1 공식과 풀이 방법열전도
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 )
2 연습 문제1. 열전도 보통
암면, k = 0.04 100 mm 벽돌, k = 0.72 100 mm 16 °C 3 °C Q̇ = ? 벽은 암면 100 mm와 벽돌 100 mm(으)로 이루어지며 면적은 15 m²이다. 바깥 양면은 16 °C와 3 °C이다. 벽을 통한 열흐름 Q̇ 을(를) 구하시오.
L1 = 100 mm, k1 = 0.04 W/(m·K) L2 = 100 mm, k2 = 0.72 W/(m·K) A = 15 m² T1 = 16 °C T3 = 3 °C
Q̇ = W
2. 열전도 어려움
콘크리트, k = 1.4 250 mm 석고보드, k = 0.17 75 mm 실내 21 °C 실외 -14 °C Ts = ? Q̇ 250 mm 콘크리트와 75 mm 석고보드(으)로 된 벽이 21 °C인 방과 -14 °C인 바깥 공기를 나눈다. 대류 열전달 계수는 실내 8 W/(m²·K), 실외 25 W/(m²·K)이고, 벽 면적은 4 m²이다. 벽 안쪽 표면의 온도 Ts 을(를) 구하시오.
L1 = 250 mm, k1 = 1.4 W/(m·K) L2 = 75 mm, k2 = 0.17 W/(m·K) A = 4 m² hi = 8 W/(m²·K) ho = 25 W/(m²·K) Troom = 21 °C Tout = -14 °C
Ts = °C
3. 열교환기 (LMTD) 보통
길이 T 130 °C 10 °C 110 °C ΔT₁ ΔT₂ 응축 증기 응축기에서 증기가 관 바깥쪽에서 일정한 130 °C로 응축된다. 냉각수(4 kg/s, cp = 4.18 kJ/(kg·K))가 관 안을 흐르며 10 °C에서 110 °C로 가열된다. 총괄 열전달 계수는 3500 W/(m²·K)이다. 필요한 전열 면적 A 을(를) 구하시오.
Ts = 130 °C ṁ = 4 kg/s cp = 4.18 kJ/(kg·K) Tc : 10 → 110 °C U = 3500 W/(m²·K)
A = m²
4. 열교환기 (LMTD) 어려움
길이 T 170 °C 45 °C 27.46 °C 15 °C ΔT₁ ΔT₂ 대향류 뜨거운 기름(0.5 kg/s, cp = 2.5 kJ/(kg·K))이 대향류 열교환기에서 170에서 45 °C까지 냉각된다. 기름은 15 °C로 들어오는 물 3 kg/s(cp = 4.18 kJ/(kg·K))을(를) 가열한다. U = 500 W/(m²·K)일 때 필요한 전열 면적 A 을(를) 구하시오.
ṁh = 0.5 kg/s cp,h = 2.5 kJ/(kg·K) Th : 170 → 45 °C ṁc = 3 kg/s cp,c = 4.18 kJ/(kg·K) Tc,in = 15 °C U = 500 W/(m²·K)
A = m²
3 용액1. 열전도
답: Q̇ = 73.89 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 /(k1 A) = (100/1000)/(0.04·15) = 0.1667 K/W
R2 = L2 /(k2 A) = (100/1000)/(0.72·15) = 0.009259 K/W
열흐름 Q̇ = (T1 − T3 )/(R1 + R2 ) = 13/0.1759 = 73.89 W
2. 열전도
답: Ts = 15.42 °C
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/(hi A) = 1/(8·4) = 0.03125 K/W
R1 = L1 /(k1 A) = (250/1000)/(1.4·4) = 0.04464 K/W
R2 = L2 /(k2 A) = (75/1000)/(0.17·4) = 0.1103 K/W
Ro = 1/(ho A) = 1/(25·4) = 0.01 K/W
ΣR = 0.1962 K/W
열손실 Q̇ = (21 − (-14))/0.1962 = 178.4 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 21 − 178.4·0.03125 = 15.42 °C
3. 열교환기 (LMTD)
답: A = 8.559 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 = 4·4.18·(110 − 10) = 1672 kW
양 끝의 온도 차 ΔT₁ = 130 − 10 = 120 K
ΔT₂ = 130 − 110 = 20 K
대수 평균 온도 차 ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (120 − 20)/ln(120/20) = 55.81 K
면적 A = Q̇/(U·ΔTlm ) = 1.672 × 10⁶/(3500·55.81) = 8.559 m²
4. 열교환기 (LMTD)
답: A = 4.327 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 ΔTlm 이 병류보다 큽니다.
열부하와 물의 출구 온도 Q̇ = ṁh cp,h (Th,in − Th,out ) = 0.5·2.5·125 = 156.3 kW
Tc,out = 15 + 156.3/(3·4.18) = 27.46 °C
양 끝의 온도 차 대향류에서는 고온 입구가 저온 출구와, 고온 출구가 저온 입구와 마주 봅니다.
ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 170 − 27.46 = 142.5 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 45 − 15 = 30 K
대수 평균 온도 차 ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (142.5 − 30)/ln(142.5/30) = 72.21 K
면적 A = Q̇/(U·ΔTlm ) = 156250/(500·72.21) = 4.327 m²