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
الصوف المعدني, k = 0,04250 mmالزجاج, k = 0,96150 mm25 °C-2 °CQ̇ = ?

جدار مكوّن من 250 mm من الصوف المعدني و 150 mm من الزجاج، ومساحته 8 m². الوجهان الخارجيان عند 25 °C و -2 °C. أوجد التدفّق الحراري Q̇ عبر الجدار.

L1 = 250 mm, k1 = 0,04 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 8 m²T1 = 25 °CT3 = -2 °C
Q̇ = W
2.التوصيل الحراريصعبة
البوليسترين الممدّد, k = 0,035100 mmالخرسانة, k = 1,425 mmالغرفة 20 °Cالخارج -3 °CTs​ = ?Q̇

جدار من 100 mm البوليسترين الممدّد و 25 mm الخرسانة يفصل غرفة عند 20 °C عن الهواء الخارجي عند -3 °C. معاملا الحمل 8 W/(m²·K) في الداخل و 30 W/(m²·K) في الخارج، ومساحة الجدار 20 m². أوجد درجة حرارة Ts السطح الداخلي للجدار.

L1 = 100 mm, k1 = 0,035 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 1,4 W/(m·K)A = 20 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -3 °C
Ts = °C
3.المبادلات الحرارية (LMTD)متوسطة
الطولT155 °C120 °C20 °C45 °CΔT₁ΔT₂جريان متوازٍ

مبادل حراري متوازي الجريان ينقل 500 kW. مساحة انتقال الحرارة فيه 8 m². يبرد المائع الساخن من 155 إلى 120 °C ويسخن المائع البارد من 20 إلى 45 °C. أوجد معامل انتقال الحرارة الكلي U.

Q̇ = 500 kWA = 8 m²Th: 155 → 120 °CTc: 20 → 45 °C
U = W/(m²·K)
4.المبادلات الحرارية (LMTD)صعبة
الطولT105 °C45 °C68,83 °C15 °CΔT₁ΔT₂جريان متعاكس

يبرد زيت ساخن (1,5 kg/s، cp = 2,5 kJ/(kg·K)) من 105 إلى 45 °C في مبادل متعاكس الجريان. وهو يسخّن 1 kg/s من الماء (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) الداخل عند 15 °C. مع U = 200 W/(m²·K)، أوجد مساحة انتقال الحرارة المطلوبة A.

ṁh = 1,5 kg/scp,h = 2,5 kJ/(kg·K)Th: 105 → 45 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 15 °CU = 200 W/(m²·K)
A = m²

3المحاليل

1.التوصيل الحراري

الإجابة: Q̇ = 33,72 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) = (250/1000)/(0,04·8) = 0,7813 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,96·8) = 0,01953 K/W

التدفّق الحراري

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 27/0,8008 = 33,72 W

الإجابة

Q̇ = 33,72 W
2.التوصيل الحراري

الإجابة: Ts = 19,05 °C

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/(8·20) = 0,00625 K/W
R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(0,035·20) = 0,1429 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(1,4·20) = 0,0008929 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·20) = 0,001667 K/W
ΣR = 0,1517 K/W

الفقد الحراري

Q̇ = (20 − (-3))/0,1517 = 151,6 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 20 − 151,6·0,00625 = 19,05 °C

الإجابة

Ts = 19,05 °C
3.المبادلات الحرارية (LMTD)

الإجابة: U = 612,3 W/(m²·K)

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

فروق درجة الحرارة عند الطرفين

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

ΔT₁ = Th,in − Tc,in = 155 − 20 = 135 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 120 − 45 = 75 K

الفرق اللوغاريتمي المتوسط لدرجة الحرارة

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (135 − 75)/ln(135/75) = 102,1 K

المعامل الكلي

U = Q̇/(A·ΔTlm) = 500000/(8·102,1) = 612,3 W/(m²·K)

الإجابة

U = 612,3 W/(m²·K)
4.المبادلات الحرارية (LMTD)

الإجابة: A = 34,1 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) = 1,5·2,5·60 = 225 kW
Tc,out = 15 + 225/(1·4,18) = 68,83 °C

فروق درجة الحرارة عند الطرفين

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

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 105 − 68,83 = 36,17 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 45 − 15 = 30 K

الفرق اللوغاريتمي المتوسط لدرجة الحرارة

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (36,17 − 30)/ln(36,17/30) = 32,99 K

المساحة

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 225000/(200·32,99) = 34,1 m²

الإجابة

A = 34,1 m²

ExamProblems · examproblems.com/courses/heat-transfer