Bài tập thiết bị trao đổi nhiệt

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

BÀI TẬP THIẾT BỊ
TRAO ĐỔI NHIỆT

1


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

Phương trình cân bằng nhiệt:
Q  G1  c p1   t '1  t "1   G2  c p 2   t "2  t '2   C1 t1  C2 t2

C1 t2'' - t2'  t2
 ' '' 
C2 t1 - t1  t1

C1=G1cp1
C2=G2cp2

Nhiệt dung lưu lượng khối lượng

Phương trình truyền nhiệt:
dQ  k (t1 - t2 )dF  k tdF

Q   k .F .t  k .F .t

Q  k .F .t

F

Δt - Độ chênh lệch nhiệt độ trung bình giữa chất lỏng nóng và lạnh
2


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

Phương pháp độ chênh nhiệt độ trung bình logarit
Q   k.F.t  k.F.t

Q
F
k.t

F

- k Hệ số truyền nhiệt, xem là hằng số trên toàn diện tích trao đổi nhiệt F
-

t : độ chênh lệch nhiệt độ trung bình giữa lưu chất nóng và lưu chất lạnh.

Tính

t

???

3


TRNG I HC BCH KHOA TPHCM

Trng hp 1: lu ng cựng chiu v lu ng ngc chiu
t

t max t min
t
ln max
t min

Trong ủoự:

Cuứng chieu

Nu tmax/ tmin <2 ta cú th xem:


t min Min t a , t b


t max Max t a , t b
Ngửụùc chieu

4


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

 Trường hợp 2: lưu động phức tạp

t tính theo sơ đồ lưu động song song ngược chiều có nhân thêm hệ

số hiệu chỉnh t

t   t .t ng

Δt ng

- Theo sơ đồ ngược chiều

t = f (P; R)- hệ số hiệu chỉnh Tra thông số theo đồ thò biễu diễn các
quan hệ cho sẵn

Trong đó:

t2''  t2'
 t2
P ' ' 
t1  t2  tmax

t1'  t1''  t1
R  '' ' 
t2  t2  t2
5


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

6


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

7


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

Phương pháp hiệu suất  - NTU
Hiệu quả truyền nhiệt của thiết bò


Nhiệt lượng thực tế truyền qua thiết bò
Nhiệt lượng lớn nhất truyền được

Q
C1  t'1  t"1 
C2  t"2  t'2 



Q max C min  t'1  t'2  C min  t'1  t'2 
Trong đó:

Q  G1  c p1  t '1  t"1   C1  t '1  t"1 

Q  G 2  c p 2  t"2  t '2   C 2  t"2  t '2 

Qmax  Cmin  t '1 t '2 


C min  Min C 2 , C1 



C max  Max C 2 , C1 

8


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

Hiệu quả truyền nhiệt  là hàm số của những quan hệ sau:

  f  C , NTU 
Cmin

C


Cmax


 NTU  k .F

Cmin

NTU: đơn vò chuyển nhiệt (Number of Transfer Units)
Hàm f: là hàm phụ thuộc sơ đồ chuyển động của chất lỏng
nóng và lạnh trong thiết bò
9

10


11


NTU

NTU

12
NTU

NTU


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

Bài 1 (Bài 12.13): Một thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống, nước chảy
trong ống với lưu lượng G2 = 1,2 kg/s, nhiệt độ nước vào t’2 = 20 oC, nhiệt

độ nước ra t’’2 = 80 oC, nhiệt dung riêng của nước cp2 = 4,18 kJ/kgđộ. Nước
khoáng chảy ngược chiều trong phần hình xuyến giữa 2 vỏ bọc với cp1 =
4,31 kJ/kgđộ. Ống trong có đường kính d = 1,5 cm và tương đối mỏng, hệ
số truyền nhiệt k = 640 W/m2K.
Xác định diện tích truyền nhiệt của thiết bị và tổng chiều dài cần thiết của
ống. Biết : G1 = 2 kg/s, t’1 = 160 oC.

13

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

Bài 2: Một bộ sấy không khí bằng khói nóng loại lưu động
ngược chiều có các thông số sau:

- Phía khói:
G1 = 9 kg/s;

cp1 = 1,1 kJ/kgđộ;

t’1 = 300 oC

- Phía không khí:
G2 = 7,35 kg/s;

cp2 = 1,01 kJ/kgđộ; t’2 = 30 oC

Tổng diện tích truyền nhiệt F = 160 m2; hệ số k = 40 W/m2độ
Hãy tính nhiệt lượng truyền của thiết bò, nhiệt độ ra của khói và
không khí.

14


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

Bài 3: Một thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống, lưu động ngược
chiều:
- ống nhỏ d = 19/21mm; ống lớn D = 38/42mm

- Dầu nóng chuyển động trong ống nhỏ, nhiệt độ giảm từ t’1 = 280oC đến
t’’1 = 160oC, hệ số toả nhiệt 1 = 250W/m2K.
- Nước chuyển động bên ngoài ống nhỏ với tốc độ  = 1,5m/s nhiệt độ
tăng từ t’2 = 30oC đến t’’2 = 70oC. Hãy xác định:
a/ Hệ số toả nhiệt về phía nước 2. Cho phép bỏ qua ảnh hưởng của
phương hướng dòng nhiệt, tức là (Prf/Prw)0,25 = 1.
b/ Hệ số truyền nhiệt k. Biết nhiệt trở dẫn nhiệt của vách là Rv =
0,0002m2K/W.
c/ Vẽ sơ đồ phân bố nhiệt độ (đồ thị t-F)
d/ Tính lưu lượng nước nóng thu được trong 1giờ và diện tích truyền
nhiệt của thiết bị.
e/ Hiệu suất thiết bị trao đổi nhiệt.
15


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

Bài 4: Khảo sát thiết bị trao đổi nhiệt loại vỏ bọc chùm ống, hơi nước bão
hoà khô ngưng tụ bên ngoài ống trở thành lỏng sôi, nước giải nhiệt đi bên trong
chùm ống.
– Hơi nước có lưu lượng Gh; hệ số toả nhiệt đối lưu  = 4500W/m2K, áp suất
hơi p = 1,2bar.

– Nước giải nhiệt có tổng lưu lượng Gn = 18000kg/h, nhiệt độ nước vào t’2 =
32oC, nhiệt độ nước ra t’’2 = 38oC, tốc độ nước chảy trong ống  = 2m/s, đường
kính trong ống dtr = 20mm.
–

Bỏ qua nhiệt trở vách ống và ảnh hưởng của phương hướng dòng nhiệt.
a/ Xác định hệ số truyền nhiệt k của thiết bị

b/ Xác định diện tích truyền nhiệt của thiết bị và chiều dài một ống
c/ Xác định lưu lượng hơi ngưng tụ Gh
16


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

Bài 5: Cho thiết bị trao đổi nhiệt loại vỏ bọc chùm ống. Hơi nước
bão hoà ngưng tụ phía vỏ bọc thành lỏng sôi, nước giải nhiệt đi trong
ống.
Hơi nước có hệ số toả nhiệt đối lưu h = 8000W/m2K, áp suất ph =
3bar.
Nước chảy trong chùm ống có lưu lượng V = 12m3/h, nhiệt độ nước
vào t’2 = 30oC, Nước ra t’’2 = 60oC, hệ số toả nhiệt đối lưu của nước n =
6000W/m2K.
Bỏ qua nhiệt trở vách ống
a/ Xác định diện tích trao đổi nhiệt cần thiết F
b/ Theo thời gian, thành ống về phía nước bị bám cáu làm giảm hệ số
truyền nhiệt nên nhiệt độ nước ra chỉ đạt 55oC. Các thông số khác không
thay đổi.
Hãy xác định chiều dày lớp cáu, biết hệ số dẫn nhiệt của lớp cáu c =
0,15W/mK
17