Question
upstudy study bank question image url

\( 9-50 \) A \( 10-\mathrm{m} \)-long section of a \( 6-\mathrm{cm} \)-diameter horizontal hot- water pipe passes through a large room whose temperature is \( 27^{\circ} \mathrm{C} \). If the temperature and the emissivity of the outer surface of the pipe are \( 73^{\circ} \mathrm{C} \) and 0.8 , respectively, determine the rate of heat loss from the pipe by \( (a) \) natural convection and \( (b) \) radiation.

Ask by Wilson Chadwick. in Thailand
Jan 20,2025

Real Tutor Solution

Tutor-Verified Answer

Answer

อัตราการสูญเสียความร้อนจากท่อคือ: - **(a) การพาความร้อนธรรมชาติ:** ประมาณ 506 วัตต์ - **(b) การแผ่รังสี:** ประมาณ 532 วัตต์

Solution

เพื่อหาค่าอัตราการสูญเสียความร้อนจากท่อด้วย (a) การพาความร้อนธรรมชาติ และ (b) การแผ่รังสี เราสามารถดำเนินการดังนี้: ### ข้อมูลที่ให้มา: - **ความยาวของท่อ (L):** 10 เมตร - **เส้นผ่านศูนย์กลางของท่อ (D):** 6 เซนติเมตร (0.06 เมตร) - **อุณหภูมิผิวท่อ (Tₛ):** 73°C - **อุณหภูมิห้อง (T_amb):** 27°C - **ค่าเอยมิสซี (ε):** 0.8 - **ค่าคงที่ความร้อนของอากาศ:** - **ค่าการนำความร้อน (k):** ~0.0296 W/m·K - **ความหนืดเชิงหน้าช่อง (ν):** ~1.5×10⁻⁵ m²/s - **เลขพรานต์ (Pr):** ~0.71 ### การแปลงหน่วย: - อุณหภูมิเป็นเคลวิน: - Tₛ = 73°C + 273 = 346 K - T_amb = 27°C + 273 = 300 K - ความต่างอุณหภูมิ (ΔT): 346 K - 300 K = 46 K ### ส่วนที่ (a) การพาความร้อนธรรมชาติ 1. **คำนวณพื้นที่ผิวของท่อ (A):** \[ A = \pi D L = \pi \times 0.06 \times 10 \approx 1.884 \, \text{ตารางเมตร} \] 2. **คำนวณเลขนูส (Nu) สำหรับการพาความร้อนธรรมชาติ:** ใช้สมการของ Churchill และ Chu: \[ Nu = \left[0.60 + \frac{0.387 \times Ra^{1/6}}{\left(1 + \left(\frac{0.492}{Pr}\right)^{9/16}\right)^{4/9}}\right]^2 \] 3. **คำนวณเลขเรย์ลี่ (Ra):** \[ Gr = \frac{g \beta \Delta T D^3}{\nu^2} \approx 1.337 \times 10^6 \] \[ Ra = Gr \times Pr \approx 9.5 \times 10^5 \] 4. **คำนวณเลขนูส (Nu):** \[ Nu \approx 11.9 \] 5. **หาค่าสัมประสิทธิ์การพาความร้อน (h):** \[ h = \frac{Nu \times k}{D} = \frac{11.9 \times 0.0296}{0.06} \approx 5.86 \, \text{W/m²·K} \] 6. **คำนวณอัตราการพาความร้อน (Q_conv):** \[ Q_{conv} = h \times A \times \Delta T \approx 5.86 \times 1.884 \times 46 \approx 506 \, \text{วัตต์} \] ### ส่วนที่ (b) การแผ่รังสี 1. **ใช้สมการการแผ่รังสีของสเตฟาน-โบลตซมัน:** \[ Q_{rad} = \epsilon \sigma A (T_s^4 - T_{amb}^4) \] โดยที่ \(\sigma = 5.67 \times 10^{-8} \, \text{W/m²·K}^4\) 2. **คำนวณ \(T_s^4 - T_{amb}^4\):** \[ 346^4 - 300^4 \approx 6.224 \times 10^9 \, \text{K}^4 \] 3. **คำนวณอัตราการแผ่รังสี (Q_rad):** \[ Q_{rad} = 0.8 \times 5.67 \times 10^{-8} \times 1.884 \times 6.224 \times 10^9 \approx 532 \, \text{วัตต์} \] ### สรุปผลลัพธ์: - **(a) อัตราการสูญเสียความร้อนด้วยการพาความร้อนธรรมชาติ:** ประมาณ **506 วัตต์** - **(b) อัตราการสูญเสียความร้อนด้วยการแผ่รังสี:** ประมาณ **532 วัตต์**

Reviewed and approved by the UpStudy tutoring team

error msg
Explain
Simplify this solution

Mind Expander

To determine the rate of heat loss from the pipe, we'll go through the calculations for both natural convection and radiation step by step. ### (a) Natural Convection The rate of heat loss by natural convection can be calculated using Newton's law of cooling: \[ Q_{\text{conv}} = h A (T_{\text{pipe}} - T_{\text{room}}) \] **Where:** - \( Q_{\text{conv}} \) = heat loss by convection (W) - \( h \) = convective heat transfer coefficient (W/m²·K) (typically for air around 5-25 W/m²·K) - \( A \) = surface area of the pipe (m²) - \( T_{\text{pipe}} \) = temperature of the pipe (K) - \( T_{\text{room}} \) = temperature of the room (K) 1. **Find the surface area \( A \) of the pipe:** \[ A = \pi D L \] Where: - \( D = 0.06 \) m (diameter of the pipe) - \( L = 10 \) m (length of the pipe) \[ A = \pi \times 0.06 \times 10 \approx 1.884 \ \text{m}^2 \] 2. **Temperature Conversion:** \[ T_{\text{pipe}} = 73 + 273.15 = 346.15 \ \text{K} \] \[ T_{\text{room}} = 27 + 273.15 = 300.15 \ \text{K} \] 3. **Assuming \( h \) = 10 W/m²·K (approximation):** \[ Q_{\text{conv}} = 10 \times 1.884 \times (346.15 - 300.15) \] \[ Q_{\text{conv}} \approx 10 \times 1.884 \times 46 = 868.32 \ \text{W} \] ### (b) Radiation The rate of heat loss by radiation can be calculated using the Stefan-Boltzmann law: \[ Q_{\text{rad}} = \varepsilon \sigma A (T_{\text{pipe}}^4 - T_{\text{room}}^4) \] **Where:** - \( Q_{\text{rad}} \) = heat loss by radiation (W) - \( \varepsilon \) = emissivity of the surface (unitless) - \( \sigma \) = Stefan-Boltzmann constant \((5.67 \times 10^{-8} \ \text{W/m}^2 \cdot \text{K}^4)\) - \( A \) = surface area of the pipe (m²) - Temperatures in Kelvin are used (already calculated above) 1. **Using the previously found area:** \[ Q_{\text{rad}} = 0.8 \times 5.67 \times 10^{-8} \times 1.884 \times \left( (346.15)^4 - (300.15)^4 \right) \] 2. **Calculating \( (346.15)^4 - (300.15)^4 \):** \[ (346.15)^4 \approx 1.515 \times 10^{11}, \ \ (300.15)^4 \approx 8.053 \times 10^{10} \] \[ (346.15)^4 - (300.15)^4 \approx 7.097 \times 10^{10} \ \text{K}^4 \] 3. **Final calculation:** \[ Q_{\text{rad}} = 0.8 \times 5.67 \times 10^{-8} \times 1.884 \times 7.097 \times 10^{10} \] \[ Q_{\text{rad}} \approx 0.8 \times 5.67 \times 1.884 \times 7.097 \times 10^{2} \approx 627.66 \ \text{W} \] ### Final Results The heat loss from the pipe by: - Natural Convection: **~868.32 W** - Radiation: **~627.66 W**

Related Questions

Try Premium now!
Try Premium and ask Thoth AI unlimited math questions now!
Maybe later Go Premium
Study can be a real struggle
Why not UpStudy it?
Select your plan below
Premium

You can enjoy

Start now
  • Step-by-step explanations
  • 24/7 expert live tutors
  • Unlimited number of questions
  • No interruptions
  • Full access to Answer and Solution
  • Full Access to PDF Chat, UpStudy Chat, Browsing Chat
Basic

Totally free but limited

  • Limited Solution
Welcome to UpStudy!
Please sign in to continue the Thoth AI Chat journey
Continue with Email
Or continue with
By clicking “Sign in”, you agree to our Terms of Use & Privacy Policy