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
암면, k = 0.04250 mm석고보드, k = 0.17150 mm23 °C-14 °CTi​ = ?Q̇

벽은 암면 250 mm와 석고보드 150 mm(으)로 이루어지며 면적은 12 m²이다. 바깥 양면은 23 °C와 -14 °C이다. 두 층 경계면의 온도 Ti을(를) 구하시오.

L1 = 250 mm, k1 = 0.04 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0.17 W/(m·K)A = 12 m²T1 = 23 °CT3 = -14 °C
Ti = °C
2.열전도어려움
석고보드, k = 0.17250 mm벽돌, k = 0.7275 mm실내 21 °C실외 -7 °CQ̇ = ?

250 mm 석고보드와 75 mm 벽돌(으)로 된 벽이 21 °C인 방과 -7 °C인 바깥 공기를 나눈다. 대류 열전달 계수는 실내 6 W/(m²·K), 실외 30 W/(m²·K)이고, 벽 면적은 4 m²이다. 벽을 통한 열손실 Q̇을(를) 구하시오.

L1 = 250 mm, k1 = 0.17 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0.72 W/(m·K)A = 4 m²hi = 6 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -7 °C
Q̇ = W
3.열교환기 (LMTD)보통
길이T90 °C55 °C40 °C25 °CΔT₁ΔT₂대향류

셸 앤드 튜브 열교환기(셸 1패스, 튜브 2패스)가 790 kW를 전달해야 한다. 고온 유체는 90 °C에서 55 °C로 냉각되고 저온 유체는 25 °C에서 40 °C로 가열된다. 이 배치의 LMTD 보정 계수는 F = 0.8이고 U = 800 W/(m²·K)이다. 필요한 전열 면적 A을(를) 구하시오.

Q̇ = 790 kWF = 0.8U = 800 W/(m²·K)Th: 90 → 55 °CTc: 25 → 40 °C
A = m²
4.열교환기 (LMTD)어려움
길이T140 °C100 °C115.7 °C20 °CΔT₁ΔT₂대향류

뜨거운 기름(2 kg/s, cp = 2.5 kJ/(kg·K))이 대향류 열교환기에서 140에서 100 °C까지 냉각된다. 기름은 20 °C로 들어오는 물 0.5 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 → 100 °Cṁc = 0.5 kg/scp,c = 4.18 kJ/(kg·K)Tc,in = 20 °CU = 1000 W/(m²·K)
A = m²

3용액

1.열전도

답: Ti = −9.423 °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.

층별 열저항

R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(0.04·12) = 0.5208 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0.17·12) = 0.07353 K/W

열흐름

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 37/0.5944 = 62.25 W

경계면 온도

첫 번째 층에서 온도가 Q̇·R₁만큼 떨어집니다.

Ti = T1 − Q̇·R1 = 23 − 62.25·0.5208 = −9.423 °C

답

Ti = −9.423 °C
2.열전도

답: Q̇ = 63.11 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/(6·4) = 0.04167 K/W
R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(0.17·4) = 0.3676 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0.72·4) = 0.02604 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·4) = 0.008333 K/W
ΣR = 0.4437 K/W

열손실

Q̇ = (21 − (-7))/0.4437 = 63.11 W

답

Q̇ = 63.11 W
3.열교환기 (LMTD)

답: A = 31.53 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.

양 끝 온도차(향류)

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

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 90 − 40 = 50 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 55 − 25 = 30 K

대수 평균 온도 차

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (50 − 30)/ln(50/30) = 39.15 K

면적

A = Q̇/(U·F·ΔTlm,cf) = 790000/(800·0.8·39.15) = 31.53 m²

답

A = 31.53 m²
4.열교환기 (LMTD)

답: A = 4.278 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) = 2·2.5·40 = 200 kW
Tc,out = 20 + 200/(0.5·4.18) = 115.7 °C

양 끝의 온도 차

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

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 140 − 115.7 = 24.31 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 100 − 20 = 80 K

대수 평균 온도 차

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (24.31 − 80)/ln(24.31/80) = 46.75 K

면적

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 200000/(1000·46.75) = 4.278 m²

답

A = 4.278 m²

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