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
发泡聚苯乙烯, k = 0.035150 mm玻璃, k = 0.9650 mm19 °C-13 °CQ̇ = ?

一面墙由 150 mm 的发泡聚苯乙烯和 50 mm 的玻璃组成，面积为 4 m²。外表面温度为 19 °C 和 -13 °C。 求通过墙体的热流量 Q̇。

L1 = 150 mm, k1 = 0.035 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0.96 W/(m·K)A = 4 m²T1 = 19 °CT3 = -13 °C
Q̇ = W
2.热传导困难
混凝土, k = 1.450 mm发泡聚苯乙烯, k = 0.03575 mm室内 21 °C室外 5 °CQ̇ = ?

由 50 mm 混凝土和 75 mm 发泡聚苯乙烯组成的墙，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 7.7 W/(m²·K)，室外为 25 W/(m²·K)，墙面积为 10 m²。 求通过墙体的热损失 Q̇。

L1 = 50 mm, k1 = 1.4 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0.035 W/(m·K)A = 10 m²hi = 7.7 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = 5 °C
Q̇ = W
3.换热器 (LMTD)中等
长度T105 °C65 °C45 °C10 °CΔT₁ΔT₂逆流

一台管壳式换热器（单壳程、双管程）须传递 500 kW。热流体从 105 °C 冷却到 65 °C，冷流体从 10 °C 加热到 45 °C。该布置的 LMTD 修正系数为 F = 0.92，U = 1000 W/(m²·K)。求所需的传热面积 A。

Q̇ = 500 kWF = 0.92U = 1000 W/(m²·K)Th: 105 → 65 °CTc: 10 → 45 °C
A = m²
4.换热器 (LMTD)困难
长度T100 °C65 °C15.86 °C10 °CΔT₁ΔT₂逆流

热油（1 kg/s，cp = 2.1 kJ/(kg·K)）在逆流换热器中从 100 冷却到 65 °C。它加热 3 kg/s 的水（cp = 4.18 kJ/(kg·K)），水的入口温度为 10 °C。已知 U = 200 W/(m²·K)，求所需传热面积 A。

ṁh = 1 kg/scp,h = 2.1 kJ/(kg·K)Th: 100 → 65 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4.18 kJ/(kg·K)Tc,in = 10 °CU = 200 W/(m²·K)
A = m²

3溶液

1.热传导

答案: Q̇ = 29.51 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) = (150/1000)/(0.035·4) = 1.071 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0.96·4) = 0.01302 K/W

热流量

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 32/1.084 = 29.51 W

答案

Q̇ = 29.51 W
2.热传导

答案: Q̇ = 68.13 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/(7.7·10) = 0.01299 K/W
R1 = L1/(k1A) = (50/1000)/(1.4·10) = 0.003571 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0.035·10) = 0.2143 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·10) = 0.004 K/W
ΣR = 0.2348 K/W

热损失

Q̇ = (21 − (5))/0.2348 = 68.13 W

答案

Q̇ = 68.13 W
3.换热器 (LMTD)

答案: A = 9.458 m²

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（逆流）

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 = 105 − 45 = 60 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 65 − 10 = 55 K

对数平均温差

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (60 − 55)/ln(60/55) = 57.46 K

面积

A = Q̇/(U·F·ΔTlm,cf) = 500000/(1000·0.92·57.46) = 9.458 m²

答案

A = 9.458 m²
4.换热器 (LMTD)

答案: A = 5.362 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) = 1·2.1·35 = 73.5 kW
Tc,out = 10 + 73.5/(3·4.18) = 15.86 °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 = 100 − 15.86 = 84.14 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 65 − 10 = 55 K

对数平均温差

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (84.14 − 55)/ln(84.14/55) = 68.54 K

面积

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 73500/(200·68.54) = 5.362 m²

答案

A = 5.362 m²

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