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 mới Quay 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 = ΔT_total/ΣR
Hệ số U: U = 1/(ΣR·A)

Thiết bị trao đổi nhiệt (LMTD)

Công suất nhiệt: Q = U·A·ΔT_lm
Hiệu nhiệt độ trung bình logarit: ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂)
Cân bằng dòng: Q = ṁc_p(T_in − T_out)

2Bài tập

1.Dẫn nhiệtTrung bình

Một bức tường gồm 100 mm kính và 150 mm bông khoáng, có diện tích 12 m². Hai mặt ngoài ở 20 °C và -2 °C. Tìm nhiệt độ T_i tại mặt tiếp giáp giữa hai lớp.

L₁ = 100 mm, k₁ = 0,96 W/(m·K)L₂ = 150 mm, k₂ = 0,04 W/(m·K)A = 12 m²T₁ = 20 °CT₃ = -2 °C

T_i = °C

2.Dẫn nhiệtKhó

Một bức tường gồm 200 mm gỗ và 100 mm polystyrene giãn nở ngăn cách một căn phòng ở 22 °C với không khí bên ngoài ở 3 °C. Hệ số đối lưu là 7,7 W/(m²·K) bên trong và 25 W/(m²·K) bên ngoài, và diện tích tường là 20 m². Tìm nhiệt độ T_s của bề mặt trong của tường.

L₁ = 200 mm, k₁ = 0,17 W/(m·K)L₂ = 100 mm, k₂ = 0,035 W/(m·K)A = 20 m²h_i = 7,7 W/(m²·K)h_o = 25 W/(m²·K)T_room = 22 °CT_out = 3 °C

T_s = °C

3.Thiết bị trao đổi nhiệt (LMTD)Trung bình

Một thiết bị trao đổi nhiệt xuôi dòng truyền 470 kW. Chất lỏng nóng nguội đi từ 140 xuống 115 °C và chất lỏng lạnh nóng lên từ 10 đến 50 °C. Hệ số truyền nhiệt tổng thể là 1000 W/(m²·K). Tìm diện tích truyền nhiệt A cần thiết.

Q̇ = 470 kWU = 1000 W/(m²·K)T_h: 140 → 115 °CT_c: 10 → 50 °C

A = m²

4.Thiết bị trao đổi nhiệt (LMTD)Khó

Hơi nước ngưng tụ ở nhiệt độ không đổi 130 °C bên ngoài các ống của một thiết bị ngưng tụ có diện tích truyền nhiệt 3 m² và U = 3000 W/(m²·K). Nước làm mát (1 kg/s, c_p = 4,18 kJ/(kg·K)) vào các ống ở 10 °C. Tìm nhiệt độ nước ra T_c,out.

T_s = 130 °CA = 3 m²U = 3000 W/(m²·K)ṁ = 1 kg/sc_p = 4,18 kJ/(kg·K)T_c,in = 10 °C

T_c,out = °C

3Dung dịch

1.Dẫn nhiệt

Đáp số: T_i = 19,41 °C

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) = (100/1000)/(0,96·12) = 0,008681 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (150/1000)/(0,04·12) = 0,3125 K/W

Dòng nhiệt

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 22/0,3212 = 68,5 W

Nhiệt độ tại mặt tiếp giáp

Nhiệt độ giảm qua lớp thứ nhất một lượng Q̇·R₁.

T_i = T₁ − Q̇·R₁ = 20 − 68,5·0,008681 = 19,41 °C

Đáp số

T_i = 19,41 °C

2.Dẫn nhiệt

Đáp số: T_s = 21,41 °C

Các nhiệt trở nối tiếp

R_i = 1/(h_iA) = 1/(7,7·20) = 0,006494 K/W

R₁ = L₁/(k₁A) = (200/1000)/(0,17·20) = 0,05882 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (100/1000)/(0,035·20) = 0,1429 K/W

R_o = 1/(h_oA) = 1/(25·20) = 0,002 K/W

ΣR = 0,2102 K/W

Nhiệt thất thoát

Q̇ = (22 − (3))/0,2102 = 90,4 W

T_s = T_room − Q̇·R_i = 22 − 90,4·0,006494 = 21,41 °C

Đáp số

T_s = 21,41 °C

3.Thiết bị trao đổi nhiệt (LMTD)

Đáp số: A = 5,012 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·ΔT_lm, với ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), trong đó ΔT₁ và ΔT₂ là các hiệu nhiệt độ ở hai đầu. Dòng ngược chiều cho ΔT_lm 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 = T_h,in − T_c,in = 140 − 10 = 130 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,out = 115 − 50 = 65 K

Hiệu nhiệt độ trung bình logarit

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (130 − 65)/ln(130/65) = 93,78 K

Diện tích

A = Q̇/(U·ΔT_lm) = 470000/(1000·93,78) = 5,012 m²

Đáp số

A = 5,012 m²

4.Thiết bị trao đổi nhiệt (LMTD)

Đáp số: T_c,out = 116,1 °C

LMTD method: the temperature difference between the streams changes along the exchanger, so the rate equation uses its logarithmic mean: Q̇ = U·A·ΔT_lm, with ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), where ΔT₁ and ΔT₂ are the differences at the two ends. Counter-flow gives a larger ΔT_lm than parallel flow for the same inlet and outlet temperatures.

Kết hợp cân bằng năng lượng và phương trình truyền nhiệt

Với ΔT₁ = T_s − T_c,in và ΔT₂ = T_s − T_c,out, hiệu ΔT₁ − ΔT₂ bằng độ tăng nhiệt độ của nước, nên độ tăng này triệt tiêu.

ṁc_p(ΔT₁ − ΔT₂) = U·A·(ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂)

ln(ΔT₁/ΔT₂) = U·A/(ṁc_p) = 3000·3/(1·4180) = 2,153

Nhiệt độ ra

ΔT₂ = ΔT₁·e^−2,153 = 120·0,1161 = 13,93 K

T_c,out = 130 − 13,93 = 116,1 °C

Đáp số

T_c,out = 116,1 °C

Nhiệt lượng truyền: Q̇ = 443,4 kW.

ExamProblems · examproblems.com/courses/heat-transfer