2023年传热学试题库.pdf

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1、 传热学试题库四、简答题1.试述三种热量传递基本方式的差别，并各举12 个实际例子说明。（提醒：从三种热量传递基本方式的定义及特点来区分这三种热传递方式）2.请说明在传热设备中，水垢、灰垢的存在对传热过程会产生什么影响?如何防止？（提醒：从传热过程各个环节的热阻的角度，分析水垢、灰垢对换热设备传热能力与壁面的影响情况）3.试比较导热系数、对流传热系数和总传热系数的差别，它们各自的单位是什么？（提醒：写出三个系数的定义并比较，单位分别为W/（m K）,W/（m2 K）,W/（m2 K）4.在分析传热过程时引入热阻的概念有何好处?引入热路欧姆定律有何意义？（提醒：分析热阻与温压的关系，热路图在传热

2、过程分析中的作用。）5.结合你的工作实践，举一个传热过程的实例，分析它是由哪些基本热量传递方式组成的。（提醒：学会分析实际传热问题，如水冷式内燃机等）6.在空调房间内，夏季与冬季室内温度都保持在22左右，夏季人们可以穿短袖衬衣，而冬季则要穿毛线衣。试用传热学知识解释这一现象。（提醒；从分析不同季节时墙体的传热过程和壁温，以及人体与墙表面的热互换过程来解释这一现象（重要是人体与墙面的辐射传热的不同）四、简答题1.试解释材料的导热系数与导温系数之间有什么区别和联系。（提醒：从两者的概念、物理意义、表达式方面加以阐述，如从表达式看，导温系数与导热系数成正比关系（a=N/cP）,但导温系数不仅与材料的

3、导热系数有关，还与材料的热容量（或储热能力）也有关；从物理意义看，导热系数表征材料导热能力的强弱，导温系数表征材料传播温度变化的能力的大小，两者都是物性参数。）2.试用所学的传热学知识说明用温度计套管测量流体温度时如何提高测温精度。（提醒：温度计套管可以看作是一根吸热的管状肋（等截面直肋），运用等截面直肋计算肋端 温 度t h的结果，可得采用温度计套管后导致的测量误差At为A t=t f-t h=，其中ch（mH）mH=、学=J&H ,欲使测量误差 t下降，可以采用以下几种措施：V AA V Ao（1）减少壁面与流体的温差（tt o）,也就是想办法使肋基温度t o接近t f,可以通过对流体通道

4、的外表面采用保温措施来实现。（2）增大（mH）值，使分母c h（mH）增大。具体可以用以下手段实现：增长H,延长温度计套管的长度；减小入，采用导热系数小的材料做温度计套管，如采用不锈钢管，不要用铜管。由于不锈钢的导热系数比铜和碳钢小。减少3,减小温度计套管的壁厚，采用薄壁管。提高h增强温度计套管与流体之间的热互换。）3 .试写出直角坐标系中，一维非稳态无内热源常导热系数导热问题的导热微分方程表达式；并请说明导热问题常见的三类边界条件。（提醒：直角坐标系下一维非稳态无内热源导热问题的导热微分方程式包=。0dr d x第一类边界条件：T 0,tw=fw（x,T）第二类边界条件：T o,-2（g）=

5、fwMI加人，第三类边界条件：=0,-4（葛）=从九一。）4.在一根蒸汽管道上需要加装一根测温套管，有三种材料可选：铜、铝、不锈钢。问选用哪种材料所引起的测温误差最小，为什么?为减小测量误差，在套管尺寸的选择上还应注意哪些问题？（提醒：与简答题2的第（2）点类似，套管材料应选用不锈钢，因给出的三种材料中，不锈钢的导热系数最小）5 .什么是接触热阻?减少固体壁面之间的接触热阻有哪些方法？（提醒：材料表面由于存在一定的粗糙度使相接触的表面之间存在间隙，给导热过程带来额外热阻称为接触热阻，接触热阻的存在使相邻的两个表面产生温降(温度不连续)。接触热阻重要与表面粗糙度、表面所受压力、材料硬度、温度及周

6、边介质的物性等有关，因此可以从这些方面考虑减少接触热阻的方法，此外，也可在固体接触面之间衬以导热系数大的铜箔或铝箔等以减少接触热阻。)6 .管外包两种不同导热系数材料以减少热损失，若 4 石，试问如何布置合理？7.某一维导热平板，平板两侧表面温度分别为7；和心，厚度为6。在这个温度范围内导热系数与温度的关系为4 =1/,求平板内的温度分布？8 .有人认为，傅里叶定律并不显含时间，因此不能用来计算非稳态导热的热量。你认为对吗？9 .导热是由于微观粒子的扩散作用形成的。迄今为止，描述物质内部导热机理的物理模型有哪些？用它们可以分别描述哪些物质内部的导热过程？1 0 .用稳定法平板导热仪对某厂提供的

7、保温试材的导热系数进行测定，实验时从低温开始,依次在6 个不同温度下测得6个导热系数值。这些数据表白该材料的导热系数随温度升高而下降，这一规律与绝热保温材料的导热机理不符，经检查未发现实验装置有问题，试分析问题也许出在哪里？1 1 .在超低温工程中要使用导热系数很低的超级保温材料。假如要你去研制一种这样的新保温材料，试从导热机理出发设计一种超级保温材料，列出你为减少导热系数采用了哪些措施？并解释其物理因素？1 2 .试对比分析在气体中由分子热运动产生的热量迁移与在金属中自由电子热运动产生的能量迁移这两个物理模型的共同点和差异之处。1 3 .在任意直角坐标系下，对于以下两种关于第三类边界条件的表

8、达形式，你认为哪个对,哪个不对，或者无法判别？陈述你的判断和理由。-/I?=h(Tf-Tx=0)-A=/1(7=o-T/)叫 x=0 冰 l x=01 4 .一维常物性稳态导热中，温度分布与导热系数无关的条件有哪些？1 5 .发生在一个短圆柱中的导热问题，在哪些情况下可以按一维导热问题来解决？1 6 .扩展表面中的导热问题可以按一维解决的条件什么？有人认为，只要扩展表面细长,就可以按一维问题解决，你批准这种观点吗？1 7.某材料导热系数与温度的关系为/=4（i+r 2）,式中4/为 常 数，若用这种材料制成平板，试求其单位面积的热阻表达式。1 8.对于如图所示的两种水平夹层，试分析冷、热表面间

9、热量互换的方式有何不同？假如要通过实验来测定夹层中流体的导热系数,应采用哪一种布置?热面1/!一 7 -IIi、7 j：7 7 /(a)夹层冷面在下1 9 .在测量金属导热系数的实验中，为什么通常把试件制作成细而长的棒？2 0 .高温下气体导热系数的测定有何困难？在实际中能否用常温下的数据来替代？2 1 .肋化系数，肋效率和肋壁效率是如何定义的？在选用和设计肋片时它们有何用途？2 2 .有两根材料不同，厚度均为2s的等截面直肋A和B,处在相同的换热环境中，肋基温度均为R，肋端绝热，它 们 的 表 面 均 被 温 度 为 对 流 换 热 系 数h为常数的流体所冷却，且 2 /h。现测得材料A和B

10、内的温度分布如图所示，试分析材料A和B导热系数的大小。2 3 .为测量管道内流体的温度，可采用温度计套管。实用中经常布置成如图所示的斜插形式，试从传热学的角度解释其合理性。24.覆盖热绝缘层是否在任何情况下都能减少热损失？保温层是否越厚越好？25.对室内冷冻管道和热力管道的保温层设计有何不同？26.在管道内部贴上一层保温材料，是否存在某一临界绝热直径？为什么？27.非稳态导热的正规状况阶段或充足发展阶段在物理过程及数学解决上有什么特点？28.有人认为，当非稳态导热过程经历时间很长时.，采用诺模图计算所得到的结果是错误的。理由是：这个图表白，物体中各点的过余温度与中心截面过余温度的比值仅与几何位

11、置和毕渥数所有关，而与时间无关。但当时间趋于无限大时，物体中各点的温度应趋于流体温度，所以两者是有矛盾的。你如何看待这一问题？29.有人这样分析：在一维无限大平板中心温度的诺模图中，当儿越小时，几/多越小，此时其他参数不变时，/以越小，即表白越小，平板中心温度就越接近于流体温度。这说明物体被流体加热时，其九越小(困-一定)反而温升越快，与事实不符.请指出上述分析错误在什么地方？30.试分析当RX 0.2时，能否用诺模图求解有关的非稳态导热问题？五、计算题1.某炉墙由耐火砖和红砖组成，厚度分别为200mm和 80m m,导热系数分别为0.8W(m K)和 0.5W/(m K),内层为耐火砖，炉墙

12、内外侧壁面温度分别为600和 50,试计算：1)该炉墙单位面积的热损失；2)耐火砖与红砖之间的温差。假设红砖与耐火砖接触紧密。3)若以导热系数为0.H W/(mK)的保温板代替红砖，其他条件不变，若要炉墙单位面积热损失不高于800W/n?,保温板的厚度最少要多厚?（提醒：这是一个一维稳态通过双层平壁的导热问题。答案：q=1341.5W/m2；twm=264.6,6 0.048mo）2.外径为250mm的钢管，若在其外表面包以6.5mm石棉（A|=O.166W/（m,K）,再在其外包以25mm的玻璃纤维（入 2=0Q 43W/（m K）,玻璃纤维外表面温度为38,钢管温度为315,求单位长度钢管

13、的热损失和两保温层界面的温度。（提醒：这是一个一维通过双层圆筒壁的导热问题。答案：qi=399.8 W/m,twm=295.6o 由于钢管的管径比较大，保温层厚度相对较薄，可忽略管径曲率的影响，若用平壁公式计算，则答案为qi=394.8W/m,twm=297.5,热流密度的误差为-1.2 5%,壁温的误差为+0.0 0 6 4%,由此可见，用平壁公式计算圆筒壁的导热问题，规定管径足够大或d/d 内 0.011m,q=189.2W/m2；0=283.8kW。）4.某热力管道的外径（直径）为 100mm,壁温为350,在管道外包有一层50mm厚、导热系数为0.05 W/（m-K）的微孔硅酸钙制品作

14、为保温材料，现测得保温材料的外表面温度为70,问 1000m长的管道每小时的热损失是多少?若折合成标煤（发热量7000kcal/k g）,每年将损失多少标煤？（提醒：这是一个一维稳态通过单层圆筒壁的导热问题。答案：4）=4.57XI05k J/h,热损失折合标煤136.6 吨/年。）5.外径(直径)为100mm、壁温为350c的某热力管道，为了减少其散热损失，需要重新进行保温设计，设计规定保温层外表面温度不超过50,散热量按标煤(发热量7000kcal/kg)计算，每公里长管道热损失不超过每年100吨标煤的发热量，保温材料采用导热系数为0.048W/(m K)的微孔硅酸钙制品，问需要保温层的厚

15、度是多少？(提醒:这是一个一维稳态通过单层圆筒壁的导热问题。答案：保温层厚度至少82.4mmo6.对于某一大平壁，有三种保温方案可以选择：采用三层材料保温：50mm厚的膨胀珍珠岩，导热系数为0.08 W/(m K),20mm厚的粉煤灰砖，导热系数0.22 W/(m.K),5mm厚的水泥，导热系数为0.8W/(mK)；采用两层材料保温：60mm厚的矿渣棉,导热系数为0.06W/(mK),15mm厚的混凝土板，导热系数为0.79 W/(m.K)；三层材料保温：25mm的轻质耐火砖，导热系数为0.3 W/(m.K),30mm厚的玻璃棉毡，导热系数0.04W/(m.K),20mm厚的红砖，导热系数为0

16、.49 W/(m.K)。问单纯从减少热损失的角度分析，采用哪种方案最佳？(提醒：这是一个计算多层平壁导热热阻的问题，导热热阻越大，其热损失越小。答案：这三种方案中，采用第二种方案的散热损失最少。)7.一外径为25mm的碳钢管外装有高为12.5mm、厚 1mm的等厚度环肋(碳钢制，导热系数 取 45 W/(m-K),肋片间距为5m m,肋片与管外流体的对流传热系数为55W/(m2.K),H：1)环肋的肋效率为多少？2)若管长为1 m,相称于整根管子肋侧传热面积，其总面积肋效率又为多少？3)加肋前后传热面积增大了儿倍？(提醒：这是一个计算等厚度环肋的肋效率的问题，可通过查肋效率图得到肋片效率，再计

17、算相对于总换热面积的总面积肋效率(等于肋片换热面积乘肋片效率加上肋基光壁面积，除以管子的总换热面积)。答案：(l)nf=76%,(2)no=78.2%；(3)加肋前后换热面积增大了 8.7 倍。)8.已知外径为25mm的碳钢管外装有高为12.5mm、厚 1mm、肋效率为76%的等厚度环肋，肋片间距为5m m,肋片与管外流体的对流传热系数为55W/(m2.),管壁温度为15 0,管外流体温度为3 00,问:1)每米长管子的传热量为多少？2)与光管相比传热量增大了儿倍？(提醒：这是一个计算等厚度环肋肋管总换热量的问题，可以将肋片换热量与肋基光壁的换热量分别计算相加得到总换热量，也可通过计算总面积肋

18、效率后得到总换热量，这两种方法的结果是同样的，后者常用于计算通过肋壁的传热中。答案：(1)4.4 05 kW/m；(2)换热量与末加肋前相比增大了 6.8倍。)9.外直径为5 0mm的蒸汽管道外表面温度为4 00,其外包裹有厚度为4 0 m m,导热系数为01lW/(mK)的矿渣棉，矿渣棉外又包有厚为4 5 mm的煤灰泡沫砖，其导热系数与砖层平均温度的关系为：2=0.099+O.O O O 2亍。煤灰泡沫砖外表面温度为5 0 ,已知煤灰泡沫砖最高耐温为300,试检查煤灰泡沫砖的温度有无超过最高温度？并求单位管长的热损失。10.输电的导线可以看作为有内热源的无限长圆柱体。假设圆柱体壁面有均匀恒定

19、的温度Tw,内热源W和导热系数为常数，圆柱体半径为力。试求在稳态条件下圆柱体内的温度分布。11.一根圆截面的不锈钢肋片，导热系数；i=20W/(m K),直径d为20m m,长 度/为100mm,肋基温度为300,周边流体温度为5 0,对流换热系数为%=K W/(/K),肋尖端面是绝热的。试求：肋片的传热量，肋端温度，不用肋片时肋基壁面的传热量，用导热系数为无限大的假想肋片代替不锈钢肋片时的传热量。12.喷气涡轮发动机最后几个透平级中之一的一个静止叶片，叶片高75 m m,横截面积A为160mm2,周长P为5 0mm。除叶片的底表面，即叶片和透平连接的叶片根部外，叶片整个表面上流过5 4 0C

20、的气体。气体和叶片表面之间的平均对流换热系数约为4 60W/m2K,叶片材料的导热系数为170W/mK假设允许作准一维分析，要使叶片端部温度不超过4 80,试计算叶片根部必须保持的温度。13.外径4 0mm的管道,壁温为120,外装纵肋12片，肋厚0.8m m,高20m tn,肋的导热系数为95 W/m K,周边介质温度为2 0 ,对流换热系数为20W/m2K,求每米管长散热量。1 4.如图所示是平板式太阳能热水器的一种简朴的吸热板结构，吸热板面向太阳的一面涂有一层对太阳辐射吸取率很高的材料，吸热板的背面设立了一组平行的管子，其内通以冷却水以吸取太阳辐射，管子之间则充满绝热材料。吸热板的正面在

21、接受太阳辐射的同时受到环境的冷却 设净吸取的太阳辐射为在，表面对流换热系数为h,空气温度为七,管子与吸热板结合处的温度为R,试写出拟定吸热板中温度分布的数学描写并求解之。分析：(1)简化，两根管子的温度一致，取s/2吸热平板作为研究对象lim n7)(2)吸热板背面绝热，相称于对称面(3)建立数学模型师 执 标 永 青 图筌;。dQ hPiT-V)dx+q,.Pdx hPk-与16.有一电烙铁通电之后，加在电阻丝上的功率为Qo,一方面使烙铁头的内能增长，另一方面通过烙铁头表面向外对流换热。假如烙铁头可当作是一个集总热容体，其物性参数为已知，环境温度及对流换热系数为常数，试分析烙铁头的温度随时间

22、变化的函数关系。1 7 .直 径1 2 c m的 铁 球(/=5 2初(加用；a =1.7 x i of加2/5 )在对流换热系数A=75W/(渥K)的 油 池 内 冷 却42分 钟，若 对 直 径 为3 0 c m的 不 锈 钢 球(/=1 4 W 7(,K)；=3.9X1 0 2/.V)实现相似冷却过程需多少时间？对流换热系数为多少？1 8.一 台 输 出 功 率 为7 5 0 W用于水中工作的电阻加热器，总 的 暴 露 面 积 为0.1 m 2,在水中的表面对流换热系数为 =20 0 W/(机2*),水 温 为3 7七。试拟定(1)在设计工况下加 热 器 的 表 面 温 度；(2)假 如

23、 放 置 在3 7 的 空 气 中，表 面 对 流 换 热 系 数 变 为 =8 W/(m 2/0,此时的稳态表面温度如何变化。解：取整个加热器作为控制体，由于处在稳定状态，故控制体内储存能量的变化为零。i.0+750=hA(Tw-Tf)Tw=6 3.7 8 (2)Tw=9 1 9.3 5 讨 论 本例题得到的是一个代数方程式。运用控制体的概念来进行数学建模在以后的学习中可以进一步领略。1 9.一 根 外 径 为0.3 m,壁 厚 为3 m m,长 为1 0 m的圆管，入 口 温 度 为8 0 的 水 以O.l m/s的平均速度在管内流动，管道外部横向流过温度为20 的空气，实验测得管道外壁面

24、 的 平 均 温 度 为7 5 ,水 的出 口 温 度 为7 8。已知水的定压比热为4 1 8 7 J/(k g K),密 度 为9 8 0 k g/m 3,试拟定空气与管道之间的对流换热系数。解：根据热量传递过程中能量守恒的定理，管内水的散热量必然等于管道外壁与空气之间的对流换热量管内水的散热量为Q=puAt.cP(JTin-Toul)式中 A,为管道流通截面积，A,=?d；=(4)-2J)2=(0.3-2x 0.0 0 3)2=0.0 6 7 9/n2a)Q =9 8 0 x 0.l x 0.0 6 7 9 x 4 1 8 7*(8 0-7 8)=5 5 7 2227 W(2)管道外壁与空

25、气之间的对流换热量为b)Q =hA(Tw-Tf)=ml()l(Tw-7 y)/j =x O.3 x l O x(7 5-2O)=5 1 8.1/i (W)(3)管内水的散热量等于管道外壁与空气之间的对流换热量a)518.1/=5572227b)h=01.55WInrK)20.10cm厚 的 平 板 两 侧 面 分 别 保持为100和0,导热系数按照2=4(1+仃)关系随温度 变 化。在T=0时，4=50W/(mK),T=100时，4=100W/(mK),求热流密度和温度分布。解：由题意知，7；=0 时，4=5 0 W/(m K)；心刁。时，22=5 0 W/(m K)可以解出，4 =5 0 W

26、/(m K),b=0.0/C由导热微分方程今卜dTdx0积分两次，2 =G，即 4(1+8 为一=q Tdx dx7 力 7 2=Q +c2%引用边界条件可拟定，C,=-7 5 0 0 0,C2=1 5 0最终解得，q=-z =-q =7 5 0 0 0 W/in1T=一 j4 3竺,只有取“+”才符合题意。00.0 1x讨论 上述温度分布结果定性示于图。可见当导热系数不为常数时，平壁内的温度不再呈线性分布。读者可思考一下，假如b 0时，物体内温度分布将呈如何的定性分布趋势。2 1.A,B两种材料组成的复合平壁，材 料A产 生 热 量 的=1.5/1。6 卬/的,%=75W/(mK),%=5

27、0,皿；材 料B不发热，%=150W/(mK),%=2 0的。材 料A的外表面绝热，材 料B的外表面用温度为30的水冷却，对流换热系数=1000W/(,/K)。试求稳态下A、B复合壁内的温度分布，绝热面的温度，冷却面温度，A、B材料的界面温度。解：在稳态工况下，A 材料所发生的热量必须所有散失到流过B 材料表面的冷却水中，并且从A、B 材料的界面到冷却水所传递的热流量均相同，故可定性地画出复合壁内的温度分布及从界面到冷却水的热阻图。图中与为导热热阻，/?2 为表面对流换热热阻。根据热平衡，材料A产生的热量为。=小 4,则A传入B的热流密度qq=QVSA由牛顿冷却定律，可拟定冷却面的温度g=(4

28、-夕)丁 qv&y 1.5X106 X 0.05 5=+v =3 0+-=1 05 C2 J h 1 000对B材料由傅里叶定律，可拟定A、B材料的界面温度T，xq=4BTy-T2F1.5 x l 06 x 0.05 x 0.02 人-=1 1 5 C皿及=1 05 +0复合平壁示意图1 而 1 5 0对材料A,绝热面正好相称于对称发热平板的正中面(7公).1)=0。此处温度值最高，T C.+T =1.5 xio6x 0.05+j|5 =1 4 0-c1 2 x 7 5讨论：热阻分析是从A、B材料界面开始的，而不是从A材料外壁面开始。这是由于A材料有内热源，不同x处截面的热流量不相等，因而不能

29、应用热阻的概念来作定量分析。2 2.有 一 外 直 径 为60 mm、壁 厚 为3mm的蒸汽管道，管壁导热系数儿=5 4 W/(m K)；管道 外 壁 上 包 有 厚50 mm的石棉绳保温层，导热系数4=0.1 5 W/(m K)；管内蒸汽温度7 7产1 5 0 ,对 流 换 热 系 数%=12(W/(K)；管 外 空 气 温 度5=20 ，对流换热系数Z I O W/O K)。试 求：通过单位管长的壁的导热热流量行金属管道 内、外侧表 面 的 温 度TW t和TW2；若忽略不计金属管壁导热热阻，q,将发生多大变化？解：蒸汽管道的长度比其外径尺寸大得多，可视作无限长圆筒壁。而7 7 1、7)2

30、、和2 通过单位长度管壁的导热热流量等于此传热过程的传热热流量传热过程的热阻组成为：内表面对流换热热阻 凡=-!z =0.04 9 12 m1fli 2 X(3 0-3)X10-3X120金属管壁导热热阻 R,=!l n j 2 =!I n f 1 =5.3 7 3 6 x l 0-42叫 2 x 5 4 V 2 7；保温材料导热热阻外表面对流换热热阻R4=!=-!_-=0.1 9 8 92 咫2 2乃 乂8()1 0-3*1 0%Tf-Tf21 50-2 01.2 893=1 0 0.8 W/m 金属管道内、外侧表面的温度小 和小2由传热过程环节分析可得而=Tf-qtRx=1 50-1 0

31、0.8 x 0.0 4 91 =1 4 5 2 =7 7 i -%(R i +危)=1 50-1 0 0.8x(0.0 4 91 +5.3 7 3 6x l O-4)=1 4 4.99 假如不计金属管壁的导热热阻，则Tf Tf2 1 50-2 0 o r/?，这样导致肋片产生绝热效应而不是增大散热量的有利作用。例如，敷设由石棉构成的相称厚的肋片就有这样的作用，因石棉的导热系数很小而使R卬足够大。有肋片时的散热量为-h-F th,(z mLr)x 1.+-t-n-A-1-th,(z niL.)、Qf=必-Tf-=6h(Tw-Tf)史-1 +-th(mL)1 +-th(mL)mA mA.式中，6h

32、(Tw-Tf)=Qn f,为未加肋片的基部表面散热量。由得到八 1 +J 4-th(mL)Qf _ y/Bi_Qtlf 1 +1 +j=+th(mL)当&_=埠-1时，敷设肋片将起到增长传热的有利作用。解不等式，得到Qnf 1 +Bi讨论：在有肋片的设计中，当所有因素都加以考虑时，一般只有在下列条件下肋片的应用才是合理的。Bi 0时,在x =0处0=0:0 时,在x =2 J处0=0运用分离变量法,可得到最终的级数解为g=j=袈）“s i n 磔4 Ti-Tf%26/?=1,3,5对于本例题，将以下数据a=1.8x 1 0-6m2/s,28=0.02 5？，r =6 O.v7；=I5O,Tf=

33、Tw=30,x=3=0.025m代入上式，若只取前面非零的四项(n=1,3,5,7)计算，得TTF-=(0.18I77-7.22X10-8+6.15X1 O-2 0-5.2 1 x l O-3 7)=0.2 3 1 4TiTf 式由此求得在1分钟后，平板中间温度为T=0.2 3 1 4(7；-7).)+7 =0.2 3 1 4(1 50-3 0)+3 0=57.8 讨论：一般以尸。0.2为界，判断非稳态导热过程进入正规状况阶段。此时无穷级数的解可以用第一项来近似地代替，所得的物体中心温度与采用完整级数计算得到的值的差别基本能控制在1%以内。本例题中产。=0.6 9,可以看出，级数的第一项较后几

34、项高出多个数量级。2 9.两 一块厚度均为3 0 m m 的无限大平板，初始温度为2 0 C,分别用铜和钢制成。平板两侧表面的温度忽然上升到6 0,试计算使两板中心温度均上升到56 时两板所需的时间比。铜和钢的热扩散系数分别为1 03 x 1 0、混 6和 1 2.9XKT6加 2/s。解：维非稳态无限大平板的温度分布有如如下函数形式0 x丁/皿%）两块不同材料的无限大平板，均处在第一类边界 条 件（或 8）。由题意，两种材料达成同样工况时,由 数 和V酬日同，要使温度分布相同，则 只 需F O数相等。（尸。）铜=（间钢r 铜/钢=。钢/“铜=2 53 0.测量气流温度的热电偶，其结点可视为球

35、体，结点与气流之间的对流换热系数h=400W/（毋K）,结 点 的 热 物 性：A=20W/（m K）；比热容 =8500依/，试求：1.时间常数为1 秒的热电偶结点直径为多大？2 .把热电偶从2 5 c 的环境放入2 0 0 的气流中要多长时间才干到达1 9 9?解：一方面计算结点直径，并 检 查B i数值。对球形结点由得验证表白把热电偶结点当成集总热容体在这里是合适的。A=ml,V =_ pcV _ pc d(hA h 6d=她6 X 4 0 0 X 1=7.0 6 x IN=o.7 1 pc 8 5 0 0 x 4 0 0用=史=丝2=幽3岫=2.5 3，1。-乜02 A 2 0达 成1

36、 9 9 c时所需的时间，可由下式计算,8 5 0 0 x 7.0 6 x x 4 0 0 2 5 -2 0 0hA 0 4 0 0 x 6 1 9 9 -2 0 0=5.2 5讨论：由此式可见，热电偶结点直径d和热容量“越小，被测气流的对流换热系数/?越大，则温度响应越快。四、简 答 题1 .影响逼迫对流传热的流体物性有哪些?它们分别对对流传热系数有什么影响？（提醒:影响逼迫对流换热系数的因素及其影响情况可以通过度析逼迫对流传热实验关联式，将各无量纲量展开整理后加以表述。）2 .试举几个强化管内逼迫对流传热的方法（至少五个）。（提醒：通过度析逼迫对流换热系数的影响因素及增强扰动、采用人口效应

37、和弯管效应等措施来提出一些强化手段，如增大流速、采用机械搅拌等。）3 .试比较逼迫对流横掠管束传热中管束叉排与顺排的优缺陷。（提醒：逼迫对流横掠管束换热中，管束叉排与顺排的优缺陷重要可以从换热强度和流动阻力两方面加以阐述：（1）管束叉排使流体在弯曲的通道中流动，流体扰动剧烈，对流换热系数较大，同时流动阻力也较大；（2）顺排管束中流体在较为平直的通道中流动，扰动较弱，对流换热系数小于叉排管束，其流阻也较小；（3）顺排管束由于通道平直比叉排管束容易清洗。）4 .为什么横向冲刷管束与流体在管外纵向冲刷相比，横向冲刷的传热系数大？（提醒：从边界层理论的角度加以阐述：纵向冲刷容易形成较厚的边界层，其层流

38、层较厚且不易破坏。有三个因素导致横向冲刷比纵向冲刷的换热系数大：弯曲的表面引起复杂的流动，边界层较薄且不易稳定；管径小，流体到第二个管子时易导致强烈扰动；流体直接冲击换热表面。）5 .为什么电厂凝汽器中，水蒸气与管壁之间的传热可以不考虑辐射传热？（提醒：可以从以下3个方面加以阐述：（1）在电厂凝汽器中，水蒸气在管壁上凝结，凝结换热系数约为4 5 0 0 1 8 0 0 0 W /（m?.K）,对流换热量很大；（2）水蒸气与壁面之间的温差较小，因而辐射换热量较小；（3）与对流换热相比，辐射换热所占的份额可以忽略不计。）6.用准则方程式计算管内湍流对流传热系数时，对短管为什么要进行修正？（提醒：从

39、热边界层厚度方面加以阐述：（1）在入口段，边界层的形成过程一般由薄变厚;（2）边界层的变化引起换热系数由大到小变化，考虑到流型的变化，局部长度上可有波动，但总体上在入口段的换热较强（管长修正系数大于I）；（3）当 l/d 5 0（或 6 0）时，短管的上述影响可忽略不计，当 l/d 5 0（或 6 0）时，则必须考虑入口段的影响。7.层流时的对流传热系数是否总是小于湍流时的对流传热系数?为什么？（提醒：该问题同样可以从入口效应角度加以阐述。在入口段边界层厚度从零开始增厚，若采用短管，尽管处在层流工况，由于边界层较薄，对流换热系数可以大于紊流状况。）8.什么叫临界热流密度?为什么当加热热流大于临

40、界热流密度时会出现沸腾危机？（提醒：用大容器饱和沸腾曲线解释之。以大容器饱和沸腾为例，（1）沸腾过程中，随着壁面过热度A t的增大，存在自然对流、核态沸腾、不稳定膜态沸腾和膜态沸腾四个阶段，临界热流密度是从核态沸腾向膜态沸腾转变过程中所相应的最大热流密度；（2）当加热热流大于临界热流密度时，沸腾工况向膜态沸腾过渡，加热面上有汽泡汇集形成汽膜，将壁面与液体隔开，由于汽膜的热阻比液体大得多，使换热系数迅速下降，传热恶化；（3）汽膜的存在使壁温急剧升高，若为控制热流加热设备，如电加热设备，则一旦加热热量大于临界热流密度，沸腾工况从核态沸腾奔腾到稳定膜态沸腾,壁温飞升到1000以上（水），使设备烧毁。

41、）9.试述不凝性气体影响膜状凝结传热的因素。（提醒：少量不凝性气体的存在就将使凝结换热系数减小，这可以从换热热阻增长和蒸汽饱和温度下降两方面加以阐述。（1）具有不凝性气体的蒸汽凝结时在液膜表面会逐渐积聚起不凝性气体层，将蒸汽隔开，蒸汽凝结必须穿过气层，使换热热阻大大增长；（2）随着蒸汽的凝结，液膜表面气体分压力增大，使凝结蒸汽的分压力减少，液膜表面蒸汽的饱和温度减少，减少了有效冷凝温差，削弱了凝结换热。）五、计算题1.平均温度为40的机油，以 0.7m/s的流速流经一壁温为80、内径为0.025m、长 度 1.5m的圆管。求油的对流传热系数和机油得到的加热量。（提醒：这是一个油在圆管内进行强制

42、对流换热的问题。答案：%=88.9W/（m2.K）,=418.9W。）2.温度为30的风以5 m/s 的速度吹过一太阳能集热器表面，该表面可看作为正方形平面，一条边与来流方向垂直，表面尺寸为2.0X2.0m2,问当表面温度达成60时被风带走的热量为多少？已知：平均对流传热系数计算式：Nu=0.664Re1/2PrI/3,（当 Re5X105）,特性尺寸为流体通过的板长（顺着来流方向的长度）,定性温度为tm=（t+tw）/2。（提醒：这是一个流体通过平面的对流换热问题，可以通过计算雷诺数R e 来判断用上述哪一个公式计算。得到努谢尔特数N u后可得到流过平板的对流换热系数，再根据牛顿冷却公式得到

43、换热量。答案：选用湍流公式，被风带走的热量为2.23kW。）3.一空气预热器中，烟气在直圆管内流过，管 内 径 di=45m m,管 长 L 5 m,烟气流速 12m/s,平均烟气温度300,管壁温度150,试求单管的对流传热量.（提醒：这是一个烟气在圆管内强制对流换热问题。答案：单管的对流换热量为2.21kW）4.有一套管式给水预热器，内管的外径为5 =12m m,外管的内径d2=18m m,管长为 0.5m。给水在套管的环形流道内以1.5 m/s的流速流动，给水在预热器内被加热，给水进、出预热器的温度分别为25和 8 5 C,预热器内管壁温为9 5 c.试求内管外表面对水的对流传热系数。（

44、提醒：这是一个水在非圆形通道内强制对流换热问题，环形通道的尺寸用当量直径来计算。答案：对流换热系数为11616.lW（m2.K）。）5.有进口温度为80。的热水流过内径为20mm的螺旋管，螺旋的直径为150m m,已知水的流速为0.5m/s,螺旋管内壁的平均温度为35,为了使水的出口温度低于 40,问需要多长的管子或螺旋数至少要几个？（提醒：这是一个流体在弯管内的强制对流换热问题。答案：至少需要4.566m管子，或螺旋数至少10个。）6.有一空冷器，空气在其中横向掠过管束传热，管排的横向间距si=32m m,纵向间距 S2=24m m,管子外径d=16m m,沿空气流动方向布置了 6 排管子，

45、顺排排列。空气进入管束前的流速为6 m/s,空气进、出口平均温度为140,管壁表面温度为 60,试计算其平均对流传热系数。（提醒：这是一个空气横掠顺排管束的对流换热问题，计算雷诺数时要注意将空气进口流速转换为最窄截面流速计算。答案：平均对流换热系数为126.35W/(m2.K)。)7.初温为30的水以1.0kg/s 的流量流经一套管式传热器的环形通道，水蒸气在内管中凝结，使内管外壁的温度维持在100,传热器的散热损失可忽略不计。环形夹层内管的外径d i为 40mm、外管内径d?为 60m m,试拟定把水加热到50,套管要多长。已知水侧表面对流传热系数：Nw=0.023ReP8pr”一 +。(提

46、醒：这是一个水在环形通道内流动的强制对流换热问题，计算公式已知，环形通道的尺寸用当量直径来计算。答案：需要套管的长度为2.883m。)8.某一矩形烟道，截面积为800mmX700mm,烟道长20m,烟道内恒壁温，tw=70,现有t)=230的烟气流过该烟道，质量流量q m=1.6 k g/s,试计算烟气的出口温度。已知通道内传热计算式：Nuf=0.023Reto(iPr10-4 ,对于恒壁温下的管内流动有：=一 型 ,其 中 U 为截面周长，h 为对流传热系数，。为Lf-O q,Cp流体平均温度，tf=0.5tf(x)+M0)(提醒：这是一个烟气在矩形通道内流动冷却的换热问题，计算公式已知，由

47、于烟气的出口温度未知，需要一方面假设烟气出口温度来得到定性温度，然后根据计算结果校核出口温度，若假设值的偏差大于允许值，则代入重算，直至达成计算精度。答案：烟气出口温度为184.7。)9.有一块长1m、宽 1m的平板竖直放置于20的空气中，板的一侧绝热，另一侧表面温度维持在60,试计算该竖板的自然对流散热量。假如该板未绝热的一侧改为水平朝上或朝下放置，则其自然对流散热量又各为多少？(提醒：这是竖板或水平板在空气中自然对流散热的换热问题。答案：该平板竖直放置，自然对流散热量为160W；未绝热一侧改为水平朝上放置,自然对流散热量变为240W；未绝热一侧改为水平朝下放置，自然对流散热量变为50.49

48、 W,由此可见，平板热面朝上放置时的散热量最大，热面向下放置时的散热量最小，竖直放置的散热量介于两者之间。）1 0.有一水平放置的的热水管道，用保温材料保温，保温层外径200m m,外表面平均温度45,周边空气温度15,管道长度为1500m,试计算该蒸汽管道上由于自然对流而引起的散热量。（提醒：这是水平管道外的自然对流换热问题。答案：自然对流散热量为135.9四、简 答 题1.试用所学的传热学知识说明用热电偶测量高温气体温度时，产生测量误差的因素有哪些?可以采用什么措施来减小测量误差？（提醒：用热电偶测温时同时存在气流对热电偶换热和热电偶向四壁的散热两种情况，热电偶的读数小于气流的实际温度产生

49、误差。所以，引起误差的因素：烟气与热电偶间的复合换热小；热电偶与炉膛内壁间的辐射换热大。减小误差的措施：减小烟气与热电偶间的换热热阻，如抽气等；增长热电偶与炉膛间的辐射热阻，如加遮热板；设计出计算误差的程序或装置，进行误差补偿。）2.试用传热原理说明冬天可以用玻璃温室种植热带植物的原理。（提醒：可以从可见光、红外线的特性和玻璃的透射比来加以阐述。玻璃在日光（短波辐射）下是一种透明体，透过率在90%以上，使绝大部分阳光可以透过玻璃将温室内物体和空气升温。室内物体所发出的辐射是一种长波辐射红外线，对于长波辐射玻璃的透过串接近于零，几乎是不透明（透热）的，因此，室内物体升温后所发出的热辐射被玻璃挡在

50、室内不能穿过。玻璃的这种辐射特性，使室内温度不断升高。）3.试分析遮热板的原理及其在削弱辐射传热中的作用。（提醒：可从遮热板能增长系统热阻角度加以说明。（1）在辐射换热表面之间插入金属（或固体）薄板，称为遮热板。（2）其原理是，遮热板的存在增大了系统中的辐射换热热阻，使辐射过程的总热阻增大，系统黑度减少，使辐射换热量减少。（3）遮热板对于削弱辐射换热具有显著作用，如在两个平行辐射表面之间插入一块同黑度的遮热板，可使辐射换热量减少为本来的1/2,若采用黑度较小的遮热板，则效果更为显著。）4.什么叫黑体、灰体和白体?它们分别与黑色物体、灰色物体、白色物体有什么区别?在辐射传热中，引入黑体与灰体有什