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コンクリート, k = 1.450 mm25 °C9 °CQ̇ = ?

壁は石こうボード 250 mm とコンクリート 50 mm からなり、面積は 4 m² である。外側の両面は 25 °C と 9 °C である。 壁を通る熱流量 Q̇ を求めよ。

L1 = 250 mm, k1 = 0.17 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 1.4 W/(m·K)A = 4 m²T1 = 25 °CT3 = 9 °C
Q̇ = W
2.熱伝導むずかしい
ガラス, k = 0.96150 mm木材, k = 0.1750 mm室内 21 °C屋外 -13 °CQ̇ = ?

150 mm のガラスと 50 mm の木材からなる壁が、21 °C の部屋と -13 °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 20 m² である。 壁を通る熱損失 Q̇ を求めよ。

L1 = 150 mm, k1 = 0.96 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0.17 W/(m·K)A = 20 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -13 °C
Q̇ = W
3.熱交換器 (LMTD)ふつう
長さT175 °C110 °C135 °C20 °CΔT₁ΔT₂向流

向流熱交換器が 260 kW を伝える。 高温流体は 175 から 110 °C まで冷え、低温流体は 20 から 135 °C まで温まる。熱通過率は 500 W/(m²·K) である。必要な伝熱面積 A を求めよ。

Q̇ = 260 kWU = 500 W/(m²·K)Th: 175 → 110 °CTc: 20 → 135 °C
A = m²
4.熱交換器 (LMTD)むずかしい
長さT180 °C65 °C151.6 °C25 °CΔT₁ΔT₂向流

高温の油（1 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 25 °C で流入する水 0.5 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 kg/scp,h = 2.3 kJ/(kg·K)Th: 180 → 65 °Cṁc = 0.5 kg/scp,c = 4.18 kJ/(kg·K)Tc,in = 25 °CU = 500 W/(m²·K)
A = m²

3溶液

1.熱伝導

答え: Q̇ = 42.49 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) = (250/1000)/(0.17·4) = 0.3676 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(1.4·4) = 0.008929 K/W

熱流量

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 16/0.3766 = 42.49 W

答え

Q̇ = 42.49 W
2.熱伝導

答え: Q̇ = 1133 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/(10·20) = 0.005 K/W
R1 = L1/(k1A) = (150/1000)/(0.96·20) = 0.007813 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0.17·20) = 0.01471 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·20) = 0.0025 K/W
ΣR = 0.03002 K/W

熱損失

Q̇ = (21 − (-13))/0.03002 = 1133 W

答え

Q̇ = 1133 W
3.熱交換器 (LMTD)

答え: A = 8.434 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 = 175 − 135 = 40 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 110 − 20 = 90 K

対数平均温度差

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (40 − 90)/ln(40/90) = 61.66 K

面積

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 260000/(500·61.66) = 8.434 m²

答え

A = 8.434 m²
4.熱交換器 (LMTD)

答え: A = 15.61 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) = 1·2.3·115 = 264.5 kW
Tc,out = 25 + 264.5/(0.5·4.18) = 151.6 °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 − 151.6 = 28.44 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 65 − 25 = 40 K

対数平均温度差

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (28.44 − 40)/ln(28.44/40) = 33.89 K

面積

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 264500/(500·33.89) = 15.61 m²

答え

A = 15.61 m²

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