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
矿棉, k = 0.04250 mm木材, k = 0.17150 mm19 °C-14 °CQ̇ = ?

一面墙由 250 mm 的矿棉和 150 mm 的木材组成，面积为 4 m²。外表面温度为 19 °C 和 -14 °C。 求通过墙体的热流量 Q̇。

L1 = 250 mm, k1 = 0.04 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0.17 W/(m·K)A = 4 m²T1 = 19 °CT3 = -14 °C
Q̇ = W
2.热传导困难
矿棉, k = 0.04200 mm玻璃, k = 0.96100 mm室内 22 °C室外 -13 °CQ̇

由 200 mm 矿棉和 100 mm 玻璃组成的墙，将 22 °C 的房间与 -13 °C 的室外空气隔开。对流换热系数室内为 8 W/(m²·K)，室外为 25 W/(m²·K)，墙面积为 10 m²。 求墙体的总传热系数 U。

L1 = 200 mm, k1 = 0.04 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0.96 W/(m·K)A = 10 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = -13 °C
U = W/(m²·K)
3.换热器 (LMTD)中等
长度T130 °C115 °C20 °C40 °CΔT₁ΔT₂并流

一台并流换热器传递 410 kW。 其传热面积为 10 m²。热流体从 130 °C 冷却到 115 °C，冷流体从 20 °C 加热到 40 °C。求总传热系数 U。

Q̇ = 410 kWA = 10 m²Th: 130 → 115 °CTc: 20 → 40 °C
U = W/(m²·K)
4.换热器 (LMTD)困难
长度T125 °C85 °C50.14 °C20 °CΔT₁ΔT₂逆流

热油（1.5 kg/s，cp = 2.1 kJ/(kg·K)）在逆流换热器中从 125 冷却到 85 °C。它加热 1 kg/s 的水（cp = 4.18 kJ/(kg·K)），水的入口温度为 20 °C。已知 U = 800 W/(m²·K)，求所需传热面积 A。

ṁh = 1.5 kg/scp,h = 2.1 kJ/(kg·K)Th: 125 → 85 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4.18 kJ/(kg·K)Tc,in = 20 °CU = 800 W/(m²·K)
A = m²

3溶液

1.热传导

答案: Q̇ = 18.51 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) = (250/1000)/(0.04·4) = 1.563 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0.17·4) = 0.2206 K/W

热流量

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 33/1.783 = 18.51 W

答案

Q̇ = 18.51 W
2.热传导

答案: U = 0.1898 W/(m²·K)

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/(8·10) = 0.0125 K/W
R1 = L1/(k1A) = (200/1000)/(0.04·10) = 0.5 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0.96·10) = 0.01042 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·10) = 0.004 K/W
ΣR = 0.5269 K/W

总传热系数

U = 1/(A·ΣR) = 1/(10·0.5269) = 0.1898 W/(m²·K)

答案

U = 0.1898 W/(m²·K)
3.换热器 (LMTD)

答案: U = 448.6 W/(m²·K)

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.

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 = 130 − 20 = 110 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 115 − 40 = 75 K

对数平均温差

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (110 − 75)/ln(110/75) = 91.39 K

总传热系数

U = Q̇/(A·ΔTlm) = 410000/(10·91.39) = 448.6 W/(m²·K)

答案

U = 448.6 W/(m²·K)
4.换热器 (LMTD)

答案: A = 2.256 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) = 1.5·2.1·40 = 126 kW
Tc,out = 20 + 126/(1·4.18) = 50.14 °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 = 125 − 50.14 = 74.86 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 85 − 20 = 65 K

对数平均温差

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (74.86 − 65)/ln(74.86/65) = 69.81 K

面积

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 126000/(800·69.81) = 2.256 m²

答案

A = 2.256 m²

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