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 = 0.17100 mm矿棉, k = 0.0450 mm15 °C4 °CQ̇ = ?

一面墙由 100 mm 的石膏板和 50 mm 的矿棉组成，面积为 12 m²。外表面温度为 15 °C 和 4 °C。 求通过墙体的热流量 Q̇。

L1 = 100 mm, k1 = 0.17 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0.04 W/(m·K)A = 12 m²T1 = 15 °CT3 = 4 °C
Q̇ = W
2.热传导困难
砖, k = 0.72100 mm石膏板, k = 0.17150 mm室内 22 °C室外 1 °CQ̇ = ?

由 100 mm 砖和 150 mm 石膏板组成的墙，将 22 °C 的房间与 1 °C 的室外空气隔开。对流换热系数室内为 8 W/(m²·K)，室外为 20 W/(m²·K)，墙面积为 8 m²。 求通过墙体的热损失 Q̇。

L1 = 100 mm, k1 = 0.72 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0.17 W/(m·K)A = 8 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = 1 °C
Q̇ = W
3.换热器 (LMTD)中等
长度T160 °C90 °C30 °C80 °CΔT₁ΔT₂并流

一台并流换热器传热 90 kW。 热流体从 160 冷却到 90 °C，冷流体从 30 加热到 80 °C。总传热系数为 500 W/(m²·K)。求所需传热面积 A。

Q̇ = 90 kWU = 500 W/(m²·K)Th: 160 → 90 °CTc: 30 → 80 °C
A = m²
4.换热器 (LMTD)困难
长度T165 °C??30 °CΔT₁ΔT₂逆流

在一台逆流换热器中，两股流体的热容量流率相同，ṁ·cp = 2 kW/K。热流体以 165 °C 进入，冷流体以 30 °C 进入。换热器的 A = 5 m²，U = 500 W/(m²·K)。求热流体出口温度 Th,out。

Ch = Cc = 2 kW/KTh,in = 165 °CTc,in = 30 °CA = 5 m²U = 500 W/(m²·K)
Th,out = °C

3溶液

1.热传导

答案: Q̇ = 71.81 W

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) = (100/1000)/(0.17·12) = 0.04902 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0.04·12) = 0.1042 K/W

热流量

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 11/0.1532 = 71.81 W

答案

Q̇ = 71.81 W
2.热传导

答案: Q̇ = 140.4 W

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/(8·8) = 0.01563 K/W
R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(0.72·8) = 0.01736 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0.17·8) = 0.1103 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·8) = 0.00625 K/W
ΣR = 0.1495 K/W

热损失

Q̇ = (22 − (1))/0.1495 = 140.4 W

答案

Q̇ = 140.4 W
3.换热器 (LMTD)

答案: A = 3.847 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

并流时，两个入口在同一端，两个出口在另一端。

ΔT₁ = Th,in − Tc,in = 160 − 30 = 130 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 90 − 80 = 10 K

对数平均温差

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (130 − 10)/ln(130/10) = 46.78 K

面积

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 90000/(500·46.78) = 3.847 m²

答案

A = 3.847 m²
4.换热器 (LMTD)

答案: Th,out = 90 °C

LMTD method: the temperature difference between the streams changes along the exchanger, so the rate equation uses its logarithmic mean: Q̇ = U·A·ΔTlm, with ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), where ΔT₁ and ΔT₂ are the differences at the two ends. Counter-flow gives a larger ΔTlm than parallel flow for the same inlet and outlet temperatures.

恒定温差

冷流体出口对着热流体入口：Tc,out = Tc,in + (Th,in − Th,out)，所以 ΔT₁ = Th,in − Tc,out = Th,out − Tc,in = ΔT₂。

ΔTlm = Th,out − Tc,in

能量平衡等于传热方程

2·(165 − Th,out) = 2.5·(Th,out − 30)
Th,out = (2·165 + 2.5·30)/(2 + 2.5) = 90 °C

答案

Th,out = 90 °C

传递的热量：Q̇ = 150 kW；冷流体以 105 °C 离开。

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