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
الخشب, k = 0,17150 mmالخرسانة, k = 1,4150 mm16 °C-11 °CQ̇ = ?

جدار مكوّن من 150 mm من الخشب و 150 mm من الخرسانة، ومساحته 10 m². الوجهان الخارجيان عند 16 °C و -11 °C. أوجد التدفّق الحراري Q̇ عبر الجدار.

L1 = 150 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 1,4 W/(m·K)A = 10 m²T1 = 16 °CT3 = -11 °C
Q̇ = W
2.التوصيل الحراريصعبة
الخرسانة, k = 1,4200 mmالخشب, k = 0,17100 mmالغرفة 21 °Cالخارج -10 °CTs​ = ?Q̇

جدار من 200 mm الخرسانة و 100 mm الخشب يفصل غرفة عند 21 °C عن الهواء الخارجي عند -10 °C. معاملا الحمل 6 W/(m²·K) في الداخل و 20 W/(m²·K) في الخارج، ومساحة الجدار 12 m². أوجد درجة حرارة Ts السطح الداخلي للجدار.

L1 = 200 mm, k1 = 1,4 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 12 m²hi = 6 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -10 °C
Ts = °C
3.المبادلات الحرارية (LMTD)متوسطة
الطولT145 °C120 °C75 °C10 °CΔT₁ΔT₂جريان متعاكس

ينقل مبادل حراري متعاكس الجريان 80 kW. يبرد المائع الساخن من 145 إلى 120 °C ويسخن المائع البارد من 10 إلى 75 °C. معامل انتقال الحرارة الكلي 800 W/(m²·K). أوجد مساحة انتقال الحرارة المطلوبة A.

Q̇ = 80 kWU = 800 W/(m²·K)Th: 145 → 120 °CTc: 10 → 75 °C
A = m²
4.المبادلات الحرارية (LMTD)صعبة
الطولT160 °C120 °C37,01 °C15 °CΔT₁ΔT₂جريان متعاكس

يبرد زيت ساخن (2 kg/s، cp = 2,3 kJ/(kg·K)) من 160 إلى 120 °C في مبادل متعاكس الجريان. وهو يسخّن 2 kg/s من الماء (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) الداخل عند 15 °C. مع U = 1500 W/(m²·K)، أوجد مساحة انتقال الحرارة المطلوبة A.

ṁh = 2 kg/scp,h = 2,3 kJ/(kg·K)Th: 160 → 120 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 15 °CU = 1500 W/(m²·K)
A = m²

3المحاليل

1.التوصيل الحراري

الإجابة: Q̇ = 272,9 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)/(0,17·10) = 0,08824 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(1,4·10) = 0,01071 K/W

التدفّق الحراري

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 27/0,09895 = 272,9 W

الإجابة

Q̇ = 272,9 W
2.التوصيل الحراري

الإجابة: Ts = 15,55 °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/(6·12) = 0,01389 K/W
R1 = L1/(k1A) = (200/1000)/(1,4·12) = 0,0119 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,17·12) = 0,04902 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·12) = 0,004167 K/W
ΣR = 0,07898 K/W

الفقد الحراري

Q̇ = (21 − (-10))/0,07898 = 392,5 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 21 − 392,5·0,01389 = 15,55 °C

الإجابة

Ts = 15,55 °C
3.المبادلات الحرارية (LMTD)

الإجابة: A = 1,13 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 المتعاكس يقابل مدخل الساخن مخرج البارد، ويقابل مخرج الساخن مدخل البارد.

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 145 − 75 = 70 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 120 − 10 = 110 K

الفرق اللوغاريتمي المتوسط لدرجة الحرارة

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (70 − 110)/ln(70/110) = 88,5 K

المساحة

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 80000/(800·88,5) = 1,13 m²

الإجابة

A = 1,13 m²
4.المبادلات الحرارية (LMTD)

الإجابة: A = 1,078 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) = 2·2,3·40 = 184 kW
Tc,out = 15 + 184/(2·4,18) = 37,01 °C

فروق درجة الحرارة عند الطرفين

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

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 160 − 37,01 = 123 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 120 − 15 = 105 K

الفرق اللوغاريتمي المتوسط لدرجة الحرارة

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (123 − 105)/ln(123/105) = 113,8 K

المساحة

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 184000/(1500·113,8) = 1,078 m²

الإجابة

A = 1,078 m²

ExamProblems · examproblems.com/courses/heat-transfer