《传热学》试题库

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?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。)(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))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(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(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。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a2(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a第二类边界条件：τ>0,tf(x,)wsnwf第三类边界条件：τ>0,thttsnwfw4．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)(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12？12，因此不能用来计算非稳态导热的热量。你认为9.导热是由于微观粒子的扩散作用形成的。迄今为止，描述物质内部导热机理的物理模型有哪些？用它们可以分别描述哪些物质内部的导热过程？材料的导热系数随温度升高而下降，这一规律与绝热保温材料的导热机理不符，经检查未发现实验装置有问11.在超低温工程中要使用导热系数很低的超级保温材料。如果要你去研制一种这样的新哪些措施？并解释其物理原因？12.试对比分析在气体中由分子热运动产生的热量迁移与在金属中自由电子热运动产生的能量迁移这两个物理模型的共同点和差异之处。哪个不对，或者无法判别？陈述你的判断和理由。14.一维常物性稳态导热中，温度分布与导热系数无关的条件有哪些？15.发生在一个短圆柱中的导热问题，在哪些情况下可以按一维导热问题来处理？16.扩展表面中的导热问题可以按一维处理的条件什么？有人认为，只要扩展表面细长，平板，试求其单位面积的热阻表达式。18.对于如图所示的两种水平夹层，试分析冷、热表面间热量交换的方式有何不同？如果(a)夹层冷面在下(b)夹层热面在下19.在测量金属导热系数的实验中，为什么通常把试件制作成细而长的棒？21.肋化系数，肋效率和肋壁效率是如何定义的？在选用和设计肋片时它们有何用途？0f0f导热系数的大小。TTT0BATfxTTf23.为测量管道内流体的温度，可采用温度计套管。实用中常常布置成如图所示的斜插形式，试从传热学的角度解释其合理性。24.覆盖热绝缘层是否在任何情况下都能减少热损失？保温层是否越厚越好？冷冻管道和热力管道的保温层设计有何不同？26.在管道内部贴上一层保温材料，是否存在某一临界绝热直径？为什么？27.非稳态导热的正规状况阶段或充分发展阶段在物理过程及数学处理上有什么特点？28.有人认为，当非稳态导热过程经历时间很长时，采用诺模图计算所得到的结果是错误的。理由是：这个图表明，物体中各点的过余温度与中心截面过余温度的比值仅与几趋于流体温度，所以两者是有矛盾的。你如何看待这一问题？ciccicP这说明物体被流体加热时，其入越小(pC一定)反而温升越快，与事实不符。请指P2)耐火砖与红砖之间的温差。假设红砖与耐火砖接触紧密。m(提示：这是一个一维稳态通过双层平壁的导热问题。答案：q＝1341．5W／m2；度。(提示：这是一个一维通过双层圆筒壁的导热问题。答案：ql=399．8W／m，内要求管径足够大或d／d＜内K1)内层所加保温材料应为多厚才能达到要求?量为多少?(提示：这是一个一维稳态通过三层平壁的导热问题。答案：δ＞0．011m，q＝热损失的角度分析，采用哪种方案最好?(提示：这是一个计算多层平壁导热热阻的问题，导热热阻越大，其热损失越小。数取45W／(m·K))，肋片间距为5mm，肋片与管外流体的对流传热系数为55W／1)环肋的肋效率为多少?2)若管长为1m，相当于整根管子肋侧传热面积，其总面积肋效率又为多少?3)加肋前后传热面积增大了几倍?(提示：这是一个计算等厚度环肋的肋效率的问题，可通过查肋效率图得到肋片效率，再计算相对于总换热面积的总面积肋效率(等于肋片换热面积乘肋片效率加上肋基光壁面积，除以管子的总换热面积)。mm热系数为55W/(m2.℃)，管壁温度为1)每米长管子的传热量为多少?2)与光管相比传热量增大了几倍?(提示：这是一个计算等厚度环肋肋管总换热量的问题，可以将肋片换热量与肋基光壁的换热量分别计算相加得到总换热量，也可通过计算总面积肋效率后得到总换热量，这沫砖最高耐温为300℃，试检查煤灰泡沫砖的温度有无超过最高温度？并求单位管长的10.输电的导线可以看作为有内热源的无限长圆柱体。假设圆柱体壁面有均匀恒定的温度TW，内热源qV和导热系数为常数，圆柱体半径为r0。试求在稳态条件下圆柱体内的温度分布。温度，③不用肋片时肋基壁面的传热量，④用导热系数为无限大的假想肋片代替不锈钢肋片时的传热量。hTqrhTqr叶片材料的导热系数为170W/mK。假设允许作准一维分析，要使叶片端部温度不超过算叶片根部必须保持的温度。KWmK一种简单的吸热板结构，吸热板面向太阳的一面涂有一层对太阳辐射吸收率很高的材料，吸热板的背面设置了一组平行的管子，其内通以冷却水以吸收太阳辐射，管子之间则充满绝热材料。吸热板的正面在接受太阳辐射的同时受到环境的冷却。设净吸收的太阳辐射为qr，表面对流换热系数为h，空气温度为T，管子与吸热板结合处的温度为T，试写出确定吸热板中温度分布的数学描写并求解之。0TT0T(2)吸热板背面绝热，相当于对称面T0TT260(3)建立数学模型吸热板示意图d2Tqq=dQ==hP(TTqr)vdVAdxAh型试件。试件几何尺寸如图所示：冲击表面积为6103m2，体积为3105m3，冷吹风1分钟后，试件温度为60℃，试16.有一电烙铁通电之后，加在电阻丝上的功率为Q0，一方面使烙铁头的内能增加，另一方面通过烙铁头表面向外对流换热。如果烙铁头可看成是一个集总热容体，其物性参数为已知，环境温度及对流换热系数为常数，试分析烙铁头的温度随时间变化a=3.9106m2/s)实现相似冷却过程需多少时间？对流换热系数为多少?中的表面对流换热系数为h=200W/(m2K)，水温为37℃。试确定(1)在设计工况下加热器的表面温度；(2)如果放置在37℃的空气中，表面对流换热系数变为讨论本例题得到的是一个代数方程式。运用控制体的概念来进行数学建模在以后的学习中可以K散热量为cPinoutcPinoutcc4i404热量0温度分布。1220dx(dx)dx1dx1022dTxTTT10T26讨论上述温度分布结果定性示于图。可见当导热系数不为常数时，平壁内的温度不再呈线性ii下A、B复合壁内的温度分布，绝热面的温度，冷却面温度，A、B材料的界面温A、B材料的界面到冷却水所传递的热流量均相同，故可定性地画出复合壁内的温度分布及从界面到2RR22fh1000对B材料由傅里叶定律，可确定A、B材料的界面温度TxfTT0ATB1T2A02入150BAA内热源，不同x处截面的热流量不相等，因而不能应用热阻的概念来作定量分析。12Tf1=150℃，对流换热系数h1=120W/(m2K)；管外空气温度Tf2=20℃，对流换热系数h2=10W/(m2K)。试求：①通过单位管长的壁的导热热流量ql；②金属管道内、外侧表面的温度TW1和TW2；③若忽略不计金属管壁导热热阻，ql将发生多大变化?f1f212解：蒸汽管道的长度比其外径尺寸大得多，可视作无限长圆筒壁。而T、f1f212①通过单位长度管壁的导热热流量等于此传热过程的传热热流量成为：内表面对流换热热阻R=1=1=0.0491 外表面对流换热热阻R===0.1989q=Tf1_Tf2=150_20=100.8[W/m]lxR1.2893iq=Tf1_Tf2=150_20=100.87[W/m]lxR1.2887ll讨论在传热过程的各个环节中，影响热量传递的因素主要体现在热阻大的环节上。在稳定的传热条件下，传热环节的热阻小意味着热量传递所需的动力小。特别是当这一环节热阻可忽略不计时，引起热量传递的温度差也将趋于零。T试求塞子内的温度2分布，及通过塞子的热流量。dx4dxx2得到x2x讨论利用傅里叶定律积分求解变截面一维导热问题。放在冷、热两表面之间。已知主电炉的直径d=120mm，仪器冷、热两表面温度分带来的误差(假设通过空气缝隙的辐射换热可以忽略不计)。(1)主电炉(2)试材(3)冷却器④③①②⑤⑥i.④③①②⑤⑥⑦(4)底面辅助电炉(5)侧面辅助电炉(6)(7)保温层为了保证主电炉产生的热量垂直穿过平板试件，分别调整侧辅助电炉和底辅助电炉的功率以保hPhd5028.用热电偶测量管道内的气流温度。已知热接点温度T=650℃，热电偶套管根部温度j气流与套管之间的对流换热系数h=50W/(m2K)。试求：①热电偶温度与气流真实温度之改变套管壁厚6=0.5mm；c、更换套管材料入=16W/(mK)；d、若气流与套管之间的对导出，此时套管根部温度T=600℃。0TTT0lmlmlh1h1h1h1e.若套管根部温度Tj=600℃换热热阻将热量传给套管顶部；然后通过套管(肋片)传至根部；再通过一个对流换热热阻将热量传TTwR3TTfjWmK流体温度为70℃，对流换热系数为60W/(m2K)。求肋片的传热量。LLL2=2=2.0625r2=2=2.0625rr11ffwwww片和流体的界面后，再通过表面对流换热热阻散入流体。TTW6TWLTTff11在有或没有肋片时的散热量分别取决于所表示的等效热阻的相对大小。虽然有肋时的对流换热热阻远小于无肋时的对流换热热阻，但是如果肋片的平均导热内热阻R足够大而可能使wR>R，这样导致肋片产生绝热效应而不是增大散热量的有利作用。例如，敷设由石棉构成的ba相当厚的肋片就有这样的作用，因石棉的导热系数很小而使R足够大。w+th(mL)=得到QfBi=Qnf1+Bith(mL)++th(mL)当Qf=Bi>1时，敷设肋片将起到增加传热的有利作用。解不等式，得到Qnf1+Bith(mL)设物体表面对流换热热阻与物体内的导热热阻相比可以忽略，即Bi>>1)。T1?T?2T=ff1?9?29=a?T?x2ifi==iifTiffd=cd=c数据 29.两一块厚度均为30mm的无限大平板，初始温度为20℃，分别用铜和钢制成。平板两侧表面的温度突然上升到60℃，试计算使两板中心温度均上升到56℃时两板9=f(Bi,Fo,x)96i铜钢钢铜铜钢钢铜30.测量气流温度的热电偶，其结点可视为球体，结点与气流之间的对流换热系数?对球形结点由得=h6T=chABi==h(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等。)(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热系数大?厚(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(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，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(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须穿过气层，使换热热阻大大增加；(2)随着蒸(提示：这是一个油在圆管内进行强制对流换热的问题。60℃时被风带走的热量为多少?(提示：这是一个流体通过平面的对流换热问题，可以通过计算雷诺数Re来判断一个公式计算。得到努谢尔特数Nu后可得到流过平板的对流换热系数，再根据牛顿冷却公式得到换热量。m(提示：这是一个烟气在圆管内强制对流换热问题。求内管外表面对水的对流传热系数。(提示：这是一个水在非圆形通道内强制对流换热问题，环形通道的尺寸用当量知水的流速为0.5m／s，螺旋管内壁的平均温度为35℃，为了使水的出口温度低几个?(提示：这是一个流体在弯管内的强制对流换热问题。smmdmm动方向布置了6排管子，顺排排列。(提示：这是一个空气横掠顺排管束的对流换热问题，计算雷诺数时要注意将空气进口流速转换为最窄截面流速计算。答案：平均对流换热系数为126．35W／管要多长。已知水侧表面对流传热系数：Nuf＝(提示：这是一个水在环形通道内流动的强制对流换热问题，计算公式已知，环l动有：t(x)t(0)ff=hUx，其中U为截面周长，h为对流传热系数，t为ttmpttmpfw出口温度，若假设值的偏差大于允许值，则代入重算，直至达到计算精度。为水平朝上或朝下放置，则其自然对流散热量又各为多少?(提示：这是竖板或水平板在空气中自然对流散热的换热问题。自然对流散热量变为240W；未绝热一侧改为水平朝下放置，自然对流散热量变为W可见，平板热面朝上放置时的散热量最大，热面向下放置时的散热量最然对流而引起的散热量。(提示：这是水平管道外的自然对流换热问题。答案：自然对流散热量为135．91．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，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(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(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(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，(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(提示：这是一个辐射与自然对流共同作用下的复合换热问题，太阳辐射以投入辐射的电缆的辐射散热量为多少?为了加强电缆的散热能力，还可以采取哪些措施?(提示：这是一个求解两表面之间辐射换热的辐射问题，可以设电缆表面与沟槽表面分WmK低温流体获得的热插在两表面之间，这时单位管长上低温流体获得的热流量为多少?(提示：这是一个两表面之间插人遮热板的辐射换热问题，可以通过画出热阻图，然后列5．有一台用于确定气体导热系数的装置：一圆管，加热导线沿轴线穿过。现测得通过导传热)。能量平衡原理，导线的加热量等于二表面间的辐射换热量和通过气体层的导热量之和。试求炉膛烟气的真实温度和该热电偶的测温误差(不计热电偶套管的导热热量损失)。(提示：若不计热电偶套的导热热量损失，热电偶的显示温度是烟气对热电偶的对流换热与辐射换热和热电偶对水冷壁的辐射散热达到能量平衡的结果。热电偶相对于炉膛是一个板后这两个大平面之间的辐射传热量是未插遮热板时的几分之一。(提示：这是一个两个大平面之间的辐射换热计算和在两个大平面之间插入遮热板削弱辐黑表面，试求圆管的内壁面与环境的辐射传热量。(提示：圆管的内壁面对环境的辐射热量都必须通过圆管的开口，因此可以看作圆管内壁(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，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。)(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，(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，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、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。)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