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
유리, k = 0.96150 mm목재, k = 0.17150 mm22 °C-8 °CQ̇ = ?

벽은 유리 150 mm와 목재 150 mm(으)로 이루어지며 면적은 12 m²이다. 바깥 양면은 22 °C와 -8 °C이다. 벽을 통한 열흐름 Q̇을(를) 구하시오.

L1 = 150 mm, k1 = 0.96 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0.17 W/(m·K)A = 12 m²T1 = 22 °CT3 = -8 °C
Q̇ = W
2.열전도어려움
벽돌, k = 0.72200 mm석고보드, k = 0.1750 mm실내 21 °C실외 3 °CQ̇ = ?

200 mm 벽돌와 50 mm 석고보드(으)로 된 벽이 21 °C인 방과 3 °C인 바깥 공기를 나눈다. 대류 열전달 계수는 실내 10 W/(m²·K), 실외 25 W/(m²·K)이고, 벽 면적은 20 m²이다. 벽을 통한 열손실 Q̇을(를) 구하시오.

L1 = 200 mm, k1 = 0.72 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0.17 W/(m·K)A = 20 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = 3 °C
Q̇ = W
3.열교환기 (LMTD)보통
길이T170 °C85 °C155 °C30 °CΔT₁ΔT₂대향류

대향류 열교환기가 180 kW을(를) 전달한다. 고온 유체는 170에서 85 °C까지 냉각되고 저온 유체는 30에서 155 °C까지 가열된다. 총괄 열전달 계수는 500 W/(m²·K)이다. 필요한 전열 면적 A을(를) 구하시오.

Q̇ = 180 kWU = 500 W/(m²·K)Th: 170 → 85 °CTc: 30 → 155 °C
A = m²
4.열교환기 (LMTD)어려움
길이T150 °C??20 °CΔT₁ΔT₂대향류

향류 열교환기에서 두 유체의 열용량률이 같다: ṁ·cp = 1 kW/K. 고온 유체는 150 °C, 저온 유체는 20 °C로 들어간다. 열교환기는 A = 1 m², U = 300 W/(m²·K)이다. 고온 유체의 출구 온도 Th,out을(를) 구하시오.

Ch = Cc = 1 kW/KTh,in = 150 °CTc,in = 20 °CA = 1 m²U = 300 W/(m²·K)
Th,out = °C

3용액

1.열전도

답: Q̇ = 346.6 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) = (150/1000)/(0.96·12) = 0.01302 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0.17·12) = 0.07353 K/W

열흐름

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 30/0.08655 = 346.6 W

답

Q̇ = 346.6 W
2.열전도

답: Q̇ = 505.7 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/(10·20) = 0.005 K/W
R1 = L1/(k1A) = (200/1000)/(0.72·20) = 0.01389 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0.17·20) = 0.01471 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·20) = 0.002 K/W
ΣR = 0.03559 K/W

열손실

Q̇ = (21 − (3))/0.03559 = 505.7 W

답

Q̇ = 505.7 W
3.열교환기 (LMTD)

답: A = 11.69 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.

양 끝의 온도 차

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

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 170 − 155 = 15 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 85 − 30 = 55 K

대수 평균 온도 차

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (15 − 55)/ln(15/55) = 30.79 K

면적

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 180000/(500·30.79) = 11.69 m²

답

A = 11.69 m²
4.열교환기 (LMTD)

답: Th,out = 120 °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.

일정한 온도차

저온 출구는 고온 입구 맞은편에 있습니다: Tc,out = Tc,in + (Th,in − Th,out)이므로 ΔT₁ = Th,in − Tc,out = Th,out − Tc,in = ΔT₂.

ΔTlm = Th,out − Tc,in

에너지 수지 = 전열 방정식

1·(150 − Th,out) = 0.3·(Th,out − 20)
Th,out = (1·150 + 0.3·20)/(1 + 0.3) = 120 °C

답

Th,out = 120 °C

전달된 열: Q̇ = 30 kW. 저온 유체는 50 °C로 나갑니다.

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