伝熱工学：直前対策パック

公式集、全トピックの解法の要点、4 問の演習問題。完全な解答は巻末にあります。

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1公式と解法

熱伝導

フーリエの法則
Q̇ = kAΔT/L
熱伝導抵抗
R = L/(kA)
対流熱抵抗
R = 1/(hA)
直列の熱抵抗
Q̇ = ΔTtotal/ΣR
U 値
U = 1/(ΣR·A)

熱交換器 (LMTD)

交換熱量
Q = U·A·ΔTlm
対数平均温度差
ΔTlm = (ΔT1 − ΔT2)/ln(ΔT1/ΔT2)
流体ごとの熱収支
Q = ṁcp(Tin − Tout)

2演習問題

1.熱伝導ふつう
コンクリート, k = 1.4100 mm木材, k = 0.1775 mm24 °C-13 °CTi​ = ?Q̇

壁はコンクリート 100 mm と木材 75 mm からなり、面積は 10 m² である。外側の両面は 24 °C と -13 °C である。 2 つの層の境界面の温度 Ti を求めよ。

L1 = 100 mm, k1 = 1.4 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0.17 W/(m·K)A = 10 m²T1 = 24 °CT3 = -13 °C
Ti = °C
2.熱伝導むずかしい
コンクリート, k = 1.4100 mmガラス, k = 0.9675 mm室内 22 °C屋外 2 °CQ̇ = ?

100 mm のコンクリートと 75 mm のガラスからなる壁が、22 °C の部屋と 2 °C の外気を隔てている。熱伝達率は室内側 7.7 W/(m²·K)、屋外側 30 W/(m²·K)、壁の面積は 10 m² である。 壁を通る熱損失 Q̇ を求めよ。

L1 = 100 mm, k1 = 1.4 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0.96 W/(m·K)A = 10 m²hi = 7.7 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = 2 °C
Q̇ = W
3.熱交換器 (LMTD)ふつう
長さT180 °C165 °C25 °C15 °CΔT₁ΔT₂向流

向流熱交換器が 180 kW を伝える。 伝熱面積は 20 m² である。高温流体は 180 から 165 °C まで冷え、低温流体は 15 から 25 °C まで温まる。熱通過率 U を求めよ。

Q̇ = 180 kWA = 20 m²Th: 180 → 165 °CTc: 15 → 25 °C
U = W/(m²·K)
4.熱交換器 (LMTD)むずかしい
長さT100 °C55 °C34.13 °C30 °CΔT₁ΔT₂向流

高温の油（0.5 kg/s、cp = 2.3 kJ/(kg·K)）が向流熱交換器で 100 から 55 °C まで冷える。油は 30 °C で流入する水 3 kg/s（cp = 4.18 kJ/(kg·K)）を加熱する。U = 800 W/(m²·K) のとき、必要な伝熱面積 A を求めよ。

ṁh = 0.5 kg/scp,h = 2.3 kJ/(kg·K)Th: 100 → 55 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4.18 kJ/(kg·K)Tc,in = 30 °CU = 800 W/(m²·K)
A = m²

3溶液

1.熱伝導

答え: Ti = 18.84 °C

熱抵抗：直列の層を通る定常の熱流は、直列抵抗を流れる電流と同じように振る舞います：Q̇ = ΔT/ΣR。伝導層では R = L/(kA)、対流面では R = 1/(hA)。各層の温度降下はその熱抵抗に比例します。

各層の熱抵抗

R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(1.4·10) = 0.007143 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0.17·10) = 0.04412 K/W

熱流量

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 37/0.05126 = 721.8 W

境界面温度

最初の層で温度は Q̇·R₁ だけ下がります。

Ti = T1 − Q̇·R1 = 24 − 721.8·0.007143 = 18.84 °C

答え

Ti = 18.84 °C
2.熱伝導

答え: Q̇ = 639.5 W

熱抵抗：直列の層を通る定常の熱流は、直列抵抗を流れる電流と同じように振る舞います：Q̇ = ΔT/ΣR。伝導層では R = L/(kA)、対流面では R = 1/(hA)。各層の温度降下はその熱抵抗に比例します。

直列の熱抵抗

Ri = 1/(hiA) = 1/(7.7·10) = 0.01299 K/W
R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(1.4·10) = 0.007143 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0.96·10) = 0.007813 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·10) = 0.003333 K/W
ΣR = 0.03128 K/W

熱損失

Q̇ = (22 − (2))/0.03128 = 639.5 W

答え

Q̇ = 639.5 W
3.熱交換器 (LMTD)

答え: U = 59.02 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.

両端の温度差

向流では、高温側入口が低温側出口と、高温側出口が低温側入口と向かい合います。

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 180 − 25 = 155 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 165 − 15 = 150 K

対数平均温度差

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (155 − 150)/ln(155/150) = 152.5 K

熱通過率

U = Q̇/(A·ΔTlm) = 180000/(20·152.5) = 59.02 W/(m²·K)

答え

U = 59.02 W/(m²·K)
4.熱交換器 (LMTD)

答え: A = 1.533 m²

LMTD 法：流体間の温度差は熱交換器に沿って変化するので、伝熱の式ではその対数平均を使います：Q̇ = U·A·ΔTlm、ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂)（ΔT₁、ΔT₂ は両端の温度差）。出入口温度が同じなら、向流の ΔTlm は並流より大きくなります。

熱負荷と水の出口温度

Q̇ = ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = 0.5·2.3·45 = 51.75 kW
Tc,out = 30 + 51.75/(3·4.18) = 34.13 °C

両端の温度差

向流では、高温側入口が低温側出口と、高温側出口が低温側入口と向かい合います。

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 100 − 34.13 = 65.87 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 55 − 30 = 25 K

対数平均温度差

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (65.87 − 25)/ln(65.87/25) = 42.19 K

面積

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 51750/(800·42.19) = 1.533 m²

答え

A = 1.533 m²

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