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 खनिज ऊन की 150 mm और काँच की 150 mm परत से बनी है, क्षेत्रफल 12 m²। बाहरी फलक 21 °C और 7 °C पर हैं। दोनों परतों के अंतरापृष्ठ पर तापमान Ti ज्ञात कीजिए।
L1 = 150 mm, k1 = 0.04 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0.96 W/(m·K)A = 12 m²T1 = 21 °CT3 = 7 °C
Ti = °C
2.ऊष्मा चालनकठिन
100 mm काँच और 25 mm खनिज ऊन की दीवार 20 °C वाले कमरे को -6 °C वाली बाहरी हवा से अलग करती है। संवहन गुणांक अंदर 7.7 W/(m²·K) और बाहर 25 W/(m²·K) हैं, और दीवार का क्षेत्रफल 12 m² है। दीवार की भीतरी सतह का तापमान Ts ज्ञात कीजिए।
L1 = 100 mm, k1 = 0.96 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0.04 W/(m·K)A = 12 m²hi = 7.7 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -6 °C
Ts = °C
3.ऊष्मा विनिमयक (LMTD)मध्यम
एक समांतर-प्रवाह ऊष्मा विनिमयक 180 kW स्थानांतरित करता है। गर्म तरल 145 से 95 °C तक ठंडा होता है और ठंडा तरल 20 से 50 °C तक गर्म होता है। समग्र ऊष्मा अंतरण गुणांक 1000 W/(m²·K) है। आवश्यक ऊष्मा अंतरण क्षेत्रफल A ज्ञात कीजिए।
Q̇ = 180 kWU = 1000 W/(m²·K)Th: 145 → 95 °CTc: 20 → 50 °C
A = m²
4.ऊष्मा विनिमयक (LMTD)कठिन
एक समांतर-प्रवाह डबल-पाइप ऊष्मा विनिमयक में गर्म तेल (0.2 kg/s, cp = 2.5 kJ/(kg·K)) भीतरी नली में बहता है और 105 से 65 °C तक ठंडा होता है। वलयाकार स्थान में पानी (0.8 kg/s, cp = 4.18 kJ/(kg·K)) 20 °C पर प्रवेश करता है। भीतरी नली का व्यास 20 mm है, और U = 150 W/(m²·K) इसी व्यास पर आधारित है। आवश्यक नली लंबाई L ज्ञात कीजिए।
ṁh = 0.2 kg/scp,h = 2.5 kJ/(kg·K)Th: 105 → 65 °Cṁc = 0.8 kg/sTc,in = 20 °CD = 20 mmU = 150 W/(m²·K)
L = m
3विलयन
1.ऊष्मा चालन
उत्तर: Ti = 7.56 °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)/(0.04·12) = 0.3125 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0.96·12) = 0.01302 K/W
ऊष्मा प्रवाह
Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 14/0.3255 = 43.01 W
अंतरापृष्ठ तापमान
पहली परत में तापमान Q̇·R₁ घटता है।
Ti = T1 − Q̇·R1 = 21 − 43.01·0.3125 = 7.56 °C
उत्तर
Ti = 7.56 °C
2.ऊष्मा चालन
उत्तर: Ts = 16.24 °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।
श्रेणी प्रतिरोध
Ri = 1/(hiA) = 1/(7.7·12) = 0.01082 K/W
R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(0.96·12) = 0.008681 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0.04·12) = 0.05208 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·12) = 0.003333 K/W
ΣR = 0.07492 K/W
ऊष्मा हानि
Q̇ = (20 − (-6))/0.07492 = 347 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 20 − 347·0.01082 = 16.24 °C
उत्तर
Ts = 16.24 °C
3.ऊष्मा विनिमयक (LMTD)
उत्तर: A = 2.299 m²
LMTD विधि: विनिमयक के साथ धाराओं के बीच तापांतर बदलता है, इसलिए दर समीकरण उसका लघुगणकीय माध्य लेता है: Q̇ = U·A·ΔTlm, जहाँ ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), और ΔT₁ व ΔT₂ दोनों सिरों पर अंतर हैं। समान इनलेट और आउटलेट तापमानों के लिए प्रतिप्रवाह, समांतर प्रवाह से बड़ा ΔTlm देता है।
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 − 20 = 125 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 95 − 50 = 45 K
लघुगणकीय माध्य तापांतर
ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (125 − 45)/ln(125/45) = 78.3 K
क्षेत्रफल
A = Q̇/(U·ΔTlm) = 180000/(1000·78.3) = 2.299 m²
उत्तर
A = 2.299 m²
4.ऊष्मा विनिमयक (LMTD)
उत्तर: L = 35.93 m
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.
ऊष्मा भार और पानी का निर्गम तापमान
Q̇ = 0.2·2.5·(105 − 65) = 20 kW
Tc,out = 20 + 20/(0.8·4.18) = 25.98 °C
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 = 105 − 20 = 85 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 65 − 25.98 = 39.02 K
लघुगणकीय माध्य तापांतर
ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (85 − 39.02)/ln(85/39.02) = 59.06 K
क्षेत्रफल और लंबाई
A = 20000/(150·59.06) = 2.258 m²
L = A/(πD) = 2.258/(π·0.02) = 35.93 m
उत्तर
L = 35.93 m
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