第四章 传热 思考题

1、第四章 传热 思考题4-1 根据传热机理的不同，有哪3种基本传热方式？他们的传热机理有何不同？答：（1） 基本传热方式有热传导、热对流和热辐射3种。（2） 热传导简称导热，是通过物质的分子、原子或自由电子的热运动来传递热量；对流传热是通过冷、热不同部位的流体质点做宏观移动和混合来传递热量；辐射传热是物体因自身具有温度而激发产生电磁波，向空间传播来传递热量。4-2 傅里叶定律 中的负号是什么意思？答：由于x方向为热流方向，与温度梯度 的方向正好相反。Q是正值,而 是负值,加上负号,故式中加负号。4-3 固体、液体、气体三者的热导率比较，哪个大，哪个小？答： 物质热导率的大小主要与物质种类（固、液

2、、气）和温度有关。一般来说，固体、液体、气体三者的热导率大小顺序:固体液体气体。4-4 纯金属与其合金比较，热导率哪个大？答：在各类物质中，纯金属的热导率为,合金的热导率为, 故热导率纯金属比合金大。4-5 非金属的保温材料的热导率为什么与密度有关？答： 大多数非金属的保温材料呈纤维状或多孔结构，其孔隙中含有值小的空气。密度越小，则所含的空气越多。但如果密度太小，孔隙尺寸太长，其中空气的自然对流传热与辐射作用增强，反而使增大。故非金属的保温材料的热导率与密度有关。4-6 在两层平壁中的热传导，有一层的温度差较大，另一层较小，哪一层热阻大？热阻大的原因是什么？答：（1）温度差较大的层热阻较大。（

3、2）对于两层平壁导热,由于单位时间内穿过两层的热量相等，即导热速率相同，采用数学上的等比定律可得 。由此可见，热阻大的保温层，分配与该层的温度差就越大，即温度差与热阻成正比。4-7 在平壁热传导中可以计算平壁总面积A的导热速率Q，也可以计算单位面积的导热速率（即热流密度 ）。而圆筒壁热传导中，可以计算圆筒壁内、外平均面积的导热速率Q，也可以计算单位圆筒长度的壁面导热速率,为什么不能计算热流密度？答：在稳态下通过圆筒壁的导热速率Q与坐标r无关，但热流密度却随着坐标r变化，故不能计算热流密度。4-8 输送水蒸气的圆管外包覆两层厚度相同、热导率不同的保温材料。若改变两层保温材料的先后次序，其保温效果

4、是否会改变？若保温不是圆管而是平壁，保温材料的先后次序对保温效果是否有影响？答：（1）改变。为了保温，应使总的导热热阻最大，当管外包裹两层保温材料时，热导率小的材料包裹在管内时，其导热热阻为： ，式中，d1-管内径，d2-管外径，d3-保温材料层的外径。热导率大的材料包裹在管内时，其导热热阻为： ，在 d1、d 2、d 3不变时，两者的热阻之差为：（2）不影响。若保温不是圆管而是平壁，总的热阻等于各层热阻之和，故改变保温材料的先后次序不影响保温效果。4-9 对流传热速率方程（牛顿冷却公式）中的对流传热系数与哪些因素有关？答：（1）流体的物理性质：有比热容，热导率、密度、粘度和体积膨胀系数； （

5、2）流体胡对流起因：有强制对流和自然对流两种；（3）流体的流动状态：层流、过渡流或湍流；（4）流体的相态变化：在传热过程中，有相变化时，其值比无相时大得多。（5）传热面的形状、相对位置与尺寸：如管、板、管束、管径、管长、管子排列方式、垂直放置或水平放置等。4-10 流体在圆形直管内强制湍流时的对流传热系数的计算式中，Pr的指数n由什么决定？流体在管内的流速及管径对的影响有多大？管长、管的曲率对管内对流传热有何影响？答：（1）湍流时,圆形直管中的Pr的指数n由温度决定，当流体被加热时，n=0.4；当流体被冷却时，n=0.3； （2）湍流时,圆形直管中的对流传热系数与流速的0.8次方呈正比,与管径

6、的0.2次方呈反比； （3）流体在圆形直管内强制湍流时,若改变管长，其传热面积也相应改变，从而改变对流传热速率。若改变弯管的曲率，弯管内的流体在流动时，由于离心力的作用，扰动增大，从而强化了对流传热。4-11 水的对流传热系数一般比空气大，为什么？答：由于水的密度、比热容、粘度和热导率都比空气大，所以水的热传导系数比空气大。 4-12 为什么滴状冷凝的对流传热系数比膜状冷凝的大？由于壁面上不容易形成滴状冷凝，蒸气冷凝多为膜状冷凝。影响膜状冷凝传热的因素有哪些？答：（1）在滴状冷凝时,冷凝液在壁面上聚集成许多分散的液滴，沿壁面滚下，互相合并成更大的液滴，露出冷凝壁面，使蒸气能在壁面上冷凝，其热阻

7、比膜状冷凝时小，因此滴状冷凝传热系数可能比膜状冷凝时高出倍。 （2）流体的物性；冷凝壁面尺寸及放置位置；冷凝传热温度差；不凝性气体的影响；蒸汽流速和流向的影响；蒸汽过热的影响；传热面的形状与布置。4-13 液体沸腾的两个基本条件是什么？答： 液体必须过热；要有汽化核心。 4-14 为什么核状沸腾的对流传热系数比膜状沸腾的大？影响核状沸腾的主要因素有哪些？答：（1）膜状沸腾传热需要通过气膜，而气膜的热阻大，使膜状沸腾的对流传热系数急剧降低，故核状沸腾的对流传热系数比膜状沸腾的大。 （2）表面粗糙度；汽化核心；温差。4-15 同一液体，为什么沸腾时的对流传热系数比无相变时的对流传热系数大？答：因为

8、相变时液体吸收汽化热变成蒸汽，或蒸汽放热r变为液体。对于同一液体，其r比大得多，故沸腾时的对流传热系数比无相变时的对流传热系数大。4-16 换热器中的冷热流体在变温条件下操作时，为什么多采用逆流操作？在什么情况下可以采用并流操作？答：（1）逆流操作时，热流体的出口温度可以降低到小于冷流体的出口温度；而并流操作时，热流体的出口温度总是大于冷流体的出口温度，则表明热流体的用量比并流操作时少。同理，逆流操作时，冷流体的出口温度可以升高到大于热流体的出口温度；而并流操作时，冷流体的出口温度总是小于热流体的出口温度，则表明冷流体的用量比并流操作时少。故多采用逆流操作。 （2）当要求控制换热器的流体出口温

9、度时，可采用并流操作。例如，流体加热时，可以避免出口温度高于某一规定温度；冷却时，也可以避免低于某一规定的温度。4-17换热器在折流或错流操作时的平均温度差如何计算？答：计算错流或折流时的平均温度差，通常是先按逆流算出对数平均温度差，然后再乘以温差校正系数，即 = 校正系数与是辅助流量R和P的函数，即 =f(RP) ，根据R和Pd的数值，从教材图4-5中可查得值。 4-18换热器的总传热系数的大小，受哪些因素影响？怎样才能有效地提高总传热系数？答：（1）影响总传热系数大小的因素主要是对流传热系数和污垢热阻。 （2）强化传热是增大总传热系数最有效途径，要想增大总传热系数，就必须减少金属壁、污垢及

10、两侧流体等热阻中较大者的热阻。4-19 在换热器中，用饱和蒸汽在换热管外冷凝放热，加热管内流动的空气。总传热系数接近哪种流体的对流传热系数？壁温接近哪种流体的温度？忽略污垢和管壁热阻。要想增大总传热系数，应增大哪个流体的对流传热系数？答：（1）因为蒸汽的冷凝系数远大于空气的对流传热系数,所以总传热系数接近空气流体的对流传热系数；（2）因为在传热过程中，蒸汽的传热膜系数远远大于空气的传热膜系数，所以蒸汽侧的热阻远远小于空气侧的热阻，壁温接近蒸汽流体的温度；（3）因为总传热系数接近空气流体的对流传热系数，要想增大总传热系数，应增大空气流体的对流传热系数。若两侧流体的对流传热系数相差较大时，增大较小

11、的值对提高K值、增强传热最有效。4-20 何谓透热体、白体、黑体、灰体？答：（1）当物体的透过率时，即表示该物体对投射来的热辐射线既不吸收也不反射，而是全部透过，这种物体称为透热体；（2）物体的反射率是表明物体反射辐射能的本领，当时称为绝对白体，简称白体。（3）若物体的吸收率时，即表示该物体能全部吸收投射来的各种波长的热辐射线，这种物体称为绝对黑体,简称黑体；（4）辐射光谱曲线的形状与黑体辐射光谱曲线的形状相似，且单色辐射本领小于黑体同波长的单色辐射本领，这种物体称为灰体。灰体也是一种理想化物体，在工程计算中，一般都近似地将实际物体视为灰体。4-21 何谓黑度？影响固体表面黑度的主要因素是什么

12、？答：（1）实际物体的辐射能力E与同温度下黑体的辐射能力之比值称为该物体的黑度，以表示。 （2）影响固体表面黑度的主要因素有：表面的材料、温度及表面状况(如粗糙度,氧化程度等)。4-22 黑度大的灰体对投射来的热辐射能的反射率是大还是小？它的辐射能力是大还是小？答：由 ，可知任何灰体对黑体辐射能的吸收率等于同温度下该灰体的黑度。（1）黑度大的灰体对投射来的热辐射能的反射率是小，（2）它的辐射能力是大。4-23 保温瓶的夹层玻璃表面为什么镀一层反射率很高的材料？夹层抽真空的目的是什么？答：（1）保温瓶的夹层玻璃表面镀一层反射率很高的材料，能把辐射出去的内能反射回来，以减少辐射传热。 （2）夹层抽

13、真空的目的是减少导热与对流传热。4-24 两个灰体表面间的辐射传热速率与哪些因素有关？答：不仅与两灰体的材料、温度及表面状况有关，并与表面大小、形状、距离及相对位置等因素有关。4-25 常用的强化或削弱物体之间辐射传热的方法有哪两种？答：改变物体表面的黑度采用遮热板4-26 两物体的温度分别为200及100，若将其温度各提高300，维持其温度差不变，其辐射传热的热流量是否变化？答：由于辐射传热的热流量通常与绝对温度的四次方之差成正比,因此在大幅度提高温度的条件下，即使两物体之间的温度差不变，其辐射传热的热流量也会明显发生变化。4-27 有的列管式换热器为什么做成多管程的？答：为了提高管程的流体流速，可采用多管程的列管式换热器。4-28 下列流体在换热器中宜走管程还是壳程？（1）腐蚀性流体；（2）高压流体；（3）饱和水蒸气冷凝放热；（4）温度不太高，需要冷却的流体；（5）为增大对流传热系数，需要提高流速的无