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 = 0.17100 mm発泡ポリスチレン, k = 0.03550 mm22 °C-3 °CQ̇ = ?

壁は石こうボード 100 mm と発泡ポリスチレン 50 mm からなり、面積は 15 m² である。外側の両面は 22 °C と -3 °C である。 壁を通る熱流量 Q̇ を求めよ。

L1 = 100 mm, k1 = 0.17 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0.035 W/(m·K)A = 15 m²T1 = 22 °CT3 = -3 °C
Q̇ = W
2.熱伝導むずかしい
発泡ポリスチレン, k = 0.035100 mm石こうボード, k = 0.1750 mm室内 22 °C屋外 -5 °CQ̇ = ?

100 mm の発泡ポリスチレンと 50 mm の石こうボードからなる壁が、22 °C の部屋と -5 °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 20 W/(m²·K)、壁の面積は 15 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 = 50 mm, k2 = 0.17 W/(m·K)A = 15 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = -5 °C
Q̇ = W
3.熱交換器 (LMTD)ふつう
長さT110 °C95 °C55 °C10 °CΔT₁ΔT₂向流

向流熱交換器が 410 kW を伝える。 高温流体は 110 から 95 °C まで冷え、低温流体は 10 から 55 °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 = 410 kWU = 1000 W/(m²·K)Th: 110 → 95 °CTc: 10 → 55 °C
A = m²
4.熱交換器 (LMTD)むずかしい
長さT160 °C??20 °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 160 °C、低温流体は 20 °C で流入する。熱交換器の A = 4 m²、U = 500 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 = 160 °CTc,in = 20 °CA = 4 m²U = 500 W/(m²·K)
Th,out = °C

3溶液

1.熱伝導

答え: Q̇ = 185.9 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。

各層の熱抵抗

R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(0.17·15) = 0.03922 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0.035·15) = 0.09524 K/W

熱流量

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 25/0.1345 = 185.9 W

答え

Q̇ = 185.9 W
2.熱伝導

答え: Q̇ = 122.7 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/(10·15) = 0.006667 K/W
R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(0.035·15) = 0.1905 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0.17·15) = 0.01961 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·15) = 0.003333 K/W
ΣR = 0.2201 K/W

熱損失

Q̇ = (22 − (-5))/0.2201 = 122.7 W

答え

Q̇ = 122.7 W
3.熱交換器 (LMTD)

答え: A = 5.949 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 = 110 − 55 = 55 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 95 − 10 = 85 K

対数平均温度差

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (55 − 85)/ln(55/85) = 68.92 K

面積

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 410000/(1000·68.92) = 5.949 m²

答え

A = 5.949 m²
4.熱交換器 (LMTD)

答え: Th,out = 90 °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·(160 − Th,out) = 2·(Th,out − 20)
Th,out = (2·160 + 2·20)/(2 + 2) = 90 °C

答え

Th,out = 90 °C

伝熱量：Q̇ = 140 kW。低温流体は 90 °C で流出します。

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