열전달: 벼락치기 팩

공식 모음, 모든 주제의 핵심 풀이 단계, 연습 문제 4개가 들어 있으며 전체 풀이는 맨 뒤에 있습니다.

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1공식과 풀이 방법

열전도

푸리에 법칙
Q̇ = kAΔT/L
전도 열저항
R = L/(kA)
대류 열저항
R = 1/(hA)
직렬 열저항
Q̇ = ΔTtotal/ΣR
U값
U = 1/(ΣR·A)

열교환기 (LMTD)

열부하
Q = U·A·ΔTlm
대수 평균 온도차
ΔTlm = (ΔT1 − ΔT2)/ln(ΔT1/ΔT2)
유체별 열수지
Q = ṁcp(Tin − Tout)

2연습 문제

1.열전도보통
석고보드, k = 0.17250 mm유리, k = 0.9625 mm16 °C-8 °CQ̇ = ?

벽은 석고보드 250 mm와 유리 25 mm(으)로 이루어지며 면적은 12 m²이다. 바깥 양면은 16 °C와 -8 °C이다. 벽을 통한 열흐름 Q̇을(를) 구하시오.

L1 = 250 mm, k1 = 0.17 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0.96 W/(m·K)A = 12 m²T1 = 16 °CT3 = -8 °C
Q̇ = W
2.열전도어려움
석고보드, k = 0.17100 mm발포 폴리스티렌, k = 0.03575 mm실내 21 °C실외 -7 °CQ̇ = ?

100 mm 석고보드와 75 mm 발포 폴리스티렌(으)로 된 벽이 21 °C인 방과 -7 °C인 바깥 공기를 나눈다. 대류 열전달 계수는 실내 8 W/(m²·K), 실외 30 W/(m²·K)이고, 벽 면적은 12 m²이다. 벽을 통한 열손실 Q̇을(를) 구하시오.

L1 = 100 mm, k1 = 0.17 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0.035 W/(m·K)A = 12 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -7 °C
Q̇ = W
3.열교환기 (LMTD)보통
길이T105 °C15 °C60 °CΔT₁ΔT₂응축 증기

응축기에서 증기가 관 바깥쪽에서 일정한 105 °C로 응축된다. 냉각수(5 kg/s, cp = 4.18 kJ/(kg·K))가 관 안을 흐르며 15 °C에서 60 °C로 가열된다. 총괄 열전달 계수는 3000 W/(m²·K)이다. 필요한 전열 면적 A을(를) 구하시오.

Ts = 105 °Cṁ = 5 kg/scp = 4.18 kJ/(kg·K)Tc: 15 → 60 °CU = 3000 W/(m²·K)
A = m²
4.열교환기 (LMTD)어려움
길이T140 °C95 °C32.94 °C15 °CΔT₁ΔT₂대향류

뜨거운 기름(2 kg/s, cp = 2.5 kJ/(kg·K))이 대향류 열교환기에서 140에서 95 °C까지 냉각된다. 기름은 15 °C로 들어오는 물 3 kg/s(cp = 4.18 kJ/(kg·K))을(를) 가열한다. U = 1000 W/(m²·K)일 때 필요한 전열 면적 A을(를) 구하시오.

ṁh = 2 kg/scp,h = 2.5 kJ/(kg·K)Th: 140 → 95 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4.18 kJ/(kg·K)Tc,in = 15 °CU = 1000 W/(m²·K)
A = m²

3용액

1.열전도

답: Q̇ = 192.4 W

열저항: 직렬 층을 지나는 정상 열흐름은 직렬 저항을 흐르는 전류처럼 동작합니다: Q̇ = ΔT/ΣR. 전도층은 R = L/(kA), 대류면은 R = 1/(hA). 각 층의 온도 강하는 그 열저항에 비례합니다.

층별 열저항

R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(0.17·12) = 0.1225 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0.96·12) = 0.00217 K/W

열흐름

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 24/0.1247 = 192.4 W

답

Q̇ = 192.4 W
2.열전도

답: Q̇ = 116.3 W

열저항: 직렬 층을 지나는 정상 열흐름은 직렬 저항을 흐르는 전류처럼 동작합니다: Q̇ = ΔT/ΣR. 전도층은 R = L/(kA), 대류면은 R = 1/(hA). 각 층의 온도 강하는 그 열저항에 비례합니다.

직렬 열저항

Ri = 1/(hiA) = 1/(8·12) = 0.01042 K/W
R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(0.17·12) = 0.04902 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0.035·12) = 0.1786 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·12) = 0.002778 K/W
ΣR = 0.2408 K/W

열손실

Q̇ = (21 − (-7))/0.2408 = 116.3 W

답

Q̇ = 116.3 W
3.열교환기 (LMTD)

답: A = 4.829 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.

물 쪽에서 구한 열부하

Q̇ = 5·4.18·(60 − 15) = 940.5 kW

양 끝의 온도 차

ΔT₁ = 105 − 15 = 90 K
ΔT₂ = 105 − 60 = 45 K

대수 평균 온도 차

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (90 − 45)/ln(90/45) = 64.92 K

면적

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 940500/(3000·64.92) = 4.829 m²

답

A = 4.829 m²
4.열교환기 (LMTD)

답: A = 2.423 m²

LMTD 법: 두 흐름 사이의 온도 차는 열교환기를 따라 변하므로, 전열 식에는 그 대수 평균을 씁니다: Q̇ = U·A·ΔTlm, ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) (ΔT₁, ΔT₂는 양 끝의 온도 차). 입출구 온도가 같다면 대향류의 ΔTlm이 병류보다 큽니다.

열부하와 물의 출구 온도

Q̇ = ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = 2·2.5·45 = 225 kW
Tc,out = 15 + 225/(3·4.18) = 32.94 °C

양 끝의 온도 차

대향류에서는 고온 입구가 저온 출구와, 고온 출구가 저온 입구와 마주 봅니다.

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 140 − 32.94 = 107.1 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 95 − 15 = 80 K

대수 평균 온도 차

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (107.1 − 80)/ln(107.1/80) = 92.87 K

면적

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 225000/(1000·92.87) = 2.423 m²

답

A = 2.423 m²

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