›
›

Bộ đề thi cuối học kỳ môn Truyền nhiệt

pdf 47 trang ngocly 1250
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bộ đề thi cuối học kỳ môn Truyền nhiệt", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfbo_de_thi_cuoi_hoc_ky_mon_truyen_nhiet.pdf

Nội dung text: Bộ đề thi cuối học kỳ môn Truyền nhiệt

  1. TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA TP.HCM - Khoa CƠ KHÍ BM CÔNG NGHỆ NHIỆT LẠNH ĐỀ THI CUỐI KỲ (LẦN I) Môn Thi : Truyền Nhiệt Thời gian : 90 phút Ngày thi : 01/10/2007 W X Ghi chú: SV được sử dụng tài liệu Bài 1: (3 điểm) Một thanh hình trụ có đường kính d= 2,5.mm, chiều dài L= 12.cm , hệ số dẫn nhiệt o λ = 115 W/ (m.K) . Một đầu thanh được gắn vào vách có nhiệt độ tg = 80 C . o Nhiệt độ môi trường xung quanh tf = 30 C . Hệ số tỏa nhiệt đối lưu từ bề mặt thanh đến môi trường xung quanh α = 32 W (m2 .K). 1. Xác định nhiệt độ đỉnh thanh và giữa thanh. (1,5 điểm) 2. Xác định nhiệt lượng truyền qua thanh (W). (1,5 điểm) Bài 2: (3 điểm) Nước chảy trong ống thẳng có đường kính d= 20.mm với vận tốc ω = 1,1 m s. o o Nhiệt độ nước vào và ra tương ứng t'f = 55 C và t"f = 65 C. Chiều dài của ống là L= 3.m . 1. Xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu. (1,5 điểm) 2. Xác định nhiệt lượng trao đổi và nhiệt độ trung bình của vách. (1,5 điểm) Cho biết ()Prf Pr w ≈ 1,28. Bài 3: (2 điểm) Hai vách phẳng đặt song song o Vách I nhiệt độ t1 = 150 C độ đen ε1 = 4,0 o Vách II nhiệt độ t2 = 40 C độ đen ε2 = 6,0 1. Xác định mật độ dòng nhiệt bức xạ giữa hai vách. (1 điểm) 2. Đặt giữa hai vách một màng chắn có độ đen ε = 0,05. Xác định lại mật độ dòng nhiệt bức xạ và nhiệt độ màng chắn. (1 điểm) Bài 4: (2 điểm) Thiết bị trao đổi nhiệt lưu động ngược chiều có diện tích truyền nhiệt F= 12.m2 , 2 hệ số truyền nhiệt kF = 2700 W (m .K) . o Lưu chất I t'1 = 90 C G1 = 4 kg s c1p = 4,18 kJ (kg.K) o Lưu chất II t'2 = 30 C G2 = 5,5 kg s cp2 = 3,1 kJ (kg.K) 1. Xác định nhiệt lượng trao đổi của hai lưu chất. (1 điểm) 2. Xác định nhiệt độ ra của hai lưu chất. (1 điểm) Chủ nhiệm BM GV ra đề PGS. TS. Lê Chí Hiệp Nguyễn Toàn Phong Page 1 of 5 01.10.2007
  2. Bài giải Bài 1: (3 điểm) Một thanh hình trụ có đường kính d= 2,5.mm, chiều dài L= 12.cm , hệ số dẫn nhiệt o λ = 115 W/ (m.K) . Một đầu thanh được gắn vào vách có nhiệt độ tg = 80 C . o Nhiệt độ môi trường xung quanh tf = 30 C . Hệ số tỏa nhiệt đối lưu từ bề mặt thanh đến môi trường xung quanh α = 32 W (m2 .K). 1. Xác định nhiệt độ đỉnh thanh và giữa thanh. (1,5 điểm) 2. Xác định nhiệt lượng truyền qua thanh (W). (1,5 điểm) Lời Giải Sử dụng công thức thanh dài hữu hạn, bỏ qua tỏa nhiệt ở đỉnh Để bù vào giả thuyết bỏ qua tỏa nhiệt ở đỉnh, ta tăng chiều dài thanh lên một đoạn • Chiều cao cánh tính toán h'h= + fU = h +( π .d42 ) ( π .d) =h + d 4 = 120 + 2,5 4 = 120,625.mm • Thông số m α ⋅ U 4 ⋅ α 4× 32 m = = = = 21,1 m −1 λ ⋅ f d ⋅ λ 0,0025× 115 m.h'= 21,1 × 0,120625= 2,5452 th() m.h'= 0,98776 1. Xác định nhiệt độ đỉnh thanh và giữa thanh. 1 t= t + θ L f g ch(m.h') (0,75 điểm) 50 50 =30 + =30 + = 37,8o C ch(2,5452) 6,412 m.h' ch( ) 2 tL / 2= t f + θ g ch(m.h') (0,75 điểm) ch(1,2726) 1,925 =30 + 50 × =30 + 50 × = 45o C ch(2,5452) 6,412 2. Xác định nhiệt lượng truyền qua thanh (W). Q1c = λ ⋅f ⋅m ⋅ θg ⋅ th( m.h') =115 × 4,908.10−6 × 21,1 × 50 × 0,98776 (1,5 điểm) = 0,5883 W Page 2 of 5 01.10.2007
  3. Bài 2: (3 điểm) Nước chảy trong ống thẳng có đường kính d= 20.mm với vận tốc ω = 1,1 m s. o o Nhiệt độ nước vào và ra tương ứng t'f = 55 C và t"f = 65 C. Chiều dài của ống là L= 3.m . 1. Xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu. (1,5 điểm) 2. Xác định nhiệt lượng trao đổi và nhiệt độ trung bình của vách. (1,5 điểm) Cho biết ()Prf Pr w ≈ 1,28. Lời Giải 1. Xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu. Tra bảng các tính chất vật lý của nước ở 60oC: ⎧λf = 0,659 W (m.K) ⎪ ⎪cp = 4,179 kJ (k.K) ⎪ −6 2 ⎨νf = 0,478.10 m s ⎪Pr= 2,98 ⎪ f ⎪ρ = 983,2 kg m3 ⎩ Tiêu chuẩn Reynolds: ω⋅ d 1,1× 0,02 4 Ref = = −6 = 4,6025.10 νf 0,478.10 Tiêu chuẩn Nusselt (Re> 104 ): 0,25 ⎛ Pr ⎞ Nu= 0,021 ⋅ Re0,8 ⋅ Pr 0,43 ⋅ ⎜ f ⎟ ⋅ ε ⋅ ε f f ⎜ ⎟ l R ⎝ Prw ⎠ =0,021 × 5375,21 × 1,599 × 1,0636 × 1 × 1 = 192 Hệ số tỏa nhiệt đối lưu: λ 0,659 α =Nu ⋅ =192 × = 6327 W (m2 .K) (1,5 điểm) dtđ 0,02 2. Xác định nhiệt độ trung bình của vách Nhiệt lượng trao đổi G=ρ⋅⋅ω=π× f( 0,012 ) × 983,2 × 1,1 = 0,34 kg s n (0,75 điểm) Q= Gn ⋅ c pn ⋅ Δ t f = 0,37065 × 4,179 × 10 = 14,2 kW Nhiệt độ trung bình của vách Q= α ⋅ F⋅ ( tw− t f ) Q 14,2.103 (0,75 điểm) →t = t + =60 + = 71,91o C w f α ⋅ F 6327 ×() π ×0,02 × 3 Page 3 of 5 01.10.2007
  4. Bài 3: (2 điểm) Hai vách phẳng đặt song song o Vách I nhiệt độ t1 = 150 C độ đen ε1 = 0,4 o Vách II nhiệt độ t2 = 40 C độ đen ε2 = 0,6 1. Xác định mật độ dòng nhiệt bức xạ giữa hai vách. (1 điểm) 2. Đặt giữa hai vách một màng chắn có độ đen ε = 0,05. Xác định lại mật độ dòng nhiệt bức xạ và nhiệt độ màng chắn. (1 điểm) Lời Giải 1. Xác định mật độ dòng nhiệt bức xạ giữa hai vách 1 1 ε = = = 0,3158 tđ 1ε + 1 ε − 1 1 1 1 2 + −1 0,4 0,6 4 4 qo= σ o ⋅() T 1 − T2 (1 điểm) = 5,67.10−8 ×() 423,154 − 313,154 = 1272,6 W m2 2 qbx= ε tđ ⋅ q o = 402 W m 2. Khi đặt vào màng chắn • Mật độ dòng nhiệt bức xạ 1 1 ε = = = 0,023715 tđ 1ε + 2 ⋅ 1 ε + 1 ε − 2 1 1 1 1 c 2 +2 × + − 2 0,5 điểm 0,4 0,05 0,6 ( ) 2 qbx= ε tđ ⋅ q o = 0,02371 ×1272,6 = 30,18 W m • Nhiệt độ màng chắn 1 1 ε = = = 0,0465 1c 1ε + 1 ε − 1 1 1 1 c + −1 0,4 0,05 4 4 q1c= ε 1c ⋅ σ o ⋅()TT 1 − c 0,25 ⎛ q ⎞ →TT =⎜ 4 − 1c ⎟ c⎜ 1 ε ⋅ σ ⎟ ⎝ 1c o ⎠ (0,5 điểm) 0,25 ⎛ 30,18 ⎞ = ⎜423,154 − ⎟ = 378,93 K= 105,8o C ⎝ 5,67.10−8 × 0,0465⎠ Page 4 of 5 01.10.2007
  5. Bài 4: (2 điểm) Thiết bị trao đổi nhiệt lưu động ngược chiều có diện tích truyền nhiệt F= 12.m2 , 2 hệ số truyền nhiệt kF = 2700 W (m .K) . o Lưu chất I t'1 = 90 C G1 = 4 kg s cp1 = 4,18 kJ (kg.K) o Lưu chất II t'2 = 30 C G2 = 5,5 kg s cp2 = 3,1 kJ (kg.K) 1. Xác định nhiệt lượng trao đổi của hai lưu chất. (1 điểm) 2. Xác định nhiệt độ ra của hai lưu chất. (1 điểm) Lời Giải Đương lượng của hai lưu chất 3 3 ⎪⎧C1= G 1 ⋅ c p1 = 4 × 4,18.10 = 16,72.10 W K= Cmin ⎨ 3 3 ⎩⎪C2= G 2 ⋅ c p2 = 5,5 × 3,1.10 = 17,05.10 W K= Cmax →C& = Cmin Cmax = 16,72 17,05= 0,9806 Đơn vị chuyển nhiệt kF ⋅ F 2700× 12 NTU = = 3 = 1,9378 Cmin 16,72.10 Hiệu suất nhiệt 1− exp{ − NTU ⋅( 1 − C& )} ε = = 0,6638 1− C& ⋅ exp{} − NTU ⋅() 1 − C& 1. Nhiệt lượng trao đổi của hai lưu chất. Q= C ⋅() t' − t' = 16,72.103 ×( 90 − 30) = 1003,2.103 W lt min 1 2 (1 điểm) →Q = ε ⋅ Qlt = 0,6638 × 1003,2 = 666 kW 2. Nhiệt độ ra của hai lưu chất ⎧ Q 666 = − = − = o ⎪t"1 t' 1 90 50,17 C ⎪ C1 16,72 ⎨ (1 điểm) ⎪ Q 666 o t"2= t' 2 + =30 + = 69,06 C ⎩⎪ C2 17,05 Page 5 of 5 01.10.2007
  6. ĐẠI HỌC QUỐC GIA Tp. HCM - Trường ĐH BÁCH KHOA ĐỀ THI HỌC KỲ II – NĂM HỌC 2007-2008 Khoa CƠ KHÍ Đề thi lần II - Hệ Không Chính Quy Bm CÔNG NGHỆ NHIỆT LẠNH Môn Thi : Truyền Nhiệt (210060) Thời gian : 90 phút Bắt đầu : 15h05 Chủ nhiệm BM GV ra đề NgàyThi : 11.10.2008 W X Ghi chú: SV được sử dụng tài liệu PGS. TS. Lê Chí Hiệp Nguyễn Toàn Phong Đề thi gồm một trang A4 Bài 1 (3 điểm) Một thanh nhôm (hệ số dẫn nhiệt λ = 115 W (m.K) ) có đường kính d= 3 cm , chiều dài L= 15 cm . Một đầu thanh được gắn vào vách có nhiệt độ 120oC, hệ số tỏa nhiệt đối lưu trên bề mặt thanh α = 30 W (m2 .K) , nhiệt độ không khí xung quanh 45oC. Khi tính toán có thể bỏ qua tỏa nhiệt ở đỉnh thanh. Hãy xác định: 1. Nhiệt độ đỉnh thanh và giữa thanh. 2. Nhiệt lượng tỏa ra trên thanh. Bài 2 (4 điểm) Nước được gia nhiệt đi trong ống có đường kính d= 27 mm , nhiệt độ bề mặt ống o o hằng số tw = 110 C . Nước vào ống có nhiệt độ 't f = 50 C, ra khỏi ống có nhiệt độ o t"f = 90 C, vận tốc trung bình của nước trong ống là 1,6 m s Hãy xác định: 1. Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu của nước chảy trong ống. 2. Chiều dài cần thiết của ống trao đổi nhiệt. Bài 3 (3 điểm) Một thiết bị trao đổi nhiệt kiểu chùm ống có cánh có thông số làm việc như sau: Khói nóng (có cp = 1,13 kJ (kg.K)) chuyển động bên ngoài chùm ống với nhiệt độ vào 275oC và ra là 165oC. Nước chuyển động trong ống có lưu lượng 16,5 m3 h được hâm nóng từ 30oC đến 90oC. 2 Hệ số truyền nhiệt của thiết bị kF = 215 W (m .K) Hãy xác định diện tích truyền nhiệt của thiết bị. Lưu ý: Hệ số hiệu chỉnh ε Δt tra theo hình 1 (trang 386 hoặc 428) nếu tính theo phương pháp nhiệt độ trung bình logarith LMTD. Hiệu suất ε − NTU tra theo hình e (trang 387 hoặc 429) Sách bài tập nhiệt động lực học kỹ thuật và truyền nhiệt Hết Page 1 of 4
  7. Bài giải Bài 1: (3 điểm) • Các thông số cơ bản α ⋅ U 4.α 4× 30 m = = = = 5,898 λ ⋅ f λ ⋅d 115× 0,03 m.h= 0,885 1. Nhiệt độ giữa thanh và đỉnh thanh cosh( m.h 2) t= t + θ = t + θ ⋅ h/ 2 f h/ 2 f g cosh() m.h 1,024 =45 + 75 × = 99,23o C 1,417 (1,5 điểm) θ t= t + θ = t + g h f h f cosh() m.h 75 =45 + = 97,91o C 1,417 2. Nhiệt lượng truyền qua thanh Q = λ ⋅f ⋅m ⋅ θg ⋅ th() m.h (1,5 điểm) =115 × 7,07.10−4 × 5,898 × 75 × 0,7087 = 25,485 W Bài 2: (4 điểm) 1. Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu của nước trong ống • Thông số vật lý của nước ở 70oC ⎧ν = 0,415.10−6 m 2 s ⎧λ = 0,668 W (m.K) ⎪ ⎪ 3 ⎨Prf = 2,55 ⎨ρ = 977,8 kg m ⎪Pr= 1,6 ⎪ ⎩ w ⎩cp = 4,187 kJ (kg.K) • Tiêu chuẩn Reynolds ω⋅d 1,6× 0,027 Re = = = 10,41.104> 10 4 ν 0,415.10−6 • Tiêu chuẩn Nusselt 0,25 ⎛ Pr ⎞ Nu= 0,021 ⋅ Re0,8 ⋅ Pr0,43 ⋅⎜ f ⎟ ⋅ε ⋅ε f ⎜ ⎟ l R ⎝ Prw ⎠ =0,021 × 10,32.103 × 1,42 × 1,123 = 345,31 • Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu λ 0,668 α =Nu ⋅ =345,31 × = 8543 W (m2 .K) (2 điểm) d 0,027 Page 2 of 4
  8. 2. Chiều dài cần thiết của ống trao đổi nhiệt • Nhiệt lượng trao đổi G= ρ ⋅ω⋅ f = 977,8 × 1,6 × 5,72.10−4 = 0,8957 kg s Q= G ⋅ cp ⋅ Δ t f = 0,8957 × 4,187 ×() 90 − 50 = 150 kW • Chênh lệch nhiệt độ trung bình giữa ống và nước Δt − Δ t 60− 20 Δt = max min = = 36,41o C Δt ln max ln() 3 Δt min • Chiều dài ống trao đổi nhiệt Q 150.103 F = = = 0,4822 m2 α ⋅ Δt 8543× 36,41 (2 điểm) F 0,4822 l Σ = = = 5,685 m π⋅d π× 0,027 3. Nhiệt độ nước tại vị trí giữa ống • Hệ số NTU F'= F 2 = 0,2411 m2 α ⋅ F' 8543× 0,2411 NTU'= = = 0,55 G⋅ cp 0,8957× 4.187 • Nhiệt độ nước −NTU' t= tw −() t w − t' f ⋅ e (0 điểm) =110 −() 110 − 50 × 0,577 = 75,36o C Bài 3: (3 điểm) • Thông số vật lý của nước ở 60oC ⎪⎧cpn = 4,174 kJ (kg.K) ⎨ 3 ⎩⎪ρn = 983,2 kg m • Năng suất nhiệt của thiết bị ⎛ 16,5 ⎞ Q=() Vn ⋅ρ n ⋅ c pn ⋅ Δ t n =⎜ × 983,2⎟× 4,174 × 60 = 1128,566 kW (1 điểm) ⎝ 3600 ⎠ Page 3 of 4
  9. 1. Xác định diện tích truyền nhiệt theo phương pháp LMTD • Chênh lệch nhiệt độ theo sơ đồ ngược chiều 185− 135 o Δt ng = = 158,69 C 185 ln 135 • Hệ số hiệu chỉnh εΔt ⎧ t"2− t' 2 90− 30 ⎪P = = = 0,245 ⎪ t'1− t' 2 275− 30 ⎨ ⇒ εΔt = 0,95 t'− t" 275− 165 ⎪R = 1 1 = = 1,83 ⎩⎪ t"2− t' 2 90− 30 • Chênh lệch nhiệt độ trung bình logarith LMTD o Δt = εΔt ⋅ Δ tng = 150,7 C • Diện tích truyền nhiệt Q 1128,566.103 F = = ≈ 34,82 m2 (3 điểm) kF ⋅ Δ t 215× 150,7 2. Xác định diện tích truyền nhiệt theo phương pháp ε - NTU • Nhiệt dung lưu lượng khối lượng ⎧ 90− 30 60 C C& = = =0,5454 = 1 ⎪ 275− 165 110 C ⎪ 2 ⎪ Q 1128,566 ⎨CCmax =2 = = = 18,81 kW K ⎪ Δt n 60 ⎪C= C& ⋅ C = 10,26 kW K ⎪ min max ⎩ • Hiệu suất thiết bị ⎧Qmax = Cmin ⋅() t' 1 − t' 2 = 10,26 ×( 275 − 30) = 2513,7 kW ⎪ ⎨ Q 1128,56 ⎪ε = = ≈ 0,449 ⎩ Qmax 2513,7 • Đơn vị chuyển nhiệt Đồ thị hình 6.e NTU= 0,7 • Diện tích truyền nhiệt C 10,26.103 F= NTU ⋅min =0,68 × ≈ 33,4 m2 (3 điểm) kF 215 Page 4 of 4
  10. ĐẠI HỌC QUỐC GIA Tp. HCM - Trường ĐH BÁCH KHOA ĐỀ THI HỌC KỲ III – NĂM HỌC 2007-2008 Khoa CƠ KHÍ Đề thi lần I - Hệ Không Chính Quy Bm CÔNG NGHỆ NHIỆT LẠNH Môn Thi : Truyền Nhiệt (210060) Thời gian : 90 phút Bắt đầu : 7h20 Chủ nhiệm BM GV ra đề NgàyThi : 23.08.2008 W X Ghi chú: SV được sử dụng tài liệu PGS. TS. Lê Chí Hiệp Nguyễn Toàn Phong Đề thi gồm một trang A4 Bài 1 (3 điểm) Một thanh nhôm có tiết diện hình chữ nhật cạnh a× b = 3× 4 cm , chiều dài L = 35 cm và hệ số dẫn nhiệt λ = 115 W (m.K) ). Một đầu thanh được gắn vào vách có nhiệt độ 110oC, hệ số tỏa nhiệt đối lưu trên bề mặt thanh α = 28 W (m2 .K), nhiệt độ không khí xung quanh 45oC. Khi tính toán có thể bỏ qua tỏa nhiệt ở đỉnh thanh. Hãy xác định: 1. Nhiệt độ đỉnh thanh và giữa thanh. 2. Nhiệt lượng tỏa ra trên thanh. Bài 2 (4 điểm) Nước được gia nhiệt đi trong ống có đường kính d = 34 mm , nhiệt độ bề mặt ống o o hằng số t w = 100 C . Nước vào ống có nhiệt độ t'f = 50 C, ra khỏi ống có nhiệt độ o t"f = 90 C, vận tốc trung bình của nước trong ống là 1,5 m s Hãy xác định: 1. Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu của nước chảy trong ống. 2. Chiều dài cần thiết của ống trao đổi nhiệt. Bài 3 (3 điểm) Một thiết bị trao đổi nhiệt kiểu chùm ống có cánh có thông số làm việc như sau: Khói nóng (có cp =1,13 kJ (kg.K)) chuyển động bên ngoài chùm ống với nhiệt độ vào 280oC và ra là 155oC. Nước chuyển động trong ống có lưu lượng 16,5 m3 h được hâm nóng từ 35oC đến 85oC. 2 Hệ số truyền nhiệt của thiết bị kF = 225 W (m .K) Hãy xác định diện tích truyền nhiệt của thiết bị. Lưu ý: Hệ số hiệu chỉnh ε Δt tra theo hình 1 (trang 386 hoặc 428) nếu tính theo phương pháp nhiệt độ trung bình logarith LMTD. Hiệu suất ε − NTU tra theo hình e (trang 387 hoặc 429) Sách bài tập nhiệt động lực học kỹ thuật và truyền nhiệt Hết Page 1 of 4 Monday, August 18, 2008
  11. Bài giải Bài 1: (3 điểm) • Các thông số cơ bản α ⋅ U 2()a + b ⋅α 2× 7.10−2 × 28 m = = = = 5,33 λ ⋅ f λ ⋅a× b 115×12.10−4 m.h = 1,865 1. Nhiệt độ giữa thanh và đỉnh thanh cosh(m.h 2) t = t + θ = t + θ ⋅ h/ 2 f h/ 2 f g cosh()m.h 1,467 = 45 + 65× = 45 + 28,84 = 73,84o C 3,307 (1,5 điểm) θ t = t + θ = t + g h f h f cosh()m.h 65 = 45 + = 45 +19,66 = 64,66o C 3,307 2. Nhiệt lượng truyền qua thanh Q = λ ⋅ f ⋅ m ⋅θg ⋅ th(m.h) (1,5 điểm) = 115×12.10−4 × 5,33× 65× 0,953 = 45,57 W Bài 2: (4 điểm) 1. Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu của nước trong ống • Thông số vật lý của nước ở 70oC ⎧ν = 0,415.10−6 m2 s ⎧λ = 0,668 W (m.K) ⎪ ⎪ 3 ⎨Prf = 2,55 ⎨ρ = 977,8 kg m ⎪Pr = 1,75 ⎪ ⎩ w ⎩cp = 4,187 kJ (kg.K) • Tiêu chuẩn Reynolds ω⋅ d 1,5× 0,034 Re = = = 12,29.104 > 104 ν 0,415.10−6 • Tiêu chuẩn Nusselt 0,25 ⎛ Pr ⎞ Nu = 0,021⋅ Re0,8⋅ Pr0,43⋅⎜ f ⎟ ⋅ ε ⋅ε f ⎜ ⎟ l R ⎝ Prw ⎠ = 0,021×11,792.103 ×1,49×1,1 = 406,93 • Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu λ 0,668 α = Nu ⋅ = 406,93× = 7995 W (m2 .K) (2 điểm) d 0,034 Page 2 of 4 Monday, August 18, 2008
  12. 2. Chiều dài cần thiết của ống trao đổi nhiệt • Nhiệt lượng trao đổi G = ρ⋅ ω⋅ f = 977,8×1,5× 9.10−4 = 1,332 kg s Q = G ⋅ cp ⋅ Δt f = 1,332 × 4,187× ()90 − 50 = 223,02 kW • Chênh lệch nhiệt độ trung bình giữa ống và nước Δt − Δt 50 −10 Δt = max min = = 24,85o C Δt ln max ln()5 Δt min • Chiều dài ống trao đổi nhiệt Q 223,02.103 F = = = 1,1224 m2 α ⋅ Δt 7995× 24,85 (2 điểm) F 1,1224 l Σ = = = 10,51 m π⋅d π× 0,034 Bài 3: (3 điểm) • Thông số vật lý của nước ở 60oC ⎪⎧cpn = 4,174 kJ (kg.K) ⎨ 3 ⎩⎪ρn = 983,2 kg m • Năng suất nhiệt của thiết bị ⎛ 16,5 ⎞ Q = ()Vn ⋅ρn ⋅ cpn ⋅ Δt n = ⎜ × 983,2⎟× 4,174× 50 = 940,47 kW (1 điểm) ⎝ 3600 ⎠ 1. Xác định diện tích truyền nhiệt theo phương pháp LMTD • Chênh lệch nhiệt độ theo sơ đồ ngược chiều 195 −120 o Δt ng = = 154,477 C 195 ln 120 • Hệ số hiệu chỉnh εΔt ⎧ t"2 −t'2 85 − 35 ⎪P = = = 0,204 ⎪ t'1 −t'2 280 − 35 ⎨ ⇒ εΔ = 0,94 t' −t" 280 −155 t ⎪R = 1 1 = = 2,5 ⎩⎪ t"2 −t'2 85 − 35 • Chênh lệch nhiệt độ trung bình logarith LMTD o Δt = εΔt ⋅ Δt ng = 145 C • Diện tích truyền nhiệt Q 940,47.103 F = = ≈ 28,83 m2 (2 điểm) kF ⋅ Δt 225×145 Page 3 of 4 Monday, August 18, 2008
  13. 2. Xác định diện tích truyền nhiệt theo phương pháp ε - NTU • Nhiệt dung lưu lượng khối lượng ⎧ 85 − 35 50 C C& = = = 0,4 = 1 ⎪ 280 −155 125 C ⎪ 2 ⎪ Q 1128,566 ⎨Cmax = C2 = = = 22,571 kW K ⎪ Δt n 50 ⎪C = C& ⋅C = 9,028 kW K ⎪ min max ⎩ • Hiệu suất thiết bị ⎧Qmax = Cmin ⋅()t'1 −t'2 = 9,028× (280 − 35) = 2212 kW ⎪ ⎨ Q 940,47 ⎪ε = = ≈ 0,425 ⎩ Qmax 2212 • Đơn vị chuyển nhiệt Đồ thị hình 6.e NTU = 0,68 • Diện tích truyền nhiệt C 9,028.103 F = NTU ⋅ min = 0,68× ≈ 27,28 m2 (2 điểm) kF 225 Page 4 of 4 Monday, August 18, 2008
  14. ĐẠI HỌC QUỐC GIA Tp. HCM - Trường ĐH BÁCH KHOA ĐỀ THI HỌC KỲ I – NĂM HỌC 2007-2008 Khoa CƠ KHÍ Đề thi lần I - Hệ Không Chính Quy Bm CÔNG NGHỆ NHIỆT LẠNH Môn Thi : Truyền Nhiệt (210060) Thời gian : 90 phút Bắt đầu : 18h30 Chủ nhiệm BM GV ra đề NgàyThi : 12.07.2008 W X Ghi chú: SV được sử dụng tài liệu PGS. TS. Lê Chí Hiệp Nguyễn Toàn Phong Đề thi gồm một trang A4 Bài 1 (3 điểm) Một thanh nhôm (hệ số dẫn nhiệt λ = 115 W (m.K) ) có đường kính d = 3 cm , chiều dài L = 35 cm . Một đầu thanh được gắn vào vách có nhiệt độ 140oC, hệ số tỏa nhiệt đối lưu trên bề mặt thanh α = 35 W (m2.K) , nhiệt độ không khí xung quanh 50oC. Khi tính toán có thể bỏ qua tỏa nhiệt ở đỉnh thanh. Hãy xác định: 1. Nhiệt độ đỉnh thanh và giữa thanh. (1,5 điểm) 2. Nhiệt lượng tỏa ra trên thanh. (1,5 điểm) Bài 2 (4 điểm) Nước được gia nhiệt đi trong ống có đường kính d = 34 mm , nhiệt độ bề mặt ống o o hằng số tw = 120 C. Nước vào ống có nhiệt độ t'f = 50 C, ra khỏi ống có nhiệt độ o t"f = 90 C, vận tốc trung bình của nước trong ống là 2 m s Hãy xác định: 1. Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu của nước chảy trong ống. (2 điểm) 2. Chiều dài cần thiết của ống trao đổi nhiệt. (1,5 điểm) 3. Nhiệt độ của nước tại vị trí giữa ống. (0,5 điểm) Bài 3 (3 điểm) Một thiết bị trao đổi nhiệt kiểu chùm ống có cánh có thông số làm việc như sau: Khói nóng (có cp = 1,13 kJ (kg.K)) chuyển động bên ngoài chùm ống với nhiệt độ vào 245oC và ra là 155oC. Nước chuyển động trong ống có lưu lượng 16,5 m3 h được hâm nóng từ 30oC đến 90oC. 2 Hệ số truyền nhiệt của thiết bị k F = 225 W (m .K) Hãy xác định diện tích truyền nhiệt của thiết bị. Lưu ý: Hệ số hiệu chỉnh ε Δt tra theo hình 1 (trang 386 hoặc 428) nếu tính theo phương pháp nhiệt độ trung bình logarith LMTD. Hiệu suất ε − NTU tra theo hình e (trang 387 hoặc 429) Sách bài tập nhiệt động lực học kỹ thuật và truyền nhiệt Hết Page 1 of 4
  15. Bài giải Bài 1: (3 điểm) • Các thông số cơ bản α⋅ U 4.α 4 ×35 m = = = = 6,37 λ ⋅ f λ ⋅d 115× 0,03 m.h = 2,23 1. Nhiệt độ giữa thanh và đỉnh thanh cosh(m.h 2) t = t + θ = 50 + θ ⋅ h / 2 f h / 2 g cosh()m.h 1,688 = 50 + 90 × = 50 + 32,32 = 82,32o C 4,702 (1,5 điểm) θ t = t + θ = 50 + g h f h cosh()m.h 90 = 50 + = 50 + 21,59 = 69,14o C 4,702 2. Nhiệt lượng truyền qua thanh Q = λ ⋅ f ⋅ m ⋅θg ⋅ th(m.h) (1,5 điểm) = 115× 7,07.10−4 × 6,37× 90 × 0,98 = 45,54 W Bài 2: (4 điểm) 1. Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu của nước trong ống • Thông số vật lý của nước ở 70oC ⎧ν = 0,415.10−6 m2 s ⎧λ = 0,668 W (m.K) ⎪ ⎪ 3 ⎨Prf = 2,55 ⎨ρ = 977,8 kg m ⎪Pr = 1,47 ⎪ ⎩ w ⎩cp = 4,187 kJ (kg.K) • Tiêu chuẩn Reynolds ω⋅d 2 × 0,034 Re = = = 16,38.104 > 104 ν 0,415.10−6 • Tiêu chuẩn Nusselt 0,25 ⎛ Pr ⎞ Nu = 0,021⋅ Re0,8⋅ Pr0,43⋅⎜ f ⎟ ⋅ε ⋅ε f ⎜ ⎟ l R ⎝ Prw ⎠ = 0,021×14,845.103 ×1,49×1,15 = 535,06 • Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu λ 0,668 α = Nu ⋅ = 535,06 × = 10.512 W (m2 .K) (2 điểm) d 0,034 Page 2 of 4
  16. 2. Chiều dài cần thiết của ống trao đổi nhiệt • Nhiệt lượng trao đổi G = ρ⋅ω⋅ f = 977,8× 2 × 9.10−4 = 1,7755 kg s Q = G ⋅cp ⋅ Δtf = 1,7755× 4,187× ()90 − 50 = 297,36 kW • Chênh lệch nhiệt độ trung bình giữa ống và nước Δt − Δt 70 − 30 Δt = max min = = 47,2o C Δt ln max ln()7 3 Δtmin • Chiều dài ống trao đổi nhiệt Q 297,36.103 F = = = 0,599 m2 α⋅ Δt 10.512 × 47,2 (1,5 điểm) F 0,599 l Σ = = = 5,61 m π⋅d π × 0,034 3. Nhiệt độ nước tại vị trí giữa ống • Hệ số NTU F'= F 2 = 0,2996 m2 α⋅ F' 10.512 × 0,3 NTU'= = = 0,424 G ⋅cp 1,7755× 4.187 • Nhiệt độ nước −NTU' t = tw − ()tw − t'f ⋅e (0,5 điểm) = 120 − ()120 − 50 × 0,655 = 74,2o C Bài 3: (3 điểm) • Thông số vật lý của nước ở 60oC ⎪⎧cpn = 4,174 kJ (kg.K) ⎨ 3 ⎩⎪ρn = 983,2 kg m • Năng suất nhiệt của thiết bị ⎛ 16,5 ⎞ Q = ()Vn ⋅ ρn ⋅ cpn ⋅ Δt n = ⎜ × 983,2⎟ × 4,174 × 60 = 1128,566 kW (1 điểm) ⎝ 3600 ⎠ Page 3 of 4
  17. 1. Xác định diện tích truyền nhiệt theo phương pháp LMTD • Chênh lệch nhiệt độ theo sơ đồ ngược chiều 155 −125 o Δtng = = 139,46 C 155 ln 125 • Hệ số hiệu chỉnh εΔt ⎧ t"2 −t'2 90 − 30 ⎪P = = = 0,28 ⎪ t'1 −t'2 245 − 30 ⎨ ⇒ εΔt = 0,945 t' −t" 245 −155 ⎪R = 1 1 = = 1,5 ⎩⎪ t"2 −t'2 90 − 30 • Chênh lệch nhiệt độ trung bình logarith LMTD o Δt = εΔt ⋅ Δtng = 132 C • Diện tích truyền nhiệt Q 1128,566.103 F = = ≈ 38 m2 (2 điểm) kF ⋅ Δt 225×132 2. Xác định diện tích truyền nhiệt theo phương pháp ε - NTU • Nhiệt dung lưu lượng khối lượng ⎧ 90 − 30 60 C C& = = = 0,667 = 1 ⎪ 245 −155 90 C ⎪ 2 ⎪ Q 1128,566 ⎨Cmax = C2 = = = 18,81 kW K ⎪ Δtn 60 ⎪C = C& ⋅C = 12,54 kW K ⎪ min max ⎩ • Hiệu suất thiết bị ⎧Qmax = Cmin ⋅()t'1 −t'2 = 12,54 × (245 − 30) = 2696,1 kW ⎪ ⎨ Q 1128,56 ⎪ε = = ≈ 0,418 ⎩ Qmax 2696,1 • Đơn vị chuyển nhiệt Đồ thị hình 6.e NTU = 0,7 • Diện tích truyền nhiệt C 12,54.103 F = NTU ⋅ min = 0,7× ≈ 39 m2 (2 điểm) kF 225 Page 4 of 4
  18. Đại Học Quốc Gia Tp. HCM ĐỀ THI CUỐI HỌC KỲ II – NĂM HỌC 2007-2008 TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA - Khoa CƠ KHÍ Môn Thi : Truyền Nhiệt và TB Trao Đổi Nhiệt Bm Công Nghệ Nhiệt Lạnh Thời gian : 90 phút Ngày thi : 12.06.2008 GV duyệt GV ra đề W X Ghi chú: SV được sử dụng tài liệu TS. Nguyễn Văn Tuyên Nguyễn Toàn Phong Bài 1 (3,5 điểm) Buồng đốt có kích thước ba chiều dài, rộng, cao như sau L× W× H= 4 × 3 × 2 m, nhiệt độ o o bề mặt tw = 240 C , độ đen εw = 7,0 . Môi trường không khí xung quanh có nhiệt độ tf = 40 C . 1. Tính tổng tổn thất nhiệt từ các bề mặt xung quanh vách ra môi trường Qt [kW]. 2. Nếu bọc vách bằng lớp cách nhiệt có hệ số dẫn nhiệt λCN = 0,07 W (m.K). Giả thiết nhiệt độ vách buồng đốt tiếp xúc lớp cách nhiệt không thay đổi, hệ số trao * đổi nhiệt đối lưu giữ nguyên như vừa tính ở trên, độ đen mặt ngoài của vách εw = 0 a. Xác định chiều dày lớp cách nhiệt để tổn thất nhiệt giảm 12 lần. b. Tính nhiệt độ bề mặt ngoài của lớp cách nhiệt. Bài 2 (4 điểm) Trong hệ thống sấy người ta dùng hơi nước để gia nhiệt cho không khí. Thiết bị trao đổi nhiệt là chùm ống bố trí song song, ống có kích thước φ27 21mm, số hàng ống theo chiều chuyển động của không khí n= 12 . Hơi nước đi vào trong ống có áp suất p= 4 bar, độ khô x= 1, ra khỏi ống ở trạng thái lỏng 2 sôi. Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu của hơi bên trong ống αh = 7000 W (m .K) 3 o Không khí có lưu lượng Vkk = 5000 m h vào chùm ống có nhiệt độ t'f = 30 C, ra khỏi o chùm ống có nhiệt độ t"f = 110 C . Vận tốc qua chổ hẹp nhất ωmax =10m s Bỏ qua nhiệt trở dẫn nhiệt của vách ống, hãy xác định: 1. Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trung bình về phía không khí. 2. Năng suất nhiệt Q [kW] và tổng chiều dài ống truyền nhiệt l Σ [m] của thiết bị. 3. Lưu lượng hơi nước cần cung cấp là bao nhiêu Gh [kg/h]. Bài 3 (2,5 điểm) Thiết bị trao đổi nhiệt lưu động ngược chiều có diện tích truyền nhiệt F= 16 m2 , hệ số truyền nhiệt k= 2100 W (m2 .K). Biết: o Lưu chất I có t'1 = 120 C G1 = 6 kg s c1p = 3,2 kJ (kg.K) o Lưu chất II có t'2 = 30 C G2 = 5,5 kg s cp2 = 4,18 kJ (kg.K) 1. Xác định năng suất nhiệt của thiết bị. 2. Tính nhiệt độ ra của hai lưu chất. 3. Trường hợp lưu động cùng chiều thì năng suất nhiệt của thiết bị tăng hay giảm? Giải thích tại sao? ‐‐‐‐‐ Hết ‐‐‐‐‐ Page 1 of 6 6/12/2008
  19. Đáp án 12.06.2008 Bài 1 (3,5 điểm) 1. Tổng tổn thất nhiệt từ vách đến môi trường QQQtt= đl + bx • Thông số vật lý của lớp không khí ở nhiệt độ trung bình 140oC ⎧λ = 0,0349 W (m.K) o ⎪ −6 2 ttb = 140 C → ⎨ν = 27,8.10 m s ⎪Pr= 0,684 ⎩ • Tiêu chuẩn Grashof g⋅β⋅ H3 ⋅ Δ t 9,81× 23 ×( 240 − 40) Gr = = = 4,917.1010 ν2 413× 27,82 .10− 12 • Tiêu chuẩn Rayleigh Ra= Gr ⋅ Pr = 4,917.1010 × 0,684 = 3,3636.1010 ∈( 2.107 ÷ 10 13 ) • Các hệ số từ bảng 10.1 ⎧C= 0,135 ⎨ ⎩n= 0,333 • Tiêu chuẩn Nusselt 0,333 Nu= C ⋅ Ran = 0,135 × ( 3,364.1010 ) = 435,43 • Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu λ 0,0349 α =Nu ⋅ =435,43 × = 7,6 W (m2 .K) (1,5 điểm) H 2 • Mật độ dòng nhiệt 2 ⎧qđl = α ⋅() tw − t f = 7,6 ×( 240 − 40) = 1520 W m ⎪ ⎧ 4 4 ⎫ ⎨ ⎪⎛ Tw ⎞ ⎛ Tf ⎞ ⎪ 4 4 2 ⎪qbx = ε ⋅ Co ⋅ ⎨⎜ ⎟ − ⎜ ⎟ ⎬ =0,7 × 5,67 ×{} 5,13 − 3,13 = 2368 W m ⎩⎪ ⎩⎪⎝100 ⎠ ⎝100 ⎠ ⎭⎪ 2 →q = qđl + q bx = 3888 W m • Tổn thất nhiệt F= 2 ×() W + L × H = 2 ×( 3 + 4) × 2 = 28 m2 Q= q ⋅ F = 1520 × 28 = 42.560 W= 42,56 kW đl đl (1 điểm) Qbx= q bx ⋅ F = 2368 × 28 = 66.304 W= 66,30 kW Q= q ⋅ F = 3888 × 28 = 108.864 W= 108,86 kW Page 2 of 6 6/12/2008
  20. 2. Vách được bọc cách nhiệt • Mật độ dòng nhiệt yêu cầu q q'= = 324 W m2 12 i. Chiều dày lớp cách nhiệt t− t q = w f δ 1 CN + λCN α ⎧tw− t f 1 ⎫ (0,5 điểm) → δCN = λCN ⋅ ⎨ − ⎬ ⎩ q α⎭ ⎧240− 40 1 ⎫ =0,07 × ⎨ − ⎬ = 0,034 m ⎩ 324 7,6⎭ ii. Nhiệt độ bề mặt q= α ⋅( t'w− t f ) q 324 o (0,5 điểm) →t' = t + =40 + = 82,6 C w f α 7,6 Page 3 of 6 6/12/2008
  21. Bài 2 (4 điểm) 1. Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trung bình về phía không khí • Thông số vật lý ở nhiệt độ trung bình ⎧λ = 2,96.10−2 W (m / K) ⎪ ⎪ν = 20,02.10−6 m 2 s o ⎪ tkk = 70 C → ⎨Pr= 0,694 ⎪ 3 ⎪ρ = 1,029 kg m ⎪ ⎩cp = 1,005 kJ (kg.K) • Kích thước tính toán dtđ = d = 27 mm= 0,027 m • Tiêu chuẩn Reynolds ω⋅d 10× 0,027 Re = tđ = = 13,486.103> 10 3 ν 20,02.10−6 • Tiêu chuẩn Nusselt 0,25 ⎛ Pr ⎞ 0,65 0,36 ⎜ f ⎟ Nu= 0,22 ⋅ Re ⋅ Pr ⋅⎜ ⎟ ⋅εψ ⎝ Prw ⎠ =0,22 × 483,5 × 0,877 × 1 × 1 = 93,27 Nu* = 0,194 ⋅ Re0,65 =0,194 × 483,5 = 93,81 • Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu λ 0,0296 2 α3→ n =Nu × =93,27 × =102,25 W (m .K) dtđ 0,027 * λ 0,0296 2 α3→ n =Nu × =93,81 × =102,84 W (m .K) dtđ 0,027 • Hệ số hiệu chỉnh số hàng ống theo chiều dòng lưu động ε + ε + (n− 2) 0,6+ 0,9+ 10 ε = 1 2 = = 0,958 n n 12 • Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu 2 αss = εn ⋅α 3→ n =0,958 × 102,25 = 98 W (m .K) (1,5 điểm) * * 2 αss = εn ⋅α3→ n =0,958 × 102,84 = 98,5 W (m .K) Page 4 of 6 6/12/2008
  22. 2. Năng suất nhiệt và diện tích truyền nhiệt của thiết bị • Thông số hơi nước o ⎪⎧tbh = 143,62 C ph = 4 bar → ⎨ ⎩⎪r= 2133 kJ kg a. Năng suất nhiệt của thiết bị Q= Gkk ⋅ c pk ⋅ Δ t k ⎛ 5000× 1,029 ⎞ (0,5 điểm) = ⎜ ⎟×1,005 ×() 110 − 30 = 114,9 kW ⎝ 3600 ⎠ b. Diện tích truyền nhiệt của thiết bị • Hệ số truyền nhiệt π k = l 1 1 d 1 + ln 2 + αh ⋅d 12.λ t d1α k ⋅d 2 π = = 8,1648 W (m.K) (0,5 điểm) 1 1 +0 + 7000× 0,021 98× 0,027 k* = 8,2111 W (m.K) l • Chênh lệch nhiệt độ trung bình Δt − Δ t (143,62− 30)− ( 143,62− 110) Δt = max min = = 65,7o C (0,5 điểm) Δt ()143,62− 30 ln max ln Δt min ()143,62− 110 • Tổng chiều dài ống truyền nhiệt Q 114,9.103 l Σ = = = 214,2 m k⋅ Δ t 8,165× 65,7 l (0,5 điểm) 3 * Q 114,9.10 l Σ = = = 213 m k⋅ Δ t 8,211× 65,7 l 3. Lưu lượng hơi cần cung cấp cho thiết bị Q 114,9 G = = ×3600 = 193,9 kg h (0,5 điểm) h r 2133 Page 5 of 6 6/12/2008
  23. Bài 3 (2,5 điểm) 1. Năng suất nhiệt của thiết bị • Đương lượng lưu lượng khối lượng của hai lưu chất ⎪⎧C1= G 1 ⋅ c p1 = 6 × 3,2 = 19,2 kW K= Cmin ⎨ ⎩⎪C2= G 2 ⋅ c p2 = 5,5 × 4,18 = 22,99 kW K= Cmax (0,5 điểm) →C& = Cmin Cmax = 19,2 22,99= 0,835 • Hiệu suất nhiệt của thiết bị kF ⋅ F 2100× 16 NTU = = 3 = 1,75 Cmin 19,2.10 1− exp{} − NTU ⋅() 1 − C& → ε = (0,5 điểm) 1− C& ⋅ exp{} − NTU ⋅() 1 − C& 1− exp{} − 1,75 ×() 1 − 0,835 = = 0,67 1− 0,835 × exp{} − 1,75 ×() 1 − 0,835 • Năng suất nhiệt của thiết bị Q= C ⋅( t'− t') = 19,2×( 120− 30) = 1728 kW max min 1 2 (0,5 điểm) Q= ε⋅ Qmax = 0,67 × 1728 = 1158 kW 2. Nhiệt độ ra của hai lưu chất Q 1158 t"= t' − =120 − = 59,7o C 1 1 C 19,2 1 (0,5 điểm) Q 1158 o t"2= t' 2 + =30 + = 80,36 C C2 22,99 3. Giải thích năng suất nhiệt giảm (0,5 điểm) Page 6 of 6 6/12/2008
  24. Đại Học Quốc Gia Tp. HCM ĐỀ THI CUỐI HỌC KỲ II – NĂM HỌC 2007-2008 TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA - Khoa CƠ KHÍ Môn Thi : Truyền Nhiệt và TB Trao Đổi Nhiệt Bm Công Nghệ Nhiệt Lạnh Thời gian : 90 phút Ngày thi : 12.06.2008 GV duyệt GV ra đề W X Ghi chú: SV được sử dụng tài liệu TS. Nguyễn Văn Tuyên Nguyễn Toàn Phong Bài 1 (3,5 điểm) Vách của buồng đốt có kích thước ba chiều dài, rộng, cao như sau L× W × H= 4× 3× 2 m, o nhiệt độ bề mặt tw = 240 C , độ đen εw = 7,0 . Môi trường không khí xung quanh có nhiệt độ o tf = 40 C . 1. Tính tổng tổn thất nhiệt từ các bề mặt xung quanh vách ra môi trường Qt [kW]. 2. Nếu bọc vách bằng lớp cách nhiệt có hệ số dẫn nhiệt λCN = 0,07 W (m.K). Giả thiết nhiệt độ vách buồng đốt tiếp xúc lớp cách nhiệt không thay đổi, hệ số trao * đổi nhiệt đối lưu giữ nguyên như vừa tính ở trên, độ đen mặt ngoài của vách εw = 0 a. Xác định chiều dày lớp cách nhiệt để tổn thất nhiệt giảm 12 lần. b. Tính nhiệt độ bề mặt ngoài của lớp cách nhiệt. Bài 2 (4 điểm) Trong hệ thống sấy người ta dùng hơi nước để gia nhiệt cho không khí. Thiết bị trao đổi nhiệt là chùm ống bố trí song song, ống có kích thước φ27 21mm, số hàng ống theo chiều chuyển động của không khí n= 12 . Hơi nước đi vào trong ống có áp suất p= 4 bar, độ khô x= 1, ra khỏi ống ở trạng thái lỏng 2 sôi. Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu của hơi bên trong ống αh = 7000 W (m .K) 3 o Không khí có lưu lượng Vkk = 5000 m h vào chùm ống có nhiệt độ t'f = 30 C, ra khỏi o chùm ống có nhiệt độ t"f = 110 C . Vận tốc qua chổ hẹp nhất ωmax =10m s Bỏ qua nhiệt trở dẫn nhiệt của vách ống, hãy xác định: 1. Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trung bình về phía không khí. 2. Năng suất nhiệt Q [kW] và tổng chiều dài ống truyền nhiệt l Σ [m] của thiết bị. 3. Lưu lượng hơi nước cần cung cấp là bao nhiêu Gh [kg/h]. Bài 3 (2,5 điểm) Thiết bị trao đổi nhiệt lưu động ngược chiều có diện tích truyền nhiệt F= 16 m2 , hệ số truyền nhiệt k= 2100 W (m2 .K). Biết: o Lưu chất I có t'1 = 120 C G1 = 6 kg s c1p = 3,2 kJ (kg.K) o Lưu chất II có t'2 = 30 C G2 = 5,5 kg s cp2 = 4,18 kJ (kg.K) 1. Xác định năng suất nhiệt của thiết bị. 2. Tính nhiệt độ ra của hai lưu chất. 3. Trường hợp lưu động cùng chiều thì năng suất nhiệt của thiết bị tăng hay giảm? Giải thích tại sao? ‐‐‐‐‐ Hết ‐‐‐‐‐ Page 1 of 6 6/7/2008
  25. Đáp án 12.06.2008 Bài 1 (3,5 điểm) 1. Tổng tổn thất nhiệt từ vách đến môi trường QQQtt= đl + bx • Thông số vật lý của lớp không khí ở nhiệt độ trung bình 140oC ⎧λ = 0,0349 W (m.K) o ⎪ −6 2 ttb = 140 C → ⎨ν = 27,8.10 m s ⎪Pr= 0,684 ⎩ • Tiêu chuẩn Grashof g⋅β⋅ H3 ⋅ Δ t 9,81× 23 ×( 240 − 40) Gr = = = 4,917.1010 ν2 413× 27,82 .10− 12 • Tiêu chuẩn Rayleigh Ra= Gr ⋅ Pr = 4,917.1010 × 0,684 = 3,3636.1010 ∈( 2.107 ÷ 10 13 ) • Các hệ số từ bảng 10.1 ⎧C= 0,135 ⎨ ⎩n= 0,333 • Tiêu chuẩn Nusselt 0,333 Nu= C ⋅ Ran = 0,135 × ( 3,364.1010 ) = 435,43 • Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu λ 0,0349 α =Nu ⋅ =435,43 × = 7,6 W (m2 .K) (1,5 điểm) H 2 • Mật độ dòng nhiệt 2 ⎧qđl = α ⋅() tw − t f = 7,6 ×( 240 − 40) = 1520 W m ⎪ ⎧ 4 4 ⎫ ⎨ ⎪⎛ Tw ⎞ ⎛ Tf ⎞ ⎪ 4 4 2 ⎪qbx = ε ⋅ Co ⋅ ⎨⎜ ⎟ − ⎜ ⎟ ⎬ =0,7 × 5,67 ×{} 5,13 − 3,13 = 2368 W m ⎩⎪ ⎩⎪⎝100 ⎠ ⎝100 ⎠ ⎭⎪ 2 →q = qđl + q bx = 3888 W m • Tổn thất nhiệt F= 2 ×() W + L × H = 2 ×( 3 + 4) × 2 = 28 m2 Q= q ⋅ F = 1520 × 28 = 42.560 W= 42,56 kW đl đl (1 điểm) Qbx= q bx ⋅ F = 2368 × 28 = 66.304 W= 66,30 kW Q= q ⋅ F = 3888 × 28 = 108.864 W= 108,86 kW Page 2 of 6 6/7/2008
  26. 2. Vách được bọc cách nhiệt • Mật độ dòng nhiệt yêu cầu q q'= = 324 W m2 12 i. Chiều dày lớp cách nhiệt t− t q = w f δ 1 CN + λCN α ⎧tw− t f 1 ⎫ (0,5 điểm) → δCN = λCN ⋅ ⎨ − ⎬ ⎩ q α⎭ ⎧240− 40 1 ⎫ =0,07 × ⎨ − ⎬ = 0,034 m ⎩ 324 7,6⎭ ii. Nhiệt độ bề mặt q= α ⋅( t'w− t f ) q 324 o (0,5 điểm) →t' = t + =40 + = 82,6 C w f α 7,6 Page 3 of 6 6/7/2008
  27. Bài 2 (4 điểm) 1. Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trung bình về phía không khí • Thông số vật lý ở nhiệt độ trung bình ⎧λ = 2,96.10−2 W (m / K) ⎪ ⎪ν = 20,02.10−6 m 2 s o ⎪ tkk = 70 C → ⎨Pr= 0,694 ⎪ 3 ⎪ρ = 1,029 kg m ⎪ ⎩cp = 1,005 kJ (kg.K) • Kích thước tính toán dtđ = d = 27 mm= 0,027 m • Tiêu chuẩn Reynolds ω⋅d 10× 0,027 Re = tđ = = 13,486.103> 10 3 ν 20,02.10−6 • Tiêu chuẩn Nusselt 0,25 ⎛ Pr ⎞ 0,65 0,36 ⎜ f ⎟ Nu= 0,22 ⋅ Re ⋅ Pr ⋅⎜ ⎟ ⋅εψ ⎝ Prw ⎠ =0,22 × 483,5 × 0,877 × 1 × 1 = 93,27 Nu* = 0,194 ⋅ Re0,65 =0,194 × 483,5 = 93,81 • Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu λ 0,0296 2 α3→ n =Nu × =93,27 × =102,25 W (m .K) dtđ 0,027 * λ 0,0296 2 α3→ n =Nu × =93,81 × =102,84 W (m .K) dtđ 0,027 • Hệ số hiệu chỉnh số hàng ống theo chiều dòng lưu động ε + ε + (n− 2) 0,6+ 0,9+ 10 ε = 1 2 = = 0,958 n n 12 • Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu 2 αss = εn ⋅α 3→ n =0,958 × 102,25 = 98 W (m .K) (1,5 điểm) * * 2 αss = εn ⋅α3→ n =0,958 × 102,84 = 98,5 W (m .K) Page 4 of 6 6/7/2008
  28. 2. Năng suất nhiệt và diện tích truyền nhiệt của thiết bị • Thông số hơi nước o ⎪⎧tbh = 143,62 C ph = 4 bar → ⎨ ⎩⎪r= 2133 kJ kg a. Năng suất nhiệt của thiết bị Q= Gkk ⋅ c pk ⋅ Δ t k ⎛ 5000× 1,029 ⎞ (0,5 điểm) = ⎜ ⎟×1,005 ×() 110 − 30 = 114,9 kW ⎝ 3600 ⎠ b. Diện tích truyền nhiệt của thiết bị • Hệ số truyền nhiệt π k = l 1 1 d 1 + ln 2 + αh ⋅d 12.λ t d1α k ⋅d 2 π = = 8,1648 W (m.K) (0,5 điểm) 1 1 +0 + 7000× 0,021 98× 0,027 k* = 8,2111 W (m.K) l • Chênh lệch nhiệt độ trung bình Δt − Δ t (143,62− 30)− ( 143,62− 110) Δt = max min = = 65,7o C (0,5 điểm) Δt ()143,62− 30 ln max ln Δt min ()143,62− 110 • Tổng chiều dài ống truyền nhiệt Q 114,9.103 l Σ = = = 214,2 m k⋅ Δ t 8,165× 65,7 l (0,5 điểm) 3 * Q 114,9.10 l Σ = = = 213 m k⋅ Δ t 8,211× 65,7 l 3. Lưu lượng hơi cần cung cấp cho thiết bị Q 114,9 G = = ×3600 = 193,9 kg h (0,5 điểm) h r 2133 Page 5 of 6 6/7/2008
  29. Bài 3 (2,5 điểm) 1. Năng suất nhiệt của thiết bị • Đương lượng lưu lượng khối lượng của hai lưu chất ⎪⎧C1= G 1 ⋅ c p1 = 6 × 3,2 = 19,2 kW K= Cmin ⎨ ⎩⎪C2= G 2 ⋅ c p2 = 5,5 × 4,18 = 22,99 kW K= Cmax (0,5 điểm) →C& = Cmin Cmax = 19,2 22,99= 0,835 • Hiệu suất nhiệt của thiết bị kF ⋅ F 2100× 16 NTU = = 3 = 1,75 Cmin 19,2.10 1− exp{} − NTU ⋅() 1 − C& → ε = (0,5 điểm) 1− C& ⋅ exp{} − NTU ⋅() 1 − C& 1− exp{} − 1,75 ×() 1 − 0,835 = = 0,67 1− 0,835 × exp{} − 1,75 ×() 1 − 0,835 • Năng suất nhiệt của thiết bị Q= C ⋅( t'− t') = 19,2×( 120− 30) = 1728 kW max min 1 2 (0,5 điểm) Q= ε⋅ Qmax = 0,67 × 1728 = 1158 kW 2. Nhiệt độ ra của hai lưu chất Q 1158 t"= t' − =120 − = 59,7o C 1 1 C 19,2 1 (0,5 điểm) Q 1158 o t"2= t' 2 + =30 + = 80,36 C C2 22,99 3. Giải thích năng suất nhiệt giảm (0,5 điểm) Page 6 of 6 6/7/2008
  30. TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HỒ CHÍ MINH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ NHIỆT LẠNH o0o ĐỀ THI Môn thi: TRUYỀN NHIỆT Thời gian : 90 phút (Sinh viên được phép sử dụng tài liệu và máy tính) Bài 1 (4 điểm) Dầu máy biến áp có nhiệt độ 800C chảy trong ống với tốc độ 1,2 m/s. Cho biết đường kính trong của ống là 40 mm, chiều dài của ống là 8 m và nhiệt độ bề mặt trong của ống là 650C a. Xác định hệ số tỏa nhiệt đối lưu giữa dầu và vách ống. b. Nếu sử dụng nhiệt lượng tỏa ra từ bề mặt ngoài của ống để gia nhiệt cho một khối nước có thể tích 500 lít, tính thời gian (giây) cần thiết để nhiệt độ trung bình của khối nước tăng 200C (bỏ qua nhiệt trở của vách ống thép khi tính toán). Bài 2 (3 điểm) Một vách phẳng đặt thẳng đứng được làm bằng 2 tấm kim loại mỏng, ở giữa là không khí (bỏ qua nhiệt trở dẫn nhiệt của kim loại), khoảng cách giữa 2 tấm kim loại là δ = 4 cm , diện tích bề mặt vách F = 6 m2, độ đen của bề mặt các vách kim loại là o ε1=ε 2 = ε = 8,0 . Cho biết nhiệt độ bề mặt vách phía ngoài là tw1 = 80 C và nhiệt độ bề mặt o vách phía trong tw2 = 20 C a. Tính nhiệt lượng truyền qua vách do bức xạ [W] b. Tính nhiệt lượng tổng cộng truyền qua vách [W] // Bài 3 (3 điểm) Một thiết bị trao đổi nhiệt dạng t2 ống lồng ống như hình vẽ. Chất lỏng nóng t/ t// chuyển động bên trong ống nhỏ với các thông 1 1 số như sau: lưu lượng 100 lít/h, nhiệt độ vào ' o " o t= 100 C , nhiệt độ ra t = 50 C , nhiệt dung / 1 1 t2 3 riêng Cp1 = 3 kJ/kg.độ, khối lượng riêng ρ1 = 1200kg / m . Chất lỏng lạnh là nước chuyển động bên trong không gian hình vành khăn giữa 2 ống với lưu lượng 200 lít/h và nhiệt độ vào ' o 2 t2 = 10 C . Cho biết hệ số truyền nhiệt của thiết bị là k = 1400 W/m độ a. Tính diện tích truyền nhiệt của thiết bị b. Diện tích truyền nhiệt thay đổi như thế nào trong trường hợp 2 chất lỏng nóng và lạnh chuyển động ngược chiều.
  31. ĐẠI HỌC QUỐC GIA Tp. HCM - Trường ĐH BÁCH KHOA ĐỀ THI HỌC KỲ I – NĂM HỌC 2007-2008 Khoa CƠ KHÍ Đề thi lần II - Lớp Học Lại - Hệ Không Chính Quy Bm CÔNG NGHỆ NHIỆT LẠNH Môn Thi : Truyền Nhiệt (210060) Thời gian : 90 phút Bắt đầu : 9h05 Chủ nhiệm BM GV ra đề NgàyThi : 18/04/2008 W X Ghi chú: SV được sử dụng tài liệu PGS. TS. Lê Chí Hiệp Nguyễn Toàn Phong Đề thi gồm một trang A4 Bài 1: (3 điểm) Một thanh nhôm (hệ số dẫn nhiệt λ = 180 W (m.K) ) có đường kính d = 3 cm , chiều dài L = 25 cm . Một đầu thanh được gắn vào vách có nhiệt độ 120oC, hệ số tỏa nhiệt đối lưu trên bề mặt thanh α = 35 W (m2 .K) , nhiệt độ không khí xung quanh 50oC. Khi tính toán có thể bỏ qua tỏa nhiệt ở đỉnh thanh. Hãy xác định: 1. Nhiệt độ đỉnh thanh và giữa thanh. (1,5 điểm) 2. Nhiệt lượng tỏa ra trên thanh. (1,5 điểm) Bài 2: (3 điểm) Một đường ống dẫn hơi có đường kính ngoài d =150 mm được đặt nằm ngang trong o o phòng rộng. Cho biết nhiệt độ trong phòng t f = 35 C , nhiệt độ bề mặt ống t w = 45 C, độ đen bề mặt ống ε = 0,7. Chiều dài ống l = 50 m Hãy xác định tổn thất nhiệt trên đường ống. Bài 3: (4 điểm) Một thiết bị trao đổi nhiệt kiểu chùm ống có cánh có thông số làm việc như sau: Khói nóng (có cp =1,13 kJ (kg.K)) chuyển động bên ngoài chùm ống với nhiệt độ vào 260oC và ra là 150oC. Nước chuyển động trong ống có lưu lượng 16,5 m3 h được hâm nóng từ 30oC đến 90oC. 2 Hệ số truyền nhiệt của thiết bị k F = 225 W (m .K) Hãy xác định diện tích truyền nhiệt của thiết bị theo hai phương pháp: 1. Phương pháp nhiệt độ trung bình logarith LMTD. (2 điểm) 2. Phương pháp hiệu suất ε − NTU . (2 điểm) Lưu ý: Hệ số hiệu chỉnh ε Δt tra theo hình 1 (trang 386 hoặc 428) Hiệu suất ε − NTU tra theo hình e (trang 387 hoặc 429) Sách bài tập nhiệt động lực học kỹ thuật và truyền nhiệt Hết Page 1 of 4
  32. Bài giải Bài 1: (3 điểm) • Các thông số cơ bản α ⋅ U 4.α 4 × 35 m = = = = 5,092 λ ⋅ f λ ⋅ d 180 × 0,03 m.h = 1,273 1. Nhiệt độ giữa thanh và đỉnh thanh cosh(m.h 2) t = t + θ = 50 + θ ⋅ h / 2 f h / 2 g cosh()m.h 1,209 = 50 + 70 × = 50 + 31,44 = 94o C 1,925 (1,5 điểm) θ t = t + θ = 50 + g h f h cosh()m.h 70 = 50 + = 50 + 21,59 = 86,3o C 1,925 2. Nhiệt lượng truyền qua thanh Q = λ ⋅ f ⋅ m ⋅ θg ⋅ th(m.h) (1,5 điểm) = 180 × 7,07.10−4 × 5,092 × 70 × 0,85 = 38,,75 W Bài 2: (3 điểm) 1. Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu • Thông số vật lý của không khí ở 40oC ⎧λ = 0,0276 W (m.K) ⎪ − ⎪ν = 16,69.10 6 m2 s ⎨ ⎪Pr = 0,699 ⎪ −1 ⎩β = 1 T = 1 313,15 K • Tiêu chuẩn Rayleigh g ⋅β ⋅ d3 ⋅ Δt Ra = Gr ⋅ Pr = ⋅ Pr ν2 9,81× 0,153 ×10 = × 0,699 = 2,653.106 313,15 ×16,692.10−12 Page 2 of 4
  33. • Tiêu chuẩn Nusselt Ra = 2,653.106 ∈ (500 ÷ 2.107 ) ⎧C = 0,54 → ⎨ ⎩n = 0,25 Nu = C ⋅ Ran = 0,54 × 40,36 = 21,79 • Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu λ 0,0276 α = Nu ⋅ = 21,79 × = 4 W (m 2 .K) (1,5 điểm) d 0,15 2. Nhiệt lượng tổn thất • Tổn thất đối lưu q = α ⋅ ()t − t = 4 ×10 = 40 W m2 đl w f Qđl = F ⋅ qđl = 23,56 × 40 = 942,48 W • Tổn thất bức xạ ⎡ 4 4 ⎤ ⎛ Tw ⎞ ⎛ Tf ⎞ qbx = ε ⋅ Co ⋅ ⎢⎜ ⎟ − ⎜ ⎟ ⎥ ⎣⎢⎝100 ⎠ ⎝100 ⎠ ⎦⎥ = 0,7 × 5,67 × ()3,18154 − 3,08154 = 48,765 W m2 Qbx = F ⋅ qbx = 23,56 × 48,765 = 1149 W • Tổng tổn thất q = q + q = 88,765 W m2 t đl bx (1,5 điểm) Qt = Qđl + Qbx = 2091,5 W Bài 3: (4 điểm) • Thông số vật lý của nước ở 60oC ⎪⎧cpn = 4,174 kJ (kg.K) ⎨ 3 ⎩⎪ρn = 983,2 kg m • Năng suất nhiệt của thiết bị ⎛ 16,5 ⎞ Q = ()Vn ⋅ ρn ⋅ cpn ⋅ Δt n = ⎜ × 983,2⎟ × 4,174 × 60 = 1128,566 kW ⎝ 3600 ⎠ Page 3 of 4
  34. 1. Xác định diện tích truyền nhiệt theo phương pháp LMTD • Chênh lệch nhiệt độ theo sơ đồ ngược chiều 170 − 120 o Δt ng = = 143,55 C 170 ln 120 • Hệ số hiệu chỉnh εΔt ⎧ t"2 −t'2 90 − 30 ⎪P = = = 0,261 ⎪ t'1 −t'2 260 − 30 ⎨ ⇒ εΔt = 0,94 t' −t" 260 −150 ⎪R = 1 1 = = 1,83 ⎩⎪ t"2 −t'2 90 − 30 • Chênh lệch nhiệt độ trung bình logarith LMTD o Δt = εΔt ⋅ Δt ng = 135 C • Diện tích truyền nhiệt Q 1128,566.103 F = = = 37,17 m2 (2 điểm) k F ⋅ Δt 225 ×135 2. Xác định diện tích truyền nhiệt theo phương pháp ε - NTU • Nhiệt dung lưu lượng khối lượng ⎧ 90 − 30 60 C C& = = = 0,545 = 1 ⎪ 260 −150 110 C ⎪ 2 ⎪ Q 1128,566 ⎨Cmax = C2 = = = 18,81 kW K ⎪ Δt n 60 ⎪C = C& ⋅ C = 10,26 kW K ⎪ min max ⎩ • Hiệu suất thiết bị ⎧Qmax = Cmin ⋅ ()t'1 −t'2 = 10,26 × (260 − 30) = 2360 kW ⎪ ⎨ Q 1128,56 ⎪ε = = ≈ 0,478 ⎩ Qmax 2360 • Đơn vị chuyển nhiệt Đồ thị hình 6.e NTU = 0,76 • Diện tích truyền nhiệt C 10,26.103 F = NTU ⋅ min = 0,77 × = 35,11 m2 (2 điểm) k F 225 Page 4 of 4
  35. ĐẠI HỌC QUỐC GIA Tp. HCM - Trường ĐH BÁCH KHOA ĐỀ THI HỌC KỲ I – NĂM HỌC 2007-2008 Khoa CƠ KHÍ Đề thi lần I - Lớp Học Lại - Hệ Không Chính Quy Bm CÔNG NGHỆ NHIỆT LẠNH Môn Thi : Truyền Nhiệt (210060) Thời gian : 90 phút Bắt đầu : 6h30 Chủ nhiệm BM GV ra đề NgàyThi : 29/01/2008 W X Ghi chú: SV được sử dụng tài liệu PGS. TS. Lê Chí Hiệp Nguyễn Toàn Phong Đề thi gồm một trang A4 Bài 1: (3 điểm) Một thanh nhôm (hệ số dẫn nhiệt λ = 180 W (m.K) ) có đường kính d= 2 cm , chiều dài L= 35 cm . Một đầu thanh được gắn vào vách có nhiệt độ 120oC, hệ số tỏa nhiệt đối lưu trên bề mặt thanh α = 25 W (m2 .K) , nhiệt độ không khí xung quanh 50oC. Khi tính toán có thể bỏ qua tỏa nhiệt ở đỉnh thanh. Hãy xác định: 1. Nhiệt độ đỉnh thanh và giữa thanh. (1,5 điểm) 2. Nhiệt lượng tỏa ra trên thanh. (1,5 điểm) Bài 2: (3 điểm) Một đường ống dẫn hơi có đường kính ngoài d= 150 mm được đặt nằm ngang trong o o phòng rộng. Cho biết nhiệt độ trong phòng tf = 35 C , nhiệt độ bề mặt ống tw = 45 C, độ đen bề mặt ống ε = 7,0 . Chiều dài ống l = 50 m Hãy xác định tổn thất nhiệt trên đường ống. Bài 3: (4 điểm) Một thiết bị trao đổi nhiệt kiểu chùm ống có cánh có thông số làm việc như sau: Khói nóng (có cp = 1,13 kJ (kg.K)) chuyển động bên ngoài chùm ống với nhiệt độ vào 215oC và ra là 95oC. Nước chuyển động trong ống có lưu lượng 16,5 m3 h được hâm nóng từ 30oC đến 90oC. 2 Hệ số truyền nhiệt của thiết bị kF = 225 W (m .K) Hãy xác định diện tích truyền nhiệt của thiết bị theo hai phương pháp: 1. Phương pháp nhiệt độ trung bình logarith LMTD. (2 điểm) 2. Phương pháp hiệu suất ε − NTU. (2 điểm) Lưu ý: Hệ số hiệu chỉnh ε Δt tra theo hình 1 (trang 386 hoặc 428) Hiệu suất ε − NTU tra theo hình e (trang 387 hoặc 429) Sách bài tập nhiệt động lực học kỹ thuật và truyền nhiệt Hết Page 1 of 4
  36. Bài giải Bài 1: (3 điểm) • Các thông số cơ bản α ⋅ U 4.α 4× 25 m = = = = 5,27 λ ⋅ f λ ⋅ d 180× 0,02 m.h= 1,84466 1. Nhiệt độ giữa thanh và đỉnh thanh cosh( m.h 2) t= t + θ =50 + θ ⋅ h/ 2 f h/ 2 g cosh() m.h 1,456 =50 + 70 × =50 + 31,44 = 81,44o C 3,242 (1,5 điểm) θ t= t + θ = 50 + g h f h cosh() m.h 70 =50 + =50 + 21,59 = 71,59o C 3,242 2. Nhiệt lượng truyền qua thanh Q = λ ⋅f ⋅m ⋅ θg ⋅ th( m.h) (1,5 điểm) =180 × 3,14.10−4 × 5,27 × 70 × 0,95 = 19,84 W Bài 2: (3 điểm) 1. Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu • Thông số vật lý của không khí ở 40oC ⎧λ = 0,0276 W (m.K) ⎪ − ⎪ν = 16,69.106 m 2 s ⎨ ⎪Pr= 0,699 ⎪ −1 ⎩β =1 T = 1 313,15 K • Tiêu chuẩn Rayleigh g⋅β ⋅ d3 ⋅ Δ t Ra= Gr ⋅ Pr = ⋅ Pr ν2 9,81× 0,153 × 10 = ×0,699 = 2,653.106 313,15× 16,692 .10− 12 Page 2 of 4
  37. • Tiêu chuẩn Nusselt Ra= 2,653.106 ∈( 500 ÷ 2.107 ) ⎧C= 0,54 → ⎨ ⎩n= 0,25 Nu= C ⋅ Ran = 0,54 × 40,36 = 21,79 • Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu λ 0,0276 α =Nu ⋅ =21,79 × = 4 W (m2 .K) (1,5 điểm) d 0,15 2. Nhiệt lượng tổn thất • Tổn thất đối lưu q= α ⋅() t − t = 4 × 10 = 40 W m 2 đl w f Qđl = F ⋅ qđl = 23,56 × 40 = 942,48 W • Tổn thất bức xạ ⎡ 4 4 ⎤ ⎛ Tw ⎞ ⎛ Tf ⎞ qbx = ε ⋅ Co ⋅ ⎢⎜ ⎟ − ⎜ ⎟ ⎥ ⎣⎢⎝100 ⎠ ⎝100 ⎠ ⎦⎥ =0,7 × 5,67 ×() 3,18154 − 3,08154 = 48,765 W m2 Qbx = F ⋅ qbx = 23,56 × 48,765 = 1149 W • Tổng tổn thất q= q + q = 88,765 W m 2 t đl bx (1,5 điểm) Qt= Qđl + Q bx = 2091,5 W Bài 3: (4 điểm) • Thông số vật lý của nước ở 60oC ⎪⎧cpn = 4,174 kJ (kg.K) ⎨ 3 ⎩⎪ρn = 983,2 kg m • Năng suất nhiệt của thiết bị ⎛ 16,5 ⎞ Q=() Vn ⋅ ρ n ⋅ c pn ⋅ Δ t n =⎜ × 983,2⎟ × 4,174 × 60 = 1128,566 kW ⎝ 3600 ⎠ Page 3 of 4
  38. 1. Xác định diện tích truyền nhiệt theo phương pháp LMTD • Chênh lệch nhiệt độ theo sơ đồ ngược chiều 125− 65 o Δtng = = 91,75 C 125 ln 65 • Hệ số hiệu chỉnh εΔt ⎧ t"2− t' 2 90− 30 ⎪P = = = 0,324 ⎪ t'1− t' 2 215− 30 ⎨ ⇒ εΔ = 0,88 t'− t" 215− 95 t ⎪R = 1 1 = = 2 ⎩⎪ t"2− t' 2 90− 30 • Chênh lệch nhiệt độ trung bình logarith LMTD o Δt = εΔt ⋅ Δ tng = 80,7 C • Diện tích truyền nhiệt Q 1128,566.103 F = = = 62,12 m 2 (2 điểm) kF ⋅ Δ t 225× 80,7 2. Xác định diện tích truyền nhiệt theo phương pháp ε - NTU • Nhiệt dung lưu lượng khối lượng ⎧ 90− 30 60 C C& = = =0,5 = 1 ⎪ 215− 95 120 C ⎪ 2 ⎪ Q 1128,566 ⎨CCmax =2 = = = 18,81 kW K ⎪ Δtn 60 ⎪C= C& ⋅ C = 9,4 kW K ⎪ min max ⎩ • Hiệu suất thiết bị ⎧Qmax = Cmin ⋅() t' 1 − t' 2 = 9,4 ×( 215 − 30) = 1739,87 kW ⎪ ⎨ Q 1128,56 ⎪ε = = ≈ 0,65 ⎩ Qmax 1739,87 • Đơn vị chuyển nhiệt Đồ thị hình 6.e NTU= 1,45 • Diện tích truyền nhiệt C 9,4.103 F= NTU ⋅min =1,45 × = 60,6 m2 (2 điểm) k F 225 Page 4 of 4
  39. Đại Học Quốc Gia Tp. HCM ĐỀ THI CUỐI HỌC KỲ I – NĂM HỌC 2007-2008 TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA - Khoa CƠ KHÍ Môn Thi : Truyền Nhiệt và TB Trao Đổi Nhiệt Bm Công Nghệ Nhiệt Lạnh Thời gian : 90 phút Ngày thi : 14.01.2008 GV duyệt đề GV ra đề W X Ghi chú: SV được sử dụng tài liệu TS. Nguyễn Văn Tuyên Nguyễn Toàn Phong Bài 1 (3 điểm) Hơi nước bão hòa khô chuyển động trong ống thép có đường kính d1 d 2 = 190 210 mm, 3 hệ số dẫn nhiệt λt = 46,5W (m.K). Lưu lượng hơi nước Gh = 8.10 kg h , áp suất 6 bar. Ống được bọc cách nhiệt có chiều dày δCN = 70mm, hệ số dẫn nhiệt λCN = 0,07W (m.K) o Không khí bên ngoài có nhiệt độ tf = 30 C , hệ số trao đổi nhiệt đối lưu 2 αf = 12 W (m .K). Ống có chiều dài l = 200 m . 1. Tính hệ số trao đổi nhiệt đối lưu của hơi nước đi bên trong ống. (1,5 điểm) (khi tính toán bỏ qua ảnh hưởng của phương hướng dòng nhiệt) 2. Tính nhiệt lượng trao đổi giữa ống và môi trường Q [kW]. (1,5 điểm) Bài 2 (3 điểm) Xét vách kính hai lớp với thông số như sau: Kính có chiều dày và hệ số dẫn nhiệt: δk = 5mm, λk = 0,7W (m.K) Không khí giữa hai lớp kính có chiều dày δkh = 20 mm. o 2 Không khí ngoài trời có nhiệt độ t1f = 36 C, hệ số trao đổi nhiệt đối lưu α1 = 15W (m .K) o 2 Không khí trong phòng có nhiệt độ t2f = 24 C , h/s trao đổi nhiệt đối lưu α2 = 12 W (m .K) 2 Tính mật độ dòng nhiệt qF [ W m ] trao đổi trong hai trường hợp: 1. Lớp không khí giữa hai lớp kính xem như đứng yên. Tính nhiệt độ phía trong của hai lớp kính. (1,5 điểm) 2. Có xét đến ảnh hưởng đối lưu của lớp không khí giữa hai lớp kính. (1,5 điểm) Lưu ý: Cho phép lấy thông số vật lý của không khí ở 30oC Bài 3 (4 điểm) Cho thiết bị trao đổi nhiệt loại vỏ bọc – chùm ống. Hơi nước bão hòa ngưng tụ phía vỏ bọc thành lỏng sôi, nước được gia nhiệt đi trong chùm ống. 2 Hơi nước có hệ số trao đổi nhiệt đối lưu αh = 7.500 W (m .K), áp suất ph = 5 bar 3 o Nước chảy trong chùm ống có lưu lượng V= 27 m h , nhiệt độ nước vào t'2 = 30 C, o 2 nhiệt độ nước ra t"2 = 55 C , hệ số trao đổi nhiệt đối lưu αn = 6.000 W/(m .K). Bỏ qua nhiệt trở vách ống. 1. Xác định diện tích trao đổi nhiệt cần thiết F [m2]. (2 điểm) 2. Sau một thời gian vận hành, do bị bám cáu bẩn nên nhiệt độ nước ra chỉ đạt 50oC. Hãy xác định nhiệt trở lớp cáu. Chiều dày trung bình của lớp cáu, biết hệ số dẫn nhiệt của lớp cáu khoảng λ cáu = 1,5 W (m.K). (2 điểm)
  40. Đáp án 14.01.2008 Bài 1 (3 điểm) 1. Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu • Thông số vật lý ⎧λ = 3,012.10−2 W (m / K) ⎪ −6 2 o ⎪ν = 4,39.10 m s ph = 6 bar → th = 158,84 C → ⎨ ⎪Pr= 1,18 ⎪ 3 ⎩ρ = 3,258 kg m • Kích thước tính toán dtđ = d = 190 mm= 0,19 m • Vận tốc tính toán G 4⋅ G 4× 8.103 ω = = 2 = 2 = 24 m s f ⋅ ρ π.d tđ ⋅ ρ 3600× π .0,19 × 3,258 • Tiêu chuẩn Reynolds ω⋅ d 24× 0,19 Re = tđ = = 104,118.104 ν 4,39.10−6 • Tiêu chuẩn Nusselt Re> 104 0,25 ⎛ Pr ⎞ Nu= 0,021 ⋅ Re0,8 ⋅ Pr 0,43 ⋅ ⎜ f ⎟ ⋅ ε ⋅ ε ⎜ ⎟ l R ⎝ Prw ⎠ =0,021 × 65166 × 1,074 = 1469 • Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu λ 0,03012 2 αh =Nu × =1469 × = 233 W (m .K) (1,5 điểm) d tđ 0,19 2. Nhiệt lượng trao đổi π k = l 1 1 d 1 d 1 + ln 2 + ln 3 + α ⋅ d 2.λ d 2.λ d α ⋅ d h 1 t 1 CN 2 k 3 π = = 0,8 W (m.K) 1 1 21 1 35 1 + ln + ln + 233× 0,19 2× 46,5 19 2× 0,07 21 12× 0,35 ⇒ Nhiệt lượng tổn thất Q= ⋅ k⋅ Δ t = 200× 0,8× 158,84− 30= 20.701 W= 20,7 kW (1,5 điểm) l ∑ l ( )
  41. Bài 2 (3 điểm) 1. Trường hợp xem không khí đứng yên • Thông số vật lý của lớp không khí ⎧λ = 0,027 W (m/ K) o ⎪ −6 2 ttb = 30 C → ⎨ν = 16.10 m s ⎪Pr= 0,701 ⎩ • Mật độ dòng nhiệt t− t q = f1 f2 1 δ δ δ 1 + 1 + 2 + 3 + α λ λ λ α 1 1 2 3 2 (0,5 điểm) 36− 24 = = 12,67 W/ m2 1 0,005 0,02 0,005 1 + + + + 15 0,7 0,027 0,7 8 • Nhiệt độ bên trong của 2 lớp kính ⎧ ⎛ 1 0,005 ⎞ o ⎪t2= t f1 − q ⋅⎜ + ⎟ = 35,06 C ⎪ ⎝15 0,7 ⎠ ⎨ (0,5 điểm) ⎪ ⎛ 0,005 1 ⎞ o t3= t f 2 + q ⋅⎜ + ⎟ = 25,67 C ⎩⎪ ⎝ 0,7 8⎠ 2. Trường hợp có xét đến ảnh hưởng của đối lưu • Tiêu chuẩn Rayleigh g⋅β ⋅ d3 ⋅ Δ t Ra= Gr ⋅ Pr = 2 ⋅ Pr ν 9,81× 0,023 ×() 35,06 − 25,67 = ×0,701 = 6660 > 103 303× 162 .10− 12 • Hệ số dẫn nhiệt hiệu chỉnh lại ε =0,18 ⋅ Ra0,25 = 1,626 tđ λtđ = ε tđ ⋅ λ =1,626 × 0,027 = 0,044W (m.K) • Mật độ dòng nhiệt t− t q = f1 f2 1 δ δ δ 1 + 1 + 2 + 3 + α λ λ λ α 1 1 2 3 2 (0,5 điểm) 36− 24 = = 18,14 W/ m2 1 0,005 0,02 0,005 1 + + + + 15 0,7 0,044 0,7 8
  42. Bài 3 (4 điểm) 1. Xác định diện tích trao đổi nhiệt của thiết bị • Nhiệt độ bão hòa của hơi nước o ph = 5 bar → t1 = 151,84 C • Độ chênh lệch nhiệt độ trung bình logarith 151,84oC 25 o o Δt = = 108,86 C o 96,84 C 121,84 121,84 C ln 96,84 55oC 30oC F • Hệ số truyền nhiệt 1 1 k = = = 3333 W /(m2 .K) F 1 1 1 1 + + αhα n 7.500 6.000 • Nhiệt lượng trao đổi ⎛ 27 ⎞ Q= Gn .c pn . Δ t n =⎜ × 992,2⎟ × 4,174 × 25 = 776,52 kW ⎝ 3.600 ⎠ • Diện tích truyền nhiệt Q 776,52.103 F = = = 2,14 m 2 (2 điểm) kF .Δ t 3333× 108,86 2. Xác định nhiệt trở lớp cáu • Độ chênh lệch nhiệt độ trung bình logarith 151,84oC o 20 o 101,84 C Δt' = = 111,54 C o 121,84 121,84 C ln 101,84 50oC 30oC F • Hệ số truyền nhiệt khi bị bám cáu ⎪⎧Q= G.cn pn .t Δ n = k.F.t F Δ Q' Δt' k' .Δ t' ⎨ → = n = F Q Δt k .Δ t ⎩⎪Q'= G.cn pn . Δ t' n = k'.F. F Δ t' n F Δt'n Δt 20 108,86 2 Hay k'FF= k . . =3333 × × = 2602 W/(m .K) Δt n Δt' 25 111,54
  43. • Nhiệt trở lớp cáu 1 1 = + Rc k'FFk kFF− k' 3333 − 2602 →Rc = = (1 điểm) kFF .k' 3333× 2602 = 8,4245.10−5 (m 2 .K)/ W • Chiều dày trung bình của lớp cáu δ R = c → δ =R ⋅ λ = 8,4245.10−5 × 1,5 = 0,126.10−3 m c λ c c c c (0,5 điểm) = 0,126 mm 3. Xác định áp suất làm việc • Độ chênh lệch nhiệt độ trung bình logarith k F 3333 o Q= k.F.tF Δ= k'.F.t"F Δ⇒Δ=Δ⋅ t" t =108,86 × = 139,44 C k'F 2602 • Nhiệt độ ngưng tụ của hơi tk 25 t− 55 Δt" = = 139,44o C k t− 30 tk − 30 ln k o tk − 55 55 C 30oC F tk − 30 25 o ln = =0,179 → tk = 182,3 C→ pk ≈ 10,58 bar (0,5 điểm) tk − 55 139,44
  44. ĐẠI HỌC QUỐC GIA Tp. HCM - Trường ĐH BÁCH KHOA ĐỀ THI HỌC KỲ III – NĂM HỌC 2007-2008 Khoa CƠ KHÍ Đề thi lần II - Hệ Không Chính Quy Bm CÔNG NGHỆ NHIỆT LẠNH Môn Thi : Truyền Nhiệt (210060) Thời gian : 90 phút Bắt đầu : 15h05 Chủ nhiệm BM GV ra đề NgàyThi : 17.11.2008     Ghi chú: SV được sử dụng tài liệu PGS. TS. Lê Chí Hiệp Nguyễn Toàn Phong Đề thi gồm một trang A4 Bài 1 (3 điểm) Một thanh nhôm có tiết diện hình chữ nhật cạnh a b 3 12 cm , chiều dài L 35 cm và hệ số dẫn nhiệt  115 W (m.K) ). Một đầu thanh được gắn vào vách có nhiệt độ 125oC, hệ số tỏa nhiệt đối lưu trên bề mặt thanh 28 W (m2 .K), nhiệt độ không khí xung quanh 35oC. Khi tính toán có thể bỏ qua tỏa nhiệt ở đỉnh thanh. Hãy xác định: 1. Nhiệt độ đỉnh thanh và giữa thanh. 2. Nhiệt lượng tỏa ra trên thanh. Bài 2 (4 điểm) Nước được gia nhiệt đi trong ống có đường kính d 34 mm , nhiệt độ bề mặt ống o o hằng số tw 100 C . Nước vào ống có nhiệt độ 't f 50 C, ra khỏi ống có nhiệt độ o t"f 90 C, vận tốc trung bình của nước trong ống là 1,25 m s Hãy xác định: 1. Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu của nước chảy trong ống. 2. Chiều dài cần thiết của ống trao đổi nhiệt. Bài 3 (3 điểm) Một thiết bị trao đổi nhiệt kiểu chùm ống có cánh có thông số làm việc như sau: Khói nóng (có cp 1,13 kJ (kg.K)) chuyển động bên ngoài chùm ống với nhiệt độ vào 285oC và ra là 175oC. Nước chuyển động trong ống có lưu lượng 16,5 m3 h được hâm nóng từ 35oC đến 95oC. 2 Hệ số truyền nhiệt của thiết bị kF 230 W (m .K) Hãy xác định diện tích truyền nhiệt của thiết bị. Lưu ý: Hệ số hiệu chỉnh  t tra theo hình 1 (trang 386 hoặc 428) nếu tính theo phương pháp nhiệt độ trung bình logarith LMTD. Hiệu suất  NTU tra theo hình e (trang 387 hoặc 429) Sách bài tập nhiệt động lực học kỹ thuật và truyền nhiệt Hết Page 1 of 4 Friday, November 21, 2008
  45. Bài giải Bài 1: (3 điểm) Các thông số cơ bản  U 2 a b  2 15.10 2 28 m 4,5044   f  a b 115 36.10 4 m.h 1,57655 1. Nhiệt độ giữa thanh và đỉnh thanh cosh m.h 2 t t  t   h/ 2 f h/ 2 f g cosh m.h 1,327 35 90 35 47,35 82,35o C 2,522 (1,5 điểm)  t t  t g h f h f cosh m.h 90 35 35 35,68 70,68o C 2,522 2. Nhiệt lượng truyền qua thanh Q  f m  g  th m.h (1,5 điểm) 115 36.10 4 4,5 90 0,918 154,08 W Bài 2: (4 điểm) 1. Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu của nước trong ống Thông số vật lý của nước ở 70oC  0,415.10 6 m 2 s  0,668 W (m.K) 3 Prf 2,55 977,8 kg m Pr 1,75 w cp 4,187 kJ (kg.K) Tiêu chuẩn Reynolds d 1,25 0,034 Re 10,24.104 10 4  0,415.10 6 Tiêu chuẩn Nusselt 0,25 Pr Nu 0,021  Re0,8  Pr0,43  f   f  R Prw 0,021 10,192.103 1,49 1,1 351,7 Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu  0,668 Nu  351,7 6910 W (m2 .K) (2 điểm) d 0,034 Page 2 of 4 Friday, November 21, 2008
  46. 2. Chiều dài cần thiết của ống trao đổi nhiệt Nhiệt lượng trao đổi G  f 977,8 1,25 9.10 4 1,1097 kg s Q G  cp  t f 1,11 4,187 90 50 185,85 kW Chênh lệch nhiệt độ trung bình giữa ống và nước t t 50 10 t max min 24,85o C t ln max ln 5 t min Chiều dài ống trao đổi nhiệt Q 185,85.103 F 1,0823 m2  t 6910 24,85 (2 điểm) F 1,0823   10,13 m d 0,034 Bài 3: (3 điểm) Thông số vật lý của nước ở 65oC cpn 4,183 kJ (kg.K) 3 n 980,5kg m Năng suất nhiệt của thiết bị 16,5 Q Vn  n  c pn  t n 980,5 4,183 60 1127,89 kW (1 điểm) 3600 1. Xác định diện tích truyền nhiệt theo phương pháp LMTD Chênh lệch nhiệt độ theo sơ đồ ngược chiều 190 140 o t ng 163,73 C 190 ln 140 Hệ số hiệu chỉnh  t t"2 t' 2 95 35 P 0,24 t'1 t' 2 285 35  0,95 t' t" 285 175 t R 1 1 1,83 t"2 t' 2 95 35 Chênh lệch nhiệt độ trung bình logarith LMTD o t  t  tng 155,5 C Diện tích truyền nhiệt Q 1127,89.103 F 31,527 m2 (2 điểm) kF  t 230 155,5 Page 3 of 4 Friday, November 21, 2008
  47. 2. Xác định diện tích truyền nhiệt theo phương pháp - NTU Nhiệt dung lưu lượng khối lượng 95 35 60 C C 0,5454 1 285 175 110 C 2 Q 1127,89 CCmax 2 18,798 kW K t n 60 C C  C 10,2535 kW K min max Hiệu suất thiết bị Qmax Cmin  t' 1 t' 2 10,2535 285 35 2563,4 kW Q 1127,89  0,44 Qmax 2563,4 Đơn vị chuyển nhiệt Đồ thị hình 6.e NTU 0,68 Diện tích truyền nhiệt C 10,2535.103 F NTU min 0,69 30,76 m2 (2 điểm) kF 230 Page 4 of 4 Friday, November 21, 2008