传热学经典试题

第一章 概 论 一、

名词解释

1．热流量：单位时间内所传递的热量 2．热流密度：单位传热面上的热流量

3．导热：当物体内有温度差或两个不同温度的物体接触时，在物体各部分之间不发生相对位移的情况下，物质微粒(分子、原子或自由电子)的热运动传递了热量，这种现象被称为热传导，简称导热。

4．对流传热：流体流过固体壁时的热传递过程，就是热对流和导热联合用的热量传递过程，称为表面对流传热，简称对流传热。

5．辐射传热：物体不断向周围空间发出热辐射能，并被周围物体吸收。同时，物体也不断接收周围物体辐射给它的热能。这样，物体发出和接收过程的综合结果产生了物体间通过热辐射而进行的热量传递，称为表面辐射传热，简称辐射传热。

6．总传热过程：热量从温度较高的流体经过固体壁传递给另一侧温度较低流体的过程，称为总传热过程，简称传热过程。

7．对流传热系数：单位时间内单位传热面当流体温度与壁面温度差为1K是的对流传热量，单位为W／(m2?K)。对流传热系数表示对流传热能力的大小。 8．辐射传热系数：单位时间内单位传热面当流体温度与壁面温度差为1K是的辐射传热量，单位为W／(m2?K)。辐射传热系数表示辐射传热能力的大小。 9．复合传热系数：单位时间内单位传热面当流体温度与壁面温度差为1K是的复合传热量，单位为W／(m2?K)。复合传热系数表示复合传热能力的大小。 10．总传热系数：总传热过程中热量传递能力的大小。数值上表示传热温差为1K时，单位传热面积在单位时间内的传热量。 四、简答题

1．试述三种热量传递基本方式的差别，并各举1～2个实际例子说明。 （提示：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?

（提示：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?

（提示：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? （提示：分析热阻与温压的关系，热路图在传热过程分析中的作用。） 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。

（提示：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。

（提示：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交换过程来解释这一现象（主要是人体与墙面的辐射传热的不同））

第二章 热传导 一、名词解释

1．温度场：某一瞬间物体内各点温度分布的总称。一般来说，它是空间坐标和时间坐标的函数。

2．等温面(线)：由物体内温度相同的点所连成的面（或线）。 3．温度梯度：在等温面法线方向上最大温度变化率。

4．热导率：物性参数，热流密度矢量与温度降度的比值，数值上等于1 K／m的温度梯度作用下产生的热流密度。热导率是材料固有的热物理性质，表示物质导热能力的大小。

5．导温系数：材料传播温度变化能力大小的指标。 6．稳态导热：物体中各点温度不随时间而改变的导热过程。 7．非稳态导热：物体中各点温度随时间而改变的导热过程。

8．傅里叶定律：在各向同性均质的导热物体中，通过某导热面积的热流密度正比于该导热面法向温度变化率。

9．保温(隔热)材料：λ≤0.12 W/(m?K)(平均温度不高于350℃时)的材料。 10．肋效率：肋片实际散热量与肋片最大可能散热量之比。

11．接触热阻：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。

12．定解条件(单值性条件)：使微分方程获得适合某一特定问题解的附加条件，包括初始条件和边界条件。 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。

（提示：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=λ/cρ)，但导温系数不但与材料的导热系数有关，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。

（提示：温度计套管可以看作是一根吸热的管状肋(等截面直肋)，利用等截面直肋计算肋端温度th的结果，可得采用温度计套管后造成的测量误差Δt为Δt=tf-th= ，其中 ，欲使测量误差Δt下降，可以采用以下几种措施：

(1)降低壁面与流体的温差(tf-t0)，也就是想办法使肋基温度t0接近tf，可以通过对流体

通道的外表面采取保温措施来实现。

(2)增大(mH)值，使分母ch(mH)增大。具体可以用以下手段实现：①增加H，延长温度计套管的长度；②减小λ，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。因为不锈钢的导热系数比铜和碳钢小。②降低δ，减小温度计套管的壁厚，采用薄壁管。④提高h增强温度计套管与流体之间的热交换。)

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。

( 提示：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

第一类边界条件：τ>0,tw=fw(x, τ) 第二类边界条件：τ>0, 第三类边界条件：τ>0,

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?

（提示：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?

（提示：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)。接触热阻主要与表面粗糙度、表面所受压力、材料硬度、温度及周围介质的物性等有关，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。）

第三章 对流传热 一、名词解释

1． 速度边界层：在流场中壁面附近流速发生急剧变化的薄层。 2． 温度边界层：在流体温度场中壁面附近温度发生急剧变化的薄层。 3． 定性温度：确定换热过程中流体物性的温度。 4． 特征尺度：对于对流传热起决定作用的几何尺寸。

5． 相似准则(如Nu,Re,Pr,Gr,Ra)：由几个变量组成的无量纲的组合量。 6． 强迫对流传热：由于机械(泵或风机等)的作用或其它压差而引起的相对运动。 7． 自然对流传热：流体各部分之间由于密度差而引起的相对运动。

8． 大空间自然对流传热：传热面上边界层的形成和发展不受周围物体的干扰时的自然对流传热。

9． 珠状凝结：当凝结液不能润湿壁面(θ>90?)时，凝结液在壁面上形成许多液滴，而不形成连续的液膜。

10． 膜状凝结：当液体能润湿壁面时，凝结液和壁面的润湿角(液体与壁面交

界处的切面经液体到壁面的交角)θ<90?，凝结液在壁面上形成一层完整的液膜。 11．

核态沸腾：在加热面上产生汽泡，换热温差小，且产生汽泡的速度小于

汽泡脱离加热表面的速度，汽泡的剧烈扰动使表面传热系数和热流密度都急剧增加。 12．

膜态沸腾：在加热表面上形成稳定的汽膜层，相变过程不是发生在壁面

上，而是汽液界面上，但由于蒸汽的导热系数远小于液体的导热系数，因此表面传热系数大大下 四、 简答题

1． 影响强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?

（提示：影响强迫对流换热系数的因素及其影响情况可以通过分析强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． 试举几个强化管内强迫对流传热的方法(至少五个)。

（提示：通过分析强迫对流换热系数的影响因素及增强扰动、采用人口效应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． 试比较强迫对流横掠管束传热中管束叉排与顺排的优缺点。

（提示：强迫对流横掠管束换热中，管束叉排与顺排的优缺点主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? （提示：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，其层流层较厚

且不易破坏。有三个因素造成横向冲刷比纵向冲刷的换热系数大：①弯曲的表面引起复杂的流动，边界层较薄且不易稳定；②管径小，流体到第二个管子时易造成强烈扰动；②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? （提示：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4500—18000W／(m2．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? （提示：从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1）；(3)当l／d＞50(或60)时，短管的上述影响可忽略不计，当l／d＜50(或60)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? （提示：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，尽管处于层流工况，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界热流密度时会出现沸腾危机?

（提示：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Δt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对应的最大热流密度；(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飞跃到稳定膜态沸腾，壁温飞升到1000℃以上(水)，使设备烧毁。）

9． 试述不凝性气体影响膜状凝结传热的原因。

（提示：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

增加和蒸

汽饱和温度下降两方面加以阐述。(1)含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，使换热热阻大大增加；(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降低，液膜表面蒸汽的饱和温度降低，减少了有效冷凝温差，削弱了凝结换热。）

第四章 辐射传热 一、 名词解释

1．热辐射：由于物体内部微观粒子的热运动状态改变，而将部分内能转换成电磁波的能量发射出去的过程。

2．吸收比：投射到物体表面的热辐射中被物体所吸收的比例。 3．反射比：投射到物体表面的热辐射中被物体表面所反射的比例。 4．穿透比：投射到物体表面的热辐射中穿透物体的比例。 5．黑体：吸收比α= 1的物体。 6．白体：反射比ρ=l的物体(漫射表面) 7．透明体：透射比τ= 1的物体

8．灰体：光谱吸收比与波长无关的理想物体。

9．黑度：实际物体的辐射力与同温度下黑体辐射力的比值，即物体发射能力接近黑体的程度。

10．辐射力：单位时间内物体的单位辐射面积向外界(半球空间)发射的全部波长的辐射能。

11．漫反射表面：如果不论外界辐射是以一束射线沿某一方向投入还是从整个半球空间均匀投入，物体表面在半球空间范围内各方向上都有均匀的反射辐射度Lr，则该表面称为漫反射表面。

12．角系数： 从表面1发出的辐射能直接落到表面2上的百分数。

13．有效辐射：单位时间内从单位面积离开的总辐射能，即发射辐射和反射辐射之和。

14．投入辐射：单位时间内投射到单位面积上的总辐射能。

15．定向辐射度：单位时间内，单位可见辐射面积在某一方向p的单位立体角内

所发出的总辐射能(发射辐射和反射辐射)，称为在该方向的定向辐射度。 16．漫射表面：如该表面既是漫发射表面，又是漫反射表面，则该表面称为漫射表面。

17．定向辐射力：单位辐射面积在单位时间内向某一方向单位立体角内发射的辐射能。

18．表面辐射热阻：由表面的辐射特性所引起的热阻。

19．遮热板：在两个辐射传热表面之间插入一块或多块薄板以削弱辐射传热。 20．重辐射面：辐射传热系统中表面温度未定而净辐射传热量为零的表面。 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，产生测量误差的原因有哪些?可以采取什么措施来减小测量误差?

（提示：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误差。所以，引起误差的因素：①烟气与热电偶间的复合换热小；②热电偶与炉膛内壁问的辐射换热大。减小误差的措施：①减小烟气与热电偶间的换热热阻，如抽气等；②增加热电偶与炉膛间的辐射热阻，如加遮热板；②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。

（提示：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。

（提示：可从遮热板能增加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原来的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么意义?

（提示：可以从黑体、白体、灰体的定义和有关辐射定律来阐述。根据黑体、白体、灰体的定义可以看出，这些概念都是以热辐射为前提的。灰色、黑色、白色是针对可见光而言的。所谓黑体、白体、灰体并不是指可见光下物体的颜色，灰体概念的提出使基尔霍夫定律无条件成立，与波长、温度无关，使吸收率的确定及辐射换热计算大为简化，因此具有重要的作用；黑体概念的提出使热辐射的吸收和发射具有了理想的参照物。）

5． 玻璃可以透过可见光，为什么在工业热辐射范围内可以作为灰体处理? （提示：可以从灰体的特性和工业热辐射的特点来论述。所谓灰体是针对热辐射而言的，

灰体是指吸收率与波长无关的物体。在红外区段，将大多数实际物体作为灰体处理所引起的误差并不大，一般工业热辐射的温度范围大多处于2000K以下，因此其主要热辐射的波长位于红外区域。许多材料的单色吸收率在可见光范围内和红外范围内有较大的差别，如玻璃在可见光范围内几乎是透明的，但在工业热辐射范围内则几乎是不透明的，并且其光谱吸收比与波长的关系不大，可以作为灰体处理。）

6． 什么是“温室效应”?为什么说大气中的C02含量增加会导致温室效应? （提示：可以从气体辐射的特点和能量平衡来加以说明。CO2气体具有相当强的辐射和吸收能力，属于温室气体。根据气体辐射具有选择性的特点，CO2气体的吸收光带有三段：2．65—2．8、4．15—4．45、13．0—17．0μm，主要分布于红外区域。太阳辐射是短波辐射，波长范围在0．38一0．76μm，因此，对于太阳辐射C02气体是透明的，能量可以射入大气层。地面向空间的辐射是长波辐射，主要分布于红外区域，这部分辐射在CO2气体的吸收光带区段C02气体会吸收能量，是不透明的。在正常情况下，地球表面对能量的吸收和释

放处于平衡状态，但如果大气中的CO2含量增加会使大气对地面辐射的吸收能力增强，导致大气温度上升，导致了所谓温室效应。）

第五章 传热过程与传热器 一、 名词解释

1． 传热过程:热量从高温流体通过壁面传向低温流体的总过程. 2． 复合传热:对流传热与辐射传热同时存在的传热过程. 3． 污垢系数:单位面积的污垢热阻.

4． 肋化系数: 肋侧表面面积与光壁侧表面积之比. 5． 顺流:两种流体平行流动且方向相同 6． 逆流: 两种流体平行流动且方向相反

7．效能:换热器实际传热的热流量与最大可能传热的热流量之比.

8．传热单元数:传热温差为1K时的热流量与热容量小的流体温度变化1K所吸收或放出的热流量之比.它反映了换热器的初投资和运行费用,是一个换热器的综合经济技术指标.

9．临界热绝缘直径:对应于最小总热阻(或最大传热量)的保温层外径. 四、简答题

1． 试举出3个隔热保温的措施，并用传热学理论阐明其原理？

(提示:可以从导热、对流、辐射等角度举出许多隔热保温的例子.例如采用遮热板,可以显著削弱表面之间的辐射换热，从传热学原理上看，遮热板的使用成倍地增加了系统中辐射的

表面热阻和空间热阻，使系统黑度减小，辐射换热量大大减少；又如采用夹层结构并抽真空，可以削弱对流换热和导热，从传热角度看，夹层结构可以使强迫对流或大空间自然对流成为有限空间自然对流，使对流换热系数大大减小，抽真空，则杜绝了空气的自然对流，同时也防止了通过空气的导热；再如表面包上高反射率材料或表面镀银，则可以减小辐射表面的吸收比和发射率(黑度)，增大辐射换热的表面热阻，使辐射换热削弱，等等。)

2． 解释为什么许多高效隔热材料都采用蜂窝状多孔性结构和多层隔热屏结构。 (提示：从削弱导热、对流、辐射换热的途径方面来阐述。高效隔热材料都采

用蜂窝状多孔性结构和多层隔热屏结构，从导热角度看，空气的导热系数远远小于固体材料，因此采用多孔结构可以显著减小保温材料的表观导热系数，阻碍了导热的进行；从对流换热角度看，多孔性材料和多层隔热屏阻隔了空气的大空间流动，使之成为尺度十分有限的微小空间。使空气的自然对流换热难以开展，有效地阻碍了对流换热的进行；从辐射换热角度分析，蜂窝状多孔材料或多层隔热屏相当于使用了多层遮热板，可以成倍地阻碍辐射换热的进行，若再在隔热屏表面镀上高反射率材料，则效果更为显著。)

3． 什么叫换热器的顺流布置和逆流布置?这两种布置方式有何特点？设计时如何选用？

(提示：从顺、逆流布置的特点上加以论述。冷、热流体平行流动且方向相同称为顺流，换热器顺流布置具有平均温差较小、所需换热面积大、具有较低的壁温、冷流体出口温度低于热流体出口温度的特点。冷、热流体平行流动但方向相反称为逆流，换热器逆流布置具有平均温差大、所需换热面积小、具有较高壁温、冷流体出口温度可以高于热流体的出口温度的特点。设计中，一般较多选用逆流布置，使换热器更为经济、有效，但同时也要考虑冷、热流体流道布置上的可行性，如果希望得到较高的壁面温度，则可选用逆流布置，反之，如果不希望换热器壁面温度太高，则可以选择顺流布置，或者顺、逆流混合布置方式。) 4． 试解释并比较换热器计算的平均温差法和ε—NTU法？

(提示：从平均温压法和ε—NTU法的原理、特点上加以阐述。两种方式都可以用于换热器的设计计算和校核计算，平均温差法是利用平均温差来进行换热器的计算，而ε—NTU法是利用换热器效能ε与传热单元数NTU来进行换热器计算。平均温压法要计算对数平均温压，而ε—NTU法则要计算热容量比、传热单元数或换热器效能。设计计算时，用平均温差法比用ε—NTU法方便，而在校核计算时，用ε—NTU法比用平均温差方便。)

5． 请说明在换热设备中，水垢、灰垢的存在对传热过程会产生什么影响，如何防止。

(提示：从传热系数或传热热阻角度分析。在换热设备中，水垢、灰垢的存在将使系统中导热热阻大大增加，减小了传热系数，使换热性能恶化，同时还使换热面易于发生腐蚀，并减小了流体的流通截面，较厚的污垢将使流动阻力也增大。

此外，热流体侧壁面结垢，会使壁面温度降低，使换热效率下降?，而冷流体侧壁面结垢，会导致壁温升高，对于换热管道，甚至造成爆管事故。防止结垢的手段有定期排污、清洗、清灰，加强水处理，保证水质，采用除尘、吹灰设备等。)

传热过程及换热器部分 一、基本概念

主要包括传热方程式及换热器设计、对数平均温差、换热器中两流体沿程温度变化曲线、强化传热及热阻分析、传热系数实验测定方法等等。

1、对壳管式换热器来说，两种流体在下列情况下，何种走管内，何种走管外？ (1)清洁与不清洁的；(2)腐蚀性大与小的；(3)温度高与低的；(4)压力大与小的；(5)流量大与小的；(6)粘度大与小的。

答：(1)不清洁流体应在管内，因为壳侧清洗比较困难，而管内可定期折开端盖清洗；(2)腐蚀性大的流体走管内，因为更换管束的代价比更换壳体要低，且如将腐蚀性强的流体置于壳侧，被腐蚀的不仅是壳体，还有管子；(3)温度低的流体置于壳侧，这样可以减小换热器散热损失；(4)压力大的流体置于管内，因为管侧耐压高，且低压流体置于壳侧时有利于减小阻力损；(5)流量大的流体放在管外，横向冲刷管束可使表面传热系数增加；(6)粘度大的流体放在管外，可使管外侧表面传热系数增加。

2、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c试分析原因。

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。

3、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。

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。 4、为了简化工程计算，将实际的复合换热突出一个主要矛盾来反映，将其次要因素加以适当考虑或忽略掉，试简述多孔建筑材料导热、房屋外墙内表面的总换热系数、锅炉炉膛高温烟气与水冷壁之间的换热等三种具体情况的主次矛盾。 答：⑴通过多孔建筑物材料的导热,孔隙内虽有对流和辐射,但导热是主要的,所以热量传递按导热过程进行计算,孔隙中的对流和辐射的因素在导热系数中加以考虑。⑵房屋外墙内表面的总换热系数是考虑了对流和辐射两因素的复合,两者所起作用相当,因对流换热计算简便,将辐射的因素折算在对流换热系数中较方便些。⑶锅炉炉膛高温烟气与水冷壁之间的换热,由于火焰温度高达1000℃以上,辐射换热量很大,而炉膛烟气流速很小,对流换热相对较小,所以一般忽略对流换热部分,而把火焰与水冷壁之间的换热按辐射换热计算。 5、肋片间距的大小对肋壁的换热有何影响?

答：当肋片间距减小时，肋片的数量增多，肋壁的表面积相应地增大,故肋化系数β值增大,这对减小热阻有利;此外适当减小肋片间距可以增强肋片间流体的扰动,使换热系数h相应提高。但是减小肋片的间距是有限的,一般肋片的间距不小于边界层厚度的两倍,以免肋片间流体的温度升高,降低了传热的温差。 6、如何考虑肋片高度l对肋壁传热的影响?

答：肋高l的影响必须同时考虑它对肋片效率ηf和肋化系数β两因素的作用。l增大将使ηf降低,但却能使肋面积A2增大,从而使β增大。因此在其他条件不变的情况下,如能针对具体传热情况,综合考虑上述两项因素,合理地选取l,使1/(hηfβ)项达一最低值,从而获得最有利的传热系数KА值,以达到增强传热的目的。 7、试述平均温差法(LMTD法)和效能─传热单元数法(ε-NTU法)在换热器传热计算中各自的特点?

答：LMTD法和ε-NTU法都可用于换热器的设计计算和校核计算。这两种方法的设计计算繁简程度差不多。但采用LMTD法可以从求出的温差修正系数φΔt的大小看出所选用的流动形式接近逆流程度,有助于流动形式的选择,这是ε-NTU法所做不到的。对于校核计算,两法都要试算传热系数,但是由于LMTD法需反复进行对数计算故较ε-NTU法稍嫌麻烦些,校核计算时如果传热系数已知,

则ε-NTU法可直接求得结果,要比LMTD法简便得多。

8、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?

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，气侧热组较大，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影响较大。

二、定量计算

主要包括：复合换热及传热过程、热阻分析、换热器设计计算、换热器校核计算。 1、外径为200mm采暖热水输送保温管道，水平架空铺设于空气温度为-5℃的室外，周围墙壁表面平均温度近似为0℃，管道采用岩棉保温瓦保温，其导热系数为λ（W/m℃）＝0.027+0.00017t（℃）。管内热水平均温度为100℃，由接触式温度计测得保温层外表面平均温度为45℃，表面发射率为0.9，若忽略管壁的导热热阻，试确定管道散热损失、保温层外表面复合换热系数及保温层的厚度。 解：管道散热损失包括自然对流散热损失和辐射散热损失两部分。 确定自然对流散热损失： 定性温度 ℃ 则

确定辐射散热损失：

属空腔（A2）与内包壁（A1）之间的辐射换热问题，且 。

单位管长管道散热损失

确定保温层外表面复合换热系数： 确定保温层的厚度：

由傅立叶定律积分方法获得。 ，分离变量得： ，即：

得管道外径 保温层的厚度为

2、一所平顶屋，屋面材料厚δ＝0.2m，导热系数λw=0.6W/(m?K)，屋面两侧的材料发射率ε均为0.9。冬初，室内温度维持tf1＝18℃，室内四周墙壁亦为18℃，且它的面积远大于顶棚面积。天空有效辐射温度为-60℃。室内顶棚表面对流表面传热系数h1＝0.529W/(m2?K)，屋顶对流表面传热系数h2=21.1W/(m2?K)，问当室外气温降到多少度时，屋面即开始结霜(tw2＝0℃)，此时室内顶棚温度为多少?此题是否可算出复合换热表面传热系数及其传热系数? 解：⑴求室内顶棚温度tw1

稳态时由热平衡，应有如下关系式成立：

室内复合换热量Φ’=导热量Φ=室内复合换热量Φ” ；

因Φ’=Φ，且结霜时 ℃，可得： ，即

解得： ℃。 ⑵求室外气温tf2

因Φ”=Φ，可得： ，即： ℃

⑶注意到传热方向，可以求出复合换热系数hf1、hf2 依据 ，得

依据 ，得

⑷求传热系数K

3、一蒸汽冷凝器，内侧为ts=110℃的干饱和蒸汽，汽化潜热r=2230 ，外侧为冷却水，进出口水温分别为30℃和80℃，已知内外侧换热系数分别为104 ，及3000 ，该冷凝器面积A=2m2，现为了强化传热在外侧加肋，肋壁面积为原面积的4倍，肋壁总效率η=0.9，若忽略冷凝器本身导热热阻，求单位时间冷凝蒸汽量。

解：对数平均温差： ℃， ℃ ℃ 传热系数

单位时间冷凝蒸汽量：

7、设计一台给水加热器，将水从15℃加热到80℃，水在管内受迫流动，质量流量为2kg/s，比热为4.1868kJ/kg℃。管内径为0.0116m，外径0.019m，用110℃的饱和蒸汽加热，在加热器为饱和液体。已知管内外的对流传热系数分别为4306 W/ m2℃和7153W/ m2℃；汽化潜热r = 2229.9kJ/kg；且忽略管壁的导热热阻，试利用ε-NTU法确定所需传热面积。该换热器运行一段时间后，在冷热流体流量及进口温度不变的条件下，只能将水加热到60℃，试采用对数平均温差法确定运行中产生的污垢热阻。提示：一侧流体有相变时，ε=1-e-NTU。 解：利用ε-NTU法确定所需传热面积。 换热器效能为： 传热单元数为：

传热系数为：

需说明因为管内径为0.0116m，外径0.019m，即管壁较薄，可视为平壁的传热过程。 由 ，得： 换热器面积为：

采用对数平均温差法确定运行中产生的污垢热阻。 对数平均温差： ℃， ℃ ℃

运行中产生的污垢热阻为：

热辐射基本定律部分 一、基本概念

主要包括热辐射基本概念及名词解释、黑体辐射基本定律、实际物体辐射特性及其应用。

1、北方深秋季节的清晨，树叶叶面上常常结霜。试问树叶上、下去面的哪一面结箱?为什么?

答：霜会结在树叶的上表面。因为清晨，上表面朝向太空，下表面朝向地面。而太空表回的温度低于摄氏零度，而地球表面温度一般在零度以上。由于相对树叶下表面来说，其上表面需要向太空辐射更多的能量，所以树叶下表面温度较高，而上表面温度较低且可能低于零度，因而容易结霜。

2、如图所示的真空辐射炉，球心处有一黑体加热元件，试指出①，②，③3处中何处定向辐射强度最大?何处辐射热流最大?假设①，②，②处对球心所张立体角相同。

答：由黑体辐射的兰贝特定律知，定向辐射强度与方向无关。故Il＝I2=I3。而三处对球心立体角相当，但与法线方向夹角不同，θ1＞θ2＞θ3。所以①处辐射热流最大，③处最小。

3、有—台放置于室外的冷库，从减小冷库冷量损失的角度出发，冷库外壳颜色应涂成深色还是浅色?

答：要减少冷库冷损，须尽可能少地吸收外界热量，而尽可能多地向外释放热量。因此冷库败取较浅的颜色，从而使吸收的可见光能量较少，而向外发射的红外线较多。

4、何谓“漫─灰表面”?有何实际意义?

答：“漫─灰表面”是研究实际物体表面时建立的理想体模型.漫辐射、漫反射指物体表面在辐射、反射时各方向相同. 灰表面是指在同一温度下表面的辐射光谱与黑体辐射光谱相似,吸收率也取定值.“漫─灰表面”的实际意义在于将物体的辐射、反射、吸收等性质理想化,可应用热辐射的基本定律了。大部分工程材料可作为漫辐射表面,并在红外线波长范围内近似看作灰体.从而可将基尔霍夫定律应用于辐射换热计算中。

5、你以为下述说法：“常温下呈红色的物体表示此物体在常温下红色光的单色发射率较其它色光(黄、绿、兰)的单色发射率为高。”对吗?为什么?(注：指无加热源条件下)

答：这一说法不对。因为常温下我们所见到的物体的颜色，是由于物体对可见光的反射造成的.红色物体正是由于它对可见光中的黄、绿、蓝等色光的吸收率较大,对红光的吸收率较小,反射率较大形成的. 根据基而霍夫定律ελ=αλ，故常温下呈红色的物体,其常温下的红色光单色发射率较其他色光的单色光发射率要小。

6、某楼房室内是用白灰粉刷的, 但即使在晴朗的白天, 远眺该楼房的窗口时, 总觉得里面黑洞洞的, 这是为什么?

答：窗口相对于室内面积来说较小, 当射线(可见光射线等)从窗口进入室内时在室内经过多次反复吸收、反射, 只有极少的可见光射线从窗口反射出来, 由于观察点距离窗口很远, 故从窗口反射出来的可见光到达观察点的份额很小, 因而就很难反射到远眺人的眼里, 所以我们就觉得窗口里面黑洞洞的.

7、实际物体表面在某一温度T下的单色辐射力随波长的变化曲线与它的单色吸收率的变化曲线有何联系?如巳知其单色辐射力变化曲线如图所示，试定性地画出它的单色吸收率变化曲线。

答：从图中可以分析出，该物体表面为非灰体，

根据基尔霍夫定律，αλ=ελ ，即为同一波长线②与线①之比。 该物体单色吸收率变化曲线如图所示。

二、定量计算

包括建立辐射换热的能量守恒关系式，兰贝特定律的应用，利用物体的光辐（即单色）射特性计算辐射换热，等等。

1、白天，投射到—大的水平屋顶上的太阳照度Gx＝1100W/m2，室外空气温反t1＝27℃，有风吹过时空气与屋顶的表面传热系数为h＝25W/(m2?K)，屋顶下表面绝热，上表面发射率 ＝0.2，且对太阳辐射的吸收比 ＝0.6。求稳定状态下屋顶的温度。设太空温度为绝对零度。

解：如图所示， 稳态时屋顶的热平衡： 对流散热量 辐射散热量 太阳辐射热量 代入(1)中得 采用试凑法，解得 ℃

2、已知太阳可视为温度Ts＝5800 K的黑体。某选择性表面的光谱吸收比随波长A变化的特性如图所示。当太阳的投入辐射Gs＝800 W/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。

解：先计算总吸收比。

单位面积上所吸收的太阳能：

3、有一漫射表面温度T=1500K，已知其单色发射率随波长的变化如图所示，试计算表面的全波长总发射率和辐射力。

解： ，即：

查教材P208表8-1得， 所以

辐射换热计算部分 一、基本概念

主要包括：角系数的定义及性质；漫灰表面辐射换热特点；遮热板原理及其应用；气体辐射及太阳辐射特点等。

2、黑体表面与重辐射面相比，均有J=Eb。这是否意味着黑体表面与重辐射面具有相同的性质？

答：虽然黑体表面与重辐射面均具有J=Eb的特点，但二者具有不同的性质。黑体表面的温度不依赖于其他参与辐射的表面，相当于源热势。而重辐射面的温度则是浮动的，取决于参与辐射的其他表面。

3、要增强物体间的辐射换热，有人提出用发射率ε大的材料。而根据基尔霍夫定律，对漫灰表面ε＝α，即发射率大的物体同时其吸收率也大。有人因此得出结论：用增大发射率ε的方法无法增强辐射换热。请判断这种说法的正确性，并说明理由。

答：在其他条件不变时，由物体的表面热阻 可知，当ε越大时，物体的表面辐射热阻越小，因而可以增强辐射换热。因此，上述说法不正确。

4、如图所示，两漫灰同心圆球壳之间插入一同心辐射遮热球壳，试问遮热球壳靠近外球壳还是靠近内球壳时，球壳1和球壳2表面之间的辐射散热量越大? 答：插入辐射遮热球壳后，该辐射换热系统的辐射网络图如图所示。

显然，图中热阻R1，R2，R5，R6在遮热球壳直径发生变化时保持不变，但R3＝R4＝ 随遮热球壳半径的增加而减小。因此，遮热球壳靠近外球壳即半径越大时辐射散热量越大。

5、气体辐射有什么特点?

答：1）不同气体有着不同的辐射及吸收特性，即只有部分气体具有辐射及吸收能力；2）具有辐射及吸收性气体对波长具有选择性， 如CO2、H2O都各有三个光带─光谱不连续。3）辐射与吸收在整个容积中进行。 6、太阳能集热器吸热表面选用具有什么性质的材料为宜? 为什么?

答：太阳能集热器是用来吸收太阳辐射能的，因而其表面应能最大限度地吸收投

射来的太阳辐射能，同时又保证得到的热量尽少地散失，即表面尽可能少的向外辐射能。但太阳辐射是高温辐射，辐射能量主要集中于短波光谱(如可见光)，集热器本身是低温辐射，辐射能量主要集中于长波光谱范围(如红外线)。所以集热器表面应选择具备对短波吸收率很高，而对长波发射(吸收)率极低这样性质的材料。

二、定量计算

包括：角系数的计算；漫灰表面封闭辐射系统的换热计算；多漫灰表面(主要是三表面)封闭辐射系统的换热计算等。

1、求如图所示空腔内壁面2对开口1的角系数。 解：利用角系数的互换性和完整性即可求出。 由于壁面2为凹表面， ，所以 ，但 ， 由角系数的互换性 得： 。

4、用热电偶来测量管内流动着的热空气温度，如图。热电偶测得温度t1=400℃，管壁由于散热测得温度t2＝350℃，热电偶头部和管壁的发射率分别为0.8和0.7。从气流到热电偶头部的对流表面传热系数为35W/(m2?K)。试计算由于热电偶头部和管壁间的辐射换热而引起的测温误差，此时气流的真实温度应为多少?讨论此测温误差和换热系数的关系，此测温误差和热电偶头部发射率的关系。

解：热电偶头部的能量平衡式为： ，

其中热电偶头部与管壁的辐射换热为空腔与内包壁的辐射换热，并忽略热电偶丝的导热。

气流的真实温度为：

由上式可以看出，测温误差 与换热系数成正比，与热电偶头部辐射率成反比。即为减少测温误差，应强化热电偶头部与热气流间的对流换热，削弱与管壁间辐射换热。 三、本章提要 1．角系数

角系数描述辐射表面之间的空间相对位置关系。对漫灰表面而言，在有效辐射均勾的前提下，角系数是一个纯粹的几何量，即与温度高低以及表面的辐射热物件参数没有任何关系。

角系数的定义式是建立在兰贝特定律基础上的。

微元面对有限面的角系数为定值，而有限面对有限面的角系数实际上具有积分平均的意义。

角系数有以下三个基本性质： 互换性： 完整性： 分解性：

⑴发射面被分解： ⑵受射面被分解：

计算角系数的方法主要有：直接积分法、代数计算法、数值计算法、图线法和几何投影法等。工程计算多采用代数法和图线法。

2．由透热介质隔开的封闭腔中多个黑表向或漫灰表面的辐射换热

所计算的诸表面必须构成一个封闭空腔，若有敞口存在，应以虚拟表面将其封闭起来。网络分析法是求解黑表面及/或漫灰表面之间辐射热交换的一种十分有效的方法。两种网络单元，即空间热阻单元和表面热阻单元是组成任何辐射网络的基本“细胞”，它们分别等于： ， ； ，

对于黑体，表面热阻等于零。而每一个灰表面则与一个表面热阻以及若干个空间热阻相连接。采用和求解直流电路网络类似的方法，可以求出各个灰表面的有效辐射，并进而求得各表面的净辐射热量。

封闭腔中的绝热表面，亦称为重辐射面，与体系之间没有净热量交换，但是它的存在却改变了其他表面之间的换热状况。从物理概念上讲，不可以把重辐射面等同于反射面。在辐射网络中，绝热面相应的表面热阻应略去。

面积相对非常大的表面，其表面热阻必定趋于无穷小，作为近似，在网络上也常常把它省略掉。但是必须注意区分这种省略和上述对重辐射面略掉表面热阻的本

质差异。 3．气体辐射

非对称结构的多原于气体常有不可忽略的吸收和发射辐射的能力。它们具有和固体、液体不一样的两个基本特征：容积辐射、吸收以及辐射光谱的不连续光带式结构。

从全波长看，气体不是灰体。气体的发射率取决于气体的种类、温度、分压力和射线平均行程，而气体的吸收比则除了以上因素之外，还与发射一方的温度等有关。迄今求解这两个参数的方法仍带有很大的经验或半经验性质。

气体与黑体或者灰包壳之间的辐射换热计算在简化条件下进行，所得结果可以满足一般的工程需要。

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