例題集

対流熱伝達(6) 配列円管まわりの対流熱伝達

適用レベル   難易度: ★★★
$20^\circ \rm{C}$の空気が流速$u_0=20\,\rm{m/s}$で流れている. 図に示すように,この流れの中に垂直に外径$d=20\,\rm{mm}$の円管を基盤目状(中心軸間距離$S=50\ \,\rm{mm}$)に配置され表面温度を$100^\circ\rm{ C}$に保っているとき,この円管($1$本)の$1\,\rm{m}$当たりの伝熱量を求めよ. %=image:/media/2015/01/15/142125744908904400.png: ただし,円管と空気流との熱伝達のヌッセルト数$Nu$は,以下に示す$Zukauskas$の式で評価することとし,空気のプランドル数$Pr$および$Pr_w$は,それぞれ流入温度($20^\circ \rm{C}$)と円管表面温度($100^\circ \rm{C}$)で評価,空気流のレイノルズ数$Re_{max}$は最狭部の流速$u_{max}$を用いて評価せよ. また,定数$C$と$n$は,下記から適切な数値を選んで使用せよ. \[ Nu=CRe_{max}^n Pr^{0.36}\left(\frac{Pr}{Pr_w}\right)^{0.25} \] %=image:/media/2015/01/23/142201744759534700.png:
\[ u_{max}=u_0\frac{S}{S-d}=20\times\frac{50}{50-20}=\frac{100}{3}=33.3\, \rm{m/s}\\ \] 空気の特性値表から \[ Pr=0.71\ ,\ Pr_w=0.708\\ \ \\ Re_{max}=\frac{u_{max}\cdot d}{\nu}=\frac{33.3\, \rm{m/s}\times0.02\, \rm{m}}{0.154\times10^{-4}\, \rm{m^2/s}}=4.325\times10^4\\ \] 問題文の表より$C=0.26\ ,\ n=0.6$を選択すると \[ \begin{align} \therefore Nu&=0.26\times\left(4.325\times10^4\right)^{0.6}\times0.71^{0.36}\times\left(\frac{0.71}{0.708}\right)^{0.25}\\ &=139.1 \end{align} \] 従って,円管と空気の熱伝達率$\alpha$は,空気の熱伝導率$R$を$20^\circ \rm{C}$での値$0.0256\, \rm{w/m\cdot K}$として \[ \begin{align} \alpha&=Nu\frac{R}{d}\\ &=139.1\times\frac{0.0256}{0.02}=178.0\, \rm{W/(m^2\cdot K)} \end{align} \] 円管$1m$当たりの伝熱量$Q$は \[ \begin{align} Q&=\alpha\times(100-20)\times\pi\times d\times1\, \rm{m}\\ &=178.0\times80\times\pi\times0.02\times1\\ &=894.7\ →\ 895\, \rm{W} \end{align} \]