ऊष्मा चालन
- फ़ूरिये नियम
- Q̇ = kAΔT/L
- चालन प्रतिरोध
- R = L/(kA)
- संवहन प्रतिरोध
- R = 1/(hA)
- श्रेणी प्रतिरोध
- Q̇ = ΔTtotal/ΣR
- U-मान
- U = 1/(ΣR·A)
ऊष्मा अंतरण: क्रैम पैक
सूत्र-पत्रक, हर विषय के मुख्य विधि-चरण और 4 अभ्यास प्रश्न, पूरे हल पीछे दिए गए हैं।
1सूत्र और विधियाँ
ऊष्मा विनिमयक (LMTD)
- ऊष्मा भार
- Q = U·A·ΔTlm
- लघुगणकीय माध्य तापमान अंतर
- ΔTlm = (ΔT1 − ΔT2)/ln(ΔT1/ΔT2)
- धारा संतुलन
- Q = ṁcp(Tin − Tout)
2अभ्यास प्रश्न
1.ऊष्मा चालनमध्यम
एक दीवार ईंट की 150 mm और लकड़ी की 75 mm परत से बनी है, क्षेत्रफल 4 m²। बाहरी फलक 21 °C और -1 °C पर हैं। दोनों परतों के अंतरापृष्ठ पर तापमान Ti ज्ञात कीजिए।
L1 = 150 mm, k1 = 0.72 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0.17 W/(m·K)A = 4 m²T1 = 21 °CT3 = -1 °C
Ti = °C
2.ऊष्मा चालनकठिन
150 mm लकड़ी और 75 mm काँच की दीवार 22 °C वाले कमरे को -8 °C वाली बाहरी हवा से अलग करती है। संवहन गुणांक अंदर 7.7 W/(m²·K) और बाहर 30 W/(m²·K) हैं, और दीवार का क्षेत्रफल 6 m² है। दीवार से ऊष्मा हानि Q̇ ज्ञात कीजिए।
L1 = 150 mm, k1 = 0.17 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0.96 W/(m·K)A = 6 m²hi = 7.7 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = -8 °C
Q̇ = W
3.ऊष्मा विनिमयक (LMTD)मध्यम
एक समांतर-प्रवाह ऊष्मा विनिमयक 200 kW स्थानांतरित करता है। इसका ऊष्मा अंतरण क्षेत्रफल 2.5 m² है। गर्म तरल 145 से 45 °C तक ठंडा होता है और ठंडा तरल 25 से 35 °C तक गर्म होता है। समग्र ऊष्मा अंतरण गुणांक U ज्ञात कीजिए।
Q̇ = 200 kWA = 2.5 m²Th: 145 → 45 °CTc: 25 → 35 °C
U = W/(m²·K)
4.ऊष्मा विनिमयक (LMTD)कठिन
8 m² ऊष्मा अंतरण क्षेत्रफल और U = 1000 W/(m²·K) वाले एक संघनित्र की नलियों के बाहर भाप स्थिर 110 °C पर संघनित होती है। ठंडा करने वाला पानी (3 kg/s, cp = 4.18 kJ/(kg·K)) 20 °C पर नलियों में प्रवेश करता है। पानी का निर्गम तापमान Tc,out ज्ञात कीजिए।
Ts = 110 °CA = 8 m²U = 1000 W/(m²·K)ṁ = 3 kg/scp = 4.18 kJ/(kg·K)Tc,in = 20 °C
Tc,out = °C
3विलयन
1.ऊष्मा चालन
उत्तर: Ti = 13.94 °C
तापीय प्रतिरोध: श्रेणी परतों से स्थिर ऊष्मा प्रवाह श्रेणी प्रतिरोधकों में धारा जैसा व्यवहार करता है: Q̇ = ΔT/ΣR, चालक परत के लिए R = L/(kA) और संवहन सतह के लिए R = 1/(hA)। हर परत पर तापमान पात उसके प्रतिरोध के अनुपात में होता है।
परत प्रतिरोध
R1 = L1/(k1A) = (150/1000)/(0.72·4) = 0.05208 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0.17·4) = 0.1103 K/W
ऊष्मा प्रवाह
Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 22/0.1624 = 135.5 W
अंतरापृष्ठ तापमान
पहली परत में तापमान Q̇·R₁ घटता है।
Ti = T1 − Q̇·R1 = 21 − 135.5·0.05208 = 13.94 °C
उत्तर
Ti = 13.94 °C
2.ऊष्मा चालन
उत्तर: Q̇ = 160.2 W
तापीय प्रतिरोध: श्रेणी परतों से स्थिर ऊष्मा प्रवाह श्रेणी प्रतिरोधकों में धारा जैसा व्यवहार करता है: Q̇ = ΔT/ΣR, चालक परत के लिए R = L/(kA) और संवहन सतह के लिए R = 1/(hA)। हर परत पर तापमान पात उसके प्रतिरोध के अनुपात में होता है।
श्रेणी प्रतिरोध
Ri = 1/(hiA) = 1/(7.7·6) = 0.02165 K/W
R1 = L1/(k1A) = (150/1000)/(0.17·6) = 0.1471 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0.96·6) = 0.01302 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·6) = 0.005556 K/W
ΣR = 0.1873 K/W
ऊष्मा हानि
Q̇ = (22 − (-8))/0.1873 = 160.2 W
उत्तर
Q̇ = 160.2 W
3.ऊष्मा विनिमयक (LMTD)
उत्तर: U = 1807 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.
सिरों पर तापांतर
समांतर प्रवाह में दोनों इनलेट एक ही सिरे पर और दोनों आउटलेट दूसरे सिरे पर होते हैं।
ΔT₁ = Th,in − Tc,in = 145 − 25 = 120 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 45 − 35 = 10 K
लघुगणकीय माध्य तापांतर
ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (120 − 10)/ln(120/10) = 44.27 K
समग्र गुणांक
U = Q̇/(A·ΔTlm) = 200000/(2.5·44.27) = 1807 W/(m²·K)
उत्तर
U = 1807 W/(m²·K)
4.ऊष्मा विनिमयक (LMTD)
उत्तर: Tc,out = 62.45 °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.
ऊर्जा संतुलन और दर समीकरण को मिलाएँ
ΔT₁ = Ts − Tc,in और ΔT₂ = Ts − Tc,out के साथ, अंतर ΔT₁ − ΔT₂ पानी की तापमान वृद्धि के बराबर है, इसलिए वृद्धि कट जाती है।
ṁcp(ΔT₁ − ΔT₂) = U·A·(ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂)
ln(ΔT₁/ΔT₂) = U·A/(ṁcp) = 1000·8/(3·4180) = 0.638
निर्गम तापमान
ΔT₂ = ΔT₁·e−0.638 = 90·0.5284 = 47.55 K
Tc,out = 110 − 47.55 = 62.45 °C
उत्तर
Tc,out = 62.45 °C
स्थानांतरित ऊष्मा: Q̇ = 532.3 kW।
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