Btl nhiệt động 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
thơng số như sau:
-

Nước nóng chảy trong ống nhỏ có đường kính trong là d1=100mm, đường kính
ngồi là d2=114mm, hệ số dẫn nhiệt của ống là =46W/mK. Nhiệt độ nước nóng
đi vào là 𝑡1′ =90oC, nhiệt độ nước nóng ra là 𝑡1′′ =50oC. Vận tốc nước nóng đi trong
ống là 1=1,29 (m/s)

-

Nước lạnh chuyển động trong khơng 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
𝑡2′ =30oC, 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 khơng 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 tốn tm 

 70o C
2
2
-

Tra bảng 25 ta có:

m  66,8 102 W / m.K , vm  0,415 106 m2 / s , Prm  2,55
-

Diện tích tính tốn:   d1  100mm

-

Tiêu chuẩn Reynolds: Re 

1d1
vm



1,29.0,1

 310843,4  104 nên nước
6
0,415  10

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

 Pr 
Nu  0,021Re0,8 Pr 0,43 . f 
 Prw 
-

0,25

. l . R  0,021.310843,40,8.2,550,43.1.1.1  778,13

Hệ số đối lưu của nước nóng là:

m

66,8  102
1  Nu  778,13
 5198W / m2 .K
d1
0,1
-

Phương trình cân bằng nhiệt:

Q1  G1.c p .(t1'  t1" )  1..S1.4,18.40  Q2  2 ..S2 .4,18. t2"  t2' 
 1,29.1000.

 .0,12
4

  .0,162  .0,1142  " '
.40  1,25.1000.

 .(t2  t2 )
4
4



 t2"  62,75o C
t2"  t2' 62,75  30
Nước lạnh: Nhiệt độ tính tốn tm 

 46,375o C
2
2
-

Tra bảng 25 ta có:

m  69,3 102 W / m.K , vm  0,593 106 m2 / s , Prm  3,82
-

Diện tích tính tốn:   D1  d2  160  114  46mm

2

-

Tiêu chuẩn Reynolds: Re 

2
vm



1,25.0,046
 96964,6  104 nên nước
6
0,593  10

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

Nu  0,021Re Pr
0,8

-

0,43

 Pr 
. f 
 Prw 

0,25

. l . R  0,021.96964,60,8.3,820,43.1.1.1  364,6

Hệ số đối lưu của nước lạnh là:

 2  Nu

m
69,3  102
 364,6
 5492W / m2 .K

0,046

b. Hệ số truyền nhiệt của thiết bị:
kF 

1
1

 1898,8 W / m2 độ
1 d 2  d1 1
1
0,014
1




1

2
 2 5198 2.46 5492

c. Diện tích truyền nhiệt:
+ Theo phương pháp LMTD:

tmax  t1'  t2"  90  62,75  27,25o C
tmin  t1"  t2'  50  30  20o C
-

Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit tl :

tl 

tmax  tmin 27,25  20

 23,44o C
t
27,25
ln max
ln
tmin
20

F

Q
1694.1000

 38,06m2

k tl 1898,8.23,44

+ Theo phương pháp   NTU

C1  G1c p  10,13.4,18  42,34

C2  G2c p  12,37.4,18  51,7

3


Qmax  Cmin (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
Qmax 2540,4

Vì lưu chất chảy ngược chiều nên ta có cơng thức:




1
1
0,667  1 
  1 
NTU 
ln 

ln

  1,707

C  1   C  1  42,34  0,667. 42,34  1 

51,7 
51,7


F 

NTU .Cmin 1,707.42340

 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)
tmax  t1'  t2'  90  30  60o C
tmin  t1"  t2"  50  t2"
-

Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit tl :

tmax  tmin 60  50  t2"
 tl  23,44 C 

tmax
60
ln
ln
tmin
50  t2"
o

 t2"  44o C

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:

kF 

1
1

1 d 2  d1  c 1
1
0,014 0,09.103 1

 


1
2
c  2 5198 2.46
0,4 5492

 kF  1330,4 W / m2 độ
-

Hiệu suất của thiết bị:




1
1
 1 

  1 
NTU 
ln 

ln

  1,196

C  1   C  1  42,34   . 42,34  1 

51,7  51,7


   0,572
-

Nhiệt lượng trao đổi mới:

Q   .Qmax  0,572.2540,4  1453kW
-

Nhiệt độ nước nóng ra khỏi thiết bị:

Q  Q1  G1c p (t1'  t1" )  10,13.4,18(90  t1" )  1453kW
 t1"  55,7o C
-

Nhiệt độ nước lạnh ra khỏi thiết bị:

Q  Q2  G2c p (t2"  t2' )  12,37.4,18(t2"  30)  1453kW

 t2"  58,1o C

5