انتقال الحرارة: حزمة المراجعة المكثفة

أوراق القوانين، وأهم خطوات الحل لكل موضوع، و4 مسألة تدريبية، مع الحلول الكاملة في الخلف.

مسائل جديدةالعودة إلى المقرّر

في نافذة الطباعة اختر «حفظ بصيغة PDF» لحفظ نسخة على جهازك.

1القوانين وطرق الحل

التوصيل الحراري

قانون فورييه
Q̇ = kAΔT/L
مقاومة التوصيل الحراري
R = L/(kA)
مقاومة الحمل الحراري
R = 1/(hA)
مقاومات على التوالي
Q̇ = ΔTtotal/ΣR
قيمة U
U = 1/(ΣR·A)

المبادلات الحرارية (LMTD)

معدّل انتقال الحرارة
Q = U·A·ΔTlm
متوسط فرق درجات الحرارة اللوغاريتمي
ΔTlm = (ΔT1 − ΔT2)/ln(ΔT1/ΔT2)
موازنة التيارات
Q = ṁcp(Tin − Tout)

2مسائل تدريبية

1.التوصيل الحراريمتوسطة
البوليسترين الممدّد, k = 0,035150 mmالزجاج, k = 0,96100 mm16 °C-1 °CQ̇ = ?

جدار مكوّن من 150 mm من البوليسترين الممدّد و 100 mm من الزجاج، ومساحته 10 m². الوجهان الخارجيان عند 16 °C و -1 °C. أوجد التدفّق الحراري Q̇ عبر الجدار.

L1 = 150 mm, k1 = 0,035 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 10 m²T1 = 16 °CT3 = -1 °C
Q̇ = W
2.التوصيل الحراريصعبة
البوليسترين الممدّد, k = 0,03550 mmالزجاج, k = 0,9650 mmالغرفة 20 °Cالخارج -2 °CQ̇ = ?

جدار من 50 mm البوليسترين الممدّد و 50 mm الزجاج يفصل غرفة عند 20 °C عن الهواء الخارجي عند -2 °C. معاملا الحمل 7,7 W/(m²·K) في الداخل و 25 W/(m²·K) في الخارج، ومساحة الجدار 6 m². أوجد الفقد الحراري Q̇ عبر الجدار.

L1 = 50 mm, k1 = 0,035 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 6 m²hi = 7,7 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -2 °C
Q̇ = W
3.المبادلات الحرارية (LMTD)متوسطة
الطولT180 °C155 °C15 °C25 °CΔT₁ΔT₂جريان متوازٍ

ينقل مبادل حراري متوازي الجريان 230 kW. يبرد المائع الساخن من 180 إلى 155 °C ويسخن المائع البارد من 15 إلى 25 °C. معامل انتقال الحرارة الكلي 200 W/(m²·K). أوجد مساحة انتقال الحرارة المطلوبة A.

Q̇ = 230 kWU = 200 W/(m²·K)Th: 180 → 155 °CTc: 15 → 25 °C
A = m²
4.المبادلات الحرارية (LMTD)صعبة
الطولT125 °C55 °C33,96 °C20 °CΔT₁ΔT₂جريان متعاكس

يبرد زيت ساخن (0,5 kg/s، cp = 2,5 kJ/(kg·K)) من 125 إلى 55 °C في مبادل متعاكس الجريان. وهو يسخّن 1,5 kg/s من الماء (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) الداخل عند 20 °C. مع U = 200 W/(m²·K)، أوجد مساحة انتقال الحرارة المطلوبة A.

ṁh = 0,5 kg/scp,h = 2,5 kJ/(kg·K)Th: 125 → 55 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 20 °CU = 200 W/(m²·K)
A = m²

3المحاليل

1.التوصيل الحراري

الإجابة: Q̇ = 38,73 W

المقاومة الحرارية: يتصرّف التدفّق الحراري المستقر عبر طبقات متوالية كالتيار عبر مقاومات متوالية: Q̇ = ΔT/ΣR، مع R = L/(kA) لطبقة موصلة و R = 1/(hA) لسطح بالحمل. الهبوط في درجة الحرارة عبر كل طبقة يتناسب مع مقاومتها.

مقاومات الطبقات

R1 = L1/(k1A) = (150/1000)/(0,035·10) = 0,4286 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,96·10) = 0,01042 K/W

التدفّق الحراري

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 17/0,439 = 38,73 W

الإجابة

Q̇ = 38,73 W
2.التوصيل الحراري

الإجابة: Q̇ = 79,97 W

المقاومة الحرارية: يتصرّف التدفّق الحراري المستقر عبر طبقات متوالية كالتيار عبر مقاومات متوالية: Q̇ = ΔT/ΣR، مع R = L/(kA) لطبقة موصلة و R = 1/(hA) لسطح بالحمل. الهبوط في درجة الحرارة عبر كل طبقة يتناسب مع مقاومتها.

مقاومات على التوالي

Ri = 1/(hiA) = 1/(7,7·6) = 0,02165 K/W
R1 = L1/(k1A) = (50/1000)/(0,035·6) = 0,2381 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,96·6) = 0,008681 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·6) = 0,006667 K/W
ΣR = 0,2751 K/W

الفقد الحراري

Q̇ = (20 − (-2))/0,2751 = 79,97 W

الإجابة

Q̇ = 79,97 W
3.المبادلات الحرارية (LMTD)

الإجابة: A = 7,834 m²

طريقة LMTD: يتغيّر فرق درجة الحرارة بين التيارين على طول المبادل، لذا تستخدم معادلة المعدّل متوسطه اللوغاريتمي: Q̇ = U·A·ΔTlm، مع ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂)، حيث ΔT₁ و ΔT₂ الفرقان عند الطرفين. للدرجات نفسها عند الدخول والخروج، يعطي الجريان المتعاكس ΔTlm أكبر من الجريان المتوازي.

فروق درجة الحرارة عند الطرفين

في الجريان المتوازي يكون المدخلان عند الطرف نفسه، والمخرجان عند الطرف الآخر.

ΔT₁ = Th,in − Tc,in = 180 − 15 = 165 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 155 − 25 = 130 K

الفرق اللوغاريتمي المتوسط لدرجة الحرارة

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (165 − 130)/ln(165/130) = 146,8 K

المساحة

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 230000/(200·146,8) = 7,834 m²

الإجابة

A = 7,834 m²
4.المبادلات الحرارية (LMTD)

الإجابة: A = 7,463 m²

طريقة LMTD: يتغيّر فرق درجة الحرارة بين التيارين على طول المبادل، لذا تستخدم معادلة المعدّل متوسطه اللوغاريتمي: Q̇ = U·A·ΔTlm، مع ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂)، حيث ΔT₁ و ΔT₂ الفرقان عند الطرفين. للدرجات نفسها عند الدخول والخروج، يعطي الجريان المتعاكس ΔTlm أكبر من الجريان المتوازي.

الحمل الحراري ودرجة حرارة الماء الخارج

Q̇ = ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = 0,5·2,5·70 = 87,5 kW
Tc,out = 20 + 87,5/(1,5·4,18) = 33,96 °C

فروق درجة الحرارة عند الطرفين

في الجريان المتعاكس يقابل مدخل الساخن مخرج البارد، ويقابل مخرج الساخن مدخل البارد.

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 125 − 33,96 = 91,04 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 55 − 20 = 35 K

الفرق اللوغاريتمي المتوسط لدرجة الحرارة

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (91,04 − 35)/ln(91,04/35) = 58,62 K

المساحة

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 87500/(200·58,62) = 7,463 m²

الإجابة

A = 7,463 m²

ExamProblems · examproblems.com/courses/heat-transfer