Bài tập lớn Nhiệt động lực học kỹ thuật và truyền nhiệt

BÀI TẬP LỚN

NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC KỸ THUẬT VÀ TRUYỀN NHIỆT

SVTH: NGUYỄN VIẾT HẢI

MSSV: 1510925

Một thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống lưu động ngược chiều làm việc với các

thông số như sau:

- Nước nóng chảy trong ống nhỏ có đường kính trong là d₁=100mm, đường kính

ngoài là d₂=114mm, hệ số dẫn nhiệt của ống là =46W/mK. Nhiệt độ nước nóng

đi vào là 푡₁^′=90^oC, nhiệt độ nước nóng ra là 푡₁^′′=50^oC. Vận tốc nước nóng đi trong

ống là ₁=1,29 (m/s)

- Nước lạnh chuyển động trong không gian hình vành khăn giữa 2 ống lớn và ống

nhỏ, đường kính trong ống lớn là D₁=160mm. Nhiệt độ nước lạnh vào là

푡₂^′=30^oC, vận tốc nước lạnh là ₂=1,25 (m/s).

Hãy xác định:

a. Hệ số tỏa nhiệt đối lưu của nước nóng và nước lạnh

b. Hệ số truyền nhiệt của thiết bị

c. Diện tích truyền nhiệt của thiết bị theo 2 phương pháp LMTD và -NTU

d. Nhiệt độ nước lạnh ra khỏi thiết bị khi 2 dòng lưu chất chuyển động cùng chiều

(diện tích thiết bị trao đổi nhiệt không thay đổi)

e. Sau một thời gian làm việc thì trên bề mặt trao đổi nhiệt có bám 1 lớp cáu có

chiều dày là _c=0,4(mm) và hệ số dẫn nhiệt của lớp cáu là _c=0,09 (W/mK). Hãy

xác định lại hiệu suất của thiết bị và nhiệt độ ra của nước nóng và nước lạnh

1

BÀI LÀM

a. Hệ số tỏa nhiệt đối lưu của nước nóng và nước lạnh:

t₁^' t₁^"90  50

Nước nóng: Nhiệt độ tính toán t_m



 70^oC

2

- Tra bảng 25 ta có:

_m 66,810^2W / m.K v_m 0,41510^6m²/ s

, ,

Pr_m 2,55

- Diện tích tính toán:   d₁100mm

₁d₁



1,29.0,1

0,41510^6

- Tiêu chuẩn Reynolds: Re 



 310843,4 10⁴nên nước

v_m

nóng chảy trong ống ở chế độ chảy rối, phương trình tiêu chuẩn có dạng sau:

^0,25

Pr







f

Nu  0,021Re^0,8Pr^0,43.

._l.

_R 0,021.310843,4^0,8.2,55^0,43.1.1.1 778,13





Pr_w

- Hệ số đối lưu của nước nóng là:

_m

d₁

66,810^2

₁ Nu

 778,13

 5198W / m².K

0,1

- Phương trình cân bằng nhiệt:

Q  G .c .(t^'t^")  ..S .4,18.40  Q  ..S .4,18. t^"t^'



₂



1

p

1

2

.0,1²

.0,16 .0,114²

2





1,29.1000.

.40 1,25.1000.



.(t₂^"t₂^')









4

t₂^" 62,75^oC

t₂^" t₂^'62,75 30

Nước lạnh: Nhiệt độ tính toán t_m

- Tra bảng 25 ta có:



 46,375^oC

2

_m 69,310^2W / m.K

,

v_m 0,59310^6m²/ s

,

Pr_m 3,82

- Diện tích tính toán:   D  d₂160114  46mm

1

2

₂ 1,25.0,046



- Tiêu chuẩn Reynolds: Re 

 96964,6 10⁴nên nước

v_m0,59310^6

lạnh chảy trong ống ở chế độ chảy rối, phương trình tiêu chuẩn có dạng sau:

^0,25

Pr







f

Nu  0,021Re^0,8Pr^0,43.

._l._R 0,021.96964,6^0,8.3,82^0,43.1.1.1 364,6





Pr_w

- Hệ số đối lưu của nước lạnh là:

_m

₂ Nu



69,310^2

 364,6

 5492W / m².K

0,046

b. Hệ số truyền nhiệt của thiết bị:

1

W / m²độ

k_F



1898,8

1

d₂ d₁

1

0,014

1



₁

2

₂5198 2.46 5492

c. Diện tích truyền nhiệt:

+ Theo phương pháp LMTD:

t_max t₁^'t₂^" 9062,75  27,25^oC

t_min t₁^"t₂^' 5030  20^oC

- Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit t_l

:

t_max t_min27,25  20

t_l



 23,44^oC

t_max

t_min

27,25

20

ln

Q

1694.1000

 F 



 38,06m²

1898,8.23,44

kt_l

+ Theo phương pháp   NTU

C₁ Gc_p10,13.4,18  42,34

1

C₂ G₂c_p12,37.4,18  51,7

3

Q_max C_min(t₁^'t₂^')  42,34(90 30)  2540,4kW

- Đây là giá trị cực đại theo lý thuyết mà thiết bị có thể đạt được, trên thực tế

nhiệt lượng truyền là:

Q  Q₂ G₂c_p(t₂^'t₂^") 12,37.4,18(62,7530) 1694kW

- Hiệu suất của thiết bị trao đổi nhiệt:

Q

1694





 0,667

Q_max2540,4

- Vì lưu chất chảy ngược chiều nên ta có công thức:









1

 1

1

0,667 1







NTU 

ln



ln

1,707





42,34

51,7

42,34

C 1 C 1











0,667.

1

51,7

NTU.C_min1,707.42340

 F 



 38,06m²

k

1898,8

d. Nhiệt độ nước lạnh ra khỏi thiết bị khi 2 dòng lưu chất chuyển động

cùng chiều (diện tích thiết bị trao đổi nhiệt không thay đổi)

t_max t₁^'t₂^' 9030  60^oC

t_min t₁^"t₂^" 50 t₂^"

- Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit t_l

:

t_max t_min60  50  t₂^"

 t_l 23,44^oC 



t_max

60

50  t₂^"

ln

t_min

t₂^" 44^oC

e. Hiệu suất của thiết bị và nhiệt độ ra của nước nóng lạnh khi bám một

lớp cáu:

4

- Hệ số truyền nhiệt mới:

1

k_F



1

d₂ d₁_c

1

0,014 0,09.10^3

1



₁

2

_c₂

5198 2.46

0,4 5492

 k_F1330,4 W / m²

độ

- Hiệu suất của thiết bị:









1

 1

1

 1

42,34

51,7









NTU 

ln



ln

1,196



42,34

51,7

C 1 C 1











.

1





 0,572

- Nhiệt lượng trao đổi mới:

Q .Q_max 0,572.2540,4 1453kW

- Nhiệt độ nước nóng ra khỏi thiết bị:

Q  Q  Gc_p(t₁^'t₁^") 10,13.4,18(90 t₁^") 1453kW

1

t₁^" 55,7^oC

- Nhiệt độ nước lạnh ra khỏi thiết bị:

Q  Q₂ G₂c_p(t₂^"t₂^') 12,37.4,18(t₂^"30) 1453kW

t₂^" 58,1^oC

5

Bài tập lớn Nhiệt động lực học kỹ thuật và truyền nhiệt - Nguyễn Viết Hải