高等传热学考试范围(答案)

1、1. 强迫流动换热如何受热物性影响？ 答：强迫对流换热与 Re 和 Pr 有关；加热与对流的粘性系数发生变化。2. 强化传热是否意味着增加换热量？工程上强化传热的收益和代价通常是指什么？ 答：不一定，强化传热是指在一定条件（如一定的温差、体积、重量或泵功等）下增加所传递的热量。工程上的 收益是减小换热器的体积节省材料和重量； 提高现有换热器的换热量； 减少换热器的阻力， 以降低换热器的 动力消耗等。代价是耗电，并因增大流速而耗功。3. 传热学和热力学中的热平衡概念有何区别？ 答：工程热力学是温度相同时，达到热平衡，而传热学微元体获得的能量等于内热源和进出微元体热量之和，内 热源散热是有温差的。

2、4. 表面辐射和气体辐射各有什么特点 ? 为什么对辐射板供冷房间， 无需考虑气体辐射的影响， 而发动机缸内传 热气体辐射却成了主角？答：表面辐射具有方向性和选择性。气体辐射的特点： 1. 气体的辐射和吸收具有明显的选择性。 2. 气体的辐射 和吸收在整个气体容器中进行，强度逐渐减弱。空气，氢，氧，氮等分子结构称的双原子分子，并无发射和 吸收辐射能的能力，可认为是热辐射的透明体。但是二氧化碳，水蒸气，二氧化硫，氯氟烃和含氯氟烃的三 原子、多原子以及不对称的双原子气体（一氧化碳）却具有相当大的辐射本领。房间是自然对流，气体主要 是空气。 由于燃油， 燃煤及然气的燃烧产物中通常包含有一定浓度的二氧化

3、碳和水蒸气， 所以发动机缸内要 考虑。5. 有人在学完传热学后认为，换热量和热流密度两个概念实质内容并无差别，你的观点是？ 答：有差别。热流密度是指通过单位面积的热流量。而换热量跟面积有关。6. 管内层流换热强化和湍流换热强化有何实质性差异？为什么 ? 答：层流边界层是强化管内中间近90%的部分，层流入口段的热边界层比较薄，局部表面传热系数比充分发展段高， 且沿着主流方向逐渐降低。 如果边界层出现湍流， 则因湍流的扰动与混合作用又会使局部表面传热系数 有所提高，再逐渐向于一个定值。而湍流是因为其推动力与梯度变化和温差有关，减薄粘性底层，所以强化 壁面。7. 以强迫对流换热和自然对流换热为例，试

4、谈谈你对传热、流动形态、结构三者之间的关联 答：对流换热按流体流动原因分为强制对流换热和自然对流换热。一般地说，强制对流的流速较自然对流高，因而对流换热系数也高。例如空气自然对流换热系数约为525 W/（m2?C），强制对流换热的结构影响了流体的流态、流速分布和温度分布，从而影响了对流换热的效果。流体在管内强制流动与管外强制流动，由于 换热表面不同，流体流动产生的边界层也不同，其换热规律和对流换热系数也不相同。在自然对流中，流体 的流动与换热表面之间的相对位置， 对对流换热的影响较大， 平板表面加热空气自然对流时， 热面朝上气流 扰动比较激烈，换热强度大；热面朝下时流动比较平静，换热强度较小。

5、8. 我们经常用 Q=hA览计算强迫对流换热、自然对流换热、沸腾和凝结换热，试问在各种情况下换热系数与 温差的关联？答：强迫对流的换热系数与 Re,Pr有关但与温差无关，自然对流与Gr的0.25次方有关联，即与温差有关，凝结换热换热系数是温差的 -0.25 次方。9. 试简述基尔霍夫定理的基本思想 答：一、基尔霍夫第一定律：汇于节点的各支路电流的代数和等于零，用公式表示为：刀=0又被称作基尔霍夫电流定律（KCL）。二、基尔霍夫第二定律：沿任意回路环绕一周回到出发点，电动势的代数和等于回路各支路电阻（包括电 源的内阻在内）和支路电流的乘积（即电压的代数和）。用公式表示为：XE=XRI又被称作基尔

6、霍夫电压定律 （KVL） 。10. 简述沸腾换热与汽泡动力学、汽化核心、过热度这些概念的关联答：沸腾是指在液体内部以产生气泡的形式进行的气化过程，就流体运动的动力而言，沸腾过程又有大容器沸腾，大容器沸腾时流体的运动是由于温差和气泡的扰动所引起的，沸腾换热会依次出现自然对流区、核态沸腾区、过度沸腾区和膜态沸腾区。当温度较低时（吐：4C ）壁面过热度小，壁面上没有气泡产生。当加热壁面的过热度 ：t -4 C后，壁面上个别点（称为汽化核心）开始产生气泡，汽化核心的气泡彼此互不干扰。随着进一步增加，汽化核心增加，气泡互相影响，并会合成气块及气柱。在这两个区中，气泡的扰动剧烈，传热系数和热流密度都急剧增

7、大。进一步提高过，传热规律出现异乎寻常的变化。这是因为气泡汇聚覆盖在加热面上，而蒸汽排除过程越趋恶化。这时热流密度达到最低，并且温度达到了过热度，是很不 稳定的过程。II. 传热学与实际应用1. 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？答：当其它条件相同时，冰箱的结霜相当于在冰箱蒸发器和冰箱冷冻室（或冷藏室）之间增加了一个附加热阻， 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。2. 在深秋晴朗无风的夜晚，草地会披上一身白霜，可是气象台的天气报告却说清晨最低温度为2摄氏度，试解释这种现象。答：可从辐射换热以及热平衡

8、温度的角度来分析，由于存在大气窗口 （红外辐射能量透过大气层时透过率较高的光谱段称为大气窗口），因此地面可与温度很低的外太空可进行辐射热交换，这样就有可能使地面的热 平衡温度低于空气温度3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。当你设计一台换热器，如果预先考虑结垢的影响，换热器面积将会比理想情况大还是小？答：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 力口，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

9、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。4. 一碗水放在空气中散热，其温度随时间的变化估计是何种趋势？为什么？答：一碗水放在空气中，将会与大气进行自然对流换热和辐射对流换热，开始温度下降较快，而后逐渐变慢,最后趋于环境温度。5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。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

10、导地位的水侧热阻，故效 果不显著。6有一台钢制换热器，热水在管内流动，加热管外空气。有人提出，为提高加热效果，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。7 干燥物料有很多种方式：比如热风干燥、微波干燥、红外干燥等，目前常用的是热风干燥，但热风干燥的缺 点是耗能大、表面易起皮和开裂，试从传热传质的角度来分析这一现象答：热量从高温热源以各种方式传递给湿物料，使物料表面

11、湿分汽化并逸散到外部空间，从而在物料表面和内部出现湿含量的差别。但是为了使内部湿量逐步往外走，就要加大能耗，使的表面温度更高，变干。8. 有人存在这样的观点：由于工质冷凝和沸腾换热系数很高，因此无需进行沸腾和冷凝换热强化答：随着工业的发展，特别是高热负荷的出现，相变传热(沸腾和凝结)的强化日益受到重视并在工业上得到越来越多的应用。一般认为凝结换热系数很高，可以不必采用强化措施。但对氟里昂蒸汽或有机蒸汽而言， 氟利昂是低沸点工质，潜热很小，沸腾换热系数和它们的凝结换热系数比水蒸气小的多。9. 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

12、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。10. 为什么锅炉中高温过热器一般采用顺流式和逆流式混合布置的方式？答：因为在一定的进出口温度条件下，逆流的平均温差最大，顺流的平均温差最小，即采用逆流方式有利于设备的经济运行。但逆流式换热器也有缺点，其热流体和冷流体的最高温度集中在换热器的同一端，使得该处的壁温较高，即这一端金属材料要

13、承受的温度高于顺流型换热器，不利于设备的安全运行。所以高温 过热器一般采用顺流式和逆流式混合布置的方式，即在烟温较高区域采用顺流布置，在烟温较低区域采 用逆流布置。1. 有一台1-2型管壳式换热器(壳侧 1程，管侧 2程)用来冷却 11号润滑油。冷却水在管内流动，IHt2 =20 C,t2 =5 C,流量为 3kg/s ;可认为管壳式换热器是一种交叉流换热，热油的进出口温度为：t1 -100 C,ti -60 C,k -350W/m2 C。试计算： 油的流量； 所传递的热量； 所需的传热面积。解: (1) 油的流量： 查得润滑油及水的比热分别为：c仁2148 J/kg C； c2=4174 J

14、/kg CG2cAt23 江 4174 汉(50 20)G1匕 24.37(kg/s)则：cr：t12148 (100 -60)(2) 所传递的热量：=G2c2心t2 =3汉4174 汉(50 20) =375.66(kW)(3) 所需的传热面积：ti = 1 -12 = 60 - 20 = 40 Ctr = t| -12 = 100-50 = 50 Ct| tr4050=tm t4044.8 CIn m tr50t； -t250-20P 0.375鮎-t；100-20t； -t；10060R ；1.333t； - t；50 - 20PR 二 1.333 0.375 二 0.5由图 10-23

15、 :1 / R =1 /1.333 =0.75查得：-=0.9.：tm=44.8 X 0.9=40.32 C2. 压力为1.5 X 105Pa的无油饱和水蒸汽在卧式壳管式冷凝器的壳侧凝结。经过处理的循环水在外径为20mm厚为1mm的黄铜管内流过，流速为1.4m/s，其温度由进口出处的 56C升高到出口处的 94C。黄铜管成叉排布置，在每一竖直排上平均布置 9根。冷却水在管内的流动为两个流程，管内已积水垢。试确定所需的管长、管子数及 冷却水量。=1.2 X 107W解：(1)平均传热温差：由附录10查得饱和蒸汽温度为 111.32 C,则：= 32.72 (94 -5611132 -56 In1

16、1132 -94(2)管外凝结换热系数:设管外壁温度 tw=105C，贝U tm=(111.32+105)/2=108.2 C由附录查得凝结水物性参数：-=952.3(kg/m3) =0.685(W/m C)= 263.2 10 气kg/m s)r =2235(kJ/kg)由公式6-4 :grP|%31h。=0.729 |d(ts -tw) n 一 =8809 (W/m 2C)(3)管内换热系数：t f=(56+94)/2=75C由附录查得水物性参数： =0.671(W/m C);=0.39 10“(m2/s);2。,1/4= 0.729 壬叮上工進L| 263.2 100.02(111.32

17、 -105) 91/4Pr =2.38扎0.80.4hi =0.023 Re f Prd/、0.8= 0.023 汉 0671 1.0.01_8 I 2.3804 =8552(W/m2C) 0.018 0.310 丿 热阻:蒸汽侧污垢热阻：r 0=0.0001 ; 水侧污垢热阻：r i =0.0002管壁热阻：(黄铜.=131 W/mC )d2d20.020.02InIn81 02 d121310.018(5)传热系数:k 二1r0h0空In並2 d1h rihi1120 1、0.0001 8 10 0.0002 880918 85522由传热方程：q1=k . t n=1743X 32.72

18、=57030 (W/m C ) 由凝结换热:q 2=h0. ：t=8809 X (111.32-105)=55673 (W/m q1与q2仅相差2 ;.上述计算有效。= 1743W/m2C)(6)传热面积：A hi；/(k ：tm) =1.2 107 / 1743 32.72 =210 m2冷却水量：(查附录 10： cp=4191 J/kgK )1.2 07cp t； -t2419194-56 _ 75.35kg/s(8)流动截面：(查附录G10： p=974.8 kg/m3)75.35-974.81 .4= 5.52104f门二二 d 2单程管数:4 552102 =216.9 : 217

19、 (根) 3.1416 x 0.0182两个流程共需管子 434根。A210管子长度：I 二一A2107.7 (m)n nd434 汉 3.1416 汉 0.023 一蒸汽管道的保温层外包了油毛毡，表面温度为330K,外径为0.22m。该管道水平地穿过室温为在房内长度为6m试计算蒸汽管道在该房间内的总散热量。22 C的房间,57 + 22解：空气定性温度tf二一 一 =39 C,选取空气的物性参数，2 =17.95 10“ , Pr=0.699, = 2.76* 10W/(m K),二 36272980G =g%Atd39.8/(373 + 39.5尸(57 22)汉0.223V2(17.95X0 )1/41/4Nu=0.48 (GrPr)=0.48 X( 36272980 X 0.699 )=34.06 h= Nu *d/ - =34.06 X 0.22/0.0276=271.5 W /(m K)0 =Ah ：t=3.14 X 0.22 X 6X 271.5 X (57-22)=39386W4.对于如图所示的结构，试计算下列情形下从小孔向外辐射的能量:(1)