发布时间 : 星期六 文章《传热学》试题库更新完毕开始阅读848fd0ec5ef7ba0d4a733b1a
a?1.8?10?6m2/s， 2??0.025m， ??60s
Ti?150℃， Tf?Tw?30℃， x???0.012m5 代入上式，若只取前面非零的四项(n?1,3,5,7)计算，得
T?TfTi?Tf?4?(0.18177?7.22?10?8?6.15?10?20?5.21?10?37)?0.2314
由此求得在1分钟后，平板中间温度为
T?0.2314(Ti?Tf)?Tf?0.2314(150?30)?30?57.8℃
讨论：一般以Fo?0.2为界，判断非稳态导热过程进入正规状况阶段。此时无穷级数的解可以用第一项来近似地代替，所得的物体中心温度与采用完整级数计算得到的值的差别基本能控制在1?以内。本例题中Fo=0.69，可以看出，级数的第一项较后几项高出多个数量级。
29. 两一块厚度均为30 mm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℃时两板所需的时间比。铜和钢的热扩散系数分别为103?10?6m2/s和12.9?10?6m2/s。
解: 一维非稳态无限大平板的温度分布有如如下函数形式
?x?f(Bi,Fo,) ?i?两块不同材料的无限大平板，均处于第一类边界条件（Bi??）。由题意，两种材料达到同样工况时，
Bi数和x/?相同，要使温度分布相同，则只需Fo数相等。
(Fo)铜?(Fo)钢
?铜/?钢?a钢/a铜?0.125
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
h?400W/(m2K)，结点的热物性：?=20W/(mK)；比热容c=400J/(kgK)；密度
?=8500kg/m3，试求：
1.时间常数为1秒的热电偶结点直径为多大?
2. 把热电偶从25℃的环境放入200℃的气流中要多长时间才能到达199℃?
3解: 首先计算结点直径，并检查Bi数值。 对球形结点 A??d2，V??d由 ?c?得 d?6
?cVhA??cdh66h?c6?400?1??7.06?10?4?0.71mm ?c8500?400h(r)400?7.06?10?4/63?验证 Bi???2.53?10?4?0.1
??20hl表明把热电偶结点当成集总热容体在这里是合适的。 达到199℃时所需的时间，可由下式计算
?i8500?7.06?10?4?40025?200 ??ln?ln?5.2s
hA?400?6199?200?cV讨论：由此式可见，热电偶结点直径d和热容量?c越小，被测气流的对流换热系数h越大，则温度响应越快。
四、 简答题
1． 影响强迫对流传热的流体物性有哪些?它们分别对对流传热系数有什么影响?
（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
式，将各无量纲量展开整理后加以表述。）
2． 试举几个强化管内强迫对流传热的方法(至少五个)。 （提示：通过分析强迫对流换热系数的影响因素及增强扰动、采用人口效应和弯管效应等措施来提出一些强化手段，如增大流速、采用机械搅拌等。） 3． 试比较强迫对流横掠管束传热中管束叉排与顺排的优缺点。
（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易清洗。）
4． 为什么横向冲刷管束与流体在管外纵向冲刷相比，横向冲刷的传热系数大?
（提示：从边界层理论的角度加以阐述：纵向冲刷容易形成较厚的边界层，其层流层较厚 且不易破坏。有三个因素造成横向冲刷比纵向冲刷的换热系数大：①弯曲的表面引起复杂的流动，边界层较薄且不易稳定；②管径小，流体到第二个管子时易造成强烈扰动；②流体直接冲击换热表面。）
5． 为什么电厂凝汽器中，水蒸气与管壁之间的传热可以不考虑辐射传热?
（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，凝结换热系数约为4500—18000W／(m2．K)，对流换热量很大；(2)水蒸气与壁面之间的温差较小，因而辐射换热量较小；(3)与对流换热相比，辐射换热所占的份额可以忽略不计。） 6． 用准则方程式计算管内湍流对流传热系数时，对短管为什么要进行修正?
（提示：从热边界层厚度方面加以阐述：(1)在入口段，边界层的形成过程一般由薄变厚；(2)边界层的变化引起换热系数由大到小变化，考虑到流型的变化，局部长度上可有波动，但总体上在入口段的换热较强（管长修正系数大于1）；(3)当l／d＞50(或60)时，短管的上述影响可忽略不计，当l／d＜50(或60)时，则必须考虑入口段的影响。 7． 层流时的对流传热系数是否总是小于湍流时的对流传热系数?为什么?
（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， 若采用短管，尽管处于层流工况，由于边界层较薄，对流换热系数可以大于紊流状况。） 8． 什么叫临界热流密度?为什么当加热热流大于临界热流密度时会出现沸腾危机?
（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，随着壁面过热度Δt的增大，存在自然对流、核态沸腾、不稳定膜态沸腾和膜态沸腾四个阶段，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)当加热热流大于临界热流密度时，沸腾工况向膜态沸腾过渡，加热面上有汽泡汇集形成汽膜，将壁面与液体隔开，由于汽膜的热阻比液体大得多，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密度，沸腾工况从核态沸腾飞跃到稳定膜态沸腾，壁温飞升到1000℃以上(水)，使设备烧毁。） 9． 试述不凝性气体影响膜状凝结传热的原因。
（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起不凝性气体层，将蒸汽隔开，蒸汽凝结必须穿过气层，使换热热阻大大增加；(2)随着蒸汽的凝结，液膜表面气体分压力增大，使凝结蒸汽的分压力降低，液膜表面蒸汽的饱和温度降低，减少了有效冷凝温差，削弱了凝结换热。）
五、计算题
1． 平均温度为40℃的机油，以0.7m/s的流速流经一壁温为80℃、内径为0.025m、
长度1.5m的圆管。求油的对流传热系数和机油得到的加热量。 （提示：这是一个油在圆管内进行强制对流换热的问题。 答案：hc＝88．9W／(m2．K)，Φ＝418．9W。）
2． 温度为30℃的风以5m／s的速度吹过一太阳能集热器表面，该表面可看作为正方
形平面，一条边与来流方向垂直，表面尺寸为2．0×2．0m2，问当表面温度达到60℃时被风带走的热量为多少?
已知：平均对流传热系数计算式：Nu=0.664Re1/2Pr1/3，(当Re<5×105)，Nu＝0.037Re4/5Pr1/3(当Re>5×l05)，特征尺寸为流体经过的板长(顺着来流方向的长度)，定性温度为tm＝(t∞+tw)／2。
(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来判断用上述哪一个公式计算。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。
答案：选用湍流公式，被风带走的热量为2.23kW。)
3． 一空气预热器中，烟气在直圆管内流过，管内径d1＝45mm，管长1.5m，烟气流
速12m/s，平均烟气温度300℃，管壁温度150℃，试求单管的对流传热量. （提示：这是一个烟气在圆管内强制对流换热问题。
答案：单管的对流换热量为2．21kW。）
4． 有一套管式给水预热器，内管的外径为d1＝12mm，外管的内径d2＝18mm，管长
为0．5m。给水在套管的环形流道内以1.5m／s的流速流动，给水在预热器内被加热，给水进、出预热器的温度分别为25℃和85℃，预热器内管壁温为95℃.试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直径来计算。答案：对流换热系数为11616．1W(m2．K)。）
5． 有进口温度为80℃的热水流过内径为20mm的螺旋管，螺旋的直径为150mm，已
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于40℃，问需要多长的管子或螺旋数至少要几个? （提示：这是一个流体在弯管内的强制对流换热问题。 答案：至少需要4．566m管子，或螺旋数至少10个。）
6． 有一空冷器，空气在其中横向掠过管束传热，管排的横向间距s1＝32mm，纵向间
距s2＝24mm，管子外径d＝16mm，沿空气流动方向布置了6排管子，顺排排列。空气进入管束前的流速为6m/s，空气进、出口平均温度为140℃，管壁表面温度为60℃，试计算其平均对流传热系数。
（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／(m2．K)。）
7． 初温为30℃的水以1.0kg／s的流量流经一套管式传热器的环形通道，水蒸气在内
管中凝结，使内管外壁的温度维持在100℃，传热器的散热损失可忽略不计。环形夹层内管的外径d1为40mm、外管内径d2为60mm，试确定把水加热到50℃，套管要多长。已知水侧表面对流传热系数：Nuf＝
??f0.80.4?0．023RefPrf???w????0.11?d??l,?l?1???。
?l?0.7（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，环形通道的尺寸用当量直径来计算。 答案：需要套管的长度为2．883m。）
8． 某一矩形烟道，截面积为800mm×700mm，烟道长20m，烟道内恒壁温，tw=70℃，
现有tf(0)＝230℃的烟气流过该烟道，质量流量qm＝1.6kg／s，试计算烟气的出口
温度。已知通道内传热计算式：Nuf＝0.023Ref0.8Prf0.4 ?l，对于恒壁温下的管内流动有：
tf(x)?tf(0)tf?tw???hUx，其中U为截面周长，h为对流传热系数，tf为??qmCp流体平均温度，tf=0．5[tf(x)+tf(0)]
（提示：这是一个烟气在矩形通道内流动冷却的换热问题，计算公式已知，由于烟气的出口温度未知，需要首先假设烟气出口温度来得到定性温度，然后根据计算结果校核出口温度，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。 答案：烟气出口温度为184．7℃。）
9． 有一块长1m、宽1m的平板竖直放置于20℃的空气中，板的一侧绝热，另一侧表
面温度维持在60℃，试计算该竖板的自然对流散热量。如果该板未绝热的一侧改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。 答案：该平板竖直放置，自然对流散热量为160W；未绝热一侧改为水平朝上放置，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50．49W。由此可见，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小，竖直放置的散热量介于两者之间。）
10． 有一水平放置的的热水管道，用保温材料保温，保温层外径200mm，外表面平均
温度45℃，周围空气温度15℃，管道长度为1500m，试计算该蒸汽管道上由于自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135．9
四、 简答题
1． 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， 热电偶的读数小于气流的实际温度产生误差。所以，引起误差的因素：①烟气与热电偶间的复合换热小；②热电偶与炉膛内壁问的辐射换热大。减小误差的措施：①减小烟气与热电偶间的换热热阻，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设计出计算误差的程序或装置，进行误差补偿。）
2． 试用传热原理说明冬天可以用玻璃温室种植热带植物的原理。
（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能穿过。玻璃的这种辐射特性，使室内温度不断升高。） 3． 试分析遮热板的原理及其在削弱辐射传热中的作用。
（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 (或固体)薄板，称为遮热板。(2)其原理是，遮热板的存在增大了系统中的辐射换热热阻，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