全体の熱伝達係数
壁のような表面を通した熱伝達は次のように計算できます
q = U A dT (1)
ここで
q = 熱伝達（W（J/s）, Btu/h）
U = 総合熱伝達率（W/(m2K)、Btu/(ft2 h oF)）
A = 壁の面積（m2, ft2)
dT = (t1 – t2)
= 壁面上の温度差 (oC, oF)
多層構造の壁の全体的な熱伝達率。
壁の両側に流体の流れがある場合、多層の壁、パイプ、または熱交換器の全体の熱伝達率は次のように計算できます
1 / U A = 1 / hci Ai + Σ (sn / kn An) + 1 / hco Ao (2)
ここで、
U = 全体の熱伝達率 (W/(m2 K)。 Btu/(ft2 h oF))
kn = 層 n の材料の熱伝導率 (W/(m K), Btu/(hr ft °F))
hc i,o = 内壁または外壁の個別流体対流熱伝達率 (W/(m2 K), Btu/(ft2 h oF))
sn = 層 n の厚さ (m, ft)
すべての層で面積が等しい平面壁は、以下のように簡略化できます
1 / U = 1 / hci + Σ (sn / kn) + 1 / hco (3)
熱伝導率 – k -いくつかの代表的な材料について（導電率が温度によって変化する可能性のある特性であるということではありません）
- ポリプロピレン PP : 0.1 – 0.22 W/(m K)
- ステンレススチール : 16 – 24 W/(m K)
- アルミニウム : 205 – 250 W/(m K)
メートル単位とインペリアル単位の変換
- 1 W/(m K) = 0.5779 Btu/(ft h oF)
- 1 W/(m2 K) = 0.85984 kcal/(h m2 oC) = 0.1761 Btu/(ft2 h oF)
- 伝導性熱伝達
- 一般的に使用されている材料の熱伝導率
対流熱伝達率hは以下に依存します
- 流体の種類。
- 流体の種類 – 気体か液体か
- 速度などの流れの特性
- その他の流れや温度に依存する特性
いくつかの一般的な流体の対流熱伝達率。
- 空気 – 10～100W/m2K
- 水 – 500～10,000W/m2K
多層構造の壁 – 。 熱伝達計算機
この計算機は、全体の熱伝達率と多層壁を介した熱伝達の計算に使用できます。 この電卓は一般的なもので、単位の使用が一貫している限り、メートル単位でもインペリアル単位でも使用することができます。
A – 面積 (m2, ft2)
t1 – 温度 1 (oC, oF)
t2 – 温度 2 (oC, oF)
hci – 壁内部の対流熱伝達率 (W/(m2 K)。 Btu/(ft2 h oF))
s1 – 厚さ1 (m, ft) k1 – 熱伝導率1 (W/(m K), Btu/(hr ft °F))
s2 – 厚さ2 (m. ft, ft) k2 – 熱伝導率2 (W/(m K), Btu/(hr ft °F))
s3 – 厚さ3 (m, ft) k3 – 熱伝導率3 (W/(m K), Btu/(hr ft °F))
hco – 壁外の対流熱伝達率 (W/(m2 K), Btu/(ft2 h oF))
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熱伝達熱抵抗
熱伝達抵抗は次のように表すことができます
R = 1 / U (4)
ここで、
R = 熱伝達抵抗 (m2K/W,
壁は熱抵抗のセクションに分かれており、
- 流体と壁の間の熱伝達は1つの抵抗である
- 壁自体も1つの抵抗である
- 壁と第2の流体の間の伝達は熱抵抗である
表面のコーティングや「焼けた」製品の層は、壁に余分な熱抵抗を与え、全体の熱伝達率を低下させます。
いくつかの典型的な熱伝達抵抗
- 空気の静置層、40 mm (1.57 in) : R = 0.18 m2K/W
- 内部の熱伝達抵抗、水平方向の電流 : R = 0.13 m2K/W
- 外側の熱伝達抵抗、水平方向の電流 : R = 0.04 m2K/W
- 内側の熱伝達抵抗、下から上への熱流 : R = 0.10 m2K/W
- 外側の熱伝達抵抗、上から下への熱流 : R = 0.17 m2K/W
Example – Heat Transfer in Air to Air Heat Exchanger
面積2m2、壁厚0.1mmの空気対空気のプレート式交換機は、ポリプロピレンPP、アルミニウム、ステンレススチールで作ることができます。
空気の熱伝達対流係数は50W/m2Kです。
単位面積当たりの全体の熱伝達率Uは、(3)を次のように修正して計算できます
U = 1 / (1 / hci + s / k + 1 / hco) (3b)
熱伝導率が0.1W/mKのポリプロピレン製熱交換器の総合熱伝達率は
- 0.
UPP = 1 / (1 / (50 W/m2K) + (0.1 mm) (10-3 m/mm)/ (0.1 W/mK) + 1 / (50 W/m2K)) です。
= 24.4 W /m2K
熱伝導は、
q = (24.4 W /m2K) (2 m2) ((100 oC) – (20 oC))
= 3904 W
= 3.9kW
- 熱伝導率16W/mKのステンレス鋼：
USS = 1 / (1 / (50 W/m2K) + (0.1 mm) (10-3 m/mm)/ (16 W/mK) + 1 / (50 W/m2K))
= 25 W /m2K
熱伝導は
q = (25 W /m2K) (2 m2) ((100 oC) – (20 oC))
= 4000 W
= 4 kW
- 熱伝導率205 W/mKのアルミニウム。
UAl＝1／（1／（50W／m2K）＋（0.1 mm) (10-3 m/mm)/ (205 W/mK) + 1 / (50 W/m2K))
= 25 W / m2K
熱伝導は
q = (25 W / m2K) (2 m2) ((100 oC) – (20 oC))
= 4000 W
= 4 kW
- 1 W/(m2 K) = 0.85984 kcal/(h m2 oC) = 0.1761 Btu/(ft2 h oF)
典型的な全体の熱伝達係数
- 自由対流気体 – 自由対流気体 : U = 1 – 2 W/m2K (典型的な窓、部屋からガラスを通して外気へ)
- 自由対流ガス – 強制液体(流動)水 : U = 5 – 15 W/m2K (典型的なラジエーターセントラルヒーティング)
- 自由対流ガス – 凝縮蒸気水 : U = 5 – 20 W/m2K (典型的なスチームラジエーター)
- 強制対流(流動)ガス – 自由対流ガス : U = 3 – 10 W/m2K (過熱器)
- 強制対流(流動)気体 – 強制対流気体 : U = 10 – 30 W/m2K (熱交換器ガス)
- 強制対流(流動)ガス – 強制液体(流動)水 : U = 10 – 50 W/m2K (ガス冷却器)
- 強制対流(流動)ガス – 凝縮蒸気水 : U = 10 – 50 W/m2K (空気加熱器)
- 自由液面対流 – 強制対流ガス : U = 10 – 50 W/m2K (空気加熱器)
- 自由液面対流 – 強制対流ガス : U = 10 – 50 W/m2K (ガスボイラー)
- 液体の自由対流 – 自由対流液体 : U = 25 – 500 W/m2K (加熱用オイルバス)
- 液体の自由対流 – 強制的な液体の流れ (水) : U = 50 – 100 W/m2K (容器水の加熱コイル、舵取りのない水)、500 – 2000 W/m2K (容器水の加熱コイル、舵取りのある水)
- 液体の自由対流-凝縮蒸気水 : U = 300 – 1000 W/m2K (攪拌機付き容器の蒸気ジャケット、水)、150 – 500 W/m2K (その他の液体)
- 強制液体(流動)水-自由対流気体 : U = 10 – 40 W/m2K（燃焼室＋輻射）
- 強制液体（流動）水-自由対流液体：U = 500 – 1500 W/m2K（冷却コイル-攪拌）
- 強制液体（流動）水-強制液体（流動）水 : U = 900 – 2500 W/m2K (熱交換器の水/水)
- 強制液体(流水)の水 – 凝縮蒸気の水 : U = 1000 – 4000 W/m2K (凝縮器の蒸気の水)
- 沸騰した液体の水 – 自由対流の気体 : U = 10 – 40 W/m2K (蒸気ボイラー + 輻射)
- 沸騰した液体の水 – 強制的に液体を流す (水) : U = 300 – 1000 W/m2K (冷蔵庫やブラインクーラーの蒸発)
- 沸騰した液体の水 – 凝縮した蒸気の水 : U = 1500 – 6000 W/m2K (蒸発器の蒸気/水)