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 = 0.04200 mm벽돌, k = 0.72150 mm19 °C-8 °CQ̇ = ?

벽은 암면 200 mm와 벽돌 150 mm(으)로 이루어지며 면적은 6 m²이다. 바깥 양면은 19 °C와 -8 °C이다. 벽을 통한 열흐름 Q̇을(를) 구하시오.

L1 = 200 mm, k1 = 0.04 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0.72 W/(m·K)A = 6 m²T1 = 19 °CT3 = -8 °C
Q̇ = W
2.열전도어려움
석고보드, k = 0.17200 mm유리, k = 0.9650 mm실내 21 °C실외 4 °CQ̇ = ?

200 mm 석고보드와 50 mm 유리(으)로 된 벽이 21 °C인 방과 4 °C인 바깥 공기를 나눈다. 대류 열전달 계수는 실내 8 W/(m²·K), 실외 30 W/(m²·K)이고, 벽 면적은 4 m²이다. 벽을 통한 열손실 Q̇을(를) 구하시오.

L1 = 200 mm, k1 = 0.17 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0.96 W/(m·K)A = 4 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = 4 °C
Q̇ = W
3.열교환기 (LMTD)보통
길이T110 °C25 °C95 °CΔT₁ΔT₂응축 증기

응축기에서 증기가 관 바깥쪽에서 일정한 110 °C로 응축된다. 냉각수(2 kg/s, cp = 4.18 kJ/(kg·K))가 관 안을 흐르며 25 °C에서 95 °C로 가열된다. 총괄 열전달 계수는 3000 W/(m²·K)이다. 필요한 전열 면적 A을(를) 구하시오.

Ts = 110 °Cṁ = 2 kg/scp = 4.18 kJ/(kg·K)Tc: 25 → 95 °CU = 3000 W/(m²·K)
A = m²
4.열교환기 (LMTD)어려움
길이T100 °C45 °C59.34 °C10 °CΔT₁ΔT₂대향류

뜨거운 기름(1.5 kg/s, cp = 2.5 kJ/(kg·K))이 대향류 열교환기에서 100에서 45 °C까지 냉각된다. 기름은 10 °C로 들어오는 물 1 kg/s(cp = 4.18 kJ/(kg·K))을(를) 가열한다. U = 1500 W/(m²·K)일 때 필요한 전열 면적 A을(를) 구하시오.

ṁh = 1.5 kg/scp,h = 2.5 kJ/(kg·K)Th: 100 → 45 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4.18 kJ/(kg·K)Tc,in = 10 °CU = 1500 W/(m²·K)
A = m²

3용액

1.열전도

답: Q̇ = 31.1 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)/(0.04·6) = 0.8333 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0.72·6) = 0.03472 K/W

열흐름

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 27/0.8681 = 31.1 W

답

Q̇ = 31.1 W
2.열전도

답: Q̇ = 49.03 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/(8·4) = 0.03125 K/W
R1 = L1/(k1A) = (200/1000)/(0.17·4) = 0.2941 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0.96·4) = 0.01302 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·4) = 0.008333 K/W
ΣR = 0.3467 K/W

열손실

Q̇ = (21 − (4))/0.3467 = 49.03 W

답

Q̇ = 49.03 W
3.열교환기 (LMTD)

답: A = 4.834 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 = 2·4.18·(95 − 25) = 585.2 kW

양 끝의 온도 차

ΔT₁ = 110 − 25 = 85 K
ΔT₂ = 110 − 95 = 15 K

대수 평균 온도 차

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (85 − 15)/ln(85/15) = 40.36 K

면적

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 585200/(3000·40.36) = 4.834 m²

답

A = 4.834 m²
4.열교환기 (LMTD)

답: A = 3.642 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) = 1.5·2.5·55 = 206.3 kW
Tc,out = 10 + 206.3/(1·4.18) = 59.34 °C

양 끝의 온도 차

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

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 100 − 59.34 = 40.66 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 45 − 10 = 35 K

대수 평균 온도 차

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (40.66 − 35)/ln(40.66/35) = 37.76 K

면적

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 206250/(1500·37.76) = 3.642 m²

답

A = 3.642 m²

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