Тепломасообмін: шпаргалка-підсумок

Аркуші з формулами, ключові кроки методів для кожної теми та 4 задач для практики, з повними розв’язками наприкінці.

Нові задачіНазад до курсу

У вікні друку виберіть «Зберегти як PDF», щоб зберегти копію на пристрої.

1Формули та методи

Теплопровідність

Закон Фур’є
Q̇ = kAΔT/L
Термічний опір теплопровідності
R = L/(kA)
Термічний опір тепловіддачі
R = 1/(hA)
Послідовні опори
Q̇ = ΔTtotal/ΣR
Коефіцієнт теплопередачі U
U = 1/(ΣR·A)

Теплообмінники (LMTD)

Теплове навантаження
Q = U·A·ΔTlm
Середньологарифмічний температурний напір
ΔTlm = (ΔT1 − ΔT2)/ln(ΔT1/ΔT2)
Баланс потоків
Q = ṁcp(Tin − Tout)

2Задачі для практики

1.ТеплопровідністьСередня
Бетон, k = 1,4250 mmМінеральна вата, k = 0,0425 mm15 °C-3 °CQ̇ = ?

Стіна складається з 250 mm шару (бетон) і 25 mm шару (мінеральна вата), її площа 6 m². Зовнішні поверхні мають 15 °C і -3 °C. Знайдіть тепловий потік Q̇ через стіну.

L1 = 250 mm, k1 = 1,4 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,04 W/(m·K)A = 6 m²T1 = 15 °CT3 = -3 °C
Q̇ = W
2.ТеплопровідністьСкладна
Цегла, k = 0,72200 mmМінеральна вата, k = 0,04100 mmприміщення 20 °Cнадворі 5 °CQ̇

Стіна з 200 mm (цегла) і 100 mm (мінеральна вата) відділяє приміщення при 20 °C від зовнішнього повітря при 5 °C. Коефіцієнти тепловіддачі — 10 W/(m²·K) всередині та 30 W/(m²·K) ззовні, площа стіни 8 m². Знайдіть коефіцієнт теплопередачі U стіни.

L1 = 200 mm, k1 = 0,72 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,04 W/(m·K)A = 8 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = 5 °C
U = W/(m²·K)
3.Теплообмінники (LMTD)Середня
довжинаT140 °C120 °C65 °C15 °CΔT₁ΔT₂протитечія

Протитечійний теплообмінник передає 390 kW. Гарячий теплоносій охолоджується з 140 до 120 °C, а холодний нагрівається з 15 до 65 °C. Коефіцієнт теплопередачі 300 W/(m²·K). Знайдіть потрібну площу теплообміну A.

Q̇ = 390 kWU = 300 W/(m²·K)Th: 140 → 120 °CTc: 15 → 65 °C
A = m²
4.Теплообмінники (LMTD)Складна
довжинаT170 °C??10 °CΔT₁ΔT₂протитечія

У протитечійному теплообміннику обидва потоки мають однакову повну теплоємність ṁ·cp = 1 kW/K. Гарячий потік входить при 170 °C, а холодний при 10 °C. Теплообмінник має A = 4 m² і U = 300 W/(m²·K). Знайдіть температуру гарячого потоку на виході Th,out.

Ch = Cc = 1 kW/KTh,in = 170 °CTc,in = 10 °CA = 4 m²U = 300 W/(m²·K)
Th,out = °C

3Розчини

1.Теплопровідність

Відповідь: Q̇ = 134,4 W

Термічний опір: усталений тепловий потік через послідовні шари поводиться як струм через послідовні резистори: Q̇ = ΔT/ΣR, де R = L/(kA) для теплопровідного шару і R = 1/(hA) для поверхні з конвекцією. Перепад температури на кожному шарі пропорційний його опору.

Опори шарів

R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(1,4·6) = 0,02976 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,04·6) = 0,1042 K/W

Тепловий потік

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 18/0,1339 = 134,4 W

Відповідь

Q̇ = 134,4 W
2.Теплопровідність

Відповідь: U = 0,3435 W/(m²·K)

Термічний опір: усталений тепловий потік через послідовні шари поводиться як струм через послідовні резистори: Q̇ = ΔT/ΣR, де R = L/(kA) для теплопровідного шару і R = 1/(hA) для поверхні з конвекцією. Перепад температури на кожному шарі пропорційний його опору.

Послідовні опори

Ri = 1/(hiA) = 1/(10·8) = 0,0125 K/W
R1 = L1/(k1A) = (200/1000)/(0,72·8) = 0,03472 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,04·8) = 0,3125 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·8) = 0,004167 K/W
ΣR = 0,3639 K/W

Коефіцієнт теплопередачі

U = 1/(A·ΣR) = 1/(8·0,3639) = 0,3435 W/(m²·K)

Відповідь

U = 0,3435 W/(m²·K)
3.Теплообмінники (LMTD)

Відповідь: A = 14,58 m²

Метод LMTD: різниця температур між потоками змінюється вздовж теплообмінника, тож рівняння теплопередачі використовує її середньологарифмічне значення: Q̇ = U·A·ΔTlm, де ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), а ΔT₁ і ΔT₂ — різниці на двох кінцях. За тих самих температур на вході й виході протитечія дає більший ΔTlm, ніж прямотечія.

Різниці температур на кінцях

При протитечії гарячий вхід навпроти холодного виходу, а гарячий вихід — навпроти холодного входу.

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 140 − 65 = 75 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 120 − 15 = 105 K

Середньологарифмічна різниця температур

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (75 − 105)/ln(75/105) = 89,16 K

Площа

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 390000/(300·89,16) = 14,58 m²

Відповідь

A = 14,58 m²
4.Теплообмінники (LMTD)

Відповідь: Th,out = 82,73 °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.

Стала різниця температур

Вихід холодного потоку розташований навпроти входу гарячого: Tc,out = Tc,in + (Th,in − Th,out), тож ΔT₁ = Th,in − Tc,out = Th,out − Tc,in = ΔT₂.

ΔTlm = Th,out − Tc,in

Енергетичний баланс дорівнює рівнянню теплопередачі

1·(170 − Th,out) = 1,2·(Th,out − 10)
Th,out = (1·170 + 1,2·10)/(1 + 1,2) = 82,73 °C

Відповідь

Th,out = 82,73 °C

Передана теплота: Q̇ = 87,27 kW; холодний потік виходить при 97,27 °C.

ExamProblems · examproblems.com/courses/heat-transfer