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
ガラス, k = 0.9650 mmれんが, k = 0.7250 mm18 °C-15 °CTi​ = ?Q̇

壁はガラス 50 mm とれんが 50 mm からなり、面積は 6 m² である。外側の両面は 18 °C と -15 °C である。 2 つの層の境界面の温度 Ti を求めよ。

L1 = 50 mm, k1 = 0.96 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0.72 W/(m·K)A = 6 m²T1 = 18 °CT3 = -15 °C
Ti = °C
2.熱伝導むずかしい
コンクリート, k = 1.4100 mm木材, k = 0.1725 mm室内 22 °C屋外 -10 °CTs​ = ?Q̇

100 mm のコンクリートと 25 mm の木材からなる壁が、22 °C の部屋と -10 °C の外気を隔てている。熱伝達率は室内側 10 W/(m²·K)、屋外側 25 W/(m²·K)、壁の面積は 4 m² である。 壁の内表面温度 Ts を求めよ。

L1 = 100 mm, k1 = 1.4 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0.17 W/(m·K)A = 4 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = -10 °C
Ts = °C
3.熱交換器 (LMTD)ふつう
長さT180 °C140 °C20 °C105 °CΔT₁ΔT₂並流

並流熱交換器が 150 kW を伝える。 伝熱面積は 3 m² である。高温流体は 180 から 140 °C まで冷え、低温流体は 20 から 105 °C まで温まる。熱通過率 U を求めよ。

Q̇ = 150 kWA = 3 m²Th: 180 → 140 °CTc: 20 → 105 °C
U = W/(m²·K)
4.熱交換器 (LMTD)むずかしい
長さT180 °C65 °C36.09 °C15 °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 180 から 65 °C まで冷える。油は 15 °C で流入する水 1.5 kg/s（cp = 4.18 kJ/(kg·K)）を加熱する。U = 1000 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: 180 → 65 °Cṁc = 1.5 kg/scp,c = 4.18 kJ/(kg·K)Tc,in = 15 °CU = 1000 W/(m²·K)
A = m²

3溶液

1.熱伝導

答え: Ti = 3.857 °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) = (50/1000)/(0.96·6) = 0.008681 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0.72·6) = 0.01157 K/W

熱流量

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 33/0.02025 = 1629 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 = 18 − 1629·0.008681 = 3.857 °C

答え

Ti = 3.857 °C
2.熱伝導

答え: Ts = 13.07 °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。

直列の熱抵抗

Ri = 1/(hiA) = 1/(10·4) = 0.025 K/W
R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(1.4·4) = 0.01786 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0.17·4) = 0.03676 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·4) = 0.01 K/W
ΣR = 0.08962 K/W

熱損失

Q̇ = (22 − (-10))/0.08962 = 357.1 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 22 − 357.1·0.025 = 13.07 °C

答え

Ts = 13.07 °C
3.熱交換器 (LMTD)

答え: U = 607.9 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

並流では、2 つの入口が同じ端に、2 つの出口がもう一方の端にあります。

ΔT₁ = Th,in − Tc,in = 180 − 20 = 160 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 140 − 105 = 35 K

対数平均温度差

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (160 − 35)/ln(160/35) = 82.25 K

熱通過率

U = Q̇/(A·ΔTlm) = 150000/(3·82.25) = 607.9 W/(m²·K)

答え

U = 607.9 W/(m²·K)
4.熱交換器 (LMTD)

答え: A = 1.489 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) = 0.5·2.3·115 = 132.3 kW
Tc,out = 15 + 132.3/(1.5·4.18) = 36.09 °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 = 180 − 36.09 = 143.9 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 65 − 15 = 50 K

対数平均温度差

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (143.9 − 50)/ln(143.9/50) = 88.83 K

面積

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 132250/(1000·88.83) = 1.489 m²

答え

A = 1.489 m²

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