Đề kiểm tra giữa học kỳ I môn Truyền nhiệt và thiết bị trao đổi nhiệt - Năm học 2007-2008 - Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh (Có đáp án)

Đại Học Quốc Gia Tp. HCM ĐỀ KIỂM TRA GIỮA HỌC KỲ I — 2007/2008 TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA Khoa CƠ KHÍ Môn Học : Truyền Nhiệt và TB Trao Đổi Nhiệt Bm Công Nghệ Nhiệt Lạnh Thời gian : 50 phút Ngày KT : 31.10.2007 ----- W X ----- Ghi chú: SV được sử dụng tài liệu Bài 1 (5 điểm) Thanh nhôm có tiết diện không đổi hình vuông cạnh a= 2 cm , chiều dài L= 25 cm o được gắn vào vách có nhiệt độ tg = 120 C . Biết nhôm có hệ số dẫn nhiệt λ = 180 W (m.K), không khí xung quanh có nhiệt độ o 2 tf = 40 C, hệ số trao đổi nhiệt đối lưu α = 25 W (m .K) Khi tính toán có thể bỏ qua tỏa nhiệt ở đỉnh thanh. 1. Tính nhiệt lượng truyền qua thanh và nhiệt độ giữa thanh. o 2. Thanh được xem là dài vô hạn nếu nhiệt thừa ở đỉnh θL ≤ 1,5 C Hãy xác định chiều dài tối thiểu để có thể xem là thanh dài vô hạn. Tính nhiệt lượng truyền qua thanh. 3. Khi thiết kế có nên chọn thanh làm việc ở điều kiện dài vô hạn không? Tại sao? Bài 2 (5 điểm) Một ống thép đường kính d1 d 2 = 100 114 mm , hệ số dẫn nhiệt λt = 46,5 W (m.K) o o dẫn hơi nước bão hòa có nhiệt độ tf1 = 160 C đặt trong nhà xưởng có nhiệt độ tf 2 = 30 C Ống được bọc cách nhiệt dày δCN = 50 mm , hệ số dẫn nhiệt λCN = 0,055 W (m.K) 2 Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu về phía không khí α2 = 8 W (m .K). Nhiệt độ đo được trên mặt ngoài của lớp cách nhiệt là 42oC. q [W / m] 1. Tính nhiệt lượng tổn thất ứng với một mét chiều dài ống l . 2. Xác định nhiệt độ tiếp xúc giữa vách thép và lớp cách nhiệt. 3. Ống có chiều dài L= 150 m , hãy tính lượng nước ngưng tụ ở cuối đường ống. Chủ nhiệm BM GV ra đề PGS. TS. Lê Chí Hiệp Nguyễn Toàn Phong Page 1 of 3 31.10.2007 Bài giải Bài 1 (5 điểm) 1. Tính nhiệt lượng, nhiệt độ đỉnh thanh. • Thông số m α.U 4 ⋅ α 4× 25 m = = = = 5,27 λ.f λ.a 180× 0,02 m.L= 1,3176 • Tiết diện dẫn nhiệt f= a2 = 0,02 × 0,02 = 4.10−4 m 2 • Nhiệt lượng truyền qua thanh Qc = m. λ .f. θo .th( mL) (1 điểm) =5,27 × 180 × 4.10−4 × 80 × 0,866 = 26,3 W • Nhiệt độ giữa thanh ch() mL 2 1,225 θ = θ ⋅ =80 × =49o C → t = 89o C (1 điểm) L o ch() mL 2,001 L 2. Chiều cao tối thiểu thanh dài vô hạn Nhiệt lượng truyền qua thanh • Chiều cao tối thiểu thanh dài vô hạn θo o θx = ≤ 1,5 C ch() m.x (1 điểm) arch()θ 1,5 →x ≥ o = 0,886 m= 88,6 cm m • Nhiệt lượng truyền qua thanh −4 Qc = m. λ .f. θo = 5,27 × 180 × 4.10 × 80 = 30,36 W (1 điểm) 3. Chọn điều kiện làm việc (1 điểm) Page 2 of 3 31.10.2007 Bài 2 (5 điểm) 1. Tổn thất nhiệt trên 1m chiều dài ống q= α ⋅ F ⋅ t − t l 2 l ()w3 f 2 (2 điểm) =8 ×())( π × 0,214 × 42 − 30 = 64,54 W m 2. Nhiệt độ tiếp xúc t− t q = w2 w3 l 1 d ⋅ ln 3 2π . λCN d2 (2,5 điểm) q d 64,54 214 l 3 o →tw2 = t w3 + ⋅ln =42 + ×ln = 159,62 C 2π . λCN d2 2π × 0,055 114 3. Lượng nước ngưng tụ • Aån nhiệt hóa hơi r= 2082 kJ kg • Tổng tổn thất nhiệt Q= L × q = 150× 64,54= 9681 W l • Lượng nước ngưng Q 9681 G = = = 4,65.10−3 kg s= 16,74 kg h (0,5 điểm) r 2082 Page 3 of 3 31.10.2007 Đại Học Quốc Gia Tp. HCM ĐỀ KIỂM TRA GIỮA HỌC KỲ II — 2007/2008 TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA Khoa CƠ KHÍ Môn Học : Truyền Nhiệt và TB Trao Đổi Nhiệt Bm Công Nghệ Nhiệt Lạnh Thời gian : 45 phút Ngày KT : 25.03.2008 ----- W X ----- Ghi chú: SV được sử dụng tài liệu Bài 1 (6 điểm) Oáng dẫn nước có đường kính trong 38 mm, chiều dày 2 mm bằng thép có hệ số dẫn o nhiệt λth = 45 W (m.K) được đặt trong môi trường không khí có nhiệt độ 35 C với hệ số 2 trao đổi nhiệt đối lưu αng = 20 W (m .K) Nước nóng chảy trong ống có nhiệt độ trung bình 90oC với hệ số trao đổi nhiệt đối 2 lưu αtr = 4000 W (m .K) Hãy xác định 1. Tổng nhiệt trở truyền nhiệt và tổn thất nhiệt ứng với 1 m chiều dài ống. 2. Tổn thất nhiệt sẽ là bao nhiêu nếu bỏ qua nhiệt trở dẫn nhiệt qua vách ống. Nhận xét. 3. Oáng được bọc cách nhiệt bằng vật liệu có hệ số dẫn nhiệt λCN = 0,055 W (m.K) dày δCN = 30 mm; Giả sử hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trên bề mặt không thay đổi Xác định phần trăm tổn thất nhiệt giảm so với trường hợp không bọc cách nhiệt. Bài 2 (4 điểm) Thanh trụ có đường kính 2,5 cm làm bằng nhôm có hệ số dẫn nhiệt λ = 237 W (m.K) đặt trong môi trường không khí có nhiệt độ 35oC với hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trên bề mặt 2 o thanh α = 40 W (m .K). Một đầu thanh gắn vào vách có nhiệt độ tg = 100 C . Khi tính toán có thể bỏ qua tỏa nhiệt ở đỉnh thanh. 1. Xác định chiều dài nếu nhiệt lượng tỏa ra trên thanh bằng 81% so với trường hợp thanh dài vô hạn. 2. Xác định nhiệt lượng dẫn qua thanh, nhiệt độ giữa thanh bằng bao nhiêu? 3. Tại sao khi tính tỏa nhiệt qua thanh thường bỏ qua tỏa nhiệt ở đỉnh? Việc này ảnh hưởng đến kết quả tính như thế nào? Giải thích? GV duyệt GV ra đề TS. Nguyễn Văn Tuyên Nguyễn Toàn Phong Page 1 of 3 25.03.2008 Bài giải Bài 1 (6 điểm) 1. Tổn thất nhiệt ứng với 1 m ống • Hệ số truyền nhiệt và nhiệt trở 1 2π k = = l R 1 1 r 1 Σ + ⋅ln 2 + r1⋅ α trλ th r1r 2⋅ α ng 2π = = 2,622 W (m.K) 1 1 42 1 + ⋅ln + 0,019× 4000 45 38 0,021× 20 RΣ = 0,3814 (m.K) W • Tổn thất nhiệt ứng với 1 m ống q= k ⋅ t− t= 2,622× 90− 35= 144,21 W m (2 điểm) l l ()f1 f 2 ( ) 2. Bỏ qua nhiệt trở dẫn nhiệt 1 2π k = = l R 1 1 Σ + r1⋅ α trr 2⋅ α ng 2π = = 2,624 W (m.K) (2 điểm) 1 1 + 0,019× 4000 0,021× 20 q= k ⋅ t − t = 2,624 × 90 − 35 = 144,34 W m l l ()f1 f 2 () 3. Lượng nhiệt giảm khi bọc cách nhiệt 1 2π k = = l R 1 1 r 1 r 1 Σ + ⋅ln 2 + ⋅ln 3 + r1⋅ α trλ th r1λ CN r2r 3⋅ α ng 2π = 1 1 42 1 102 1 + ⋅ln + ⋅ln + 0,019× 4000 45 38 0,055 42 0,051× 20 = 0,367 W (m.K) q'= k ⋅ t − t = 0,367 × 90 − 35 = 20,17 W m l l ()f1 f 2 () • Tổn thất nhiệt giảm q− q' 144,21− 20,17 l l = = 86% (2 điểm) q 144,21 l Page 2 of 3 25.03.2008 Bài 2 (4 điểm) 1. Xác định chiều dài thanh • Thông số thanh α.U 4 ⋅ α 4× 40 m = = = = 5,196 λ.f λ.d 237× 0,025 • Chiều dài thanh Qc = λ ⋅f ⋅ m⋅ θg ⋅ th(m.L)⎫ Q ⎬ →c =th(m.L) = 81% Q∞ = λ ⋅ f ⋅ m ⋅ θg ⎭ Q∞ arth(0,81) 1,127 L = = = 0,217 m (1,5 điểm) m 5,196 2. Nhiệt độ giữa thanh f= π .d2 4 = 4,9087.10−4 m 2 Qc = λ ⋅ f ⋅ m ⋅ θg ⋅ th(m.L) =237 × 4,9.10−4 × 5,2 × 65 × 0,81 = 31,83 W ch() mL 2 1,163 o θL = θ g ⋅ =65 × = 44,34 C ch() mL 1,705 (2 điểm) o →tL = 79,34 C 3. Giải thích (0,5 điểm) Page 3 of 3 25.03.2008 Đại Học Quốc Gia Tp. HCM ĐỀ KIỂM TRA GIỮA HỌC KỲ I — 2008/2009 TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA Khoa CƠ KHÍ Môn Học : Truyền Nhiệt Bm Công Nghệ Nhiệt Lạnh Thời gian : 45 phút Ngày KT : 20.10.2008 -----    ----- Ghi chú: SV được sử dụng tài liệu Bài 1 (5 điểm) Cánh tam giác bằng thép có hệ số dẫn nhiệt   52 W (m.K) , chiều cao H 35 mm , o chiều dày chân cánh  10 mm được gắn dọc theo chiều dài vách có nhiệt độ tg  120 C . Vách có kích thước dài rộng 800500 mm, không khí xung quanh có nhiệt độ o 2 tf  35 C, hệ số trao đổi nhiệt đối lưu   25 W (m .K) 1. Bằng phương pháp hiệu suất hãy xác định nhiệt lượng truyền qua một cánh. 2. Nếu các cánh được gắn lên vách với bước S  25mm, hãy xác định nhiệt lượng truyền qua vách. Bài 2 (5 điểm) Một ống thép trong bộ trao đổi nhiệt có đường kính 27 31mm, hệ số dẫn nhiệt o t  46,5 W (m.K) . Nước chảy trong ống có nhiệt độ trung bình tf1  130 C, hệ số trao 2 đổi nhiệt đối lưu tr  6000 W (m .K) . Khói lưu động bên ngoài có nhiệt độ trung bình o 2 tf 2  450 C và hệ số trao đổi nhiệt đối lưu ng 125 W (m .K) q [W / m] 1. Tính nhiệt lượng trao đổi ứng với một mét chiều dài ống  . 2. Sau một thời gian vận hành thì ống bị bám cáu nên năng suất trao đổi nhiệt giảm chỉ còn 85% (so với khi chưa bám cáu phía nước). Giả thiết các thông số đã cho giữ không đổi và bỏ qua ảnh hưởng của bề dày lớp cáu tới nhiệt trở phía nước. Hãy xác định chiều dày của lớp cáu nếu hệ số dẫn nhiệt của cáu là c  0,3 W (m.K) Duyệt GV ra đề TS. Nguyễn Văn Tuyên Nguyễn Toàn Phong Page 1 of 3 October 22, 2008 Bài giải Bài 1 (5 điểm) 1. Nhiệt lượng truyền qua một cánh  Hiệu suất cánh 1 1 f  H  10  35.106  1,75.104 m 2 p 2 2 1 2 1 2     25  H3 2   0,0353 2   0,343 c    4     fp   52 1,75.10   c  96%  Nhiệt lượng cánh lý tưởng 1 2 a 52  35 2  35,355mm 6 2 Fc  2  a  L  2  35,355  800.10 0,05659 m Qlt    Fc  g  25  0,05659 120  35  120,208 W  Nhiệt lượng truyền qua một cánh thực tế QQ1c  c  lt 0,96  120,208  115,4 W 2. Nhiệt lượng truyền qua bề mặt 500 n   20 cánh 25 QSL       oc g 25  25  10  800 .106  85  25,5 W Q" n  Q1c  Q oc  20  115,4  25,5   2818 W Page 2 of 3 October 22, 2008 Bài 2 (5 điểm) 1. Nhiệt lượng trao đổi trên 1m chiều dài ống  k   1 1 d 1  ln 2  d1 tr 2.t d1d 2 ng   11,8228 W m.K 1 1 31 1  ln  0,027 6000 2 46,5 27 0,031 125 q k  t  t  3783,3W m   f 2 f1 2. Trường hợp có bám cáu  Hệ số truyền nhiệt khi bám cáu k' 0,85  11,8228 10,0494 W m.K     Nhiệt trở lớp cáu 1 1 1 1 R      0,014926 m.k W c k' k 10,0494 11,8228    Chiều dày cáu 1 d1 Rc   ln 2 . c dc 2  . c .R c dc  d 1  e 27  exp  2  0,3  0,014926  26,25 mm  c 0,5  27  26,25  0,3745 mm Page 3 of 3 October 22, 2008