Đề thi cuối kỳ học kỳ 2 môn Các QT&TB Truyền Nhiệt trong CNTP (năm học 2015) mã đề 01 của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành Phố Hồ Chí Minh. Đề thi gồm có 2 trang với 4 câu hỏi tự luận có kèm đáp án. Mời các bạn cùng tìm hiểu và tham khảo nội dung thông tin tài liệu.
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CNHH&TP
BỘ MÔN CNTP
-
ĐỀ THI CUỐI KỲ HỌC KỲ 2 NĂM HỌC 2015 Môn: Các QT&TB Truyền Nhiệt trong CNTP
Mã môn học: FEGS333350_01
Đề số/Mã đề: 01; Đề thi có 02… trang
Thời gian: 90 phút
Sinh viên được sử dụng tài liệu, internet, điện thoại di
động, máy ảnh, tất cả các loại thiết bị truyền thông, …v.v
Câu 1: (2,5 điểm)
Một thiết bị ngưng tụ (TBNT) khí NH3 có nhiệt độ 700C ở áp suất P = 12bar (điều kiện ngưng tụ đẳng áp) làm mát bằng nước Biết: nhiệt độ nước vào và ra khỏi TBNT biến thiên từ 200C đến 250C, lưu lượng nước vào làm mát là Gn = 1200kg/h; nhiệt dung riêng của nước là cn = 4,12975 + 0,0025.T kJ/(kg.K), với T(0C) - là nhiệt độ của nước; hệ số truyền nhiệt của TBNT là K = 148,5 W/(m2.K) Hãy xác định:
a Lưu lượng NH3 (mNH3, kg/h) tuần hoàn qua thiết bị
b Diện tích trao đổi nhiệt của TBNT?
c Nếu trong thời gian 6h thì lượng NH3 ngưng tụ được bao nhiêu?
Câu 2: (2,5 điểm)
Một thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm ngược dòng dùng để làm lạnh rượu Êtylic (C2H5OH) có nồng độ 75% và môi trường làm lạnh là nước (H2O) Êtylíc đi trong ống, nước đi ngoài ống
- Êtylic 75%: có lưu lượng tuần hoàn qua thiết bị làm lạnh là G’1 = 1800 kg/h, nhiệt dung riêng của C2H5OH nguyên chất là c’C2H5OH = 3,6833 kJ/(kg.K), nhiệt độ ban đầu của Êtylic vào thiết bị
là t’1 = 780C và sau khi làm lạnh ra khỏi thiết bị là t’2 = 300C (theo yêu cầu công nghệ)
- Nước : có nhiệt độ ban đầu vào thiết bị t2 = 200C, nhiệt độ ra khỏi thiết bị là t1(0C), lưu lượng tuần hoàn qua thiết bị G1 (kg/h)
- Thiết bị : có diện tích trao đổi nhiệt là F = 24m2, có hệ số truyền nhiệt tổng là K = 148,9 W/(m2.K)
a Vẽ sơ đồ mô tả thiết bị và đồ thị biến thiên nhiệt độ theo diện tích trao đổi nhiệt của thiết
bị Thiết lập tất cả các phương trình để tính toán cần bằng nhiệt cho thiết bị
b Tính gần đúng G1 và t1
Câu 3: (2,5 điểm)
Thiết bị cô đặc một nồi cô đặc nước ép trái cây (xem
hình 1) của một phân xưởng sản xuất với công suất
nhỏ Anh (chị) hãy giải quyết 2 vấn đề sau đây:
a Thiết lập phương trình cân bằng vật chất,
cần bằng nhiệt cho hệ thống cô đặc trên
b Xác định lượng hơi đốt (hơi nước ở trạng
thái bão hòa khô có nhiệt độ θ = thnbh = 1120C) tiêu tốn
trong quá trình cô đặc D (kg/s), lượng sản phẩm thu
được Gc (kg/h), diện tích trao đổi nhiệt của thiết bị F
(m2) Biết: năng suất thiết bị Gd = 1000 (kg/h), nồng
độ nước ép trái cây trước và sau cô đặc: xd = 30%, xc =
70%; nhiệt độ cô đặc: td = tc = ts = 900C; Qtt = 0,5kW; Qc = 0,8kW; ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước bão hòa là r = 522 + 0,0267.T kCal/kg, với T(0C) – là nhiệt độ hơi bão hòa; entalpy hơi thứ bay ra là h2 = 2844,52 kJ/kg; hệ số truyền nhiệt của thiết bị là K = 126 W/(m2.K), độ chênh lệch nhiệt độ: ∆t = (thnbh
– tc) – (∆’ + ∆’’ + ∆’’’) = (thnbh – tc) – Σ∆, với: Σ∆ = (2 ÷ 3)0C
Câu 4: (2,5 điểm)
Hình 1 Sơ đồ thiết bị cô đặc một nồi
Gc, Cc, tc, xc
W, h2
Gd, Cd, td, xd
D, C, θ
D, h1
Qtt
Qc
Trang 2Một kho lạnh bảo quản các sản phẩm lạnh đông, có phụ tải lạnh Q0 = 35kW, nhiệt độ yêu cầu của buồng lạnh cần phải duy trì tbl = (-20 ÷ -24)0C, nhiệt độ môi trường làm mát cho thiết bị ngưng tụ là tmt
= 350C, hệ thống lạnh chạy cho kho lạnh sử dụng môi chất lạnh R502
a Hãy xây dựng đồ thị nhiệt động P – h; T – S của chu trình lạnh của kho lạnh
b. Tính công của máy nén lạnh, nhiệt thải ở thiết bị ngưng tụ, hệ số làm lạnh của chu trình và hiệu suất sử dụng năng lượng, công suất động cơ lắp đặt cho máy nén
Ghi chú: Cán bộ coi thi không được giải thích đề thi
Chuẩn đầu ra của học phần (về kiến thức) Nội dung kiểm tra
[CĐR 1.1; 1.2; 1.3]: Kiến thức và lập luận kỹ thuật
[CĐR 2.1; 2.2]: Khả năng phân tích, giải thích và lập luận giải quyết
các vấn đề kỹ thuật truyền nhiệt trong CNTP; Kỹ năng tính toán thiết
kế các hệ thống truyền nhiệt ứng dụng trong công nghệ thực phẩm
[CĐR 3.3]: Kỹ năng đọc hiểu các tài liệu kỹ thuật bằng tiếng Anh
[CĐR 4.3; 4.4; 4.5; 4.6]: có khả năng thiết kế, triển khai và vận hành
Câu 1
[CĐR 1.1; 1.2; 1.3]: Kiến thức và lập luận kỹ thuật
[CĐR 2.1; 2.2]: Khả năng phân tích, giải thích và lập luận giải quyết
các vấn đề kỹ thuật truyền nhiệt trong CNTP; Kỹ năng tính toán thiết
kế các hệ thống truyền nhiệt ứng dụng trong công nghệ thực phẩm
[CĐR 3.3]: Kỹ năng đọc hiểu các tài liệu kỹ thuật bằng tiếng Anh
[CĐR 4.3; 4.4; 4.5; 4.6]: có khả năng thiết kế, triển khai và vận hành
Câu 2
[CĐR 2.1]: Khả năng phân tích, giải thích và lập luận giải quyết các
vấn đề
[CĐR 2.1; 2.2]: Khả năng phân tích, giải thích và lập luận giải quyết
các vấn đề kỹ thuật truyền nhiệt trong CNTP; Kỹ năng tính toán thiết
kế các hệ thống truyền nhiệt ứng dụng trong công nghệ thực phẩm
[CĐR 3.3]: Kỹ năng đọc hiểu các tài liệu kỹ thuật bằng tiếng Anh
Câu 3
[CĐR 2.1]: Khả năng phân tích, giải thích và lập luận giải quyết các
vấn đề
[CĐR 2.1; 2.2]: Khả năng phân tích, giải thích và lập luận giải quyết
các vấn đề kỹ thuật truyền nhiệt trong CNTP; Kỹ năng tính toán thiết
kế các hệ thống truyền nhiệt ứng dụng trong công nghệ thực phẩm
[CĐR 3.3]: Kỹ năng đọc hiểu các tài liệu kỹ thuật bằng tiếng Anh
Câu 4
Ngày 28 tháng 05 năm 2015
Thông qua bộ môn
(ký và ghi rõ họ tên)
Trang 3ĐÁP ÁN ĐỀ 1
Câu 1: (2.5 điểm)
Một thiết bị ngưng tụ (TBNT) khí NH3 có nhiệt độ 700C ở áp suất P = 12bar (điều kiện ngưng tụ đẳng áp) làm mát bằng nước Biết: nhiệt độ nước vào và ra khỏi TBNT biến thiên từ 200C đến 250C, lưu lượng nước vào làm mát là Gn = 1200kg/h; nhiệt dung riêng của nước là cn = 4,12975 + 0,0025.T kJ/(kg.K), với T(0C) - là nhiệt độ của nước; hệ số truyền nhiệt của TBNT là K = 148,5 W/(m2.K) Hãy xác định:
d Lưu lượng NH3 (mNH3, kg/h) tuần hoàn qua thiết bị
e Diện tích trao đổi nhiệt của TBNT?
f Nếu trong thời gian 6h thì lượng NH3 ngưng tụ được bao nhiêu?
Giải
+) Từ điều kiện t1 = 700C (hơi quá nhiệt) và ngưng tự ở áp suất P = 12bar, tra bảng sẽ tìm được h1, h2, h3 và tk (12: quá trình làm nguội; 23: quá trình ngưng tụ)
+) Mấu chốt bài này là tính giá trị trung bình của nhiệt dung riêng của nước từ Tv = 20 0 C đến T r = 25 0 C, nếu không tính được thì xem như lời giải của các câu sau sai hết
r
v
T n
4,12975 0, 0025
1
T
=
Phương trình cân bằng năng lượng: Q = Gn.cn.(tr – tv) = GNH3.(h1 – h3) = Q1 + Q2
Với: Q1 = Gn.cn.(tx – tv) = GNH3.(h1 – h2): nhiệt thải ra ở quá trình 12, tìm được tx
Q2 = Gn.cn.(ty – tx) = GNH3.(h2 – h3): nhiệt thải ra ở quá trình 23, tìm được ty
Vậy lưu lượng NH3 qua thiết bị: n n ( r v)
NH3
G c t t G
−
=
Trường hợp xuôi dòng: ( 1 v) ( k x)
tb1
1 v
t
ln
−
; F1 = 1
tb1
Q
K t∆ m
2
tb2
t
ln
−
; F2 = 1
tb2
Q
K t∆ m
2
Trường hợp ngược dòng: ( 1 r) ( k x)
tb1
1 r
t
ln
−
; F1 = 1
tb1
Q
K t∆ m
2
tb2
t
ln
−
; F2 = 1
tb2
Q
K t∆ m
2
Diện tích trao đổi nhiệt: F = F1 + F2 (m2)
Lượng NH3 ngưng tụ: MNH3 = GNH3.τ
Câu 2: (2,5 điểm)
Trang 4Một thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm ngược dòng dùng để làm lạnh rượu Êtylic (C2H5OH) có nồng độ 75% và môi trường làm lạnh là nước (H2O) Êtylíc đi trong ống, nước đi ngoài ống
- Êtylic 75%: có lưu lượng tuần hoàn qua thiết bị làm lạnh là G’1 = 1800 kg/h, nhiệt dung riêng của C2H5OH nguyên chất là c’C2H5OH = 3,6833 kJ/(kg.K), nhiệt độ ban đầu của Êtylic vào thiết bị
là t’1 = 780C và sau khi làm lạnh ra khỏi thiết bị là t’2 = 300C (theo yêu cầu công nghệ)
- Nước : có nhiệt độ ban đầu vào thiết bị t2 = 200C, nhiệt độ ra khỏi thiết bị là t1(0C), lưu lượng tuần hoàn qua thiết bị G1 (kg/h)
- Thiết bị : có diện tích trao đổi nhiệt là F = 24m2, có hệ số truyền nhiệt tổng là K = 148,9 W/(m2.K)
c Vẽ sơ đồ mô tả thiết bị và đồ thị biến thiên nhiệt độ theo diện tích trao đổi nhiệt của thiết
bị Thiết lập tất cả các phương trình để tính toán cần bằng nhiệt cho thiết bị
d Tính gần đúng G1 và t1
Giải
Mấu chốt bài này là tính giá trị trung bình của nhiệt dung riêng của hỗn hợp rượu có nồng
độ 75%, nếu không tính được thì xem như lời giải của các câu sau sai hết
Nhiệt dung riêng cp1 của hỗn hợp rượu êtylic – nước có nồng độ 75% được xác định như sau:
c =c ' X c+ 1 X− Với: cH2O = 4,186 kJ/(kg.K); X = 75% = 0,75
Sau khi tính xong sẽ tiến hành làm các bước sau:
1) Vẽ sơ đồ mô tả thiết bị và đồ thị biến thiên nhiệt độ theo diện tích trao đổi nhiệt của thiết
bị Thiết lập tất cả các phương trình để tính toán cần bằng nhiệt cho thiết bị (như mô tả ở trong sách)
2) Tính gần đúng G1 và t1
Phương trình cân bằng năng lượng: Q = G1.cp1.(t1 – t2) = G2.cp2.(t2’ – t1’) = K.F.∆ttb Trường hợp ngược dòng:
tb
1 2
2 1
1 p1 1 2
p2
G c t – t t t ' t t ' t
t t ' K.F
ln
t t '
G c t – t
G t ’ – t ’
c
giải hệ phương trình này tìm được t2’ và G2
Trường hợp xuôi dòng:
tb
1 1
2 2
1 p1 1 2
p2
G c t – t t t ' t t ' t
t t ' K.F
ln
t t '
G c t – t
G t ’ – t ’
c
−
giải hệ phương trình này tìm được t2’ và G2
Việc tính toán không bàn, tính sai sẽ không có điểm
Câu 3: (2,5 điểm)
Thiết bị cô đặc một nồi cô đặc nước ép trái cây (xem hình 1) của một phân xưởng sản xuất với công
suất nhỏ Anh (chị) hãy giải quyết 2 vấn đề sau đây:
c Thiết lập phương trình cân bằng vật chất, cần bằng nhiệt cho hệ thống cô đặc trên
Trang 5d Xác định lượng hơi đốt (hơi nước ở trạng
thái bão hòa khô có nhiệt độ θ = thnbh = 1120C) tiêu tốn
trong quá trình cô đặc D (kg/s), lượng sản phẩm thu
được Gc (kg/h), diện tích trao đổi nhiệt của thiết bị F
(m2) Biết: năng suất thiết bị Gd = 1000 (kg/h), nồng độ
nước ép trái cây trước và sau cô đặc: xd = 30%, xc =
70%; nhiệt độ cô đặc: td = tc = ts = 900C; Qtt = 0,5kW; Qc
= 0,8kW; ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước bão hòa là r =
522 + 0,0267.T kCal/kg, với T(0C) – là nhiệt độ hơi bão
hòa; entalpy hơi thứ bay ra là h2 = 2844,52 kJ/kg; hệ số
truyền nhiệt của thiết bị là K = 126 W/(m2.K), độ chênh
lệch nhiệt độ: ∆t = (thnbh – tc) – (∆’ + ∆’’ + ∆’’’) = (thnbh –
tc) – Σ∆, với: Σ∆ = (2 ÷ 3)0C
Giải
Mấu chốt bài này là tính giá trị ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước bão hòa, nếu không tính được thì xem như lời giải của các câu sau sai hết
Ở nhiệt độ T = 1120
C thì ẩn nhiệt ngưng tụ được xác định như sau:
r = 522 + 0,0267.T = 522 + 0,0267.(112) = 525 kCal/kg = 2197,61 kJ/kg
Sau đó tiến hành tính theo các bước sau:
+) Lượng sản phẩm: Gc = Gd.xd/xc ⇒ W = Gd – Gc kg/h
+) Lượng hơi đốt cần thiết:
D
r
+) Chọn Σ∆ = (2 ÷ 3)0
C = 30C; ∆t = (thnbh – tc) – (∆’ + ∆’’ + ∆’’’) = (thnbh – tc) – Σ∆
+) Diện tích trao đổi nhiệt: F Q D.r
K t K t
Câu 4: (2,5 điểm)
Một kho lạnh bảo quản các sản phẩm lạnh đông, có phụ tải lạnh Q0 = 35kW, nhiệt độ yêu cầu của buồng lạnh cần phải duy trì tbl = (-20 ÷ -24)0C, nhiệt độ môi trường làm mát cho thiết bị ngưng tụ là tmt
= 350C, hệ thống lạnh chạy cho kho lạnh sử dụng môi chất lạnh R502
c Hãy xây dựng đồ thị nhiệt động P – h; T – S của chu trình lạnh của kho lạnh
d. Tính công của máy nén lạnh, nhiệt thải ở thiết bị ngưng tụ, hệ số làm lạnh của chu trình và hiệu suất sử dụng năng lượng, công suất động cơ lắp đặt cho máy nén
Giải:
Giải bài này tư tượng như giải bài tập mẫu mà Thầy đã giải cho các bạn ở trên lớp Tuy nhiên, kết quả có thể sai do kỹ năng và sự hiểu biết về cách tra cứu đồ thị nhiệt động của môi chất lạnh R502.
Bước 1: Xây dựng đồ thị nhiệt động lgP – h; T – S của chu trình lạnh của kho lạnh.
+ Chọn nhiệt độ bay hơi: t0 = tbl - ∆t = -22 – 3 = -250C, tra bảng hay đồ thì R502 sẽ tìm được
P0
+ Chọn nhiệt độ ngưng tụ: tk = tmt + ∆t = 35 + 3 = 380C, tra bảng hay đồ thì R502 sẽ tìm được
Pk
+ Kiểm tra tỉ số nén: β = Pk/P0 < 9 nên sử dụng hệ thống lạnh một cấp nén với chu trình khô + Tra bảng xác định các thông số trạng thái: (1), (2), (3), (4) như trên đồ thị P – h, T – S như sau:
Hình 1 Sơ đồ thiết bị cô đặc một nồi
Gc, Cc, tc, xc
W, h2
Gd, Cd, td, xd
D, C, θ
D, h1
Qtt
Qc
Trang 61 Tính cơng của máy nén lạnh, nhiệt thải ở thiết bị ngưng tụ, hệ số làm lạnh của chu trình và hiệu suất sử dụng năng lượng, cơng suất động cơ lắp đặt cho máy nén
Bước 2: Xác định lưu lượng môi chất lạnh tuần hoàn qua hệ thống
tt
m
− , kg/s
Trong đó: (1) - trạng thái hơi môi chất lạnh sau khi ra khỏi thiết bị bay hơi; (4) - trạng thái môi chất sau khi qua van tiết lưu đưa vào thiết bị bay hơi (dàn lạnh); mtt (kg/s) – lưu lượng thực tế mơi chất lạnh tuần hồn qua máy nén
Bước 3: Thể tích hút thực tế của Xylanh máy nén V tt (m 3 /s)
Vtt = mtt v1, m3/s Trong đó: v1 (m3/kg) - thể tích riêng của hơi môi chất lạnh ở trạng thái (1) bắt đầu vào máy nén
Bước 4: Năng suất hút của máy nén λmn
λmn = λi.λw’
Trong đó: λmn - năng suất hút của máy nén; λi - hệ số chỉ thị thể tích; λw’ - hệ số tổn thất
do tăng nhiệt độ
Với:
1/n
i
C
Trong đó: C = (0,03 ÷ 0,05) - hệ số không gian có hại; ∆Pk = (0,039 ÷ 0,059) kg/cm2 - tổn thất áp suất ở phần cao áp; ∆P0 = (0,039 ÷ 0,059) kg/cm2 - tổn thất áp suất ở phần thấp áp; n = (0,95 ÷ 1,25) - số mũ đa biến hay đoạn nhiệt
W '
+
+
Trong đó: T0 – nhiệt độ bay hơi của môi chất lạnh; Tk – nhiệt độ ngưng tụ của môi chất lạnh
Bước 5: Thể tích hút lý thuyết của máy nén V lt ( m 3 /s)
Vtt = λmn.Vlt ⇒ Vlt =Vtt /λmn Đây là cơ sở tính toán chọn máy nén có số xylanh, đường kính piston khi lắp đặt:
) 1 (
1
=
x
0
=
x
) 2 ( )
3 (
) 4 (
P
lg
) 1 (
) 2 ( )
3 (
) ' 4
(
0
=
x
T
K
q
0
q
0
P
0
T
K
P
1
4
' 2
S
3
) ' 2 ( (1') )
4 (
4
) ' 2 (
K
T
0
T
1
=
x
Trang 72 lt
.d
4
π
Với: d (m) - đường kính piston; n (vòng/s) - số vòng quay của trục chính; z - số xylanh của máy nén; s (m) - hành trình chuyển động của piston
Bước 6: Công suất nén đoạn nhiệt N s ( kW)
Ns = mtt.l = mtt.(h2 - h1), kW
Bước 7: Công suất nén chỉ thị của máy nén N i (kW)
s i i
N
η
Trong đó: ηi – là hiệu suất nén chỉ thị
ηi = λW’ + b.t0
b - là hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào môi chất lạnh; t0 - nhiệt độ bay hơi của dàn lạnh
Bước 8: Công suất ma sát N ms (kW)
Nms = Pms.Vtt Với: Pms = (39.103÷ 59.103) N/m2 - sự tổn thất do ma sát sinh ra
Bước 9: Công hữu ích của máy nén N e (kW)
Ne = Nms + Ni
Bước 10: Công suất tiếp điện cho động cơ N el (kW)
e el
td el
N N
=
Trong đó: ηtd = (0,85 – 0,98)– hiệu suất truyền động; ηel = (0,92 – 1,0) – hiệu suất của động cơ
Bước 11: Công suất động cơ cần lắp đặt cho hệ thống lạnh N đc (kW)
Nđc = β.Nel Trong đó: β = (1,1 – 1,15) - hệ số an toàn của động cơ
Đây chính là công suất động cơ cần chọn để lắp đặt cho máy nén
Tính tốn thiết bị ngưng tụ (dàn ngưng) và thiết bị bay hơi (dàn lạnh) của hệ thống lạnh một cấp nén
Nhiệt tải thiết bị bay hơi chính là phụ tải lạnh:
Q0 = Qomn, kW Nhiệt tải thiết bị ngưng tụ được xác định:
Qk = mtt qk = mtt.(h2 –h3) + (Ni – Ns)