BÀI TẬP NHIỆT ĐỘNG HỌC KỸ THUẬT docx

BÀI TẬP NHIỆT ĐỘNG HỌC KỸ THUẬT
I. Môi chất chuyển động ngoài vật
Bài 1: Một dây dẫn điện làm từ nhôm có đường kính là 5 mm
ở nhiệt độ không đổi là
0
90 C
. Dòng không khí chuyển động
vuông góc với dây dẫn có áp suất là 1,01bar ở nhiệt độ
0
10 C
và
vận tốc của không khí là 1m/s. Điện trở xuất của Nhôm là
1/35 olm
2
/mm m
. Hãy xác định hệ số tỏa nhiệt giữa không
khí và dây dẫn. Hệ số tỏa nhiệt sẽ bằng bao nhiêu ở các điều
kiện sau:
a. Tăng vận tốc dòng khí lên 2 lần.
b. Tăng đường kính dây dẫn lên 2 lần.
c. Không khí được thay là khí hiđrô, quan hệ giữa các thông
số vậy lý của khí lý hiđrô không khí như sau:
Đáp số:
2
48,9W/mm
α
=
độ
a.
2

67,4W/mm
α
=
độ
b.
2
33,7W/mm
α
=
độ
c.
2
130 /W mm
α
=
độ
Bài 2: Khói chuyển động vuông góc một chùm ống trong lò
hơi được bố trí so le với 4 hàng ống , đường kính ngoài của
ống là 83mm. Khoảng cách giữa các ống theo phương chuyển
động của dòng khói là 350mm và theo phương vuông góc với
dòng khói là 200mm. Nhiệt độ trung bình của khói trước khi
vào ống là
0
1020 C
và ra khỏi chùm ống là
0
950 C
. Vận tốc
trung bình của khói ở tiết diện bé nhất là 11m/s. Hãy xác định
hệ số tỏa nhiệt giữa khói và chùm ống.

Đáp số: 56,4
2
W/m
độ
Bài 3: Hãy xác định hệ số tỏa nhiệt giữa khói và chùm ống
của lò hơi. Nếu dòng khói chuyển động vuông góc với chùm
ống có vận tốc trung bình tại tiết diện bé nhất là 11m/s.
Đường kính ngoài của ống là 38mm. Chùm ống được bố trí
đặt so le trong (như hình vẽ 3.7/t42). Chùm ống có 30 hàng
ống. Khoảng cách giữa các ống theo phương chuyển động của
dòng khí là 75mm và vuông góc là 95mm. Nhiệt độ của khói
trước và sau chùm ống là
0
680 C
và
0
345 C
. Hệ số tỏa nhiệt sẽ
bằng bao nhiêu nếu:
a. Chùm ống bố trí đặt song song như hình vẽ 3.8/t43.
b. Dòng khói chuyển động xuyên góc với chùm ống 1 góc
0
60
.
Đáp số:
2
84 /W m
α
=
độ

a.
2
78 /W m
α
=
độ
b.
α
=
…
2
W/m
độ
Bài 4: Các ống thiết bị quá nhiệt của nồi hơi được bố trí như
trên hình vẽ 3.9/t43. Khói chuyển động trong ống có đường
kính trong là 68mm và hơi chuyển động trong ống nhỏ có
đường kính trong là 20mm và ngoài là 24mm. Hãy xác định
hệ số tỏa nhiệt giữa khói và ống dẫn hơi nếu vận tốc trung
bình và nhiệt độ của nước là 26m/s và
0
500 C
. Ống có chiều
dài là 1,9m và nhiệt độ bề mặt ngoài của ống dẫn hơi là
0
250 C

Đáp số:
α
= 273 W/m2.
II. Tỏa nhiệt khi chất lỏng chuyển động cưỡng bức.

Bài 1: Hãy xác định chế độ chuyển động của chất lỏng và hệ
số tỏa nhiệt khi nước chảy trong ống có đường kính trong là
10mm, chiều dài ống là 2m, nhiệt độ trung bình của nước là
0
60 C
, nhiệt độ thành ống là
0
20 C
, vận tốc của nước là
0,13m/s.
Đáp số:
2
930W/m
α
=
độ
Bài 2: Một nồi hơi khói chuyển động bên ngoài song song với
trục ống như trên hình… Đường kính ngoài của ống là 83mm,
chiều dài ống là 4,5m, vận tốc và nhiệt độ trung bình của khói
là 5m/s và
0
1000 C
.Hãy xác định:
a. Hệ số tỏa nhiệt giữa các ống và khói ?
b. Nếu vận tốc trung bình của khói tăng lên 15m/s thì hệ số
tỏa nhiệu là bao nhiêu ?
Đáp số: a.
2
4,96 /W m
α

=
độ
b.
2
11,95 /W m
α
=
độ
Bài 3: Một ống xoắn ruột gà như trên hình vẽ. Có đường kính
trung bình là 300mm. Nước đi trong ống có đường kính trong
là 12mm. Vận tốc và nhiệt độ trung bình của nước là 0,6m/s
và
0
50 C
. Hãy xác định:
a. Hệ số tỏa nhiệt giữa nước và thành ống ?
b. Nếu vận tốc của nước giảm xuống cồn 0,1m/s thì hệ số tỏa
nhiệt là bao nhiêu ?
Đáp số: a.
2
4340 /W m
α
=
b.
2
925 /W m
α
=
Bài 4: Xác định hệ số tỏa nhiệt giữa nước và thành ống khi
nước đi trong ống có đường kính trong là 17mm, chiều dài là

2m, vận tốc trung bình và nhiệt độ của nước là 2m/s và
0
20 C
.
Đáp số:
2
7160 /W m
α
=
độ
Bài 5: Một ống dẫn nước nóng cung cấp cho thành phố có
đường kính trong là 32mm. Vận tốc và nhiệt độ trung bình
của nước đi trong ống là 0,5m/s và
0
200 C
. Hãy xác định hệ
số tỏa nhiệt giữa nước và thành ống.
Đáp số:
2
4220 /W m
α
=
độ
Bài 6: Hãy xác định hệ số tỏa nhiệt giữa hơi và thành ống của
thiết bị quá nhiệt hơi nước khi hơi đi trong ống có đường kính
trong là 31mm, vận tốc là 25m/s, và nhiệt độ trung bình là
0
400 C
ở áp suất 39,2bar.
Đáp số:

2
1069 /W m
α
=
độ
Bài 7: Nước đi trong ống có tiết diện là
20 20
×
mm. ở áp suất
là 0,98bar, nhiệt độ là
0
60 C
với vận tốc trung bình là 1m/s.
Hãy xác định hệ số tỏa nhiệt và lượng nhiệt thải ra giữa nước
và thành ống nếu nhiệt độ thành ống là
0
20 C
.
Đáp số:
2
4430 /W m
α
=
độ

4
4,25.10 WQ
=
Bài 8: Một vách phẳng có chiều cao là 5m và dài là 8m.
Không khí chuyển động dọc theo chiều dài của vách có vận

tốc là 2m/s và nhiệt độ là
0
60 C
. Trong quá trình trao đổi nhiệt
độ của vách từ
0
300 C
giảm xuống còn
0
150 C
. Hãy xác định
hệ số tỏa nhiệt giữa không khí và vách ống.
Đáp số:
2
6,3 /W m
α
=
độ
III. Truyền nhiệt
Bài 1: Một nồi hơi với khói đi trong ống với nhiệt độ là
0
1000 C

hệ số tỏa nhiệt là
2
35 /W m
độ. Nước sôi bên ngoài ống có nhiệt
độ là
0
150 C

hệ số tỏa nhiệt là
2
5800 /W m
độ. Ống được làm từ
thép có độ dày là 10mm và cho biết tỷ số giữa đường kính
ngoài và trong của ống nhỏ hơn nhiều so với
2
dn
dT
==
<< 2. Hãy
xác định mật độ dòng nhiệt và nhiệt độ trên hai bề mặt của
vách ống.
Đáp số:
2
29350 /q W m
=

0
1
0
2
w 162
w 155,1
t C
t C
=
=
Bài 2: Với các số liêu của bài tập (1) hãy xác định mật độ
dòng nhiệt và nhiệt độ tiếp xúc giữa các lớp. Nếu bề mặt

trong của ống có một lớp muội khói có độ dày là 1mm và hệ
số dẫn nhiệt là 0,093W/m độ. Bề mặt ngoài của ống có một
lớp cặn của nước với độ dày là 5mm và hệ số dẫn nhiệt là
0,93W/m độ.
Đáp số:
2
18900W/mq =

0
2
0
3
w 257
w 253
t C
t C
=
=
Bài 3: Hãy xác định hệ số truyền nhiệt của vách phẳng nến trở
nhiệt của
4 2
1.10 m
δ
λ
−
=
độ/w. Hệ số tỏa nhiệt
2
1
50,100,250w/m

α
=
độ và
2
2
2000,10000 /w m
α
=
độ. Vẽ đồ thị
1 1
( )k f
α
=
khi
2
2
2000 /w m
α
=
độ và
2 2
( )k f
α
=
khi
2
1
50 /w m
α
=

độ.
Bài 4: Một lò sưởi làm bằng gạch chịu lửa có chiều dày là
25mm, nhiệt độ của khói bên trong là
0
600 C
và hệ số tỏa nhiệt
là
2
23 /w m
độ. Nhiệt độ bên ngoài lò sưởi là
0
30 C
và hệ số
tỏa nhiệt là
2
9,3 /w m
độ. Hãy xác định mật độ dòng nhiệt của
lò sưởi ?
Đáp số:
2
1118 /q w m
=
.
Bài 5: một lò sưởi được làm bằng gạch 2 lớp, lớp trong là
gạch chịu lửa có chiều dày là 250mm, hệ số dẫn nhiệt là
0,35 /W m
độ và lớp ngoài là gạch hồng có chiều dày là
250mm. Hãy xác định mật độ dòng nhiệt qua vách và nhiệt độ
tiếp xúc giữa hai vách nếu nhiệt độ của khói bên trong là
0

1300 C
, hệ số tỏa nhiệt là
2
35 /W m
. Không khí bên ngoài có
nhiệt độ là
0
20 C
và hệ số tỏa nhiệt là
2
12 /W m
độ.
Đáp số:
2
0
2
857 /
w 655
q W m
t C
=
=
Bài 6: Hãy xác định mật độ dòng nhiệt qua 1 vách phẳng có
độ dày là 25cm và hệ số dẫn nhiệt là
3
0,01815(1 0,3.10 )w/mt
λ
−
= +
độ. Khói bên trong vách có nhiệt

độ là
0
850 C
, hệ số tỏa nhiệt là
2
23 /W m
độ. Không khí ngoài
vách có nhiệt độ là
0
50 C
và hệ số tỏa nhiệt là
2
12 /W m
độ.
Đáp số:
2
212 /q W m
=
độ.
Bài 7: Một ống thép có đường kính ngoài là 75mm và trong là
65mm, Chiều dài 1m. Bên ngoài được làm các cánh tản nhiệt
với hệ số cánh là 10. Khói xung quanh cánh có nhiệt độ là
0
320 C
và hệ số tỏa nhiệt là
2
23 /W m
độ. Nước đi trong ống
có nhiệt độ là
0

120 C
và hệ số tỏa nhiệt là
2
5200 /W m
độ. Hiệu
suất cánh là 0,8. Hãy xác định lượng nhiệt mà khói truyền cho
nước ? Hãy so sánh với trường hợp không làm cánh ?
Bài 8*:Đường kính ngoài của một ống thép là 108mm và
nhiệt độ trên bề mặt ông là
0
330 C
. Nhiệt độ không khí xung
quanh ống là
0
25 C
. Hãy xác định chiều dày của lớp cách
nhiệt để tổn thất nhiệt không quá
2
175 /W m
độ.
Bài 9: Một ống dẫn không khí nóng làm bằng gạch cho hệ số
dẫn nhiệt là
2
0,84 /W m
độ và có đường kính trong là 1m, vận
tốc trung bình và nhiệt độ của không khí khi đi trong ống là
35m/s và
0
800 C
. Ở áp suất khí quyển chiều dày của lớp ống

được bọc bởi hai lớp 25cm, lớp thứ nhất là thép với độ dày
1cm và lớp thứ hai là vật liệu cách nhiệt dày 20cm với hệ số
dẫn nhiệt là
2
0,17 /W m
độ. Ống được đặt tự do trong môi
trường không khí và dòng khí chuyển động vuông góc với
ống có vận tốc 4m/s ở nhiệt độ
0
0 C
. Nhiệt tổn thất trên 1m
chiều dài ống nhiệt độ tiếp xúc ở lớp thép. Cho biết hệ số dẫn
nhiệt của gạch là
2
0,84 /W m
độ, và của thép là
2
45,5 /W m
độ.
Đáp số:
2370 /
L
q w m=

0
2
w 561t C
=
Bài 10*: Một ống dẫn hơi có đường kính ngoài là 100mm,
nhiệt độ trên bề mặt ống là

0
500 C
, ống được bọc một lớp
cách nhiệt có hệ số dẫn nhiệt là
2
0,07 /W m
độ. Môi trường
không khí xung quanh có nhiệt độ là
0
20 C
. Hỏi đường kính
ngoài của lớp cách nhiệt bằng bao nhiêu để tổn thất nhiệt
không quá 350W/m ống.
Đáp số:
2
376d mm
=
.
Bài 11*: Người ta muốn bọc một lớp cách nhiệt có hệ số dẫn
nhiệt là 0,11W/mđộ cho một ống dẫn. Hỏi đặt ống trog điều
kiện nào để hệ số tỏa nhiệt giữa không khí và lớp cách nhiệt
là
2
12 /W m
độ.
Bài 12: Nhiệt độ môi trường không khí
0
20 C
làm lạnh một
dây dẫn điện có đường kính 2mm ở nhiệt độ

0
90 C
. Hệ số tỏa
nhiệt giữa dây dẫn và không khí là
2
23 /W m
độ. Ống dẫn
được bọc một lớp cách nhiệt bằng cao su dày 4mm. Khi đó
cường độ dòng điện đi trong dây dẫn không thay đổi và hệ số
tỏa nhiệt giữa bề mặt ngoài của lớp cách nhiệt với môi trường
không khí là
2
12 /W m
độ. Hỏi mật độ dòng nhiệt và nhiệt độ
bề mặt ngoài của ống dẫn thay đổi như thế nào ?
Đáp số:
L
p
=
không thay đổi

' 0
1
w 58,2t C=
Bài 13: Hãy xác định nhiệt tải cho một thiết bị làm sôi nước
có chiều cao là 1m, đặt thẳng đứng. Bề mặt đốt nóng bên
trong là hơi nước bão hòa khô ngưng tụ ở áp suất
0,85bar(8at). Và bề mặt ngoài là nước sôi có áp suất là
1,96bar(2at). Vách ngăn cách giữa hơi và nước sôi là một
vách phẳng dày 5mm và làm bằng thép.

Đáp số:
2
11550 /q kcal hm
=
.
IV. Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt
Bài 1: Trong một thiết bị trao đổi cần làm nguội một dung
dịch có nhiệt độ ban đầu là 300C xuống 200C bằng một nửa
chất lỏng khác có nhiệt độ vào là 25C và ra là 175C. Hãy so
sánh hiệu số nhiệt độ trung bình logarit, diện tích bề mặt trao
đổi nhiệt trong hai trường hợp thiết bị trao đổi nhiệt cùng
chiều và ngược chiều. Thiết bị nào kinh tế hơn ? Nếu hệ số
truyền nhiệt của thiết bị như nhau và nhiệt dung riêng của các
dung dịch không thay đổi .
Bài 2: Với các số liệu của bài 1. Hãy xác định hiệu số nhiệt
độ trung bình logarit ở điều kiện tiến hành trong thiết bị trao
đổi nhiệt chéo nhau. So sánh hiệu số nhiệt độ trung bình
logarit và diện tích bề mặt trao đổi nhiệt với thiết bị trao đổi
nhiệt cùng chiều và ngược chiều.
Bài 3: Hãy xác định nhiệt độ đầu ra của các dung dịch và
lượng nhiệt trao đổi trong một thiết bị trao đổi nhiệt cùng
chiều có diện tích bề mặt trao đổi nhiệt là 2m2. Nếu nhiệt độ
đầu vào của dung dịch nóng lạnh là 120C và 10C. Hệ số
truyền nhiệt của thiết bị K=100 W/m2 độ và W1=W2=1000
W/độ.
Bài 4: Từ các số liệu trên bài 3. Hãy giải trong trường hợp đối
với thiết bị trao đổi nhiệt ngược chiều.
Bài 5: Hãy xác định bề mặt trao đổi nhiệt và một số kích
thước chính của thiết bị trao đổi nhiệt như trên hình vẽ. Nếu
vận tốc nước đi trong ống không quá 2m/s. Nhiệt độ của nước

sạch vào và ra khỏi thiết bị là 60C và 50C. Nhiệt độ của nước
công nghiệp vào là 21C và làm nóng lên 24C. Lượng nhiệt
trao đổi trong thiết bị là 1,4.10^6 W. Bề mặt trong của ống
thép bên trong có một lớp cặn nước độ dày là 1mm và hệ số
dẫn nhiệt là 1W/m độ.
Bài 6: Một thiết bị trao đổi nhiệt ngược chiều làm nước nóng,
thiết bị có số ống là 53 ống. Nước sôi đi trong các ống có
đường kính ngoài là 16mm và trong ống là 14mm, được làm
từ đồng vàng có (lam đa = ) nhiệt độ của nước sôi
được giảm từ 130C xuống 100C. Trong quá trình trao đổi
nhiệt nước đi bên ngoài ống nhiệt độ tăng từ 67,5C lên 92,5C.
Đường kính trong của vỏ thiết bị là 203mm, lượng nhiệt trao
đổi là 1,5.10^6W. Hãy xác định diện tích bề mặt trao đổi nhiệt
của thiết bị .
a). Bề mặt hoàn toàn sạch.
b). Bề mặt có cáu cặn của nước ở bề mặt bên ngoài có chiều
dày rô=0,3mm và hệ số dẫn nhiệt 2W/mđộ
Đáp số: a). F=16m2
b). F=22,4m2
Bài 7: Hãy xác định diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của một
thiết bị làm nóng không khí như trên hình vẽ . Nếu khói đi
trong ống được làm bằng thép . Nhiệt độ giảm từ 345C xuống
còn 160C, và lưu lượng khói là 35m3/s. Không khí được làm
nóng từ nhiệt độ 20C lên 250C với lưu lượng là 23m3/s. Cả
khí và khói đều có áp suất là 1,013bar. Đường kính trong của
ống thép là 53mm và ngoài là 50mm. Các ống được bố trí lắp
đặp ghép so le. Không khí chuyển động vuông góc với ống.
Khoảng cách giữa các ống theo chiều chuyển động của ống
khí là 60mm và số hàng ống là 77. Khoảng cách giữa các ống
theo chiều chuyển động của không khí là 60mm và số hàng

ống là 27. Chiều rộng b=5,4m.
Đáp số: F=2830m2
Bài 8: Hãy xác định diện tích bề mặt của thiết bị làm nước
nóng (như trên hình vẽ). Được làm từ các ống đồng vàng có
đường kính trong là 18mm và ngoài là 20mm. Nước chuyển
động trong ống với vận tốc trung bình 1,35m/s. Hơi nước bão
hòa khô ngưng tụ ở áp suất là 1,432bar. Lượng nhiệt trao đổi
là 1.10^7W