Bài tập nhiệt động học kỹ thuật

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 . Dòng không khí chuyển động vuông góc với dây dẫn có áp suất là 1,01bar ở nhiệt độ và vận tốc của không khí là 1m/s. Điện trở xuất của Nhôm là 1/35 olm . 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: Tăng vận tốc dòng khí lên 2 lần. Tăng đường kính dây dẫn lên 2 lần. 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: độ a. độ b.độ c. 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 và ra khỏi chùm ống là . 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 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 và . Hệ số tỏa nhiệt sẽ bằng bao nhiêu nếu: Chùm ống bố trí đặt song song như hình vẽ 3.8/t43. Dòng khói chuyển động xuyên góc với chùm ống 1 góc . Đáp số: độ a.độ b. …...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 . Ống có chiều dài là 1,9m và nhiệt độ bề mặt ngoài của ống dẫn hơi là Đáp số: = 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 , nhiệt độ thành ống là , vận tốc của nước là 0,13m/s. Đáp số: 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 .Hãy xác định: Hệ số tỏa nhiệt giữa các ống và khói ? Nếu vận tốc trung bình của khói tăng lên 15m/s thì hệ số tỏa nhiệu là bao nhiêu ? Đáp số: a. độ b. 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 . Hãy xác định: Hệ số tỏa nhiệt giữa nước và thành ống ? Nếu vận tốc của nước giảm xuống cồn 0,1m/s thì hệ số tỏa nhiệt là bao nhiêu ? Đáp số: a. b. 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 . Đáp số: 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 . Hãy xác định hệ số tỏa nhiệt giữa nước và thành ống. Đáp số: 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 ở áp suất 39,2bar. Đáp số: độ Bài 7: Nước đi trong ống có tiết diện là mm. ở áp suất là 0,98bar, nhiệt độ là 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 . Đáp số: độ 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 . Trong quá trình trao đổi nhiệt độ của vách từ giảm xuống còn . Hãy xác định hệ số tỏa nhiệt giữa không khí và vách ống. Đáp số: độ III. Truyền nhiệt Bài 1: Một nồi hơi với khói đi trong ống với nhiệt độ là hệ số tỏa nhiệt là độ. Nước sôi bên ngoài ống có nhiệt độ là hệ số tỏa nhiệt là 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. Hãy xác định mật độ dòng nhiệt và nhiệt độ trên hai bề mặt của vách ống. Đáp số: 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: Bài 3: Hãy xác định hệ số truyền nhiệt của vách phẳng nến trở nhiệt của độ/w. Hệ số tỏa nhiệt độ và độ. Vẽ đồ thị khi độ và khi độ. Bài 4: Một lò sưởi làm bằng gạch chịu lửa có chiều dày là 25mm, nhiệt độ của khói bên trong là và hệ số tỏa nhiệt là độ. Nhiệt độ bên ngoài lò sưởi là và hệ số tỏa nhiệt là độ. Hãy xác định mật độ dòng nhiệt của lò sưởi ? Đáp số: . 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 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 , hệ số tỏa nhiệt là . Không khí bên ngoài có nhiệt độ là và hệ số tỏa nhiệt là độ. Đáp số: Bài 6: Hãy xác định mật độ dòng nhiệt qua 1 vách phẳng có độ dày là 25cm và hệ số dẫn nhiệt là độ. Khói bên trong vách có nhiệt độ là , hệ số tỏa nhiệt là độ. Không khí ngoài vách có nhiệt độ là và hệ số tỏa nhiệt là độ. Đáp số: 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 và hệ số tỏa nhiệt là độ. Nước đi trong ống có nhiệt độ là và hệ số tỏa nhiệt là 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 . Nhiệt độ không khí xung quanh ống là . Hãy xác định chiều dày của lớp cách nhiệt để tổn thất nhiệt không quá độ. Bài 9: Một ống dẫn không khí nóng làm bằng gạch cho hệ số dẫn nhiệt là 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 . 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 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 . Nhiệt tổn thất trên 1m chiều dài ống nhiệt độ tiếp xúc ở lớp thép. Cho biết hệ số dẫn nhiệt của gạch là độ, và của thép là độ. Đáp số: Bài 10*: Một ống dẫn hơi có đường kính ngoài là 100mm, nhiệt độ trên bề mặt ống là , ống được bọc một lớp cách nhiệt có hệ số dẫn nhiệt là độ. Môi trường không khí xung quanh có nhiệt độ là . Hỏi đường kính ngoài của lớp cách nhiệt bằng bao nhiêu để tổn thất nhiệt không quá 350W/m ống. Đáp số: . 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 độ. Bài 12: Nhiệt độ môi trường không khí làm lạnh một dây dẫn điện có đường kính 2mm ở nhiệt độ . Hệ số tỏa nhiệt giữa dây dẫn và không khí là 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 độ. Hỏi mật độ dòng nhiệt và nhiệt độ bề mặt ngoài của ống dẫn thay đổi như thế nào ? Đáp số: không thay đổi 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: . 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