การถ่ายเทความร้อน: ชุดสรุปเร่งรัด

สรุปสูตร ขั้นตอนวิธีทำที่สำคัญของทุกหัวข้อ และโจทย์ฝึก 4 ข้อ พร้อมเฉลยละเอียดไว้ท้ายเล่ม

โจทย์ใหม่กลับไปที่รายวิชา

ในหน้าต่างพิมพ์ ให้เลือก “บันทึกเป็น PDF” เพื่อเก็บสำเนาไว้ในอุปกรณ์ของคุณ

1สูตรและวิธีทำ

การนำความร้อน

กฎของฟูริเยร์
Q̇ = kAΔT/L
ความต้านทานการนำความร้อน
R = L/(kA)
ความต้านทานการพาความร้อน
R = 1/(hA)
ความต้านทานอนุกรม
Q̇ = ΔTtotal/ΣR
ค่า U
U = 1/(ΣR·A)

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน (LMTD)

ภาระความร้อน
Q = U·A·ΔTlm
ผลต่างอุณหภูมิเฉลี่ยลอการิทึม
ΔTlm = (ΔT1 − ΔT2)/ln(ΔT1/ΔT2)
สมดุลของสาย
Q = ṁcp(Tin − Tout)

2โจทย์ฝึก

1.การนำความร้อนปานกลาง
ใยแร่, k = 0.04150 mmคอนกรีต, k = 1.4150 mm18 °C-6 °CTi​ = ?Q̇

ผนังประกอบด้วยใยแร่หนา 150 mm และคอนกรีตหนา 150 mm มีพื้นที่ 15 m² ผิวด้านนอกทั้งสองมีอุณหภูมิ 18 °C และ -6 °C หาอุณหภูมิ Ti ที่รอยต่อระหว่างสองชั้น

L1 = 150 mm, k1 = 0.04 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 1.4 W/(m·K)A = 15 m²T1 = 18 °CT3 = -6 °C
Ti = °C
2.การนำความร้อนยาก
กระจก, k = 0.9650 mmคอนกรีต, k = 1.4150 mmห้อง 21 °Cภายนอก 0 °CTs​ = ?Q̇

ผนังกระจกหนา 50 mm และคอนกรีตหนา 150 mm กั้นระหว่างห้องที่ 21 °C กับอากาศภายนอกที่ 0 °C สัมประสิทธิ์การพาความร้อนคือ 7.7 W/(m²·K) ภายใน และ 25 W/(m²·K) ภายนอก และพื้นที่ผนังคือ 6 m² หาอุณหภูมิ Ts ของผิวด้านในของผนัง

L1 = 50 mm, k1 = 0.96 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 1.4 W/(m·K)A = 6 m²hi = 7.7 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = 0 °C
Ts = °C
3.เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน (LMTD)ปานกลาง
ความยาวT155 °C65 °C25 °C60 °CΔT₁ΔT₂ไหลขนาน

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบไหลขนานถ่ายเทความร้อน 480 kW มีพื้นที่ถ่ายเทความร้อน 15 m² ของไหลร้อนเย็นลงจาก 155 เป็น 65 °C และของไหลเย็นร้อนขึ้นจาก 25 เป็น 60 °C จงหาสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนรวม U

Q̇ = 480 kWA = 15 m²Th: 155 → 65 °CTc: 25 → 60 °C
U = W/(m²·K)
4.เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน (LMTD)ยาก
ความยาวT130 °C55 °C?10 °CΔT₁ΔT₂ไหลสวนทาง

ในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อคู่ไหลสวนทาง น้ำมันร้อน (0.3 kg/s, cp = 2.3 kJ/(kg·K)) ไหลในท่อด้านในและเย็นลงจาก 130 เป็น 55 °C น้ำ (1.5 kg/s, cp = 4.18 kJ/(kg·K)) ในช่องวงแหวนเข้าที่ 10 °C ท่อด้านในมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 50 mm และ U = 400 W/(m²·K) อิงตามเส้นผ่านศูนย์กลางนี้ จงหาความยาวท่อ L ที่ต้องการ

ṁh = 0.3 kg/scp,h = 2.3 kJ/(kg·K)Th: 130 → 55 °Cṁc = 1.5 kg/sTc,in = 10 °CD = 50 mmU = 400 W/(m²·K)
L = m

3สารละลาย

1.การนำความร้อน

คำตอบ: Ti = −5.333 °C

ความต้านทานความร้อน: การไหลของความร้อนที่สภาวะคงตัวผ่านชั้นต่าง ๆ ที่เรียงต่อกันทำงานเหมือนกระแสผ่านตัวต้านทานอนุกรม: Q̇ = ΔT/ΣR โดย R = L/(kA) สำหรับชั้นที่นำความร้อน และ R = 1/(hA) สำหรับผิวที่มีการพาความร้อน อุณหภูมิที่ตกคร่อมแต่ละชั้นเป็นสัดส่วนกับความต้านทานของชั้นนั้น

ความต้านทานของแต่ละชั้น

R1 = L1/(k1A) = (150/1000)/(0.04·15) = 0.25 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(1.4·15) = 0.007143 K/W

การไหลของความร้อน

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 24/0.2571 = 93.33 W

อุณหภูมิที่รอยต่อ

อุณหภูมิลดลงข้ามชั้นแรกเท่ากับ Q̇·R₁

Ti = T1 − Q̇·R1 = 18 − 93.33·0.25 = −5.333 °C

คำตอบ

Ti = −5.333 °C
2.การนำความร้อน

คำตอบ: Ts = 12.71 °C

ความต้านทานความร้อน: การไหลของความร้อนที่สภาวะคงตัวผ่านชั้นต่าง ๆ ที่เรียงต่อกันทำงานเหมือนกระแสผ่านตัวต้านทานอนุกรม: Q̇ = ΔT/ΣR โดย R = L/(kA) สำหรับชั้นที่นำความร้อน และ R = 1/(hA) สำหรับผิวที่มีการพาความร้อน อุณหภูมิที่ตกคร่อมแต่ละชั้นเป็นสัดส่วนกับความต้านทานของชั้นนั้น

ความต้านทานอนุกรม

Ri = 1/(hiA) = 1/(7.7·6) = 0.02165 K/W
R1 = L1/(k1A) = (50/1000)/(0.96·6) = 0.008681 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(1.4·6) = 0.01786 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·6) = 0.006667 K/W
ΣR = 0.05485 K/W

การสูญเสียความร้อน

Q̇ = (21 − (0))/0.05485 = 382.9 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 21 − 382.9·0.02165 = 12.71 °C

คำตอบ

Ts = 12.71 °C
3.เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน (LMTD)

คำตอบ: U = 834.1 W/(m²·K)

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.

ผลต่างอุณหภูมิที่ปลายทั้งสอง

ในการไหลขนาน ขาเข้าทั้งสองอยู่ปลายเดียวกัน และขาออกทั้งสองอยู่อีกปลายหนึ่ง

ΔT₁ = Th,in − Tc,in = 155 − 25 = 130 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 65 − 60 = 5 K

ผลต่างอุณหภูมิเฉลี่ยลอการิทึม

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (130 − 5)/ln(130/5) = 38.37 K

สัมประสิทธิ์รวม

U = Q̇/(A·ΔTlm) = 480000/(15·38.37) = 834.1 W/(m²·K)

คำตอบ

U = 834.1 W/(m²·K)
4.เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน (LMTD)

คำตอบ: L = 11.22 m

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.

ภาระความร้อนและอุณหภูมิน้ำขาออก

Q̇ = 0.3·2.3·(130 − 55) = 51.75 kW
Tc,out = 10 + 51.75/(1.5·4.18) = 18.25 °C

ผลต่างอุณหภูมิที่ปลายทั้งสอง

ในการไหลสวนทาง ขาเข้าของสายร้อนอยู่ตรงข้ามกับขาออกของสายเย็น และขาออกของสายร้อนอยู่ตรงข้ามกับขาเข้าของสายเย็น

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 130 − 18.25 = 111.7 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 55 − 10 = 45 K

ผลต่างอุณหภูมิเฉลี่ยลอการิทึม

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (111.7 − 45)/ln(111.7/45) = 73.38 K

พื้นที่และความยาว

A = 51750/(400·73.38) = 1.763 m²
L = A/(πD) = 1.763/(π·0.05) = 11.22 m

คำตอบ

L = 11.22 m

ExamProblems · examproblems.com/courses/heat-transfer