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 = 0.1750 mmコンクリート, k = 1.475 mm21 °C-2 °CQ̇ = ?

壁は石こうボード 50 mm とコンクリート 75 mm からなり、面積は 4 m² である。外側の両面は 21 °C と -2 °C である。 壁を通る熱流量 Q̇ を求めよ。

L1 = 50 mm, k1 = 0.17 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 1.4 W/(m·K)A = 4 m²T1 = 21 °CT3 = -2 °C
Q̇ = W
2.熱伝導むずかしい
コンクリート, k = 1.450 mm発泡ポリスチレン, k = 0.035100 mm室内 21 °C屋外 -3 °CQ̇

50 mm のコンクリートと 100 mm の発泡ポリスチレンからなる壁が、21 °C の部屋と -3 °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 25 W/(m²·K)、壁の面積は 8 m² である。 壁の熱通過率 U を求めよ。

L1 = 50 mm, k1 = 1.4 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0.035 W/(m·K)A = 8 m²hi = 7.7 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -3 °C
U = W/(m²·K)
3.熱交換器 (LMTD)ふつう
長さT100 °C10 °C65 °CΔT₁ΔT₂凝縮する蒸気

復水器で、蒸気が管の外側で一定の 100 °C で凝縮する。冷却水（1 kg/s、cp = 4.18 kJ/(kg·K)）が管内を流れ、10 から 65 °C まで温まる。熱通過率は 2000 W/(m²·K) である。必要な伝熱面積 A を求めよ。

Ts = 100 °Cṁ = 1 kg/scp = 4.18 kJ/(kg·K)Tc: 10 → 65 °CU = 2000 W/(m²·K)
A = m²
4.熱交換器 (LMTD)むずかしい
長さT80 °C50 °C56.91 °C30 °CΔT₁ΔT₂向流

高温の油（1.5 kg/s、cp = 2.5 kJ/(kg·K)）が向流熱交換器で 80 から 50 °C まで冷える。油は 30 °C で流入する水 1 kg/s（cp = 4.18 kJ/(kg·K)）を加熱する。U = 500 W/(m²·K) のとき、必要な伝熱面積 A を求めよ。

ṁh = 1.5 kg/scp,h = 2.5 kJ/(kg·K)Th: 80 → 50 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4.18 kJ/(kg·K)Tc,in = 30 °CU = 500 W/(m²·K)
A = m²

3溶液

1.熱伝導

答え: Q̇ = 264.6 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) = (50/1000)/(0.17·4) = 0.07353 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(1.4·4) = 0.01339 K/W

熱流量

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 23/0.08692 = 264.6 W

答え

Q̇ = 264.6 W
2.熱伝導

答え: U = 0.3265 W/(m²·K)

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) = (50/1000)/(1.4·8) = 0.004464 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0.035·8) = 0.3571 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·8) = 0.005 K/W
ΣR = 0.3828 K/W

熱通過率

U = 1/(A·ΣR) = 1/(8·0.3828) = 0.3265 W/(m²·K)

答え

U = 0.3265 W/(m²·K)
3.熱交換器 (LMTD)

答え: A = 1.974 m²

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.

水側からの熱負荷

Q̇ = 1·4.18·(65 − 10) = 229.9 kW

両端の温度差

ΔT₁ = 100 − 10 = 90 K
ΔT₂ = 100 − 65 = 35 K

対数平均温度差

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (90 − 35)/ln(90/35) = 58.23 K

面積

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 229900/(2000·58.23) = 1.974 m²

答え

A = 1.974 m²
4.熱交換器 (LMTD)

答え: A = 10.46 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) = 1.5·2.5·30 = 112.5 kW
Tc,out = 30 + 112.5/(1·4.18) = 56.91 °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 = 80 − 56.91 = 23.09 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 50 − 30 = 20 K

対数平均温度差

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (23.09 − 20)/ln(23.09/20) = 21.51 K

面積

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 112500/(500·21.51) = 10.46 m²

答え

A = 10.46 m²

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