Wymiana ciepła: zestaw na powtórkę

Wzory, najważniejsze kroki metod dla każdego tematu i 4 zadań do ćwiczenia, z pełnymi rozwiązaniami na końcu.

Nowe zadania Wróć do przedmiotu

W oknie drukowania wybierz „Zapisz jako PDF”, aby zachować kopię na swoim urządzeniu.

1Wzory i metody

Przewodzenie ciepła

Prawo Fouriera: Q̇ = kAΔT/L
Opór cieplny przewodzenia: R = L/(kA)
Opór cieplny konwekcji: R = 1/(hA)
Opory szeregowo: Q̇ = ΔT_total/ΣR
Współczynnik U: U = 1/(ΣR·A)

Wymienniki ciepła (LMTD)

Moc cieplna: Q = U·A·ΔT_lm
Średnia logarytmiczna różnica temperatur: ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂)
Bilans strumieni: Q = ṁc_p(T_in − T_out)

2Zadania do ćwiczenia

1.Przewodzenie ciepłaŚredni

Ściana składa się z 250 mm (drewno) i 50 mm (styropian), a jej pole wynosi 6 m². Powierzchnie zewnętrzne mają 23 °C i -8 °C. Wyznacz temperaturę T_i na styku dwóch warstw.

L₁ = 250 mm, k₁ = 0,17 W/(m·K)L₂ = 50 mm, k₂ = 0,035 W/(m·K)A = 6 m²T₁ = 23 °CT₃ = -8 °C

T_i = °C

2.Przewodzenie ciepłaTrudny

Ściana z 50 mm (beton) i 100 mm (drewno) oddziela pomieszczenie o temperaturze 21 °C od powietrza zewnętrznego o temperaturze -14 °C. Współczynniki przejmowania ciepła wynoszą 8 W/(m²·K) wewnątrz i 25 W/(m²·K) na zewnątrz, a pole ściany 4 m². Wyznacz straty ciepła Q̇ przez ścianę.

L₁ = 50 mm, k₁ = 1,4 W/(m·K)L₂ = 100 mm, k₂ = 0,17 W/(m·K)A = 4 m²h_i = 8 W/(m²·K)h_o = 25 W/(m²·K)T_room = 21 °CT_out = -14 °C

Q̇ = W

3.Wymienniki ciepła (LMTD)Średni

Przeciwprądowy wymiennik ciepła przekazuje 340 kW. Gorący płyn stygnie od 80 do 55 °C, a zimny nagrzewa się od 10 do 50 °C. Współczynnik przenikania ciepła wynosi 200 W/(m²·K). Wyznacz potrzebną powierzchnię wymiany ciepła A.

Q̇ = 340 kWU = 200 W/(m²·K)T_h: 80 → 55 °CT_c: 10 → 50 °C

A = m²

4.Wymienniki ciepła (LMTD)Trudny

Para skrapla się w stałej temperaturze 130 °C na zewnętrznej powierzchni rur skraplacza o powierzchni wymiany ciepła 3 m² i U = 1000 W/(m²·K). Woda chłodząca (2 kg/s, c_p = 4,18 kJ/(kg·K)) wpływa do rur z temperaturą 15 °C. Wyznacz temperaturę wody na wylocie T_c,out.

T_s = 130 °CA = 3 m²U = 1000 W/(m²·K)ṁ = 2 kg/sc_p = 4,18 kJ/(kg·K)T_c,in = 15 °C

T_c,out = °C

3Roztwory

1.Przewodzenie ciepła

Odpowiedź: T_i = 7,275 °C

Opór cieplny: ustalony przepływ ciepła przez warstwy połączone szeregowo zachowuje się jak prąd w rezystorach szeregowych: Q̇ = ΔT/ΣR, gdzie R = L/(kA) dla warstwy przewodzącej i R = 1/(hA) dla powierzchni z konwekcją. Spadek temperatury na każdej warstwie jest proporcjonalny do jej oporu.

Opory warstw

R₁ = L₁/(k₁A) = (250/1000)/(0,17·6) = 0,2451 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (50/1000)/(0,035·6) = 0,2381 K/W

Strumień ciepła

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 31/0,4832 = 64,16 W

Temperatura na styku

Na pierwszej warstwie temperatura spada o Q̇·R₁.

T_i = T₁ − Q̇·R₁ = 23 − 64,16·0,2451 = 7,275 °C

Odpowiedź

T_i = 7,275 °C

2.Przewodzenie ciepła

Odpowiedź: Q̇ = 177,5 W

Opory szeregowo

R_i = 1/(h_iA) = 1/(8·4) = 0,03125 K/W

R₁ = L₁/(k₁A) = (50/1000)/(1,4·4) = 0,008929 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (100/1000)/(0,17·4) = 0,1471 K/W

R_o = 1/(h_oA) = 1/(25·4) = 0,01 K/W

ΣR = 0,1972 K/W

Straty ciepła

Q̇ = (21 − (-14))/0,1972 = 177,5 W

Odpowiedź

Q̇ = 177,5 W

3.Wymienniki ciepła (LMTD)

Odpowiedź: A = 45,95 m²

Metoda LMTD: różnica temperatur między strumieniami zmienia się wzdłuż wymiennika, więc równanie wymiany używa jej średniej logarytmicznej: Q̇ = U·A·ΔT_lm, gdzie ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), a ΔT₁ i ΔT₂ to różnice na obu końcach. Przy tych samych temperaturach wlotowych i wylotowych przeciwprąd daje większe ΔT_lm niż współprąd.

Różnice temperatur na końcach

W przeciwprądzie gorący wlot jest naprzeciw zimnego wylotu, a gorący wylot naprzeciw zimnego wlotu.

ΔT₁ = T_h,in − T_c,out = 80 − 50 = 30 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 55 − 10 = 45 K

Średnia logarytmiczna różnica temperatur

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (30 − 45)/ln(30/45) = 36,99 K

Powierzchnia

A = Q̇/(U·ΔT_lm) = 340000/(200·36,99) = 45,95 m²

Odpowiedź

A = 45,95 m²

4.Wymienniki ciepła (LMTD)

Odpowiedź: T_c,out = 49,68 °C

LMTD method: the temperature difference between the streams changes along the exchanger, so the rate equation uses its logarithmic mean: Q̇ = U·A·ΔT_lm, with ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), where ΔT₁ and ΔT₂ are the differences at the two ends. Counter-flow gives a larger ΔT_lm than parallel flow for the same inlet and outlet temperatures.

Połącz bilans energii z równaniem wymiany ciepła

Przy ΔT₁ = T_s − T_c,in i ΔT₂ = T_s − T_c,out różnica ΔT₁ − ΔT₂ jest równa przyrostowi temperatury wody, więc przyrost się skraca.

ṁc_p(ΔT₁ − ΔT₂) = U·A·(ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂)

ln(ΔT₁/ΔT₂) = U·A/(ṁc_p) = 1000·3/(2·4180) = 0,3589

Temperatura na wylocie

ΔT₂ = ΔT₁·e^−0,3589 = 115·0,6985 = 80,32 K

T_c,out = 130 − 80,32 = 49,68 °C

Odpowiedź

T_c,out = 49,68 °C

Przekazane ciepło: Q̇ = 289,9 kW.

ExamProblems · examproblems.com/courses/heat-transfer