Principles of Heat Transfer（伝熱工学の原理）

引用

Kreith, F., & Manglik, R. M. (2018). Principles of Heat Transfer (8th ed.). Cengage Learning.

章の要約

第8版は11章と5つの付録（国際単位系、データ表、三重対角行列のコンピュータプログラム、伝熱の市販コンピュータコード、伝熱の文献）からなり、784ページである。各章は「Concepts and Analyses to Be Learned」（学ぶべき概念と解析）という一覧で始まり、要約、参考文献、練習問題で終わる。Cengageは、本書がASMEの伝熱教育委員会の勧告に従い、計算による解析と、物理を明らかにする解析的な方法を組み合わせた総合的な工学的アプローチをとると述べている。

第1章：伝熱の基本様式（Basic Modes of Heat Transfer）

まず伝熱と熱力学の関係を述べ、次元と単位を扱い、熱伝導、対流、放射を導入する。最後に、複合伝熱系、断熱、エネルギー保存則の役割を扱う。

第2章：定常熱伝導（Steady Heat Conduction）

熱伝導方程式を導入して単純な形状の定常伝導に適用し、続いて拡張表面（フィン）と多次元の定常伝導を扱う。

第3章：非定常熱伝導（Transient Heat Conduction）

内部抵抗が無視できる系、空間的な温度分布をもつ系、半無限固体、多次元系を扱う。

第4章：熱伝導の数値解析（Numerical Analysis of Heat Conduction）

1次元の定常・非定常伝導の数値的方法を展開し、続いて2次元の定常・非定常伝導、円柱座標、不規則な境界を扱う。

第5章：対流伝熱の解析（Analysis of Convection Heat Transfer）

対流の理論の章。境界層の基礎、平板上の層流の質量・運動量・エネルギー保存式、無次元の方程式と相似パラメータ、次元解析、層流境界層の解析解と近似積分解、平板上の乱流、特殊な境界条件と高速流れを扱う。

第6〜8章：外表面の強制対流、管・ダクト内の強制対流、自然対流（Forced Convection over Exterior Surfaces; Forced Convection Inside Tubes and Ducts; Natural Convection）

第6章は、非流線形物体まわりの流れ、円柱と球、フィン付きを含む管群の直交流、充填層、自由噴流を扱う。第7章は、長い管内の層流強制対流、層流・乱流の相関式、熱と運動量の移動の類似性、伝熱促進と電子機器の冷却を扱う。第8章は、自然対流の相似パラメータ、さまざまな形状の経験的相関式、フィン付き表面、回転する円柱・円板・球、強制対流と自然対流の複合を扱う。

第9〜10章：相変化を伴う伝熱、熱交換器（Heat Transfer with Phase Change; Heat Exchangers）

第9章は、沸騰（プール沸騰と強制対流沸騰）、凝縮、凝縮器の設計、ヒートパイプ、凝固と融解を扱う。第10章は、熱交換器の種類、総括伝熱係数、対数平均温度差、有効度、伝熱促進、マイクロスケール熱交換器を扱う。

第11章：放射伝熱（Heat Transfer by Radiation）

熱放射、放射熱流束、黒体放射と放射特性、太陽放射と地球温暖化、放射形態係数、黒体面・灰色面・非灰色面の閉空間、対流・伝導と組み合わさった放射、気体と蒸気の放射特性を扱う。

主要概念

第1〜4章：伝熱の様式と熱伝導

• 熱伝導、対流、放射：3つの基本様式で、第1章でまとめて導入される。
• 拡張表面（フィン）：伝熱を増すために付加される表面で、定常熱伝導の章で扱われる。
• 無視できる内部抵抗：非定常伝導の集中定数的な扱いで、空間的な温度分布をもつ系と対比される。
• 数値解析：差分法などによる伝導問題の数値解法。付録に三重対角行列のプログラムがある。

第5〜8章：対流

• 境界層：表面に接する薄い領域で、対流による伝達を決める。
• 相似パラメータ：対流の結果を整理するための無次元数。
• 熱と運動量の移動の類似性：管内の乱流強制対流に用いられる関係。
• 自然対流と複合対流：浮力による流れと、それを強制流れと組み合わせたもの。

第9〜11章：相変化、熱交換器、放射

• 沸騰と凝縮：相変化を伴う伝熱で、凝縮器の設計やヒートパイプに関わる。
• 対数平均温度差と有効度：熱交換器を解析する2つの主要な方法。
• 放射形態係数：表面間の放射交換の幾何学的な係数。
• 灰色面と非灰色面の閉空間：閉空間内の放射交換のモデル。

批判的分析

長所

• 各章の明快な構成。 どの章も、学ぶべき概念と解析の記述で始まり、要約、参考文献、練習問題で終わるので、独習にも科目の計画にも役立つ。
• 対流を2段階で組み立てる。 第5章が境界層理論と相似を展開し、第6〜8章が外部、内部、自然対流の相関式を与える。学生は経験式の前に解析を目にする。
• 設計志向の内容。 Cengageは、本書が再生可能エネルギー、生物工学、マイクロエレクトロニクス、材料加工、宇宙探査といった現在の工学上の課題への応用を重視すると述べており、目次には電子機器の冷却、ヒートパイプ、凝縮器の設計、マイクロスケール熱交換器がある。
• 計算が本の一部になっている。 数値解析に独立した章があり、付録には三重対角行列のプログラムと伝熱の市販コンピュータコードの概観がある。
• 問題解決の方法。 出版社によれば、著者は実務の技術者が直面するような自由回答式の問題を用い、問題を自分の言葉で言い直し、既知量と未知量を示す略図を描くことを勧めている。

短所

• 物質移動がない。 11章は伝熱だけを扱う。物質移動が必要な学生は、ÇengelとGhajarやLienhardの本のように、物質移動の章がある教科書を必要とする。
• 対流の理論が1章に集中している。 第5章は、境界層の方程式、相似、次元解析、積分法を1つの章に収めており、この分野に初めて触れる学生にとっては、相関式の章に入る前の急な一歩になるかもしれない。
• 資料による版の詳細の違い。 Cengageは著作権年を2018年としているが、Google ブックスは第8版を2016年10月としている。ISBN 9781337535366は電子書籍で、印刷版には別のISBNがある。

コースにおける位置づけ

KreithとManglikの本は、最初の伝熱の科目の主教科書である。ÇengelとGhajarの Heat and Mass Transfer: Fundamentals and Applications は最も近い代替で、第6版は印刷版14章に3つのオンライン章があり、物質移動を加え、数学を抑えた物理優先の方法を述べている。KreithとManglikは11章でよりコンパクトであり、対流に理論の章を与えている。Lienhardの A Heat Transfer Textbook は入門的な代替で、物質移動も扱い、第6版は無料でダウンロードできる。NellisとKleinの Introduction to Engineering Heat Transfer は、導出をEESやMATLABなどの計算ツールと組み合わせている。

Bergman、Lavine、Incropera、DeWittの Fundamentals of Heat and Mass Transfer は、解析と設計の問題を備えた、より厳密な工学の教科書である。Ghiaasiaanの Convective Heat and Mass Transfer は、対流に関する大学院レベルの解説で、これらのいずれかに基づく科目の後に読む。

本書の使い方

本書は、最初の伝熱の科目を取る機械、化学、航空宇宙工学系の学生と、標準的な相関式を必要とする実務の技術者に向いている。Cengageは予備知識を挙げていない。学生には微積分、微分方程式、入門的な熱力学が必要で、対流の章では流体力学も役に立つ。

• 核心： 第1〜3章（様式、定常・非定常の熱伝導）、第6〜8章（強制対流と自然対流の相関式）、第10章（熱交換器）、第11章（放射）。
• 理論と計算： 第4章の熱伝導の数値解析と第5章の対流の解析は、最も数学的な章である。科目に数値的方法や境界層解析が含まれるなら学ぶこと。
• 任意： 沸騰、凝縮、ヒートパイプを扱う第9章は、対流が身についた後に続けて学べる。

各章は「学ぶべき概念と解析」の一覧から始め、各問題を自分の言葉で言い直して略図を描き、付録2のデータ表を手元に置く。