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
砖, k = 0.72150 mm发泡聚苯乙烯, k = 0.03550 mm20 °C-8 °CTi​ = ?Q̇

一面墙由 150 mm 的砖和 50 mm 的发泡聚苯乙烯组成,面积为 20 m²。外表面温度为 20 °C 和 -8 °C。 求两层交界面处的温度 Ti。

L1 = 150 mm, k1 = 0.72 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0.035 W/(m·K)A = 20 m²T1 = 20 °CT3 = -8 °C
Ti = °C
2.热传导困难
木材, k = 0.1750 mm玻璃, k = 0.96150 mm室内 21 °C室外 -1 °CTs​ = ?Q̇

由 50 mm 木材和 150 mm 玻璃组成的墙,将 21 °C 的房间与 -1 °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 20 W/(m²·K),墙面积为 15 m²。 求墙内表面的温度 Ts。

L1 = 50 mm, k1 = 0.17 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0.96 W/(m·K)A = 15 m²hi = 7.7 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -1 °C
Ts = °C
3.换热器 (LMTD)中等
长度T175 °C80 °C20 °C45 °CΔT₁ΔT₂并流

一台并流换热器传递 240 kW。 其传热面积为 25 m²。热流体从 175 °C 冷却到 80 °C,冷流体从 20 °C 加热到 45 °C。求总传热系数 U。

Q̇ = 240 kWA = 25 m²Th: 175 → 80 °CTc: 20 → 45 °C
U = W/(m²·K)
4.换热器 (LMTD)困难
长度T90 °C50 °C20 °C?ΔT₁ΔT₂并流

在并流套管式换热器中,热油(0.5 kg/s,cp = 2.5 kJ/(kg·K))在内管中流动,从 90 °C 冷却到 50 °C。 环隙中的水(1.5 kg/s,cp = 4.18 kJ/(kg·K))以 20 °C 进入。内管直径为 40 mm,U = 200 W/(m²·K) 以该直径为基准。求所需的管长 L。

ṁh = 0.5 kg/scp,h = 2.5 kJ/(kg·K)Th: 90 → 50 °Cṁc = 1.5 kg/sTc,in = 20 °CD = 40 mmU = 200 W/(m²·K)
L = m

3溶液

1.热传导

答案: Ti = 16.44 °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)/(0.72·20) = 0.01042 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0.035·20) = 0.07143 K/W

热流量

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 28/0.08185 = 342.1 W

交界面温度

第一层中温度下降 Q̇·R₁。

Ti = T1 − Q̇·R1 = 20 − 342.1·0.01042 = 16.44 °C

答案

Ti = 16.44 °C
2.热传导

答案: Ts = 16.47 °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/(7.7·15) = 0.008658 K/W
R1 = L1/(k1A) = (50/1000)/(0.17·15) = 0.01961 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0.96·15) = 0.01042 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·15) = 0.003333 K/W
ΣR = 0.04202 K/W

热损失

Q̇ = (21 − (-1))/0.04202 = 523.6 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 21 − 523.6·0.008658 = 16.47 °C

答案

Ts = 16.47 °C
3.换热器 (LMTD)

答案: U = 119 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 = 175 − 20 = 155 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 80 − 45 = 35 K

对数平均温差

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (155 − 35)/ln(155/35) = 80.64 K

总传热系数

U = Q̇/(A·ΔTlm) = 240000/(25·80.64) = 119 W/(m²·K)

答案

U = 119 W/(m²·K)
4.换热器 (LMTD)

答案: L = 47.95 m

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.

热负荷和水的出口温度

Q̇ = 0.5·2.5·(90 − 50) = 50 kW
Tc,out = 20 + 50/(1.5·4.18) = 27.97 °C

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 = 90 − 20 = 70 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 50 − 27.97 = 22.03 K

对数平均温差

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (70 − 22.03)/ln(70/22.03) = 41.49 K

面积和长度

A = 50000/(200·41.49) = 6.026 m²
L = A/(πD) = 6.026/(π·0.04) = 47.95 m

答案

L = 47.95 m

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