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 = 0.96200 mm암면, k = 0.0425 mm21 °C7 °CQ̇ = ?

벽은 유리 200 mm와 암면 25 mm(으)로 이루어지며 면적은 8 m²이다. 바깥 양면은 21 °C와 7 °C이다. 벽을 통한 열흐름 Q̇을(를) 구하시오.

L1 = 200 mm, k1 = 0.96 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0.04 W/(m·K)A = 8 m²T1 = 21 °CT3 = 7 °C
Q̇ = W
2.열전도어려움
암면, k = 0.0450 mm콘크리트, k = 1.450 mm실내 22 °C실외 -11 °CTs​ = ?Q̇

50 mm 암면와 50 mm 콘크리트(으)로 된 벽이 22 °C인 방과 -11 °C인 바깥 공기를 나눈다. 대류 열전달 계수는 실내 10 W/(m²·K), 실외 30 W/(m²·K)이고, 벽 면적은 6 m²이다. 벽 안쪽 표면의 온도 Ts을(를) 구하시오.

L1 = 50 mm, k1 = 0.04 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 1.4 W/(m·K)A = 6 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = -11 °C
Ts = °C
3.열교환기 (LMTD)보통
길이T120 °C95 °C10 °C80 °CΔT₁ΔT₂병류

병류 열교환기가 80 kW를 전달한다. 전열 면적은 2 m²이다. 고온 유체는 120 °C에서 95 °C로 냉각되고 저온 유체는 10 °C에서 80 °C로 가열된다. 총괄 열전달 계수 U을(를) 구하시오.

Q̇ = 80 kWA = 2 m²Th: 120 → 95 °CTc: 10 → 80 °C
U = W/(m²·K)
4.열교환기 (LMTD)어려움
길이T120 °C25 °C?ΔT₁ΔT₂응축 증기

전열 면적 2 m², U = 3000 W/(m²·K)인 응축기의 관 바깥쪽에서 증기가 일정한 120 °C로 응축된다. 냉각수(3 kg/s, cp = 4.18 kJ/(kg·K))는 25 °C로 관에 들어간다. 물의 출구 온도 Tc,out을(를) 구하시오.

Ts = 120 °CA = 2 m²U = 3000 W/(m²·K)ṁ = 3 kg/scp = 4.18 kJ/(kg·K)Tc,in = 25 °C
Tc,out = °C

3용액

1.열전도

답: Q̇ = 134.4 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) = (200/1000)/(0.96·8) = 0.02604 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0.04·8) = 0.07813 K/W

열흐름

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 14/0.1042 = 134.4 W

답

Q̇ = 134.4 W
2.열전도

답: Ts = 19.67 °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/(hiA) = 1/(10·6) = 0.01667 K/W
R1 = L1/(k1A) = (50/1000)/(0.04·6) = 0.2083 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(1.4·6) = 0.005952 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·6) = 0.005556 K/W
ΣR = 0.2365 K/W

열손실

Q̇ = (22 − (-11))/0.2365 = 139.5 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 22 − 139.5·0.01667 = 19.67 °C

답

Ts = 19.67 °C
3.열교환기 (LMTD)

답: U = 838.9 W/(m²·K)

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.

양 끝의 온도 차

병류에서는 두 입구가 같은 쪽 끝에, 두 출구가 반대쪽 끝에 있습니다.

ΔT₁ = Th,in − Tc,in = 120 − 10 = 110 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 95 − 80 = 15 K

대수 평균 온도 차

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (110 − 15)/ln(110/15) = 47.68 K

총괄 열전달 계수

U = Q̇/(A·ΔTlm) = 80000/(2·47.68) = 838.9 W/(m²·K)

답

U = 838.9 W/(m²·K)
4.열교환기 (LMTD)

답: Tc,out = 61.13 °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.

에너지 수지와 전열 방정식 결합

ΔT₁ = Ts − Tc,in, ΔT₂ = Ts − Tc,out이면 ΔT₁ − ΔT₂는 물의 온도 상승과 같으므로 상승분이 약분됩니다.

ṁcp(ΔT₁ − ΔT₂) = U·A·(ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂)
ln(ΔT₁/ΔT₂) = U·A/(ṁcp) = 3000·2/(3·4180) = 0.4785

출구 온도

ΔT₂ = ΔT₁·e−0.4785 = 95·0.6197 = 58.87 K
Tc,out = 120 − 58.87 = 61.13 °C

답

Tc,out = 61.13 °C

전달된 열: Q̇ = 453 kW.

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