Đang tải... (xem toàn văn)
Bài tập kỹ thuật nhiệt
72 Chơng 2. chu trình nhiệt động và máy lạnh 2.1. chu trình động cơ nhiệt 2.1.1. Công của chu trình, hiệu suất nhiệt, hệ số làm lạnh và bơm nhiệt Công của chu trình nhiệt đợc tính bằng tổng công thay đổi thể tich hoặc công kỹ thuật của các quá trình trong chu trình. == kti0 lll (2-1) Công của chu trình còn đợc tính theo nhiệt: Với chu trình động cơ nhiệt (thuận chiều, công sinh ra) công của chu trình là hiệu số giữa nhiệt cấp q 1 cho chu trình và nhiệt nhả q 2 cho nguồn làm mát. 210 qql = (2-2) Với chu trình máy lạnh hoặc bơm nhiệt ( chu trình ngợc chiều, tiêu hao công) công của chu trình mang dấu âm l 0 < 0 và cũng là hiệu số giữa nhiệt nhả từ chu trình q 1 và nhiệt lấy của vật cần làm lạnh q 2 . 210 qql = (2-3) Hiệu suất nhiệt t để đánh giá mức độ hoàn thiện của chu trình động cơ nhiệt: 1 21 1 0 q qq q l == (2-4) Hệ số làm lạnh để đánh giá mức độ hoàn thiện của chu trình máy lạnh: 21 2 0 2 qq q l q == (2-5) Hệ số bơm nhiệt để đánh giá mức độ hoàn thiện của chu trình bơm nhiệt (bơm nhiệt là máy làm việc theo nguyên lý máy lạnh, nhng ở đay sử dụng nhiệt q 1 ở nhiệt độ cao cho các quá trình nh sấy, sởi . . . ): 1 l q 0 +== (2-6) 2.1.2. Hiệu suất nhiệt của chu trình Carno Chu trình Carno gồm hai quá trình đẳng nhiệt và hai quá trình đoạn nhiệt xen kẽ nhau, ở nhiệt độ hai nguồn nhiệt không đổi T 1 = const (nguồn nóng), T 2 = const (nguồn lạnh). Chu trình Carno là một trong những chu trình thuận nghịch. Hiệu suất nhiệt của chu trình Carno thuận chiều bằng: 1 21 tc T TT = (2-7) Hệ số làm lạnh của chu trình Carno ngợc chiều bằng: 90 Phần II Truyền nhiệt Chơng 3 Dẫn nhiệt và đối lu 3.1 Dẫn nhiệt 3.1.1 Dẫn nhiệt ổn định một chiều không có nguồn nhiệt bên trong 3.1.1.1 Dẫn nhiệt qua vách phẳng = + = n 1i i i )1n(WƯ1WƯ tt q , W/m 2 (3-1) q mật độ dòng nhiệt, W/m 2 i - chiều dày của lớp th i, m i - hệ số dẫn nhiệt, W/m.K; t W1 nhiệt độ bề mặt trong, t W(n+1) nhiệt độ bề mặt ngoài của lớp thứ n. Phân bố nhiệt độ theo chiều dày vách có qui luật đờng thẳng(khi I = const). 3.1.1.2 Dẫn nhiệt qua vách trụ , d d ln 2 1 tt q n 1i i 1i i )1n(WƯ1WƯ l = + + = , (W/m) (3-2) q mật độ dòng nhiệt trên một mét chiều dài, W/m d i - đờng kính của lớp th i, m Phân bố nhiệt độ theo chiều dày vách có qui luật đờng cong logarit. 3.1.2 Dẫn nhiệt ổn định một chiều khi có nguồn nhiệt bên trong 3.1.2.1 Tấm phẳng có chiều dày 2 )x( 2 qq tt 22 vv f + += (3-3) Nhiệt độ bề mặt tấm: += v fw q tt (3-4) Nhiệt độ tại tâm của tấm: 2 vv f0 2 qq tt + += (3-5) t f nhiệt độ moi trờng xung quanh, i - hệ số toả nhiệt, W/m 2 .K; 91 q v năng suất phát nhiệt của nguồn bên trong, W/m 3 Phân bố nhiệt độ theo chiều dày vách có qui luật đờng cong parabol. 3.1.2.2. Thanh trụ đồng chất bán kính r 0 )xr( 4 qrq tt 2 2 0 v0v f + += (3-6) Nhiệt độ bề mặt thanh trụ: += 2 rq tt 0v fw (3-7) Nhiệt độ tại tâm của tấm: 2 0 v0v f0 r 4 q 2 rq tt + += (3-8) Mật độ dòng nhiệt tại bề mặt: 2 rq q 0v w = , W/m 2 (3-9) Phân bố nhiệt độ theo chiều dày vách có qui luật đờng cong parabol. 92 3.1.2 Dẫn nhiệt không ổn định Với tấm phẳng rộng 2 Nhiệt độ tại tâm của tấm: * x=0 = f 1 (Bi/Fo) tra đồ thị hình 3.1 Nhiệt độ bề mặt tấm: * x=1 = f 2 (Bi/Fo) tra đồ thị hình 3.2 trong đó: =Bi , là tiêu chuẩn Biot, 2 a Fo = , là tiêu chuẩn Fourier = x X , kích thớc không thứ nguyên. Phân bố nhiệt độ theo chiều dày vách có qui luật đờng cong parabol. 3.2 trao đổi nhiệt đối lu Khi tính toán lợng nhiệt trao đổi bằng đối lu ta dùng công thức Newton: ],W[),tt(FQ fWƯ = trong đó: Q lợng nhiệt trao đổi trong một đơn vị thời gianlà một giây, s. 93 F diện tích bề mặt trao đổi nhiệt, m 2 T W Nhiệt độ trung bình của bề mặt, T f Nhiệt độ trung bình của môI trờng (chất lỏng hoặc khí). - hệ số tỏa nhiệt, W/m 2 .K. Hệ số tỏa nhiệt đợc xác định từ các phơng trình tiêu chuẩn. Các phơng trình tiêu chuẩn này đợc xác định từ thực nghiệm. Nu = f(Re,Pr,Gr, . . . ) Trong đó: - Nu = l là tiêu chuẩn Nusselt, a Pr = là tiêu chuẩn Prandtl, = l Re là tiêu chuẩn Reynolds, 2 3 tlg Gr = là tiêu chuẩn Grashof, với - hệ số toả nhiệt, W/m 2 .K; - hệ số dẫn nhiệt, W/m.K; - tốc độ chuyển động, m/s - độ nhớt động học, m 2 /s; a - hệ số dẫn nhiệt độ, m 2 /s; g - gia tốc trọng trờng 9,81 m/s 2 t = (t w - t f ) - hệ số dãn nở thể tích, (1/ 0 K) với chất lỏng ta tra bảng; với chất khí: T 1 = , 0 K -1 . l kích thớc xác định. 3.2.1 Tỏa nhiện tự nhiên 3.2.1.1 Tỏa nhiện tự nhiên trong không gian vô hạn Đối với ống hoặc tấm đặt đứng, khi (Gr f .Pr f ) > 10 9 : 25,0 WƯ f Pr Pr (15,0 = 0,33 fff )PrGrNu (3-10) Đối với ống hoặc tấm đặt nằm ngang, khi 10 3 < (Gr f .Pr f ) < 10 9 : 25,0 WƯ f Pr Pr (5,0 = 0,25 fff )PrGrNu (3-11) 94 Nhiệt độ xác định là nhiệt độ t f , kích thớc xác định với ống hoặc tấm đặt đứng là chiều cao h, với ống đặt nằm ngang là đờng kính, với tấm đặt nằm ngang là chiều rộng. 3.2.2 Tỏa nhiệt cỡng bức khi chất lỏng chuyển độngtrong ống 3.2.2.1 Chế độ chảy tầng 25,0 WƯ f 1,0 f 43,0 Pr Pr GrRe15,0 = f 0,33 ff PrNu (3-12) Đối với không khí: 1,0 f GrRe13,0 0,33 ff Nu = (3-13) Công thức trên áp dụng cho trờng hợp d l > 50 Nếu d l < 50 thì hệ số toả nhiệt cần nhân thêm hệ số hiệu chỉnh. 3.2.1.2 Tỏa nhiệt khi chất lỏng chấy rối Rl 25,0 WƯ f 43,0 Pr Pr Re021,0 = f 0,8 ff PrNu (3-14) trờng hợp: d l > 50 thì 1 = 1 Nếu d l < 50: 1 tra bảng 3.2.2 Tỏa nhiệt khi chất lỏng chảy ngang qua chùm ống 3.2.3.1. Đối với chùm ống song song sl 25,0 WƯ f 33,0 Pr Pr Re026,0 = f 0,65 ff PrNu (3-15) i - hệ số kể đến thứ tự hàng ống. Đối với hàng ống thứ nhất 1 = 0,6, hàng ống thứ hai 2 = 0,9, hàng ống thứ ba trở đi 3 = 1. s - hệ số kể đến ảnh hởng của bớc ống theo chiều sâu. 15,0 2 s d S s = 3.2.3.1. Đối với chùm ống so le 95 sl 25,0 WƯ f 33,0 Pr Pr Re41,0 = f 0,6 ff PrNu (3-16) i - hệ số kể đến thứ tự hàng ống. Đối với hàng ống thứ nhất 1 = 0,6, hàng ống thứ hai 2 = 0,7, hàng ống thứ ba trở đi 3 = 1. s - hệ số kể đến ảnh hởng của bớc ống theo chiều sâu. 2 1 S S < 2 15,0 2 1 s S S = 2 1 S S > 2 s = 1,12 S 2 bớc dọc, S 1 bớc ngang, Trong các công thức trên, Rè = 10 3 ữ 10 5 . Kích thớc xác định là đờng kính ngoài. Nhiệt độ xác định là nhiệt độ trung bình của chất lỏng t f . 3.2.4 Toả nhiệt khi biến đổi pha 3.2.4.1. Toả nhiệt khi sôi Khi nớc sôi bọt ở áp suất p = 0,2 ữ 80 bar: = 0,46.t 2,33 .p 0,5 , W/m 2 .K t = t w t s t w - nhiệt độ bề mặt vách đốt nóng, t s - nhiệt độ bão hoà ứng với áp suất sôi; p - áp suất sôi; 3.2.4.1. Toả nhiệt khi ngng màng Ngng trên bề mặt vách ống đứng: 4 ws 3 d d)tt( .g r 943,0 = , w/m 2 .K (3-18) Ngng trên bề mặt ống nằm ngang: 4 ws 3 n d)tt( .g r 724,0 = , w/m 2 .K (3-18) trong đó: g - Gia tốc trọng trờng , 9,81 m/s s - hệ số dẫn nhiệt cuả chất lỏng, W/m.K; r - nhiệt ẩn hoá hơI, J/kg; - khối lợng riêng của chất lỏng ngng, kg/m 3 ; - độ nhớt động học, m 2 /s; h chiều cao của vách hoặc ống đặt đứng, m; 96 d - đờng kính ngoàI của ống, m; t w - nhiệt độ bề mặt vách, 0 C; t s - nhiệt độ bão hoà ứng với áp suất sôi; Trong các công thức trên, nhiệt độ xác định là t m = 0,5(t w + t s ). 3.3 BàI tập về dẫn nhiệt Bài 3.1 Vách buồng sấy đợc xây bằng hai lớp gạch đỏ cố độ dày 250 mm, có hệ số dẫn nhiệt bằng 0,7 W/mK; lớp nỉ bọc ngoài có hệ số dẫn nhiệt bằng 0,0465 W/mK. Nhiệt độ mặt tờng bên trong buồng sấy bằng 110 0 C. Nhiệt độ mặt tờng bên ngoài bằng 25 0 C. Xác định chiều dày lớp nỉ để tổn thất nhiệt qua vách buồng sấy không vợt quá 110W/m 2 . Tính nhiệt độ tiếp xúc giữa hai lớp. Lời giải Mật độ dòng nhiệt qua vách buồng sấy: 2 2 1 1 2WƯ1WƯ tt q + = , W/m 2 , 2 1 1 2WƯ1WƯ 2 . q tt = 0465,0. 7,0 25,0 110 25110 2 = = 0.019 m. Vậy chiều dày lớp nỉ bằng 0,019 m. Nhiệt độ tiếp xúc giữa hai lớp dựa vào đIều kiện dòng nhiệt ổn định: == q tt qq 2WƯ1WƯ 1 : 1 1 1WƯ1 qtt = C7,70 7,0 25,0 .110110t 0 1 == Bài 3.2 Vách phẳng hai lớp có độ chênh nhiệt độ 105 0 C, chiều dày dày và hệ số dẫn nhiệt tơng ứng của hai lớp: 1 = 100 mm, 2 = 50 mm, 1 = 0,5 W/mK, 2 = 0,1 W/mK. Xác định mật độ dòng nhiệt qua vách Lời giải Mật độ dòng nhiệt qua vách phẳng hai lớp theo (3-1) với 1 = 100 mm = 0,1 m; 2 = 50 mm = 0,05 m và t = t W1 t W2 = 105 0 C: 97 150 1.0 05,0 5,0 1,0 105 tt q 2 2 1 1 2WƯ1WƯ = + = + = , W/m 2 , Bài 3.3 Biết dòng nhiệt qua vách phẳng dày 20 cm, có hệ số dẫn nhiệt 0,6 W/m.K là 150 W/m 2 . Xác định độ chênh nhiệt độ giữa hai mặt vách. Lời giải Theo (3-1), mật độ dòng nhiệt qua vách phẳng một lớp với q = 150 W/m 2 , = 20 cm = 0,2 m; t = t W1 t W2 : = q tt q 2WƯ1WƯ ; t = 6,0 2,0 .150.q = = 50 0 C. Bài 3.4 Vách trụ dài 1 m, đờng kính d 2 /d 1 = 144/120 mm,có độ chênh nhiệt độ giữa hai mặt vách 60C 0 , hệ số dẫn nhiệt của vách 0,4 W/m.K. Xác định dòng nhiệt dẫn qua vách. Lời giải Dòng nhiệt qua vách trụ một lớp theo (3-2) với l = 1 m; ; t = t W1 t W2 = 60 0 C: WƯ7,826 120 144 ln 4,0.14,3.2 1 60.1 d d ln 2 1 )tt.(l q.lQ 1 2 21 l == == Bài 3.5 Một ống dẫn hơi bằng thép đờng kính d 2 /d 1 = 110/100 mm, hệ số dẫn nhiệt 1 = 55 W/mK đợc bọc một lớp cách nhiệt có 2 = 0,09 W/mK. Nhiệt độ mặt trong ống t w1 = 200 0 C, nhiệt độ mặt ngaòi lớp cách nhiệt t w3 = 50 0 C. Xác định chiều dày và nhiệt độ t W2 để tổn thất nhiệt qua vách ống không vợt quá 300W/m. Lời giải Dòng nhiệt trên 1 m chiều dài ống theo (3-2) với vách 2 lớp: 2 3 21 2 1 3WƯ1WƯ l d d ln 2 1 d d ln 2 1 )tt( q + = 2 1 2 1l 3WƯ1WƯ 2 3 2 d d ln 2 1 q )tt( d d ln = 98 282,009,0.14,3.2 100 110 ln 55.14,3.2 1 300 50200 d d ln 2 3 = = 282,0 2 3 e d d = d 3 = d 2 .e 0,282 = 110. e 0,282 = 146 mm. Chiều dày cách nhiệt : 18 2 110146 2 dd 23 = = = mm. Để tìm nhiệt độ giữa hai lớp t W2 ta dựa vào đIều kiện trờng nhiệt độ ổn định: q 1 = q 11 =q 12 = const. 1 2 1 2WƯ1WƯ 1ll d d ln 2 1 )tt( qq == 1 2 1 11WƯ2WƯ d d ln 2 1 qtt = 9,199 100 110 ln 55.14,3.2 1 300200t 2WƯ == 0 C. Bài 3.6 Một thiết bị sấy bằng đIện đợc chế tạo từ các dây hợp kim niken-crom đờng kính d = 2 mm, dài 10 m. Không khí lạnh thổi vào thiết bị sấy có nhiệt độ 20 0 C. Tính nhiệt lợng toả ra trên 1 m dây, nhiệt độ bề mặt và nhiệt độ tâm của dây. Nếu dòng điện đốt nóng có cờng độ 25 A, điện trở suất = 1,1 mm 2 /m, hệ số dẫn nhiệt = 17,5 W/mK, hệ số toả nhiệt từ bề mặtdây tới không khí = 46,5 W/m 2 .K. Lời giải Điện trở của dây đốt nóng: 5,3 1.14,3 10.1,1 S l R 2 === , Nhiệt do dây toả ra: Q = R.I 2 = 3,5. 25 2 = 2187,5 W, Nhiệt lợng toả ra trên 1 m dây: m/WƯ75,218 10 5,2187 I Q q l === Năng suất phát nhiệt: 36 22 0 l v m/WƯ10.7,69 001,0.14,3 75,218 r q q == = Nhiệt độ bề mặt dây: [...]... soạn theo nội dung cuốn giáo trình Kỹ thuật nhiệt của tác giả Bùi Hải và Trần Thế Sơn, do nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật phát hành đang đợc sử dụng cho việc đào tạo các hệ kỹ s ở các trờng đại học Kỹ thuật Cuốn Bài tập kỹ thuật nhiệt này đợc biên soạn theo kinh nghiệm giảng dạy lâu năm của các tác giả nhằm đáp ứng nhu cầu học tập của sinh viên các trờng đại học Kỹ thuật Cuốn sách trình bày tóm lợc... số toả nhiệt khi sôi bọt theo (3-17): = 46 t2,33.p0,5 = 46.82,33.4,50,5 = 12404 W/m2.K Nhiệt lợng bề mặt vách truyền cho nớc: Q = .F.( tW ts) = 12404.5.(156 148) Q = 496160 W, Lợng hơI nhận đợc sau 1 giờ: G= 496160.3600 = 842 kg/h 2120,9.10 3 103 PGS.PTS Bùi Hải - PTS Hoàng Ngọc Đồng Bài tập Kỹ thuật nhiệt Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà nội -1999 1 Lời nói đầu Cuốn Bài tập kỹ thuật nhiệt này... 1,93t); (kJ/kgK) t nhiệt độ của không khí ẩm, 0C e) Nhiệt độ bão hoà đoạn nhiệt : Khi không khí tiếp xúc với nớc, nếu sự bay hơi cuả nớc vào không khí chỉ do nhiệt lợng của không khí truyền cho, thì nhiệt độ của không khí bão hoà gọi là nhiệt độ bão hoà đoạn nhiệt (nhiệt độ lấy gần đúng bằng nhiệt độ nhiệt kế ớt = t) f) Nhiệt độ đọng sơng ts Nhiệt độ đọng sơng ts hay là điểm sơng là nhiệt độ tại đó... Công kỹ thuật: lkt12 = -v(p2 - p1) - Nhiệt của quá trình: U = G.u = G(u2 u1) (1-59) (1-60) 1.6.3 Quá trình đẳng áp - Công thay đổi thể tích: l12 = p(v2 - v1) - Công kỹ thuật: lkt = 0 - Nhiệt của quá trình: Q = I = G.(i2 - i1) (1-61) (1-62) 1.6.4 Quá trình đẳng nhiệt - Nhiệt của quá trình: Q = G.T(s2 - s1); q = T(s2 - s1) - Công thay đổi thể tích: l12 = q (u2 - u1) (1-63) (1-64) 11 - Công kỹ thuật: ... rộng 3m, dày 250 mm, hệ số dẫn nhiệt của gạch = 0,6 W/mK Nhiệt độ bề mặt tờng phía trong là 70 0C và bề mặt tờng phía ngoài là 20 0C Tính tổn thất nhiệt qua tờng Trả lời Q = n1800W, 3.4 BàI tập về toả nhiệt đối lu 99 Bài 3.9 Bao hơi của lò đặt nằm ngang có đờng kính d = 600 mm Nhiệt độ mặt ngoài lớp bảo ôn tW = 60 0C, nhiệt độ không khí xung quanh tf = 40 0C Xác định lợng nhiệt toả từ 1 m2 bề mặt ngoài... 0, nhiệt dung riêng của quá trình Cp Trong quá trình này ta có các quan hệ sau: - Quan hệ giữa nhiệt độ và thể tích: v 2 T2 = v 1 T1 (1-37) - Công thay đổi thể tích: l12 = p(v2 - v1) - Công kỹ thuật: lkt = 0 - Nhiệt của quá trình: Q = G.Cp.(t2 - t1) - Biến thiên entropi: s = G.C p ln (1-38) (1-39) T2 T1 (1-40) 1.5.4 Quá trình đẳng nhiệt Quá trình đẳng nhiệt là quá trình nhiệt động xẩy ra trong nhiệt. .. thực, nhiệt dung riêng phụ thuộc vào nhiệt độ nên ta có khái niệm nhiệt dung riêng trung bình Nhiệt dung riêng trung bình từ 00C đến t0C đợc ký t hiệu C và cho trong các bảng ở phần phụ lục Nhiệt dung riêng trung bình từ t1 0 đến t2 ký hiệu C C t2 t1 t2 t1 hay Ctb, đợc xác định bằng công thức: = 1 t 2 t1 t C t 2 t C t1 1 2 0 0 (1-24) 1.4.3 Tính nhiệt theo nhiệt dung riêng thông thờng nhiệt. .. 769 C0, 2 2.46,5 Nhiệt độ tại tâm dây: t0 = tf + q v r0 q v 2 69,7.10 6.1.10 3 69,7.1.10 6.10 6 r0 = 20 + + 2 4 2.46,5 4.17,5 t0 = 770 C0 Bài 3.7 Một tấm cao su dày = 2 mm, nhiệt độ ban đầu t0 = 140 0C đợc làm nguội trong môi trờng không khí có nhiệt độ tf = 140 0C Xác định nhiệt độ bề mặt và nhiệt độ tâm của tấm cao su sau 20 ph Biết hệ số dẫn nhiệt của cao su = 0,175 W/mK, hệ số dẫn nhiệt độ a = 8,33.10-8... hòa trở thành không khí ẩm bão hòa trong điều kiện phân áp suất của hơi nớc không đổi ph = const Từ bảng nớc và hơi nớc bão hòa, khi biết ph ta tìm đợc nhiệt độ ts g) nhiệt độ nhiệt kế ớt t Nhiệt độ nhiệt kế ớt t là nhiệt độ đo đợc bằng nhiệt kế ớt (nhiệt kế có bọc vải ớt bên ngoài) Khi = 100% ta có ts = t Khi < 100% ta có ts < t 1.10.4 Đồ thị i-d của không khí ẩm 19 Hình 1.1 biểu diễn đồ thị i-d... I; PTS Hoàng Ngọc Đồng biên soạn, trờng đại học Kỹ thuật Đà Nẵng soạn chơng 3, chơng 4 của phần II và phần phụ lục Trong quá trình biên soạn chắc chắn không tránh khỏi sai sót, mong nhận đợc sự góp ý của bạn đọc Các tác giả Phần I 2 nhiệt động kỹ thuật Chơng 1 phơng trình trạng thái Và các quá trình nhiệt động của chất khí 1.1 Thông số trạng thái 1.1.1 Nhiệt và công Q , đơn vị là j/kg, với G là khối . Bài tập Kỹ thuật nhiệt Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà nội -1999 2 Lời nói đầu Cuốn Bài tập kỹ thuật nhiệt này đợc. Kỹ thuật nhiệt của tác giả Bùi Hải và Trần Thế Sơn, do nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật phát hành đang đợc sử dụng cho việc đào tạo các hệ kỹ s ở các trờng đại học Kỹ thuật. Cuốn Bài tập. t w - nhiệt độ bề mặt vách, 0 C; t s - nhiệt độ bão hoà ứng với áp suất sôi; Trong các công thức trên, nhiệt độ xác định là t m = 0,5(t w + t s ). 3.3 BàI tập về dẫn nhiệt Bài 3.1