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
石こうボード, k = 0.17250 mm発泡ポリスチレン, k = 0.035150 mm15 °C-15 °CTi​ = ?Q̇

壁は石こうボード 250 mm と発泡ポリスチレン 150 mm からなり、面積は 4 m² である。外側の両面は 15 °C と -15 °C である。 2 つの層の境界面の温度 Ti を求めよ。

L1 = 250 mm, k1 = 0.17 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0.035 W/(m·K)A = 4 m²T1 = 15 °CT3 = -15 °C
Ti = °C
2.熱伝導むずかしい
ガラス, k = 0.9650 mm発泡ポリスチレン, k = 0.03525 mm室内 20 °C屋外 -1 °CTs​ = ?Q̇

50 mm のガラスと 25 mm の発泡ポリスチレンからなる壁が、20 °C の部屋と -1 °C の外気を隔てている。熱伝達率は室内側 6 W/(m²·K)、屋外側 30 W/(m²·K)、壁の面積は 12 m² である。 壁の内表面温度 Ts を求めよ。

L1 = 50 mm, k1 = 0.96 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0.035 W/(m·K)A = 12 m²hi = 6 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -1 °C
Ts = °C
3.熱交換器 (LMTD)ふつう
長さT170 °C95 °C25 °C85 °CΔT₁ΔT₂並流

並流熱交換器が 170 kW を伝える。 高温流体は 170 から 95 °C まで冷え、低温流体は 25 から 85 °C まで温まる。熱通過率は 1000 W/(m²·K) である。必要な伝熱面積 A を求めよ。

Q̇ = 170 kWU = 1000 W/(m²·K)Th: 170 → 95 °CTc: 25 → 85 °C
A = m²
4.熱交換器 (LMTD)むずかしい
長さT120 °C80 °C17.97 °C10 °CΔT₁ΔT₂向流

高温の油（1 kg/s、cp = 2.5 kJ/(kg·K)）が向流熱交換器で 120 から 80 °C まで冷える。油は 10 °C で流入する水 3 kg/s（cp = 4.18 kJ/(kg·K)）を加熱する。U = 1500 W/(m²·K) のとき、必要な伝熱面積 A を求めよ。

ṁh = 1 kg/scp,h = 2.5 kJ/(kg·K)Th: 120 → 80 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4.18 kJ/(kg·K)Tc,in = 10 °CU = 1500 W/(m²·K)
A = m²

3溶液

1.熱伝導

答え: Ti = 7.336 °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) = (250/1000)/(0.17·4) = 0.3676 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0.035·4) = 1.071 K/W

熱流量

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 30/1.439 = 20.85 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 = 15 − 20.85·0.3676 = 7.336 °C

答え

Ti = 7.336 °C
2.熱伝導

答え: Ts = 16.38 °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/(6·12) = 0.01389 K/W
R1 = L1/(k1A) = (50/1000)/(0.96·12) = 0.00434 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0.035·12) = 0.05952 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·12) = 0.002778 K/W
ΣR = 0.08053 K/W

熱損失

Q̇ = (20 − (-1))/0.08053 = 260.8 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 20 − 260.8·0.01389 = 16.38 °C

答え

Ts = 16.38 °C
3.熱交換器 (LMTD)

答え: A = 3.367 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

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 = 170 − 25 = 145 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 95 − 85 = 10 K

対数平均温度差

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (145 − 10)/ln(145/10) = 50.48 K

面積

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 170000/(1000·50.48) = 3.367 m²

答え

A = 3.367 m²
4.熱交換器 (LMTD)

答え: A = 0.7842 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) = 1·2.5·40 = 100 kW
Tc,out = 10 + 100/(3·4.18) = 17.97 °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 = 120 − 17.97 = 102 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 80 − 10 = 70 K

対数平均温度差

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (102 − 70)/ln(102/70) = 85.01 K

面積

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 100000/(1500·85.01) = 0.7842 m²

答え

A = 0.7842 m²

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