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 = 0.03550 mm玻璃, k = 0.96150 mm22 °C-13 °CQ̇ = ?

一面墙由 50 mm 的发泡聚苯乙烯和 150 mm 的玻璃组成，面积为 15 m²。外表面温度为 22 °C 和 -13 °C。 求通过墙体的热流量 Q̇。

L1 = 50 mm, k1 = 0.035 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0.96 W/(m·K)A = 15 m²T1 = 22 °CT3 = -13 °C
Q̇ = W
2.热传导困难
砖, k = 0.72250 mm石膏板, k = 0.17100 mm室内 21 °C室外 -2 °CQ̇

由 250 mm 砖和 100 mm 石膏板组成的墙，将 21 °C 的房间与 -2 °C 的室外空气隔开。对流换热系数室内为 10 W/(m²·K)，室外为 20 W/(m²·K)，墙面积为 6 m²。 求墙体的总传热系数 U。

L1 = 250 mm, k1 = 0.72 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0.17 W/(m·K)A = 6 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -2 °C
U = W/(m²·K)
3.换热器 (LMTD)中等
长度T170 °C100 °C115 °C15 °CΔT₁ΔT₂逆流

一台逆流换热器传热 30 kW。 热流体从 170 冷却到 100 °C，冷流体从 15 加热到 115 °C。总传热系数为 300 W/(m²·K)。求所需传热面积 A。

Q̇ = 30 kWU = 300 W/(m²·K)Th: 170 → 100 °CTc: 15 → 115 °C
A = m²
4.换热器 (LMTD)困难
长度T155 °C65 °C46.91 °C20 °CΔT₁ΔT₂逆流

热油（1.5 kg/s，cp = 2.5 kJ/(kg·K)）在逆流换热器中从 155 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 20 °C。已知 U = 1500 W/(m²·K)，求所需传热面积 A。

ṁh = 1.5 kg/scp,h = 2.5 kJ/(kg·K)Th: 155 → 65 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4.18 kJ/(kg·K)Tc,in = 20 °CU = 1500 W/(m²·K)
A = m²

3溶液

1.热传导

答案: Q̇ = 331.3 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) = (50/1000)/(0.035·15) = 0.09524 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0.96·15) = 0.01042 K/W

热流量

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 35/0.1057 = 331.3 W

答案

Q̇ = 331.3 W
2.热传导

答案: U = 0.9213 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/(10·6) = 0.01667 K/W
R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(0.72·6) = 0.05787 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0.17·6) = 0.09804 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·6) = 0.008333 K/W
ΣR = 0.1809 K/W

总传热系数

U = 1/(A·ΣR) = 1/(6·0.1809) = 0.9213 W/(m²·K)

答案

U = 0.9213 W/(m²·K)
3.换热器 (LMTD)

答案: A = 1.451 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 = 170 − 115 = 55 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 100 − 15 = 85 K

对数平均温差

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (55 − 85)/ln(55/85) = 68.92 K

面积

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 30000/(300·68.92) = 1.451 m²

答案

A = 1.451 m²
4.换热器 (LMTD)

答案: A = 3.125 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) = 1.5·2.5·90 = 337.5 kW
Tc,out = 20 + 337.5/(3·4.18) = 46.91 °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 = 155 − 46.91 = 108.1 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 65 − 20 = 45 K

对数平均温差

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (108.1 − 45)/ln(108.1/45) = 71.99 K

面积

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 337500/(1500·71.99) = 3.125 m²

答案

A = 3.125 m²

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