2007-2008期末考试试卷参考答案VIP

2007-2008学年第一学期传热传质学期末考试试卷1. 概念题（35分，每题5分） 写出Nu、Bi的准则数表达式，并解释Nu、Bi数的物理意义及其不同之处。努赛尔数，物理意义为近壁面流体的无量纲温度梯度，表示对流换热的强弱。毕渥数 或 ，物理意义为导热物体内部导热热阻与外部对流换热热阻的相对大小。Nu数中为流体的导热系数，一般对流换热系数h未知，Nu为待定准则数；Bi数中为导热固壁的导热系数，一般对流换热系数h为已知量，Bi为已定准则数。 强制对流和自然对流分别存在哪两种流动形态？判断强制对流和自然对流流动形态的准则数分别是什么？流动形态主要分为层流和湍流（紊流）；强制对流的流动形态判断准则数为雷诺数，自然对流的流动形态判断准则数为格拉晓夫数。 试说明在相变对流换热中，产生凝结换热和沸腾换热的必要条件。产生凝结换热的必要条件：壁面温度小于蒸汽的饱和温度，；产生沸腾换热的必要条件：液体的饱和温度小于壁面温度，。 简述维恩位移定律，并由此分析为何炼钢时随着温度的升高，钢锭表面颜色由暗红逐渐变白？维恩位移定律：黑体的最大光谱辐射力对应的波长与温度成反比（或黑体的最大光谱辐射力对应的波长与温度的乘积等于常数）。实际物体的光谱辐射力随波长的分布规律与黑体基本一致。根据维恩位移定律，炼钢时随着温度T的增加，热辐射中最大光谱辐射力对应的可见光波长向短波移动，即钢锭表面的颜色由暗红逐渐变白。 试分别指出下列基尔霍夫定律表达式的应用层次及其成立的条件。：描述的是半球空间光谱发射率与光谱吸收比的关联，成立条件为辐射表面具有漫射特性，即为漫射表面；：描述的是半球空间（全波段）发射率与吸收比的关联，成立条件为与黑体处于热平衡或辐射表面是具有漫射特性的灰体表面（漫灰表面）。 漫灰表面间的辐射换热计算中采用有效辐射J。试结合投入辐射G写出有效辐射J的表达式，并说明有效辐射包含哪几部分辐射？ 或 有效辐射J包含表面的自身辐射和对投入辐射G的反射部分（或）。 一管束式换热器，管内侧介质为水，管外侧介质为空气。为强化传热，可采用提高管内水流速、将钢管改为铜管，以及管外加肋片等措施。试从传热过程的观点出发，说明哪种措施最为有效，并加以解释。该传热过程的总热阻包括管内对流换热热阻、管壁导热热阻和管外对流换热热阻三部分。提高管内水流速、将钢管改为铜管，以及管外加肋片的强化传热措施在于降低上述三个环节的分热阻。一般管外空气侧的对流换热热阻在总热阻中占主要地位。由此，管外加肋片的强化传热措施降低管外空气侧的对流换热热阻最有效。在具体的传热过程中，只有抓住分热阻中最大的环节进行强化才能达到预期的效果。（注：学生答题中仅提到上述三种措施均能够实现降低热阻、强化传热可以给2分）。2. 分析计算题（65分） （6分）试画出饱和水在水平加热面上沸腾的典型曲线示意图，并结合曲线标注大容器饱和沸腾的四个区域及临界热流密度点。其中：曲线2分、标注区域2分、临界热流密度点2分。 （6分）试从管内强制对流换热的实验关联式 出发，分析强化对流换热的有效措施。将， 代入实验关联式，得： 或 （3分）可见：1. 流速和密度对h影响最大，增加管内流速可以有效强化传热；2. h正比于d-0.2，即采用小直径管可强化传热；3. 物性参数中导热系数、比热容和密度正比于h，动力粘度反比于h，适当选择流体也可以起到强化传热的目的。 （3分） （6分）在一台缩小成实物1/3的模型中，用20的空气来模拟实物中平均温度为200的空气的加热过程。A. 若实物中空气的平均流速为6.03 m/s，则模型实验中流速应为多大？B. 若模型试验测量得到的平均表面传热系数为195 W/(m2 K)，则实物的平均表面传热系数为多大？（20，标准大气压下空气的导热系数为2.59 W/(m K)，运动粘性系数为15.0610-6 m2/s200，标准大气压下空气的导热系数为3.93 W/(m K)，运动粘性系数为34.8510-6 m2/s）根据相似准则，模型和实物应该保证Re、Nu准则数相等（一般工程计算中Pr数接近即可）。实物用下标1表示，模型用下标2表示。则有A. ，7.82 m/s （3分）B. ，98.63 W/(m2 K) （3分） （12分）一蒸汽管道保温层外包油毛毡（法向发射率为0.93），表面温度为330K，外径为0.32m。该管道水平穿过室温为22的大房间，在房间内的长度为6m。试计算蒸汽管道在该房间的总散热量。空气热物性：（空气可看作理想气体）t () (W/mK) (m2/s)Pr220.025915.1610-60.703400.027616.9610-60.699570.028918.6010-60.696大空间自然对流实验关联式采用：层流：湍流：本题属于大空间自然对流和辐射的复合换热问题。 1. 大空间自然对流换热量的计算：依题意，由定性温度，近似按照40查附表确定物性参数。根据格拉晓夫数确定自然对流流态：特征尺度为管道外径0.32m，且，属于层流。 （4分）46.394 W/(m2 K)844.46 W （3分） 2. 辐射换热量的计算：根据被透热介质隔开的两固体表面辐射换热计算公式，当房间面积远大于管道面积时： （3分）3. 蒸汽管道在房间内的总散热量：2207.7 W （2分） （10分）一长圆管置于正方形通道的中央，如附图所示。试计算角系数X1,2。由角系数的完整性： （2分）首先计算任一正方形边对圆管的角系数：, 所以，再由角系数的相对性：0.3142（2分）为了计算X1,3，作辅助线如图所示。由角系数的代数分析法： 式中AB=AC=0.25m, m, ,m于是： （4分）根据对称性，则：0.1566 （2分） （10分）一套管式换热器采用逆流布置。内管中流过水，进口水温为100，出口水温为70；外管中流过14号润滑油，进口油温为20，出口油温为80。1. 试判断该套管式换热器是逆流布置还是顺流布置？2. 分别计算该换热器的对数平均温差及换热器的效能。采用逆流布置。 （2分）依题意： ，。 （2分）逆流布置：， （2分） 所以：对数平均温差 （2分）效能： （2分） （15分）在一逆流式水-水换热器中，管内热水的进口温度为100，出口温度80；管外流过冷水，进口温度为20，出口温度70。总换热量为350 kW，共有53根内径为16 mm、壁厚1 mm的管子。管壁导热系数为40 W/mK，管外流体的表面传热系数ho1500 W/m2K，管内流体为一个流程。不考虑污垢热阻的情况下，试计算所需要的管子长度。饱和水热物性：t () (W/mK) (kg/ms)Cp (J/kg K)Pr800.674355.110-641952.21900.68314.910-642081.951000.683282.510-642201.75冷却流体管内湍流强制对流换热的迪图斯-贝尔特公式：管内热水的定性温度取进出口平均温度：，由附表查物性参数。（2分）由总换热量可以计算总共53根管子的管内热水质量流量：4.159 kg/s，每