Truyền nhiệt: gói ôn nước rút

Bảng công thức, các bước phương pháp chính cho từng chủ đề và 4 bài tập, kèm lời giải đầy đủ ở cuối.

Bài mớiQuay lại môn học

Trong cửa sổ in, hãy chọn “Lưu dưới dạng PDF” để giữ một bản trên thiết bị của bạn.

1Công thức và phương pháp

Dẫn nhiệt

Định luật Fourier
Q̇ = kAΔT/L
Nhiệt trở dẫn nhiệt
R = L/(kA)
Nhiệt trở đối lưu
R = 1/(hA)
Các nhiệt trở nối tiếp
Q̇ = ΔTtotal/ΣR
Hệ số U
U = 1/(ΣR·A)

Thiết bị trao đổi nhiệt (LMTD)

Công suất nhiệt
Q = U·A·ΔTlm
Hiệu nhiệt độ trung bình logarit
ΔTlm = (ΔT1 − ΔT2)/ln(ΔT1/ΔT2)
Cân bằng dòng
Q = ṁcp(Tin − Tout)

2Bài tập

1.Dẫn nhiệtTrung bình
Polystyrene giãn nở, k = 0,035150 mmBê tông, k = 1,4100 mm17 °C-4 °CQ̇ = ?

Một bức tường gồm 150 mm polystyrene giãn nở và 100 mm bê tông, có diện tích 6 m². Hai mặt ngoài ở 17 °C và -4 °C. Tìm dòng nhiệt Q̇ qua tường.

L1 = 150 mm, k1 = 0,035 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 1,4 W/(m·K)A = 6 m²T1 = 17 °CT3 = -4 °C
Q̇ = W
2.Dẫn nhiệtKhó
Kính, k = 0,96150 mmPolystyrene giãn nở, k = 0,03575 mmphòng 21 °Cbên ngoài -13 °CQ̇

Một bức tường gồm 150 mm kính và 75 mm polystyrene giãn nở ngăn cách một căn phòng ở 21 °C với không khí bên ngoài ở -13 °C. Hệ số đối lưu là 10 W/(m²·K) bên trong và 20 W/(m²·K) bên ngoài, và diện tích tường là 10 m². Tìm hệ số truyền nhiệt tổng thể U của tường.

L1 = 150 mm, k1 = 0,96 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,035 W/(m·K)A = 10 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -13 °C
U = W/(m²·K)
3.Thiết bị trao đổi nhiệt (LMTD)Trung bình
chiều dàiT130 °C80 °C25 °C50 °CΔT₁ΔT₂xuôi dòng

Một thiết bị trao đổi nhiệt xuôi dòng truyền 450 kW. Chất lỏng nóng nguội đi từ 130 xuống 80 °C và chất lỏng lạnh nóng lên từ 25 đến 50 °C. Hệ số truyền nhiệt tổng thể là 800 W/(m²·K). Tìm diện tích truyền nhiệt A cần thiết.

Q̇ = 450 kWU = 800 W/(m²·K)Th: 130 → 80 °CTc: 25 → 50 °C
A = m²
4.Thiết bị trao đổi nhiệt (LMTD)Khó
chiều dàiT170 °C135 °C85,33 °C15 °CΔT₁ΔT₂ngược dòng

Dầu nóng (2 kg/s, cp = 2,1 kJ/(kg·K)) nguội đi từ 170 xuống 135 °C trong thiết bị trao đổi nhiệt ngược dòng. Nó làm nóng 0,5 kg/s nước (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) đi vào ở 15 °C. Với U = 1500 W/(m²·K), tìm diện tích truyền nhiệt A cần thiết.

ṁh = 2 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 170 → 135 °Cṁc = 0,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 15 °CU = 1500 W/(m²·K)
A = m²

3Dung dịch

1.Dẫn nhiệt

Đáp số: Q̇ = 28,92 W

Nhiệt trở: dòng nhiệt ổn định qua các lớp nối tiếp hoạt động giống như dòng điện qua các điện trở nối tiếp: Q̇ = ΔT/ΣR, với R = L/(kA) cho lớp dẫn nhiệt và R = 1/(hA) cho bề mặt đối lưu. Độ giảm nhiệt độ qua mỗi lớp tỉ lệ với nhiệt trở của nó.

Nhiệt trở của các lớp

R1 = L1/(k1A) = (150/1000)/(0,035·6) = 0,7143 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(1,4·6) = 0,0119 K/W

Dòng nhiệt

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 21/0,7262 = 28,92 W

Đáp số

Q̇ = 28,92 W
2.Dẫn nhiệt

Đáp số: U = 0,4083 W/(m²·K)

Nhiệt trở: dòng nhiệt ổn định qua các lớp nối tiếp hoạt động giống như dòng điện qua các điện trở nối tiếp: Q̇ = ΔT/ΣR, với R = L/(kA) cho lớp dẫn nhiệt và R = 1/(hA) cho bề mặt đối lưu. Độ giảm nhiệt độ qua mỗi lớp tỉ lệ với nhiệt trở của nó.

Các nhiệt trở nối tiếp

Ri = 1/(hiA) = 1/(10·10) = 0,01 K/W
R1 = L1/(k1A) = (150/1000)/(0,96·10) = 0,01563 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,035·10) = 0,2143 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·10) = 0,005 K/W
ΣR = 0,2449 K/W

Hệ số tổng thể

U = 1/(A·ΣR) = 1/(10·0,2449) = 0,4083 W/(m²·K)

Đáp số

U = 0,4083 W/(m²·K)
3.Thiết bị trao đổi nhiệt (LMTD)

Đáp số: A = 9,396 m²

Phương pháp LMTD: hiệu nhiệt độ giữa các dòng thay đổi dọc theo thiết bị, nên phương trình tốc độ dùng giá trị trung bình logarit của nó: Q̇ = U·A·ΔTlm, với ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), trong đó ΔT₁ và ΔT₂ là các hiệu nhiệt độ ở hai đầu. Dòng ngược chiều cho ΔTlm lớn hơn dòng xuôi chiều với cùng nhiệt độ vào và ra.

Hiệu nhiệt độ ở hai đầu

Ở dòng xuôi chiều, cả hai đầu vào ở cùng một đầu, và cả hai đầu ra ở đầu kia.

ΔT₁ = Th,in − Tc,in = 130 − 25 = 105 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 80 − 50 = 30 K

Hiệu nhiệt độ trung bình logarit

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (105 − 30)/ln(105/30) = 59,87 K

Diện tích

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 450000/(800·59,87) = 9,396 m²

Đáp số

A = 9,396 m²
4.Thiết bị trao đổi nhiệt (LMTD)

Đáp số: A = 0,9674 m²

Phương pháp LMTD: hiệu nhiệt độ giữa các dòng thay đổi dọc theo thiết bị, nên phương trình tốc độ dùng giá trị trung bình logarit của nó: Q̇ = U·A·ΔTlm, với ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), trong đó ΔT₁ và ΔT₂ là các hiệu nhiệt độ ở hai đầu. Dòng ngược chiều cho ΔTlm lớn hơn dòng xuôi chiều với cùng nhiệt độ vào và ra.

Công suất nhiệt và nhiệt độ nước ra

Q̇ = ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = 2·2,1·35 = 147 kW
Tc,out = 15 + 147/(0,5·4,18) = 85,33 °C

Hiệu nhiệt độ ở hai đầu

Ở dòng ngược chiều, đầu vào nóng đối diện đầu ra lạnh, và đầu ra nóng đối diện đầu vào lạnh.

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 170 − 85,33 = 84,67 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 135 − 15 = 120 K

Hiệu nhiệt độ trung bình logarit

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (84,67 − 120)/ln(84,67/120) = 101,3 K

Diện tích

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 147000/(1500·101,3) = 0,9674 m²

Đáp số

A = 0,9674 m²

ExamProblems · examproblems.com/courses/heat-transfer