường kính d2/d1 = 35/32 mm hệ số dẫn nhiệt = 45 W/moK, nhiệt độ vào nước nóng t'1 =950C, lưu
lượng G1 = 2130 kg/h Nước gia nhiệt (nước lạnh) chuyển động ngược chiều rãnh Hình xuyến hai ống bọc đường kính D = 48 mm, lưu lượng nước lạnh G2 = 3200 kg/h, nước lạnh gia nhiệt từ t'2 = 150C đến t''2 = 450C Chiều dài phần tử 1,75 m Nếu chất lỏng chuyển động chiều ngược chiều điều kiện khác khơng thay đổi diện tích bề mặt truyền nhiệt số phần tử thiết bị bao nhiêu? Trả lời: Fnc = 1,22 m2, số phần tử 7
Fcc = 2,47 m2, số phần tử 14
Bài 20:
Một sấy khơng khí kiểu ống lị cần sấy nóng lượng khơng khí G2 = 25kg/s từ t'2 = 300C đến t''2 = 2500C Xác định bề mặt truyền nhiệt, chiều cao của ống số lượng ống Biết thành phần khói 13% CO2 11%H2O Khói chuyển động ống thép có = 48 W/moK lưu lượng G2 = 20 kg/s, đường kính ống d2/d1
= 53/50 mm, nhiệt độ khói vào t'1 = 4000C, tốc độ khói w1 = 15 m/s Khơng khí chuyển động ngang qua chùm ống với tốc độ w2 = m/s
Trả lời: F = 2024 m2
Bài 21: