大庆石油学院年生入学考试传热学试题及答案

2005年研究生入学考试传热学一、简答题（每题5分，共50分）1、导热系数的物理意义及我国国家标准中保温材料的定义。2、试分别用数学语言及传热学术语说明导热问题三种类型的边界条件。3、用一支插入装油的铁套管中的玻璃水银温度计来测量储气筒里的空气温度，请分析如何减小测试误差。4、肋效率的定义。5、两强制对流或两自然对流换热相似的条件。6、简述强化膜状凝结换热的基本原则及实现方法。7、沸腾有核态沸腾和膜态沸腾，试问：蒸发器应设计在哪种沸腾区？为什么?8、写出基尔霍夫定律在“全波段、半球空间”这一层次上的数学表达式。9、写出维恩位移定律，如何利用该定律进行温度测量。10、气体辐射的特点。二、推导题（10分）试推导二维、不可压缩牛顿型流体、常物性、无内热源、粘性耗散热忽略的条件下对流换热能量守恒微分方程式，并说明式中各项的物理含义及与相应纯导热微分方程式的区别与联系。三、计算题（每题10分，共70分）1、两层平壁稳态导热温度场，如图1所示，已知△t1/△t2=2，δ1/δ2=1/3，求，λ1/λ2，R1/R22、有一半球形容器，底部圆形面被均分为1、2，半球内壁面为3，如图２所示。计算X3,1和X3,2。图１图23、将初始温度为400℃，直径为15mm的铝球突然抛入15℃的空气中。已知铝球表面与周围环境间的对流换热表面传热系数h=40W/（m2·K），铝球的物性参数为ρ=2700kg/m3，c=0.9kJ/（kg·K），λ=240W/（m·K）。试确定该铝球由400℃降至100℃所需的时间。（忽略辐射换热）４、两平行大平壁的发射率分别为0.5和0.8，如果中间加入一片两面发射率均为0.05的铝箔，计算辐射换热减少的百分数。５、某房间吊装一水银温度计读数为15℃，已知温度计头部发射率（黑度）为0.9，头部与室内空气间的对流换热系数为20W/（m2·K）,墙表面温度为10℃，求该温度计的测量误差。６、用一个壳侧为一程的壳管式换热器冷凝1.013*105Pa的饱和水蒸汽，要求每小时内凝结18kg蒸汽，进入换热器的冷却水温度为25℃，离开时为60℃，设传热系数K=1800W/（m2·K），问所需的传热面积是多少？此时汽化潜热为2257.1kJ/kg。(1.013*105Pa压力下水蒸气温度为100℃)７、某管线的外径为22mm，拟用石棉或岩棉保温，两种材料的导热系数分别为0.12W/(m·K)及0.0５W/(m·K)，保温层外表面与空气间的对流换热系数为10W/(m2·K)。分别计算临界绝缘直径，并分析为了减少散热损失，若用5mm厚的保温材料保温，哪种材料合适。四、计算题（本题20分）有一水平管道直径为200mm，分别包有=0.04W/（m·K），和=0.05W/（m·K）的保温材料，厚度分别为20mm和30mm，管内流有50℃的空气，流速为10m/s，管外大气温度为10℃。（管道厚度很薄，可以忽略不计）求：1.管内的对流换热系数。（5分）2.管外的对流换热系数。（5分）3.每米管道总的热阻及传热系数。（5分）4.每小时5m长管段的散热量。（5分）备注：1.管内流动的对流换热实验关联式:2.管外横掠的对流换热实验关联式:3.管外自然对流换热实验关联式:（注：此关联式中定性温度取管外流体温度，中的Δt=5℃，其体积膨胀系数可按管外为理想气体计算）4.空气的热物性：t℃ρkg/m3CpkJ/kg.KKλ*W/m.Kυ*Pr10℃1.251.02.514.00.720℃1.201.02.615.00.725℃1.181.02.615.50.740℃1.101.02.817.00.750℃1.101.02.818.00.72005年研究生入学考试传热学答案一、简答题（每题5分，共50分）1、导热系数是表征材料导热性能优劣的参数，数值上，它等于在单位温度梯度作用下物体内所产生的热流密度矢量的模。我国国家标准ＧＢ4272-92规定:凡平均温度不高于350℃时导热系数不大于0.12W/(m·K)的材料称为保温材料。2、(1)第一类边界条件：规定了边界上的温度值。时，(2)第二类边界条件：规定了边界上的热流密度值。时，(3)第三类边界条件：规定了边界上物体与周围流体间的表面传热系数h及周围流体的温度tf。时，3、(1)选用导热系数更小的材料作套管；(2)尽量增加套管高度，并减小壁；(3)强化套管与流体间的换热；(4)在储气筒外包以保温材料。4、肋效率。５、(1)两强制对流换热相似条件：Re相等、Pr数相等，单值性条件相似；(2)两自然对流换热相似条件：Gr相等、Pr数相等，单值性条件相似。6、(1)强化膜状凝结换热基本原则：尽量减薄粘滞在换热表面上的液膜厚度；(2)实现方法：用各种带尖峰的表面使在其上冷凝的液膜减薄，以及使已凝结的液体尽快从换热表面上排泄掉。7、(1)蒸发器都设计在核态沸腾区。(2)因为在核态沸腾区小温差能得到较强的换热量，而在膜态沸腾区，达到同样的换热强度，其壁面与饱和温度差大大增加，蒸发器很容易被烧毁。8、。9、(1)m·Ｋ。(2)利用光缆测试最大辐射强度时的波长，然后用上式计算温度。10、(1)气体辐射对波长具有选择性；(2)气体辐射在整个容积中进行。二、推导题（10分）在下图所示直角坐标系中取微元体为分析对象，分析对象为固定在空间中一定位置的一个控制体，其界面上不断有流体进、出，因而热力学系统为一个开口系统。根据热力学第一定律，有（1）式中：——流体质量流量，kg/s；——流体的比焓，J/kg；——微元体的热力学能，J；——通过界面由外界导入微元体的热流量，W；——流体所做的净功，J；——时间，s；下标“in”、“out”表示分别流进、流出。流体流过微元体时位能、动能的变化可以忽略，并且流体不作功；（1）式可简化为：（a）在时间内，导入微元体的热量为：（b）式中：——流体的导热系数，；——流体温度，。考虑到流体为不可压缩条件，因而；在时间内微元体中流体温度改变了，其热力学能的增量为：（c）式中：——流体的热力学能的增量，J；——流体密度，kg/m3；——流体比定压热容，。由于流体流入、流出微元体所带入带出的焓差可以分别从x及y方向加以计算。下面分析x方向，在时间内，由x处的截面流入微元体的焓为：（d）式中：——在x处流体沿x方向带入微元体的焓，J；u——流体沿x方向速度，m/s。同一时间，由x+dx处截面流出微元体的焓为：（e）式中：——在x+dx处流体沿x方向带入微元体的焓，J；u——流体沿x方向的速度，m/s。（e）、（f）两式相减，得时间内，在x方向上由流体净带出微元体的热量，忽略高阶无穷小，得（f）式中：——在x处,流体沿x方向带入微元体的焓，J；——在x+dx处,流体沿x方向带入微元体的焓，J；u——流体沿x方向的速度，m/s。同理，y方向上由流体带出微元体的热量为：（g）式中：——在y处,流体沿y方向带入微元体的焓，J；——在y+dy处,流体沿y方向带入微元体的焓，J；v——流体沿y方向的速度，m/s。故，单位时间内由于流体流动而带出的微元体的净热量为：（h）将式（b）、（c）、（h）带入（a）并化简，得（2）非稳态项对流项扩散项式中：v——流体沿y方向的速度，m/s；u——流体沿x方向的速度，m/s；——流体温度，℃；——流体的导热系数，；——流体密度，kg/m3；——流体比定压热容，。当流体静止时，公式(2)退化为常物性、无内热源的导热微分方程。三、计算题（每题10分，共70分）1、解：解：3、解可以用集总参数法来求解：４、解：无遮热板时，单位面积的辐射换热量：有遮热板时，单位面积的辐射换热量：辐射热减少的百分数将为：５、解：℃％=7.4％６、解：℃质量流量M：℃７、解：若用石棉保温：若用岩棉保温：由此可见：若用用石棉保温温，临界绝绝缘直径大大于管道直直径，加保保温后散热热损失减少少。若用岩岩棉保温，其其临界绝缘缘直径小于