传热学思考题答案中国石油大学

1、第一章试说明热传导、热对流和热辐射三种热传递方式之间的区别和联系。答：区别：热传导是指物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而传递热量过程；热对流是指流体中温度不同的各部分发生相互混合的宏观运动而引起的热量传递现象；热辐射是指物体由于自身温度(热)的原因而发出辐射能的现象。热传导和热辐射都是物体的固有属性，但热对流过程与外界环境有关，不是物体的固有属性。联系：三种传递方式都有热量的转移过程。2试举例出生活中热传导，对流传热，辐射传热的实例。答：热传导：将金属棒的一端伸入火炉中烧，另一端用手拿着，过了一会儿手就感到热；冬天用手触摸木制门上的铁把手，会感到凉，是

2、由于作为高温物体的手将热量传递给了低温物体的铁把手的缘故。对流传热：热量由人体表面的散失；暖气表面和空气的热交换；热水在管内与管壁的换热；钻井液、油井产液等在管内或管外与管壁的换热。辐射传热：暖气片与墙壁间的辐射传热等等。试说明热对流与对流传热之间的区别和联系。答：区别：热对流是指流体中温度不同的各部分发生相互混合的宏观运动而引起的热量传递现象；而对流传热是指流动的流体与温度不同的固体壁面之间的热量传递过程。联系：对流传热包括热对流和热传导。导热系数，表面传热系数和传热系数的单位各是什么？哪些是物性参数？哪些与过程有关？答：导热系数：W7(mK),表面传热系数：W7(mK),传热系数：W/(m

3、K).导热系数是物性参数，表面传热系数和传热系数与过程有关。1111导热系数，表面传热系数和传热系数的单位中的绝对温度K若换成摄氏温度，试问其数值是否发生变化？为什么？覚变不发生变化。因为我们由三者相关的热量计算公式可知，三者都与温差相而无论是开尔文温度还是摄氏温度，其温差是一样的，因此数值不发生改冬天，在同样的气温下，为什么有风是比无风时感到寒冷？答：冬天，人体的温度要高于周围环境温度，在人体表面与空气间存在对流传热，热能散失，因此会感觉到冷，但有风时的表面传热系数要比无风时大，因此热量散失得越快，因此有风是比无风时感到寒冷。7在有空调的房间内，夏天和冬天的室温均控制在20度，为什么夏天只需

4、穿衬衫，但冬天穿衬衫会觉得冷呢？答：人体和墙壁之间存在辐射传热，但由于冬天的墙壁要比夏天的冷，人体热辐射所传递的能量更多，因此冬天穿衬衫会觉得冷。在计算机主机箱中为什么在CPU处理器和电源旁要加风扇？答：CPU处理器和电源会产生大量的热，加风扇可以增加传热系数，加快热量的散失，保护CPU处理器和电源由于过热而损坏。在保温瓶中，热量有热水经过双层瓶胆传到瓶外的空气及环境，试分析此传热过程包涵哪些传热的基本方式和过程，并判断暖瓶保温的关键在哪里？答：热水以对流传热的方式将热量传给瓶胆内壁，以导热的方式将热量传到壁面的另一侧，因为两层瓶胆之间是真空，不存在对流传热，第一层瓶胆的外壁以辐射传热的方式传

5、给第二层瓶胆的内壁，再以导热的方式将热量传到壁面的另一侧，最后另一侧壁面以对流传热的方式将热量传给瓶外的空气及环境，另外，热水由于温度很高，对外也存在热辐射。关键：一方面两层瓶胆之间是真空，消除了对流传热；另一方面，瓶胆上涂有银粉，减小发射率，使热辐射减弱。有两个外形相同的保温杯A和B,注入同样温度，同样体积的热水后不久，在A杯的外表面就可以感到热，而B杯则感觉不到温度的变化，试问哪个保温杯的保温效果好？答:B杯保温效果好。A杯外表面感到热说明杯中热水的热能更快地传递到外表面，进而通过对流传热散失到空气中，A杯热水温度下降更快。试分析室内暖气片的散热过程中有哪些热量传递环节和方式？以暖气片管内

6、内走热水为例。答：有热水与暖气片内壁的对流传热，内壁到外壁的热传导，外壁到室内空气的对流传热，以及暖气片外表面与墙壁等之间的辐射传热。12：请从传热学的角度分析冬天的采暖器和夏天的空调器应该放在室内什么位置最合适？答：冬天的采暖器应该放在低处，而夏天的空调器则应该放在室内的高处。冬天室内空气较低温，釆暖器加热低处的冷空气，使空气密度减小而上升，四周的冷空气聚集到暖气周围受热再上升；夏天室内空气较高温，空调器放在高处冷却空气，使空气密度增大而下沉，周围热空气补充到空调周围，冷却后下沉。利用空气密度差异引起空气的运动，可以增大表面传热系数，加快对流传热过程。第二章21什么是傅里叶导热定律？它的意义

7、是什么？答：傅里叶定律是指在任意时刻，各向同性连续介质内任意位置处的热流密度在数值上与该点的温度梯度成正比，但方向相反。意义：揭示了导热热流与局部温度梯度之间的内在关系。2.2傅里叶定律中没有时间项，能否用来计算非稳态导热过程中的导热量？答：能，傅里叶定律是导热的基本定律，是分析导热问题的理论基础。非稳态导热过程的求解需要导热微分方程，而导热微分方程是在傅里叶定律的基础上推到得到。3举例说明影响导热系数的因素有哪些？答：导热系数与物质的种类、物态、结构、温度、压力等诸多因素有关。如：对于同一物质，导热系数固态液态气态；金属的导热系数乂大于其合金;有些材料导热系数还与方向有关，如木材，石墨，这类

8、材料被称为各向异性材料。2.4什么是保温材料?选择和安装时应注意哪些问答：导热系数小的非金属材料在保温隔热、保冷工程中应用广泛，这类材料被称为保温材料或隔热材料。工程上对保温材料的要求是高效、耐温、易得和廉价，选择是应注意保温材料的导热系数不大于0.12w/(m*k),使用时材料吸水后会使性能下降，导热系数增加，因此使用时应注意防水。5推导导热微分方程时依据的原理和定律是什么？答：依据能量守恒原理推导，基本定律傅里叶导热定律。对于选择的微元体由控制容积的能量守恒定律：进入控制容积的总热流量+控制容积内热源的生成热-离开控制容积的总流量二控制容积内热力学能的增加。2.6说明直角坐标系下的导热微分

9、方程的适用条件答：适用于满足傅里叶定律的一切导热过程。2.7具体导热问题完整的数学描述应当包括哪些内容？答:应包括反应导热问题共性的导热微分方程和体现具体问题特性或个性的定解条件。2.8何谓导热问题的单值性条件？它包括哪些内容？答：对一般导热问题单值性条件包括：儿何条件、物理条件、初始条件、边界条件。2.9试分别用数学语言及传热学术语说明导热问题的三种类型边界条件。答：第一类边界条件：规定导热物体边界上的温度一般情况0t|=f(x,y,z,x)一种常见的情况:t|=常数第二类边界条件：规定了导热物体在边界上的热流密度分布dt0qw=一久乔b一种经常遇到的恒热流边界：qw=常数第三类边界条件:规

10、定边界上的换热状况：-碍lw=h(tw-tf)2.10能否将三类边界条件转换成统一的表达式，情况下第三类能转换成第一类边界条件？答：不会做。2.11二维无内热源稳态导热微分方程为；気+券=0并无导热系数，因此有人说该导热物体内温度的分布与导热系数无桑，渝为呢？答：由傅里叶定律可知物体内温度分布梯度，傅里叶定律与导热系数有关。2.12一维无限大平壁稳态导热问题，两侧给出第二类边界条件能否求温度分布?两侧面边界条件哪些组合可以求得温度场确定结果？答：见例2-22.13为什2争电性能好的金属导热性能也好？答：纯金属中热量传递主要是自由电子的迁移与金属导热的机理相同。2.14冬天新建的居民楼比旧楼房感

11、觉更冷为什么？答：新建的楼房，墙体中含有较多的水分，导热系数较大，导热能力较强。2-15空心砖好，因为空心砖内部充满空气，而空气的导热系数相对较小，热阻较大，空心砖导热性较之实心砖差，同一条件下空心砖的房间的散热量小，保温性好。2-16棉被中棉絮的中充斥着空气，空气导热系数小，所以棉絮中的热量不容易散发出來，拍打过后，棉絮更加蓬松，空气增多，故效果更好。2-17导热系数是从傅里叶定律定义出來的一个物性量，它反映了物质的导热性能；热扩散系数是从导热微分方程从定义出來的一个物性量，它反映了物质的热量扩散性能，也就是热流在物体内的渗流的快慢程度，两者的差异在于前者是导热过程的静态特性量，而或者则是导

12、热过程的动态特征量，因而热扩散系数反映的是非稳态导热过程的特征。第三章1常物性、无内热源平壁稳态导热公式为（p=-=M竺也=竿氐和口=ax66可见4）或q与入、5、A和At之间的关系，当壁厚，壁温及壁的性质确定时,热流量或热流密度为常数2曲线向下弯曲，说明b225b0使曲线上凸，b0使平壁下凹，图见课本40页。6圆柱两头有温差，中间形成热流；圆柱有多层，分析其径向传热时7略8略9测量值比实际值偏高。壁温高于流体温度，套管相当于一个肋板，故肋片上温度高于流体温度。10结霜的房屋保温性能好。不结霜的房屋说明房屋内的热量通过房顶导热散失掉了，导致霜的融化，故结霜房屋保温性能好。11冰箱制冷机将具有较

13、低温度的被冷却物体的热量转移给环境介质从而获得冷量，如果冰箱结霜，那么总热阻增大，能耗增大。12、增大总热阻。以双层玻璃为例，当夹层空气只起导热作用时，传热过程有热空气与内层玻璃内表面对流传热、内层玻璃导热、空气层导热、外层玻璃导热以及外层玻璃外表面与室外空气对流传热五个环节；对单层玻璃，只有热空气与玻璃内表面对流传热、玻璃导热和玻璃外表面与室外空气对流传热三个环节。双层玻璃的热阻显著增大，保温性能显著提高。13、略14、管道外表面温度低于零度，附近水汽凝华结为霜。说明其保温性能差，管中低温介质冷量散失。15、物体的温度随时间发生明显变化，称为非稳态导热。以平壁为例，平壁刚刚投入流体中时，由于

14、流体和壁面间的传热温差最大，热流量立即达到最大值,此时温度分布曲线最陡；随着壁面温度的升高，热流量逐渐减小最终趋于零，温度分布曲线逐渐平缓。16、传热学中，当壁面的厚度远远小于宽度和高度，并且可以忽略温度沿宽度和高度方向的变化，即忽略边缘散热的影响，这样的壁面成为平壁。一维平壁导热的特点是温度只沿着厚度方向变化。对房间进行采暖设计时需要计算通过墙壁玻璃等围护结构的散热量，确定冷库制冷压缩机功率时要计算通过墙壁进入冷库的热量，对大型油罐进行保温设计需要知道通过罐壁的散热量。17、非稳态导热过程进行到一定程度，初始温度分布的影响就会消失，虽然各点温度仍随时间变化，但过余温度的比值己与时间无关，只是

15、几何位置(x/)和边界条件(Bi数)的函数，亦即无量纲温度分布不变，这一阶段称为正规状况阶段或充分发展阶段。这一阶段的数学处理十分便利，温度分布计算只需取无穷级数的首项进行计算。18、Bi数是物体内外热阻之比的相对值。Bi趋近于0时说明传热热阻主要在边界，内部温度趋于均匀，可以用集总参数法进行分析求解；Bi趋向于无穷大时,说明传热热阻主要在内部，可以近似认为壁温就是流体温度。认为Bi趋向于0代表绝热工况是不正确的，该工况是指边界热阻相对于内部热阻较大，而绝热工况下边界热阻无限大。19、当内外热阻之比趋于零时，影响换热的主要环节是在边界上的换热能力。而内部由于热阻很小而温度趋于均匀，以至于不需要

16、关心温度在空间的分布，温度只是时间的函数，数学描述上由偏微分方程转化为常微分方程、大大降低了求解难度。20、要改善热电偶的温度响应特性，即最大限度降低热电偶的时间常数卩=弓，形状上要降低体面比，要选择热容小的材料，要强化热电偶表面的对流hA换热。21、不可信22、儿何上，半无限大物体可以看成是从界面开始向其内部无限延伸的物体，比如大地看作是以地表为界面向地心延伸的半无限大物体；物理上，如果一定时间内边界上的温度扰动只传播到物体内的有限范围内，而在该范围外物体仍然保持原來的状态，那么也可以视为半无限大物体。因为物体向纵深无限延伸，初始温度的影响永远不会消除，所以半无限大物体的非稳念导热不存在正规

17、状况阶段。23、略。24、丨.111第四章对流传热微分方程式没有第三类边界条件。但如果流体通过薄壁与另一侧流体进行换热，则另一侧流体的表面传热系数可以出现在待求流体的边界条件中,此时类似于第三类边界条件。课本78页包括传热微分方程，能量方程，动量方程，连续性方程。（具体公式见课本）不可以。流速会影响能量场，能量场会影响温度场的分布，有由传热微分方程可以看出，流速最终会影响传热系数。流动边界层：近壁处流速有一法向速度梯度的薄层，称流动边界层。特点：1.速度为主流速度的99亂2.沿x方向，分为层流边界层，过渡区，湍流边界层。3.湍流边界层包括层流底层，缓冲区和旺盛湍流。热边界层：流体流过平板而平板

18、温度与來流流体温度不同，在壁面上方形成温度发生显著变化的薄层。特点：1.过余温度为主流过余温度的99%2.温度变化主要集中在热流边界区域传热系数大，则热量交换大，温度变化大，所以温度变化的地方传热系数也越大。边界层中x=0处的温度变化率最大7.1假设是稳态，故忽略了非稳态项；流体外掠平板的层流流动中，热边界层越來越厚，其局部表面传热系数越來越小，是因为此处以热传导为主，随着边界层厚度增加，导热热阻增大，局部表面传热系数减小。内容：同一物理现象中，凡相似的现象在空间对应的点上和时间对应的瞬间，其对应的物理量成一定比例应用：1.应用相似原理指导模化实验2.根据相似原理安排与整理实验数据。Re：反应

19、流体惯性力和粘滞力相对大小的Pr：流体动量传递能力和热量传递能力的相对大小Nu：流体换热的强弱Gr：流体浮升力和粘滞力的相对大小Bi：内部热阻和外部对流传热热阻的相对大小Fo：二无量纲时间不适用。高粘度的流体因粘度大而多处于层流状态，表面传热系数一般较小。是相似的。（由Re=y可知）试定性地画出油（Prl）,空气（Prl）及液态金属（PX1）外掠等温平板时层流边界层中速度分布与温度分布规律（要能显示出&与心的相对大小）答：如下图FrcTTw5.27在深秋晴朗无风的夜晚，草地上披上一层白霜，可是气象台却说最低温度为4摄氏度，试解释这种现象。在同样的气温下，在阴天或有风的夜晚，在草坪上却不会出现白

20、霜，为什么？答：（1）草表面对流传热与太空辐射平衡（2）草表面对流传热与环境辐射平衡第六章1复合传热工程实例答：暴露在空气中的整齐管道蒸汽管道4、为强化一台冷抽器的传热，有人用提高冷却水流速的办法，但发现效果不显著，请分析其原因何在？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。5、圆管外敷设保温材料有时反而使热流体热量增加，平壁外敷设保温层材料会有这种现象吗？平壁外敷设保温材料一定能起到保温的作用，因为增加了一项导热热阻，从而增大了总热阻，达

21、到削弱传热的目的。而圆筒壁外敷设保温材料不一定能起到X保温的作用，虽然增加了一项热阻，但外壁的换热热阻随之减小，所以总热阻有可能减小，也有可能增大。6、对球的保温是否存在临界热绝缘直径的问题？根据第三类临界边界条件得出心二年（入是保温层材料的导热系数，h是是冷流体与壁面之间的表面传热系数）因此在球壳外侧覆盖保温层时，必须注意，如果球壳外径小于临界热绝缘直径，保温层外径在和之间时，球壳的传热量反而比没有保温层时更大。7、利用冰箱储存相同的物质时，问结霜的冰箱的耗电量大还是未结霜的耗电量大？答：在其它条件相同时，冰箱的结霜相当于在冰箱的蒸发器和冰箱的冷冻室（或冷藏室）之间增加了一个附加的热阻，因此，冷冻室（或冷藏室）要达到相同的温度，必须要求蒸发器处于更低的温度。所以，结霜的冰箱的耗电要大。8、有一台钢管换热器，热水在管内流动，空气在管束间多次折流横向冲刷管束以冷却管内热水。有人提出，为了提高冷却效果，可采用冷却加肋片并将钢管换为铜管的方案。请你评价。答：该换热器管内为水的对流换热