Warmteoverdracht: samenvattingspakket

Formuleoverzichten, de belangrijkste methodestappen voor elk onderwerp en 4 oefenopgaven, met volledige oplossingen achterin.

Nieuwe opgavenTerug naar het vak

Kies in het printvenster “Opslaan als pdf” om een kopie op je apparaat te bewaren.

1Formules en methoden

Warmtegeleiding

Wet van Fourier
Q̇ = kAΔT/L
Geleidingsweerstand
R = L/(kA)
Convectieweerstand
R = 1/(hA)
Weerstanden in serie
Q̇ = ΔTtotal/ΣR
U-waarde
U = 1/(ΣR·A)

Warmtewisselaars (LMTD)

Warmtevermogen
Q = U·A·ΔTlm
Logaritmisch gemiddeld temperatuurverschil
ΔTlm = (ΔT1 − ΔT2)/ln(ΔT1/ΔT2)
Balans van een stroom
Q = ṁcp(Tin − Tout)

2Oefenopgaven

1.WarmtegeleidingGemiddeld
Beton, k = 1,4250 mmHout, k = 0,1775 mm16 °C6 °CQ̇ = ?

Een wand bestaat uit 250 mm beton en 75 mm hout, met een oppervlak van 8 m². De buitenzijden zijn 16 °C en 6 °C. Vind de warmtestroom Q̇ door de wand.

L1 = 250 mm, k1 = 1,4 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 8 m²T1 = 16 °CT3 = 6 °C
Q̇ = W
2.WarmtegeleidingMoeilijk
Gipsplaat, k = 0,17100 mmGlas, k = 0,9675 mmkamer 21 °Cbuiten -10 °CQ̇ = ?

Een wand van 100 mm gipsplaat en 75 mm glas scheidt een kamer van 21 °C van de buitenlucht van -10 °C. De warmteoverdrachtscoëfficiënten zijn 7,7 W/(m²·K) binnen en 25 W/(m²·K) buiten, en het wandoppervlak is 4 m². Vind het warmteverlies Q̇ door de wand.

L1 = 100 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 4 m²hi = 7,7 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -10 °C
Q̇ = W
3.Warmtewisselaars (LMTD)Gemiddeld
lengteT140 °C15 °C80 °CΔT₁ΔT₂condenserende stoom

In een condensor condenseert stoom bij een constante 140 °C aan de buitenkant van de buizen. Koelwater (4 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) stroomt door de buizen en warmt op van 15 tot 80 °C. De warmtedoorgangscoëfficiënt is 1500 W/(m²·K). Vind het benodigde warmtewisselend oppervlak A.

Ts = 140 °Cṁ = 4 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc: 15 → 80 °CU = 1500 W/(m²·K)
A = m²
4.Warmtewisselaars (LMTD)Moeilijk
lengteT125 °C60 °C36,33 °C20 °CΔT₁ΔT₂tegenstroom

Warme olie (0,5 kg/s, cp = 2,1 kJ/(kg·K)) koelt af van 125 tot 60 °C in een tegenstroomwarmtewisselaar. Ze verwarmt 1 kg/s water (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) dat binnenkomt op 20 °C. Met U = 300 W/(m²·K), vind het benodigde warmtewisselend oppervlak A.

ṁh = 0,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 125 → 60 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 20 °CU = 300 W/(m²·K)
A = m²

3Oplossingen

1.Warmtegeleiding

Antwoord: Q̇ = 129,1 W

Warmteweerstand: stationaire warmtestroom door lagen in serie gedraagt zich als stroom door weerstanden in serie: Q̇ = ΔT/ΣR, met R = L/(kA) voor een geleidende laag en R = 1/(hA) voor een oppervlak met convectie. Het temperatuurverschil over elke laag is evenredig met haar weerstand.

Weerstanden van de lagen

R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(1,4·8) = 0,02232 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,17·8) = 0,05515 K/W

Warmtestroom

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 10/0,07747 = 129,1 W

Antwoord

Q̇ = 129,1 W
2.Warmtegeleiding

Antwoord: Q̇ = 148,3 W

Warmteweerstand: stationaire warmtestroom door lagen in serie gedraagt zich als stroom door weerstanden in serie: Q̇ = ΔT/ΣR, met R = L/(kA) voor een geleidende laag en R = 1/(hA) voor een oppervlak met convectie. Het temperatuurverschil over elke laag is evenredig met haar weerstand.

Weerstanden in serie

Ri = 1/(hiA) = 1/(7,7·4) = 0,03247 K/W
R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(0,17·4) = 0,1471 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,96·4) = 0,01953 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·4) = 0,01 K/W
ΣR = 0,2091 K/W

Warmteverlies

Q̇ = (21 − (-10))/0,2091 = 148,3 W

Antwoord

Q̇ = 148,3 W
3.Warmtewisselaars (LMTD)

Antwoord: A = 8,181 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.

Warmtevermogen aan de waterkant

Q̇ = 4·4,18·(80 − 15) = 1087 kW

Temperatuurverschillen aan de uiteinden

ΔT₁ = 140 − 15 = 125 K
ΔT₂ = 140 − 80 = 60 K

Logaritmisch gemiddeld temperatuurverschil

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (125 − 60)/ln(125/60) = 88,56 K

Oppervlak

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 1,087 × 10⁶/(1500·88,56) = 8,181 m²

Antwoord

A = 8,181 m²
4.Warmtewisselaars (LMTD)

Antwoord: A = 3,721 m²

LMTD-methode: het temperatuurverschil tussen de stromen verandert langs de warmtewisselaar, dus de overdrachtsvergelijking gebruikt het logaritmisch gemiddelde: Q̇ = U·A·ΔTlm, met ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), waarbij ΔT₁ en ΔT₂ de verschillen aan beide uiteinden zijn. Tegenstroom geeft een grotere ΔTlm dan meestroom bij dezelfde in- en uittredetemperaturen.

Warmtevermogen en uittredetemperatuur van het water

Q̇ = ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = 0,5·2,1·65 = 68,25 kW
Tc,out = 20 + 68,25/(1·4,18) = 36,33 °C

Temperatuurverschillen aan de uiteinden

Bij tegenstroom ligt de warme ingang tegenover de koude uitgang, en de warme uitgang tegenover de koude ingang.

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 125 − 36,33 = 88,67 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 60 − 20 = 40 K

Logaritmisch gemiddeld temperatuurverschil

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (88,67 − 40)/ln(88,67/40) = 61,14 K

Oppervlak

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 68250/(300·61,14) = 3,721 m²

Antwoord

A = 3,721 m²

ExamProblems · examproblems.com/courses/heat-transfer