传热学：速成包

公式表、每个专题的关键方法步骤和 4 道练习题，完整解答附在最后。

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1公式与方法

热传导

傅里叶定律
Q̇ = kAΔT/L
导热热阻
R = L/(kA)
对流热阻
R = 1/(hA)
串联热阻
Q̇ = ΔTtotal/ΣR
U 值
U = 1/(ΣR·A)

换热器 (LMTD)

热负荷
Q = U·A·ΔTlm
对数平均温差
ΔTlm = (ΔT1 − ΔT2)/ln(ΔT1/ΔT2)
物流热量衡算
Q = ṁcp(Tin − Tout)

2练习题

1.热传导中等
石膏板, k = 0.17150 mm发泡聚苯乙烯, k = 0.03550 mm22 °C-6 °CTi​ = ?Q̇

一面墙由 150 mm 的石膏板和 50 mm 的发泡聚苯乙烯组成，面积为 10 m²。外表面温度为 22 °C 和 -6 °C。 求两层交界面处的温度 Ti。

L1 = 150 mm, k1 = 0.17 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0.035 W/(m·K)A = 10 m²T1 = 22 °CT3 = -6 °C
Ti = °C
2.热传导困难
木材, k = 0.17150 mm石膏板, k = 0.17150 mm室内 21 °C室外 5 °CTs​ = ?Q̇

由 150 mm 木材和 150 mm 石膏板组成的墙，将 21 °C 的房间与 5 °C 的室外空气隔开。对流换热系数室内为 10 W/(m²·K)，室外为 30 W/(m²·K)，墙面积为 4 m²。 求墙内表面的温度 Ts。

L1 = 150 mm, k1 = 0.17 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0.17 W/(m·K)A = 4 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = 5 °C
Ts = °C
3.换热器 (LMTD)中等
长度T100 °C80 °C70 °C30 °CΔT₁ΔT₂逆流

一台逆流换热器传热 240 kW。 热流体从 100 冷却到 80 °C，冷流体从 30 加热到 70 °C。总传热系数为 1000 W/(m²·K)。求所需传热面积 A。

Q̇ = 240 kWU = 1000 W/(m²·K)Th: 100 → 80 °CTc: 30 → 70 °C
A = m²
4.换热器 (LMTD)困难
长度T165 °C75 °C60.89 °C25 °CΔT₁ΔT₂逆流

热油（2 kg/s，cp = 2.5 kJ/(kg·K)）在逆流换热器中从 165 冷却到 75 °C。它加热 3 kg/s 的水（cp = 4.18 kJ/(kg·K)），水的入口温度为 25 °C。已知 U = 300 W/(m²·K)，求所需传热面积 A。

ṁh = 2 kg/scp,h = 2.5 kJ/(kg·K)Th: 165 → 75 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4.18 kJ/(kg·K)Tc,in = 25 °CU = 300 W/(m²·K)
A = m²

3溶液

1.热传导

答案: Ti = 11.31 °C

热阻：通过串联各层的稳态热流类似于通过串联电阻的电流：Q̇ = ΔT/ΣR，导热层 R = L/(kA)，对流表面 R = 1/(hA)。各层的温降与其热阻成正比。

各层热阻

R1 = L1/(k1A) = (150/1000)/(0.17·10) = 0.08824 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0.035·10) = 0.1429 K/W

热流量

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 28/0.2311 = 121.2 W

交界面温度

第一层中温度下降 Q̇·R₁。

Ti = T1 − Q̇·R1 = 22 − 121.2·0.08824 = 11.31 °C

答案

Ti = 11.31 °C
2.热传导

答案: Ts = 20.16 °C

热阻：通过串联各层的稳态热流类似于通过串联电阻的电流：Q̇ = ΔT/ΣR，导热层 R = L/(kA)，对流表面 R = 1/(hA)。各层的温降与其热阻成正比。

串联热阻

Ri = 1/(hiA) = 1/(10·4) = 0.025 K/W
R1 = L1/(k1A) = (150/1000)/(0.17·4) = 0.2206 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0.17·4) = 0.2206 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·4) = 0.008333 K/W
ΣR = 0.4745 K/W

热损失

Q̇ = (21 − (5))/0.4745 = 33.72 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 21 − 33.72·0.025 = 20.16 °C

答案

Ts = 20.16 °C
3.换热器 (LMTD)

答案: A = 6.13 m²

对数平均温差法 (LMTD)：两股流体之间的温差沿换热器变化，因此传热方程使用其对数平均值：Q̇ = U·A·ΔTlm，其中 ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂)，ΔT₁ 和 ΔT₂ 为两端温差。进出口温度相同时，逆流的 ΔTlm 大于并流。

两端温差

逆流时，热流体入口对着冷流体出口，热流体出口对着冷流体入口。

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 100 − 70 = 30 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 80 − 30 = 50 K

对数平均温差

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (30 − 50)/ln(30/50) = 39.15 K

面积

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 240000/(1000·39.15) = 6.13 m²

答案

A = 6.13 m²
4.换热器 (LMTD)

答案: A = 20.33 m²

对数平均温差法 (LMTD)：两股流体之间的温差沿换热器变化，因此传热方程使用其对数平均值：Q̇ = U·A·ΔTlm，其中 ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂)，ΔT₁ 和 ΔT₂ 为两端温差。进出口温度相同时，逆流的 ΔTlm 大于并流。

热负荷和水的出口温度

Q̇ = ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = 2·2.5·90 = 450 kW
Tc,out = 25 + 450/(3·4.18) = 60.89 °C

两端温差

逆流时，热流体入口对着冷流体出口，热流体出口对着冷流体入口。

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 165 − 60.89 = 104.1 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 75 − 25 = 50 K

对数平均温差

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (104.1 − 50)/ln(104.1/50) = 73.78 K

面积

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 450000/(300·73.78) = 20.33 m²

答案

A = 20.33 m²

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