传热学(高起专)试卷及答案

传热学（高起专）-学习指南一、 （10分）夏季在维持20°C的室内工作，穿单衣感到舒适，而冬季在保持22°C的室内工作时，却必须穿绒衣才觉得舒服。试从传热的观点分析原因。二、 （12分）夏天，一置于室外的球形液氯罐，罐内液体温度保持在-196°CO球罐外直径为2m.其外包有厚为30cm的保温层。由于某种原因，该保温材料的保温性能变差，其平均导热系数为0.6W/（m・K）。环境气温高达40°C,罐外空气与保温层间的表面传热系数为5W/（m2・K）。试计算通过保温层的热损失并判断保温层外是否结霜?假定球罐外壁温与罐内液体温度相等。三、 （10分）铜和混凝土在温度为23°C的房间中已经放置很久。用手分别接触这两种材料，问哪一块材料使人感觉更凉?假定材料可当作半无限大物体，人手的温度为37°Co四、 （12分）二维、无内热源常物性的非稳态导热问题具有对流边界条件的外角顶如下图所示。试列出角顶0点的显式离散方程，并指出其稳态性判据（设Aa-=Ay）o五、 （10分）对管内强制对流换热，为何釆用短管和弯管可以强化流体的换热？六、 （12分）压力为1.013X10'Pa的饱和水蒸气，用壁温为90°C的水平铜管来凝结。有两种方案可以考虑：用一根直径为10cm的铜管；或用10根直径为lcm的铜管。若两种方案的其他条件均相同，要使产生的凝液量最多，应釆取哪种方案?这一结论与蒸气压力和铜管壁温是否有关？七、 （12分）白天，投射到一大的水平民顶上的太阳照度Gs=1100W/m2,室外空气温度S=27°C,有风吹过时空气与屋顶的表面传热系数为h=25W/（m2・K）,屋顶下表面绝热，上表面发射率w=0.2,且对太阳辐射的吸收比匕=0.6。求稳定状态下屋顶的温度。设太空温度为绝对零度。八、 （10分）试解释下列名词（1）重辐射面；（2）遮热板。九、 （12分）野外工作者常用纸制容器烧水。设:厚为0.2mm的纸的导热系数为0.9W/（m・K）,水在大气压力下沸腾，水侧沸腾换热表面传热系数为2400W/（m240。容器用1100°C的火焰加热，火焰与纸面的表面传热系数为95W/（m2«K）。若纸的耐火温度为200°C。试证明该纸质容器能耐火。

十、（10分）冬天，经过在白天太阳底下晒过的棉被，晚上盖起來感到很暖和,并且经过拍打以后，效果更加明显。试解释原因。十一、（12分）在用稳态平板法测定固体材料导热系数的装置中•试件做成圆形平板，试件厚度5远小于其直径d。通过试件的热流量0=6OW,用热电偶测得冷热表面温度分别为tL180°C,t2=30°Co由于安装不好，试件和冷、热表面之间均存在4=0・1〃皿的间隙，如下图所示。试确定由此带來的测量误差？11冷表面/w-q— d-120mm |j热表面-I441r十二、（10分）无内热源，常物性二维导热物体在某一瞬时的温度分布为r=2/cos%。试说明该导热物体在x=0,y二1处的温度是随时间增加逐渐升高,还是逐渐降低。十三、（12分）如下图所示，一等截面直肋，高为H=45mm,厚5=10〃伽，肋根温®to=100°C»流体温度tf=20°C,表面传热系数h=50W/（m"•K）,肋片导热系数2=50W/（m・K）,设肋端绝热，将它分成四个节点。试列出节点2、3、4的离散方程式，并计算其温度。十四、（10分）对流换热边界层微分方程组是否适用于粘度很大的油和Pr数很小的液态金属？为什么？十五、（12分）压力为0.7X105Pa的饱和水蒸气，在高为0.3m,壁温为70°C的坚直平板上发生膜状凝结，求平均表面传热系数及平板每米宽的凝液量。

十六、（12）已知太阳可视为温度Ts=5800K的黑体。某选择性表面的光谱吸收比随波长兄变化的特性如下图所示。当太阳的投入辐射Gs=800W/m:时，试计算该表面对太阳辐射的总吸收比及单位面积上所吸收的太阳能量。十七、（10分）黑体表面与重辐射面相比，均有J=E0O这是否意味着黑体表面与重辐射面具有相同的性质？十八、（12分）对壳管式换热器來说，两种流体在下列情况下，何种走管内，何种走管外？（1）清洁与不清洁的；（2）腐蚀性大与小的；（3）温度高与低的；（4）压力大与小的；（5）流量大与小的；（6）粘度大与小的。十九、（10分）冬天，在相同的室外温度条件下，为什么有风比无风时感到更冷些？二十、（12分）一建筑物的墙壁由如下图所示的空心砖砌成。设该砖混凝土导热系数为0.8W/（m・K）,空气当量导热系数为0.28W/（m・K）,设温度只沿墙壁厚度x方向发生变，室内温度为25°C,表面传热系数为10W/（m2・K）,室外空气温度为零下10°C,表面传热系数为20W/（m2.K）o求通过每块砖的导热量。二十一、（10分）两块厚度为30mm的无限大平板，初始温度为20°C,分别用铜和钢制成。平板两侧表面的温度突然上升到60°C,试计算使两板中心温度均上升到56°C时两板所需时间之比。铜和钢的热扩散率分别为103X10喘/s,12.9X106m-/So二十二、（12分）对下图所示的圆截面直肋的一维稳态、无内热源、常物性导热问题、试分别列出内节点闭m和端部节点M的离散方程式。己知圆截面直径为do二十三、（10分）试比较推则数Nu和Bi的异同。二十四、（12分）一竖管，管长为管径的64倍。为使管子竖放与水平放置时的凝结表面传热系数相等，必须在竖管上安装多少个泄液盘?设相邻泄液盘之间距离相等。二十五、（12分）从太阳投射到地球大气层外缘的辐射能量经准确测定为1353W/m2,太阳直径为1.39xl09m,地球直径为1.29x10%,两者相距1.5x10%。若认为太阳是黑体，试估计其表面温度。二十六、（10分）试解释下列名词（1）有效辐射；（2）表面辐射热阻。二十七、（12分）某厂由于生产需要，将冷却水以20X10^25X103kg/h的质量流量向距离3km的车间供应，供水管道外直径为160mmc为防止冬天水在管道内结冰，在管道外包裹导热系数久=0.12W/（m・K）的沥青蛭石管壳。保温层外表面的复合换热表面传热系数h0=35W/（m:・K）。该厂室外空气温度达-15°C,此时水泵的出口水的温度为4°C。试确定为使冷却水不结冰的最小保温层厚度。忽略管壁热阻及管内水的对流换热热阻。参考答案解首先，冬季和夏季的最人区别是室外温度的不同。夏季室外温度比室内气温高,因此通过墙壁的热量传递方向是出室外传向室内。而冬季室外气温比室内低，通过墙壁的热屋传递方向是由室内传向室外。因此冬季和夏季墙壁内表面温度不同，夏季高而冬季低。因此，尽管冬季室内温度（22°C）比夏季略高（20°C）,但人体在冬季通过辐射与墙壁的散热比夏季高很多。而根据人体对冷感的感受主要是散热量的原理，在冬季散热屋大，因此要穿厚一些的绒衣。二、30cm"=一196匸di=2二、30cm"=一196匸di=2OOOmrr.习=-4orA=5W/(m2*K)解由题意，如上图所示。通过球罐的热流量1fl1x~ 1融UVMX即：“ "严.二 4亍伴十196) =5阳6W即：融(〒人"西q3x(TT3)+13^所以t=g—=40 翠彎..—-[SS3V所以杯｛^rlh 4irxi.32x5 ZV因此，该球罐外表面已结霜。三、解手揩的感觉与其感受到的热流密度有关。而由教材(3-43.)式，有VKTVKT故 W=4质0锲4^1泯貶土(丿久陰)混餐土温度为23匸时，铜和混艇土的物性值：網：人=401W/(m・K), =8933kg/m3,c=385J/(kg-K)混瞬土以=1.4W/(m・K),卩=2300血加3,「=S80j/(kg・K)所以. .丿厶_==应沁二"-別- qwI± “1.4X2300XX80-22.1四、解利用能巌平衡法。对0点所代表的控制容积,有Qs=AE (4-18a)其中

(4-lSb)b勞世W十入T1^F背+蒙）曲-"）］"十咛崔十(4-lSb)b勞世W十入T1^F背+蒙）曲-"）］"十咛崔十A气型-心（俨一切“结合式（4-18a）,（4-18b）,（4-18c）得：佟誓猊严"K；沁-心卅―）們“"会（冷）+卅）_2卅）〉-隸畸I,”抽黔卜（『+护）+鵲“i**°=1^（1-4Fb-4E?BO+2用（卅）+$+2Bitf）4人△匸4aAr即：其中:由式（“J8d）•稳定性为:(1一4氏)一4Fobi)二()即：Fci(l+BtXj(418c)(4-9d)五、解采用短管，主要泉利用流体住管内换热处于入口段温度边界层较薄，因而换热强的特点，即所谓的“人口效应"，从而强化换热。而对于弯管，流体流经弯借时，由于离心力作用，在横截面匕产生二次环流，増加了扰动，从血强化了换热。六.解水平管的凝纳换热公式论=0.729［场齐f两种方案的换热表面积相同，温差相等，由牛顿冷却公式0=hHA^t.故凝液量<p/ijjAAr^=7=因此「两种方案的凝液鱼之比QnrIQnrIQm2故小管径系统的凝液童冕大彗径系统的1.778倍。只要保证瘫气压力和骨壁温度在两种悄况下相同•上述结论与蒸气压力和铜管壁温无关。七、解:如下图所示,稳态时屋顶的热平衡如F对流散热敖么二人（7二一TJ=25（7：-300）

辐射散热童%=3（冗-TJ）=0.2X5.67x10-8（7^-0）太阳無射热虽•冬（入=0・6x1100=660W/m2代入⑴中得1.134X1087：*257：=8160采用试凑法，解得Tw=32k5K-48.5T八、 (1)重辐射面一一辐射换热系统中，表面的净辐射换热量为零的表面彼称为重辐射面。或称绝热表面。(2)遮热板一一插入两个辐射换热表面之间用以削弱辐射换热的薄板。九、超=1loot1£一XX（S一£f）+if解本題展无限大平板的传热过程热阻分析问题。从沸腾水(饱和温度匚二100十〉到火掐一XX（S一£f）+if所以’100>卜11002400 0.9十95二157.2t<200t：因此,该纸质容器能耐火。十、解：棉被经过晾哂以后，可使棉花的空隙里进入更多的空气。而空气在狭小的棉絮空间里的热量传递方式主要是导热，由于空气的导热系数较小(20°C,1.01325xl05Pa时,空气导热系数为0.0259W/(m・K)),具有良好的保温性能。而经过拍打的棉被可以让更多的空气进入，因而效果更明显。十一、解：不计空气隙时，其热阻计算式为：九〜①其中心为不计空气隙材料的导热系数,A为导热面积,A二界2,△尸廿切当计及空气晾时.应增加两个空气隙的导热热阴；◎4A+仝「辿入心人2- ©其中A为平板材料的真实导热系数，入“入2为空气的导热系数。AqXAj入2导热系数的测量课差为入-入0_3*0-0/入_入L入2A ^/Aq //久°/i=180V和^=30V时“产0・O378W/(nrK)“2=0・O267W/〈m・K)。所沐0.1£107 0」X1(T?入=22.6%0.0378 0.0267-入=22.6%扌x0122x(180-30)6()十二解由导热体的导热控制方程解由导热体的导热控制方程f2£-r£?af2£-r£?a22-而=4cgr,所以=a(-2y2cosx+4cosx)=acosx(4-2y2)当工=0,丿=1时，券=2a>0,故该点温度随时间增加而升高。十三、解这是一个一维稳态、无内热源、常物性的导热问题。利用热平衡法，列出节点的离散方程式。对节点2：” + +A2Ax(/j—^2)=对节点3：

对节点4：式中△工詣。将已知条ft(n-?o=iooc)代入可得如下方程组：円-2.045“+100.9=0y"一2.045/3+九+0・9二0上3一10225口+0,45=0利用迭代法解得：t2二92.2X3,乃=87.7T,以=86.2V与精确解0"一上尸弘凶箫痂了"相比较，此时弘-o-n=wo^2o=80€,.=思=7$=V3-TSSoI=10H=0.045 1r—旦一fjhist—oaofich[10(Q・Q15i0.045〉]qo★、厂~3-0』15,?2-卫+80Lch(10x0.045) =95.821r— —n()qf一m丄oq也1丄0(0・03—0・0仍)]gx忙3_0・03‘-20+80“(EXO.丽才"3.35C•I®二H=0.045,“=20+80甌。如丽=92.53C十四、解对粘度很大的油类，总数很低，速度边界层厚度g与上为同一数量级，因而动量微分方程中器与器为同一量级，不可忽略，且此时由与£〜工，速度«和卫为同-•量级｛方向的动量微分方程不能忽略。对液态金•属,Pl■很小，速度边界层厚度6与温度边界层厚度&相比XL在边界层内誥〜泰'因而能量方程中話不可忽略。因此，对流换热边界层微分方程组不适用于粘度大的油和Pr数很小的液态金属。十五、解A=0.7X105Pa的饱和水蒸气对应的饱和温度匚=90C,液膜平均温度鼻=寺心X(90+70)=80t液膜平均温度鼻=寺心X(90+70)=80t凝液(水)的物性参数g=971・3kg/m\«=0.674W/(nrK),=355-1x1Q6zs=90t对应的汽化潜热:r=2283JkJAg先假定液膜流动处于层流二11打281一x2283JXICPX97「8?x0.674?舟_•"I355.1X10"6X0.3X(90-70)=8390W/(m2<K)

检验流态4X8390x(9()-70)^3335.1xIQ-6检验流态4X8390x(9()-70)^3335.1xIQ-6x2283J-248<1600所以,假设层流正确C每米宽平板的凝液量8J%LXO』x(90-四)2283.1x103=0.022kg/s十六、解先计算总吸收比口[a(入)Egd入Jo°=瓦fl.4a(A)£^dA+ a(入)E&d入丿0 丿1.4 =-0.8Fb<0-1.4)+0・lFba,4_8)=0.8x0.8608+0.lx(1-0.8608)=0.7026单位面积匕所吸收的太阳能g二心二0.7026x800=562W/m2十七、解：虽然黑体表面与重辐射面均具有J=Eb的待点，但二者具有不同的性质。黑体表面的温度不依赖于其他参与辐射的表面，相当于源热势。而重辐射面的温度则是浮动的，取决于参与辐射的其他表面。十八、解(1)不清洁流体应在管内，因为壳侧清洗比较困难，而管内可定期折开端盖清洗；腐蚀性人的流体走管内，因为更换管束的代价比更换壳体要低，且如将腐蚀性强的流体置于壳侧，被腐蚀的不仅是壳体，还有管子；温度低的流体置于壳侧，这样可以减小换热器散热损失；压力大的流体置于管内，因为管侧耐压高，且低压流体置于壳侧时有利于减小阻力损失；流量人的流体放在管外，横向冲刷管束可使表面传热系数增加：粘度大的流体放在管外，可使管外侧表面传热系数增加。十九、解：假定人体表面温度相同时，人体的散热在有风时相当于强制对流换热，而在无风时属自然对流换热(不考虑热辐射或假定辐射换热量相同时)。而空气的强制对流换热强度要比自然对流强烈。因而在有风时从人体带走的热量更多，所以感到更冷一些。二十、解：该导热过程的热阻图如下图示。图中各量为：=25Cj— 1—R&-古2“2山33二 ""L. r 1 •• / \ i —•R]—1MiAtJ?2= jA|尺33=$2“皿2■・2&=$"入】A〕r5-iM2Ai-20x0.3xoJ_75xUF3一0.8X0.3x0.3-20x0.3xoJ_75xUF3一0.8X0.3x0.3一$2150x103心企_0.8x0/3X0.075$2150x103尺2=1,042=尺4K/W=8.333=R33K/Wa2A3-0.28x0.3x0.15=lk905K/WK/W故：局= 1 =3.086K/W故：sR二R]十左2十心+尺4十尺5二1・11+1・042+3.08&+1.042+0.556=6.836K/W所以导热母:一2$_一2$_〈亠10)=5.12W6.836解一维非稳态无限大平板内的温度分布有如下函数形式：結右戈"（站局,青）两块不同材料的无限大平板，均处于第--解一维非稳态无限大平板内的温度分布有如下函数形式：結右戈"（站局,青）两块不同材料的无限大平板，均处于第--类边界条件（即B/->oo）o由题意，两种材料达到同样工况时，质数和彳相同，要使温厦分布相同，则只需F。数相等，因此：（用）第=（Fo）钢而A在两种悄况下相等、因此：0績12.9X10-6n

轟書厂103x10-^= 125二十二、解对节点州列热乎衡式：（圆截面积人二于孙周长Pfd）1SJC 3工即：对节点A4,有:1SJC 3工即：对节点A4,有:即：二十三、一】-(^^+2)d严警疔"0XAC肚旨血+hA^t^-加）+«P^（比-tM）=0

如-厂（1+^^+宇）切+ 爭"0解从形式上看・N况数(N“=竽)与禺数(Bi=y)完全相同，但二者物理意义却不同。Nu数中的入为流体的导热系数，而「般人未如，因而数一般是待定准则。Nu数的物理意义表示壁面附近流体的无星纲温度梯度，它表示流体对流换热的强弱。而刃数中的入为导热物体的导热祭数，且一般情况下人已知，印数--殷是已定准则。用效的物理意义是导热体内部导热热W(Z/A)与外部对流热阻(仃S的相对大小。二十四、解设管长为/,管径为/,则Z/<7=64o设安装的泄液盘为“个，则该管子被等分为G+1)段，每段高度为「二治。管子水平放誉时的表面传热系数为管子竖育放胃时的表面传热系数为Av—1.13要使讪=2必须即解得巾*10即泄液盘数冃为10个。二十五.解由兰贝特定律(1)d①(0)=(L4cos&dm,(0)其中dG(0)表示地球所接受到的太阳能曲(1)d0(0)=g5Krfe2wsO—costT=1dA表示太阳的辐射面积,dA=m；2,此