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)
Тепломассообмен: шпаргалка-пакет
Листы формул, ключевые шаги методов по каждой теме и тренировочные задачи (4) с полными решениями в конце.
1Формулы и методы
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
Стена состоит из слоя 250 mm (пенополистирол) и слоя 150 mm (бетон), её площадь 10 m². Наружные поверхности имеют 15 °C и -2 °C. Найдите температуру Ti на границе двух слоёв.
L1 = 250 mm, k1 = 0,035 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 1,4 W/(m·K)A = 10 m²T1 = 15 °CT3 = -2 °C
Ti = °C
2.ТеплопроводностьСложная
Стена из 100 mm (бетон) и 75 mm (кирпич) отделяет помещение при 22 °C от наружного воздуха при -4 °C. Коэффициенты теплоотдачи — 10 W/(m²·K) внутри и 25 W/(m²·K) снаружи, площадь стены 20 m². Найдите коэффициент теплопередачи U стены.
L1 = 100 mm, k1 = 1,4 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,72 W/(m·K)A = 20 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = -4 °C
U = W/(m²·K)
3.Теплообменники (LMTD)Средняя
В конденсаторе пар конденсируется при постоянной температуре 140 °C на наружной поверхности труб. Охлаждающая вода (3 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) течёт по трубам и нагревается с 20 до 85 °C. Коэффициент теплопередачи равен 1500 W/(m²·K). Найдите необходимую площадь поверхности теплопередачи A.
Ts = 140 °Cṁ = 3 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc: 20 → 85 °CU = 1500 W/(m²·K)
A = m²
4.Теплообменники (LMTD)Сложная
В противоточном теплообменнике у обоих потоков одинаковая теплоёмкость потока ṁ·cp = 3 kW/K. Горячий поток входит при 155 °C, а холодный — при 10 °C. Теплообменник имеет A = 3 m² и U = 500 W/(m²·K). Найдите температуру горячего потока на выходе Th,out.
Ch = Cc = 3 kW/KTh,in = 155 °CTc,in = 10 °CA = 3 m²U = 500 W/(m²·K)
Th,out = °C
3Растворы
1.Теплопроводность
Ответ: Ti = −1,749 °C
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) = (250/1000)/(0,035·10) = 0,7143 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(1,4·10) = 0,01071 K/W
Тепловой поток
Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 17/0,725 = 23,45 W
Температура на границе
На первом слое температура падает на Q̇·R₁.
Ti = T1 − Q̇·R1 = 15 − 23,45·0,7143 = −1,749 °C
Ответ
Ti = −1,749 °C
2.Теплопроводность
Ответ: U = 3,169 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/(10·20) = 0,005 K/W
R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(1,4·20) = 0,003571 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,72·20) = 0,005208 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·20) = 0,002 K/W
ΣR = 0,01578 K/W
Коэффициент теплопередачи
U = 1/(A·ΣR) = 1/(20·0,01578) = 3,169 W/(m²·K)
Ответ
U = 3,169 W/(m²·K)
3.Теплообменники (LMTD)
Ответ: A = 6,522 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.
Тепловая нагрузка по стороне воды
Q̇ = 3·4,18·(85 − 20) = 815,1 kW
Разности температур на концах
ΔT₁ = 140 − 20 = 120 K
ΔT₂ = 140 − 85 = 55 K
Среднелогарифмическая разность температур
ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (120 − 55)/ln(120/55) = 83,32 K
Площадь
A = Q̇/(U·ΔTlm) = 815100/(1500·83,32) = 6,522 m²
Ответ
A = 6,522 m²
4.Теплообменники (LMTD)
Ответ: Th,out = 106,7 °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.
Постоянная разность температур
Холодный выход находится напротив горячего входа: Tc,out = Tc,in + (Th,in − Th,out), поэтому ΔT₁ = Th,in − Tc,out = Th,out − Tc,in = ΔT₂.
ΔTlm = Th,out − Tc,in
Приравниваем энергетический баланс и уравнение теплопередачи
3·(155 − Th,out) = 1,5·(Th,out − 10)
Th,out = (3·155 + 1,5·10)/(3 + 1,5) = 106,7 °C
Ответ
Th,out = 106,7 °C
Переданная теплота: Q̇ = 145 kW; холодный поток выходит при 58,33 °C.
ExamProblems · examproblems.com/courses/heat-transfer