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 = 0,1750 mmألواح الجبس, k = 0,1750 mm22 °C-14 °CTi​ = ?Q̇

جدار مكوّن من 50 mm من الخشب و 50 mm من ألواح الجبس، ومساحته 8 m². الوجهان الخارجيان عند 22 °C و -14 °C. أوجد درجة الحرارة Ti عند السطح الفاصل بين الطبقتين.

L1 = 50 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 8 m²T1 = 22 °CT3 = -14 °C
Ti = °C
2.التوصيل الحراريصعبة
الزجاج, k = 0,96200 mmالبوليسترين الممدّد, k = 0,03575 mmالغرفة 21 °Cالخارج -3 °CQ̇

جدار من 200 mm الزجاج و 75 mm البوليسترين الممدّد يفصل غرفة عند 21 °C عن الهواء الخارجي عند -3 °C. معاملا الحمل 6 W/(m²·K) في الداخل و 20 W/(m²·K) في الخارج، ومساحة الجدار 4 m². أوجد معامل انتقال الحرارة الكلي U للجدار.

L1 = 200 mm, k1 = 0,96 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,035 W/(m·K)A = 4 m²hi = 6 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -3 °C
U = W/(m²·K)
3.المبادلات الحرارية (LMTD)متوسطة
الطولT80 °C65 °C25 °C35 °CΔT₁ΔT₂جريان متوازٍ

ينقل مبادل حراري متوازي الجريان 150 kW. يبرد المائع الساخن من 80 إلى 65 °C ويسخن المائع البارد من 25 إلى 35 °C. معامل انتقال الحرارة الكلي 200 W/(m²·K). أوجد مساحة انتقال الحرارة المطلوبة A.

Q̇ = 150 kWU = 200 W/(m²·K)Th: 80 → 65 °CTc: 25 → 35 °C
A = m²
4.المبادلات الحرارية (LMTD)صعبة
الطولT140 °C25 °C?ΔT₁ΔT₂بخار يتكاثف

يتكاثف البخار عند درجة ثابتة 140 °C على السطح الخارجي لأنابيب مكثّف مساحة انتقال الحرارة فيه 1 m² و U = 2500 W/(m²·K). يدخل ماء التبريد (1 kg/s، cp = 4,18 kJ/(kg·K)) الأنابيب عند 25 °C. أوجد درجة حرارة الماء الخارج Tc,out.

Ts = 140 °CA = 1 m²U = 2500 W/(m²·K)ṁ = 1 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 25 °C
Tc,out = °C

3المحاليل

1.التوصيل الحراري

الإجابة: Ti = 4 °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 الطبقات

R1 = L1/(k1A) = (50/1000)/(0,17·8) = 0,03676 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,17·8) = 0,03676 K/W

التدفّق الحراري

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 36/0,07353 = 489,6 W

درجة حرارة السطح الفاصل

تنخفض درجة الحرارة عبر الطبقة الأولى بمقدار Q̇·R₁.

Ti = T1 − Q̇·R1 = 22 − 489,6·0,03676 = 4 °C

الإجابة

Ti = 4 °C
2.التوصيل الحراري

الإجابة: U = 0,3894 W/(m²·K)

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/(6·4) = 0,04167 K/W
R1 = L1/(k1A) = (200/1000)/(0,96·4) = 0,05208 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,035·4) = 0,5357 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·4) = 0,0125 K/W
ΣR = 0,642 K/W

المعامل الكلي

U = 1/(A·ΣR) = 1/(4·0,642) = 0,3894 W/(m²·K)

الإجابة

U = 0,3894 W/(m²·K)
3.المبادلات الحرارية (LMTD)

الإجابة: A = 18,18 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 = 80 − 25 = 55 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 65 − 35 = 30 K

الفرق اللوغاريتمي المتوسط لدرجة الحرارة

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (55 − 30)/ln(55/30) = 41,24 K

المساحة

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 150000/(200·41,24) = 18,18 m²

الإجابة

A = 18,18 m²
4.المبادلات الحرارية (LMTD)

الإجابة: Tc,out = 76,77 °C

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.

ادمج موازنة الطاقة ومعادلة المعدّل

مع ΔT₁ = Ts − Tc,in و ΔT₂ = Ts − Tc,out، يساوي الفرق ΔT₁ − ΔT₂ ارتفاعَ درجة حرارة الماء، لذا يُختصر الارتفاع.

ṁcp(ΔT₁ − ΔT₂) = U·A·(ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂)
ln(ΔT₁/ΔT₂) = U·A/(ṁcp) = 2500·1/(1·4180) = 0,5981

درجة حرارة الخروج

ΔT₂ = ΔT₁·e−0,5981 = 115·0,5499 = 63,23 K
Tc,out = 140 − 63,23 = 76,77 °C

الإجابة

Tc,out = 76,77 °C

الحرارة المنقولة: Q̇ = 216,4 kW.

ExamProblems · examproblems.com/courses/heat-transfer