传热学试卷及答案-学习指南（专本科函授）

传热学-学习指南

一、 概念题

1. 夏季在维持20℃的室内工作，穿单衣感到舒适，而冬季在保持22℃的室内工作时，却必须穿绒衣才觉得舒服。试从传热的观点分析原因。

2. 试分析室内暖气片的散热过程，各环节有哪些热量传递方式？以暖气片管内走热水为例。

3. 利用同一冰箱储存相同的物质时，试问结霜的冰箱耗电量大还是未结霜的冰箱耗电量大?

4. 导热系数的定义？

5. 写出傅里叶定律的一般表达式，并说明式中各量和符号的物理意义。

6. 管内强制对流换热的强化机理和手段。 7. 试简述强化凝结换热的原则和途径。 8. 影响沸腾换热的因素有哪些？

9. 空气横掠管束时，沿流动方向管排数越多，换热越强，面蒸气在水平管束外凝结时，沿液膜流动方向管束排数越多，换热强度降低。试对上述现象做出解释。

10. 为强化一台冷油器的传热，有人用提高冷却水流速的办法，但发现效果并不显著，试分析原因。

11. 热水在两根相同的管内以相同流速流动，管外分别采用空气和水进行冷却。经过一段时间后，两管内产生相同厚度的水垢。试问水垢的产生对采用空冷还是水冷的管道的传热系数影响较大?为什么?

12. 有一台钢管换热器，热水在管内流动，空气在管束间作多次折流横向冲刷管束以冷却管内热水。有人提出，为提高冷却效果，采用管外加装肋片并将钢管换成铜管。请你评价这一方案的合理性。

二、 计算题

1. 平壁与圆管壁材料相同，厚度相同，在两侧表面温度相同条件下，圆管内表面积等于平壁表面积，如图所示，试问哪种情况下导热量大？

(a)平板 (b)圆管

图1 题1示意图

2. 导热系数分别为?1＝0.08W／(m·K)，?2＝0.03W／(m·K)的材料，其厚度分别为2mm和1mm，中间紧夹有一层厚度可以不计的加热膜．加热膜温度维持在60℃。材料1一侧维持在t1＝30℃的温度，材料2的一侧的温度tf＝20℃，表面传热系数h＝50W／(m2·K)的气流相通，如图所示。假定过程为稳态，试确定加热膜所施加的热流密度大小。

图2 题2示意图

3. 夏天，—置于室外的球形液氦罐，罐内液体温度保持在-196℃。球罐外直径为2m，其外包有厚为30 cm的保温层。由于某种原因，该保温材料的保温性能变差，其平均导热系数为0.6W／(m·K)。环境气温高达40℃，罐外空气与保温层间的表面传热系数为5W/(m2·K)。试计算通过保温层的热损失并判断保温层外是否结霜？假定球罐外壁温与罐内液体温度相等。

图3 题3示意图

4. 一厚度为10cm的无限大平壁，导热系数为15W/(m·K)。平壁两侧置于

?2

温度为20℃，表面传热系数为50W/(m·K)的流体中，平壁内有均匀的内热源?＝4x104W/m3。试确定平壁内的最高温度及平壁表面温度。

图4 题4示意图

5. 如图所示的墙壁，其导热系数为50 W/(m·K)，厚度为50mm，在稳态情况下的墙壁内一维温度分布为：t?200?2000x2，式中t的单位为℃，x的单位为m。试求：

(1) 墙壁两侧表面的热流密度； (2) 壁内单位体积的内热源生成热。

图5 题5示意图

6. 对于一有限大物体在第三类边界条件下发生的非稳态导热过程，试分别叙述：在Bi?0， Bi??及Bi为中等大小三种情况下，哪一侧热阻对过程起控制作用？温度分布差异主要发生在哪一侧？

7. 图给出极坐标系中二维、常物性、无内热源的非稳态导热体。试利用热平衡法列出节点（i，j）的离散方程式。网格划分如图所示。

图6 题7示意图

8. 如图所示为圆截面直肋的一维稳态、无内热源、常物性导热问题，试分别列出内节点m和端部节点M的离散方程式。已知圆截面直径为d。

图7 题8示意图

9. 如图所示，一等截面直肋，高为H＝45mm，厚?＝10mm，助根温度to＝100℃，流体温度tf＝20℃，表面传热系数h＝50w／(m2·K)，肋片导热系数?＝50W／(m·K)，设肋端绝热。将它分成四个节点。试列出节点2、3、4的离散方程式，并计算其温度。

图8 题9示意图

10. 如图所示，对横掠正方形截面棒的强制对流换热进行实验测定，测得的结果如下：

当u1=20 m／s时，h1=50 W／(m2·K) 当u2=15 m／s时，h2=40 W／(m2·K) 假定换热规律遵循如下函数形式：Nu?CRePr，其中C，m，n为常数。正方形截而对角线长为l=0.5m。

mn试确定：

(1)形状仍为正方形但l＝1m的柱体，当空气流速为15m／s和30m／s时的平均表面传 热系数；

(2)如果用正方形杆的边长而不是对角线长度来作为特征长度，上述结果是否一样。

假定上述各情形下的定性温度之值均相同。

图9 题10示意图

11. 一套管式换热器，饱和蒸汽在内管中凝结，使内管外壁温度保持在100℃，初温为25℃，质量流量为0.8kg/s的水从套管换热器的环形空间中流过，换热器外壳绝热良好。环形夹层内管外径为40mm，外管内径为60mm，试确定把水加热到55℃时所需的套管长度，及管子出口截面处的局部热流密度。不考虑温差修正。（温度为40℃时，水的物性参数：??0.635W/(m?K)，??653.3?10?6Pa?s，cp?4174J/(kg?K)，Pr?4.31）

12. 温度为50℃，压力为1.01325×105Pa的空气，平行掠过一块表面温度为100℃的平板上表面，平板下表面绝热。平板沿流动方向长度为0.2m，宽度为0.1m。按平板长度计算的Re数为4×l04。温度为75℃时，空气的物性参数为

K)，Pr=0.70。试确定平板表面与空气间的表面传热系数和传热量。 ?=0.0299W/(m·

13. 已知太阳可视为温度Ts=5800K的黑体。某选择性表面的光谱吸收比随波长?变化的持性如图所示。当太阳的投入辐射Gs=800W／m2时，试计算该表面对太阳辐射的总吸收比及单位面积上所吸收的太阳能量。其中，当?T?8000?m?K时，Fb?0???=0.8564；当?T?8500?m?K时，Fb?0???=0.8747

图10 题13示意图

14. 如图所示为某一温度下漫射表面发射辐射的光谱分布。试确定： (1)该表面的总辐射力；

(2)该表面在法线方向及与法向构成60°角的方向上发射的定向辐射强度。

图11 题14示意图

15. —建筑商需要从两种漫射不透明涂层中选择一种作为屋顶覆盖层的材料。两种涂层的光谱吸收比????与波长?之间的关系如图所示。试问： (1)哪种涂层使屋顶温度较低？

(2)夏季和冬季分别宜选用哪种涂层？

图12 题15示意图

16. 一种工业流体在顺流换热器中被油从300℃冷却到140℃，而此时油的进、出口

温度分别为44℃和124℃。试确定：

(1)在传热面积足够大的情况下，该流体在顺流换热器中所能冷却到的最低温度；

(2)传热面积足够大时，该流体在逆流换热器中所能冷却到的最低温度；

(3)在相同的流体进口、出口温度下顺流和逆流换热器传热面积之比。假定两种情形的传热系数和传热量均相同。

17. 质量流量为2.25kg/s、比热容为2000J/(kg·K)的油进入冷油器时温度为80℃。冷油器中冷却剂为水，与油呈逆流布置，其传热系数为560W/(m2·K)，传热面积为8m2。水的入口温度为12℃，油的出口温度为40℃。试确定水的质量流量。

18. 某厂用—台面积为1m2的旧换热器来冷却质量流量为300kg/h的油。油

的比热容和进口温度分别为2200J/(kg·K)和110℃。水的进口温度为15℃，最大可用水体积流量为1.44m3/h，传热系数为450W/(m2·K)。试确定在顺流和逆流时所能达到的最低出口油温。

参考答案

一、 概念题

1. 答：首先，冬季和夏季的最大区别是室外温度的不同。夏季室外温度比室内气温高，因此通过墙壁的热量传递方向是出室外传向室内。冬季室外气温比室内低，通过墙壁的热量传递方向是由室内传向室外。因此冬季和夏季墙壁内表面温度不同，夏季高而冬季低。因此，尽管冬季室内温度(22℃)比夏季略高(20℃)，但人体在冬季通过辐射与墙壁的散热比夏季高很多。根据上题人体对冷感的感受主要是散热量的原理，在冬季散热量大，因此要穿厚一些的绒衣。 2. 答：有以下换热环节及热传递方式：

1)由热水到暖气片管道内壁，热传递方式是对流换热(强制对流)； 2)由暖气片管道内壁至外壁，热传递方式为导热；

3)由暖气片外壁至室内环境和空气，热传递方式有辐射换热和对流换热。 3. 答：当其他条件相同时，冰箱的结霜相当于在冰箱蒸发器和冰箱冷室(或冷藏室)之间增加丁一个附加热阻，因此，要达到相同的制冷室温度，必然要求蒸发器处于更低的温度。所以，结霜的冰箱耗电量更大。 4. 答：导热系数：???q，导热系数?表示在单位温度梯度作用下物体

?tn内所产生的热流密度，它表征了物质导热本领的大小。导热系数是物性参数，取?n决于物质的种类和热力状态（即温度压力等）。

?t5. 答：傅里叶定律的一般表达式为：q???gradt???n。

?nq是热流密度矢量；?为导热系数，它表示物质导热本领的大小；gradt是空间某点的温度梯度；n是通过该点的等温线上的法线单位矢量，指向温度升高的方向；“-”号表示热量沿着温度降低的方向传递。物体导热量的大小与该处的温度梯度

有关，且导热的方向指向温度降低的方向。

6. 答：1)强化的机理

管内对抗换热的热阻主要在边界层，因而边界层的状态直接影响到管内的对流换热。强化管内对流换热的突破口即在于减薄或破坏温度边界层，同时改变流体的物性亦有助于强化换热。

2)强化的手段

根据上述强化换热的机理，可以有很多种强化换热的手段。如增加流速、采用内肋管、弯管、内螺纹管、内劈面带周向环状突出物的管于、扭曲管等。另外．可采用短管，小直径管和增加壁面租糙度的方法。

7. 答：强化凝结换热的原则：尽量减薄粘滞在换热表面上液膜的厚度。 强化凝结换热的途径：(1)减薄液膜厚度的技术。最简单的方法是对于竖壁或竖管，在工艺允许的情况下，尽量降低传热面的厚度，或者将竖管改为横管。还有，采用尖峰的表面。利用整体式低肋管，二维或三维德微肋管；(2)及时排液的方法。如低肋管、纵向沟槽等；(3)表面改性，使膜状凝结变为珠状凝结。利用表面涂层(油脂、纳米技术)、离子注入等。

8. 答：1)不凝结气体。溶解于液体中的不凝气体往往会使沸腾换热得到某种强化；

2)过冷度。在核态臃腾起始段，过冷度会使换热增强，而在其他区域则无影响；

3)液位高度。只有低液位沸腾会强化换热，表面传热系数增大。 4)重力加速度。只有在微重力状态下，重力加速度才会对核态沸腾换热产生影响；

5)沸腾表而结构。沸腾表面的微小凹坑最容易产生汽化核心，从而强化换热。 9. 答：空气外掠管束时，沿流动方向管徘数越多，气流扰动增加，换热越强。面蒸气在管束外凝结时，沿液膜流动方向排数越多，凝结液膜越来越厚，凝结传热热阻越来越大，因而换热强度降低。

10. 答：冷油器中由于油的粘度较大，对流换热表面传热系数较小，占整个传热过程中热阻的主要部分，而冷却水的对流换热热阻较小，不占主导地位，因而用提高水速的方法，只能减小不占主导地位的水侧热阻，故效果不显著。 11. 答：采用水冷时，管道内外均为换热较强的水，两侧流体的换热热阻较小，因而水垢的产生在总热阻中所占的比例较大。而空气冷却时，气侧热阻较大，这时，水垢的产生对总热阻影响不大。故水垢产生对采用水冷的管道的传热系数彩响较大。

12. 答：该换热器管内为水的对流换热，管外为空气的对流换热，主要热阻在管外空气侧，因而在管外加装肋片可强化传热。注意到钢的导热系数虽然小于铜的，但该换热器中管壁导热热阻不是传热过程的主要热阻，因而无需将钢管换成铜管。

二、 计算题

1. 解 由题意，平壁导热量：

圆管壁导热量：

故换热虽之比：

显然，

，所以因管壁的导热量大。

2. 解：由题意得，加热膜的热流应为向两板的导热量之和，即

其中：

所以：

3. 解：由题意得，通过球罐的热流量：

因此，该球罐外表面已结霜。

4. 解：由于问题对称，可取—半做研究对象。平壁内最高温度位于中心截面(x＝0处)，可得：

当x=0：

x??：

5. 解：(1)由博里叶定律：

所以墙壁两侧表面的热流密度：

(2)由导热微分方程：

6. 解：图给出了三种情形下的非稳态导热问题。图中无限大平板与温度为t?的流体处第三类边界条件下。

图 题示意图

1h??图(a)表示物体内部导热热阻远小于外部的对流热阻，即Bi??0。

h??此时在任一时刻物体内部的温度分布都是均匀的，即温度分布与几何位置无关，仅为时间的函数。

当 Bi??时（图(b))，平板外部对流热阻远小于内部导热热阻，此时相当于第一类边界条件．即壁面温度等于流体温度。

当Bi为中等大小时（图(c)），物体内部与外部流体热阻同时起作用，温差在内外部同时存在。

7. 解：利用热平衡方法，对(i，j)节点列出能量平衡式。有：?in=?E

其中?in为所有相邻节点导人热量的总和，?E为在??时间段内，控制容积热力学能的增量。由

得：

即：

8. 解：对节点M，列热平衡式：(圆截面积Ac＝πd2/4，周长P＝πd)

9. 解：这是一个一维稳态、无内热源、常物性的导热问题。利用热平衡法，列出节点的离散方程式。对节点2：

对节点3：

对节点4：

式中?x?H。将已知条件（t1=to=100℃）代入可得如下方程组： 3

利用迭代法解得：

t2=92.2℃，t3=87.7℃，to=86.2℃

10. 解：（1）根据题意

考虑到C，m，n为常数，物性亦为常数(定性温度相同)，因此

可以根据试验结果确定m之值，即

所以

m=0.782

当l=1m，u=15m/s时：

当l=1m，u=30m/s时：

（2）如果选择边长代替对角线作为特征长度，则相应的Re数和C值将发生变化，而表面传热系数则不随特征长度的改变而发生变化。

11. 解：本题为水在环形通道内强制对流换热问题，要确定的是管于长度，因而可先假定管长

满足充分发展的要求，然后再校核。

12. 解：本题为空气外掠平板强制对流换热问题。

由于Re＝4×104＜5×105，属层流状态。 故：

空气定性温度：

故

散热量：

13. 解：先计算总吸收比：

单位面积上所吸收的太阳能：

14. 解：（1）总辐射力为：

E??E?d???100d???200d???100d??500?1000?500?2000W051015?101520m2

（2）漫反射表面辐射强度与方向无关，定向辐射强度为：

EL(?)?L???2000??636.6Wm2?sr

15. 解：（1）覆盖层A的吸收比：

?A=0.8

覆盖层B的吸收比：

4b?b?B??0.6E?d???0.2E?d?04Eb

?0.6Fb(0?4)?0.2Fb(4??)显然Fb(0?4)和Fb(4??)均小于1，因此?A>?B，A涂层使屋顶温度较低。

（2）夏天应用A涂层，而冬天宜选用保温性较好的B涂层。

当冷、热流体进出口温差相同时，换热器传热系数和传热量均相同时，由

??kA?tm，顺、逆流换热器面积之比：

19. 解：此题属换热器的校核计算问题。采用LMTD法。 由热平衡方程

平均温差

而出?tm的计算公式

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