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。

新しい問題科目に戻る

印刷ウィンドウで「PDF として保存」を選ぶと、コピーを端末に保存できます。

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
石こうボード, k = 0.17200 mmコンクリート, k = 1.4100 mm21 °C10 °CTi​ = ?Q̇

壁は石こうボード 200 mm とコンクリート 100 mm からなり、面積は 8 m² である。外側の両面は 21 °C と 10 °C である。 2 つの層の境界面の温度 Ti を求めよ。

L1 = 200 mm, k1 = 0.17 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 1.4 W/(m·K)A = 8 m²T1 = 21 °CT3 = 10 °C
Ti = °C
2.熱伝導むずかしい
発泡ポリスチレン, k = 0.035100 mmロックウール, k = 0.0425 mm室内 22 °C屋外 -4 °CQ̇ = ?

100 mm の発泡ポリスチレンと 25 mm のロックウールからなる壁が、22 °C の部屋と -4 °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 8 m² である。 壁を通る熱損失 Q̇ を求めよ。

L1 = 100 mm, k1 = 0.035 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0.04 W/(m·K)A = 8 m²hi = 7.7 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = -4 °C
Q̇ = W
3.熱交換器 (LMTD)ふつう
長さT120 °C65 °C80 °C15 °CΔT₁ΔT₂向流

向流熱交換器が 70 kW を伝える。 高温流体は 120 から 65 °C まで冷え、低温流体は 15 から 80 °C まで温まる。熱通過率は 200 W/(m²·K) である。必要な伝熱面積 A を求めよ。

Q̇ = 70 kWU = 200 W/(m²·K)Th: 120 → 65 °CTc: 15 → 80 °C
A = m²
4.熱交換器 (LMTD)むずかしい
長さT110 °C??25 °CΔT₁ΔT₂向流

向流熱交換器で、両方の流体の熱容量流量は等しく ṁ·cp = 2 kW/K である。高温流体は 110 °C、低温流体は 25 °C で流入する。熱交換器の A = 6 m²、U = 300 W/(m²·K) である。高温側の出口温度 Th,out を求めよ。

Ch = Cc = 2 kW/KTh,in = 110 °CTc,in = 25 °CA = 6 m²U = 300 W/(m²·K)
Th,out = °C

3溶液

1.熱伝導

答え: Ti = 10.63 °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) = (200/1000)/(0.17·8) = 0.1471 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(1.4·8) = 0.008929 K/W

熱流量

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 11/0.156 = 70.52 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 = 21 − 70.52·0.1471 = 10.63 °C

答え

Ti = 10.63 °C
2.熱伝導

答え: Q̇ = 57.06 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/(7.7·8) = 0.01623 K/W
R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(0.035·8) = 0.3571 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0.04·8) = 0.07813 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·8) = 0.004167 K/W
ΣR = 0.4557 K/W

熱損失

Q̇ = (22 − (-4))/0.4557 = 57.06 W

答え

Q̇ = 57.06 W
3.熱交換器 (LMTD)

答え: A = 7.81 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。

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 = 120 − 80 = 40 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 65 − 15 = 50 K

対数平均温度差

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (40 − 50)/ln(40/50) = 44.81 K

面積

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 70000/(200·44.81) = 7.81 m²

答え

A = 7.81 m²
4.熱交換器 (LMTD)

答え: Th,out = 69.74 °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.

一定の温度差

低温側の出口は高温側の入口と向き合います：Tc,out = Tc,in + (Th,in − Th,out)、したがって ΔT₁ = Th,in − Tc,out = Th,out − Tc,in = ΔT₂。

ΔTlm = Th,out − Tc,in

エネルギー収支 = 伝熱速度の式

2·(110 − Th,out) = 1.8·(Th,out − 25)
Th,out = (2·110 + 1.8·25)/(2 + 1.8) = 69.74 °C

答え

Th,out = 69.74 °C

伝熱量：Q̇ = 80.53 kW。低温流体は 65.26 °C で流出します。

ExamProblems · examproblems.com/courses/heat-transfer