Тепломассообмен: шпаргалка-пакет

Листы формул, ключевые шаги методов по каждой теме и тренировочные задачи (4) с полными решениями в конце.

Новые задачиНазад к курсу

В окне печати выберите «Сохранить как PDF», чтобы сохранить копию на своём устройстве.

1Формулы и методы

Теплопроводность

Закон Фурье
Q̇ = kAΔT/L
Термическое сопротивление теплопроводности
R = L/(kA)
Термическое сопротивление теплоотдачи
R = 1/(hA)
Последовательные сопротивления
Q̇ = ΔTtotal/ΣR
Коэффициент теплопередачи U
U = 1/(ΣR·A)

Теплообменники (LMTD)

Тепловая нагрузка
Q = U·A·ΔTlm
Среднелогарифмический температурный напор
ΔTlm = (ΔT1 − ΔT2)/ln(ΔT1/ΔT2)
Баланс потоков
Q = ṁcp(Tin − Tout)

2Тренировочные задачи

1.ТеплопроводностьСредняя
Гипсокартон, k = 0,17100 mmМинеральная вата, k = 0,04150 mm21 °C5 °CQ̇ = ?

Стена состоит из слоя 100 mm (гипсокартон) и слоя 150 mm (минеральная вата), её площадь 8 m². Наружные поверхности имеют 21 °C и 5 °C. Найдите тепловой поток Q̇ через стену.

L1 = 100 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,04 W/(m·K)A = 8 m²T1 = 21 °CT3 = 5 °C
Q̇ = W
2.ТеплопроводностьСложная
Гипсокартон, k = 0,1750 mmСтекло, k = 0,9625 mmпомещение 20 °Cснаружи -3 °CQ̇

Стена из 50 mm (гипсокартон) и 25 mm (стекло) отделяет помещение при 20 °C от наружного воздуха при -3 °C. Коэффициенты теплоотдачи — 7,7 W/(m²·K) внутри и 25 W/(m²·K) снаружи, площадь стены 20 m². Найдите коэффициент теплопередачи U стены.

L1 = 50 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 20 m²hi = 7,7 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -3 °C
U = W/(m²·K)
3.Теплообменники (LMTD)Средняя
длинаT100 °C70 °C25 °C60 °CΔT₁ΔT₂прямоток

Прямоточный теплообменник передаёт 140 kW. Горячий теплоноситель охлаждается с 100 до 70 °C, а холодный нагревается с 25 до 60 °C. Коэффициент теплопередачи 1000 W/(m²·K). Найдите необходимую площадь теплообмена A.

Q̇ = 140 kWU = 1000 W/(m²·K)Th: 100 → 70 °CTc: 25 → 60 °C
A = m²
4.Теплообменники (LMTD)Сложная
длинаT100 °C10 °C?ΔT₁ΔT₂конденсирующийся пар

Пар конденсируется при постоянной температуре 100 °C на наружной поверхности труб конденсатора с площадью поверхности теплопередачи 2,5 m² и U = 1000 W/(m²·K). Охлаждающая вода (0,5 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) входит в трубы при 10 °C. Найдите температуру воды на выходе Tc,out.

Ts = 100 °CA = 2,5 m²U = 1000 W/(m²·K)ṁ = 0,5 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 10 °C
Tc,out = °C

3Растворы

1.Теплопроводность

Ответ: Q̇ = 29,51 W

Термическое сопротивление: установившийся тепловой поток через последовательные слои ведёт себя как ток через последовательные резисторы: Q̇ = ΔT/ΣR, где R = L/(kA) для теплопроводного слоя и R = 1/(hA) для поверхности с конвекцией. Перепад температуры на каждом слое пропорционален его сопротивлению.

Сопротивления слоёв

R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(0,17·8) = 0,07353 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,04·8) = 0,4688 K/W

Тепловой поток

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 16/0,5423 = 29,51 W

Ответ

Q̇ = 29,51 W
2.Теплопроводность

Ответ: U = 2,041 W/(m²·K)

Термическое сопротивление: установившийся тепловой поток через последовательные слои ведёт себя как ток через последовательные резисторы: Q̇ = ΔT/ΣR, где R = L/(kA) для теплопроводного слоя и R = 1/(hA) для поверхности с конвекцией. Перепад температуры на каждом слое пропорционален его сопротивлению.

Последовательные сопротивления

Ri = 1/(hiA) = 1/(7,7·20) = 0,006494 K/W
R1 = L1/(k1A) = (50/1000)/(0,17·20) = 0,01471 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,96·20) = 0,001302 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·20) = 0,002 K/W
ΣR = 0,0245 K/W

Коэффициент теплопередачи

U = 1/(A·ΣR) = 1/(20·0,0245) = 2,041 W/(m²·K)

Ответ

U = 2,041 W/(m²·K)
3.Теплообменники (LMTD)

Ответ: A = 4,34 m²

Метод LMTD: разность температур между потоками меняется вдоль теплообменника, поэтому уравнение теплопередачи использует её среднелогарифмическое значение: Q̇ = U·A·ΔTlm, где ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), а ΔT₁ и ΔT₂ — разности на двух концах. При тех же температурах на входе и выходе противоток даёт больший ΔTlm, чем прямоток.

Разности температур на концах

При прямотоке оба входа на одном конце, а оба выхода — на другом.

ΔT₁ = Th,in − Tc,in = 100 − 25 = 75 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 70 − 60 = 10 K

Среднелогарифмическая разность температур

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (75 − 10)/ln(75/10) = 32,26 K

Площадь

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 140000/(1000·32,26) = 4,34 m²

Ответ

A = 4,34 m²
4.Теплообменники (LMTD)

Ответ: Tc,out = 72,79 °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.

Объединяем энергетический баланс и уравнение теплопередачи

При ΔT₁ = Ts − Tc,in и ΔT₂ = Ts − Tc,out разность ΔT₁ − ΔT₂ равна повышению температуры воды, поэтому это повышение сокращается.

ṁcp(ΔT₁ − ΔT₂) = U·A·(ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂)
ln(ΔT₁/ΔT₂) = U·A/(ṁcp) = 1000·2,5/(0,5·4180) = 1,196

Температура на выходе

ΔT₂ = ΔT₁·e−1,196 = 90·0,3023 = 27,21 K
Tc,out = 100 − 27,21 = 72,79 °C

Ответ

Tc,out = 72,79 °C

Переданная теплота: Q̇ = 131,2 kW.

ExamProblems · examproblems.com/courses/heat-transfer