高等傳熱學(xué)考試范圍(答案)

1、1. 強(qiáng)迫流動(dòng)換熱如何受熱物性影響？ 答：強(qiáng)迫對(duì)流換熱與 Re 和 Pr 有關(guān)；加熱與對(duì)流的粘性系數(shù)發(fā)生變化。2. 強(qiáng)化傳熱是否意味著增加換熱量？工程上強(qiáng)化傳熱的收益和代價(jià)通常是指什么？ 答：不一定，強(qiáng)化傳熱是指在一定條件（如一定的溫差、體積、重量或泵功等）下增加所傳遞的熱量。工程上的 收益是減小換熱器的體積節(jié)省材料和重量； 提高現(xiàn)有換熱器的換熱量； 減少換熱器的阻力， 以降低換熱器的 動(dòng)力消耗等。代價(jià)是耗電，并因增大流速而耗功。3. 傳熱學(xué)和熱力學(xué)中的熱平衡概念有何區(qū)別？ 答：工程熱力學(xué)是溫度相同時(shí)，達(dá)到熱平衡，而傳熱學(xué)微元體獲得的能量等于內(nèi)熱源和進(jìn)出微元體熱量之和，內(nèi) 熱源散熱是有溫差的。

2、4. 表面輻射和氣體輻射各有什么特點(diǎn) ? 為什么對(duì)輻射板供冷房間， 無需考慮氣體輻射的影響， 而發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)傳 熱氣體輻射卻成了主角？答：表面輻射具有方向性和選擇性。氣體輻射的特點(diǎn)： 1. 氣體的輻射和吸收具有明顯的選擇性。 2. 氣體的輻射 和吸收在整個(gè)氣體容器中進(jìn)行，強(qiáng)度逐漸減弱?？諝猓瑲?，氧，氮等分子結(jié)構(gòu)稱的雙原子分子，并無發(fā)射和 吸收輻射能的能力，可認(rèn)為是熱輻射的透明體。但是二氧化碳，水蒸氣，二氧化硫，氯氟烴和含氯氟烴的三 原子、多原子以及不對(duì)稱的雙原子氣體（一氧化碳）卻具有相當(dāng)大的輻射本領(lǐng)。房間是自然對(duì)流，氣體主要 是空氣。 由于燃油， 燃煤及然氣的燃燒產(chǎn)物中通常包含有一定濃度的二氧化

3、碳和水蒸氣， 所以發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)要 考慮。5. 有人在學(xué)完傳熱學(xué)后認(rèn)為，換熱量和熱流密度兩個(gè)概念實(shí)質(zhì)內(nèi)容并無差別，你的觀點(diǎn)是？ 答：有差別。熱流密度是指通過單位面積的熱流量。而換熱量跟面積有關(guān)。6. 管內(nèi)層流換熱強(qiáng)化和湍流換熱強(qiáng)化有何實(shí)質(zhì)性差異？為什么 ? 答：層流邊界層是強(qiáng)化管內(nèi)中間近90%的部分，層流入口段的熱邊界層比較薄，局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)比充分發(fā)展段高， 且沿著主流方向逐漸降低。 如果邊界層出現(xiàn)湍流， 則因湍流的擾動(dòng)與混合作用又會(huì)使局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 有所提高，再逐漸向于一個(gè)定值。而湍流是因?yàn)槠渫苿?dòng)力與梯度變化和溫差有關(guān)，減薄粘性底層，所以強(qiáng)化 壁面。7. 以強(qiáng)迫對(duì)流換熱和自然對(duì)流換熱為例，試

4、談?wù)勀銓?duì)傳熱、流動(dòng)形態(tài)、結(jié)構(gòu)三者之間的關(guān)聯(lián) 答：對(duì)流換熱按流體流動(dòng)原因分為強(qiáng)制對(duì)流換熱和自然對(duì)流換熱。一般地說，強(qiáng)制對(duì)流的流速較自然對(duì)流高，因而對(duì)流換熱系數(shù)也高。例如空氣自然對(duì)流換熱系數(shù)約為525 W/（m2?C），強(qiáng)制對(duì)流換熱的結(jié)構(gòu)影響了流體的流態(tài)、流速分布和溫度分布，從而影響了對(duì)流換熱的效果。流體在管內(nèi)強(qiáng)制流動(dòng)與管外強(qiáng)制流動(dòng)，由于 換熱表面不同，流體流動(dòng)產(chǎn)生的邊界層也不同，其換熱規(guī)律和對(duì)流換熱系數(shù)也不相同。在自然對(duì)流中，流體 的流動(dòng)與換熱表面之間的相對(duì)位置， 對(duì)對(duì)流換熱的影響較大， 平板表面加熱空氣自然對(duì)流時(shí)， 熱面朝上氣流 擾動(dòng)比較激烈，換熱強(qiáng)度大；熱面朝下時(shí)流動(dòng)比較平靜，換熱強(qiáng)度較小。

5、8. 我們經(jīng)常用 Q=hA覽計(jì)算強(qiáng)迫對(duì)流換熱、自然對(duì)流換熱、沸騰和凝結(jié)換熱，試問在各種情況下?lián)Q熱系數(shù)與 溫差的關(guān)聯(lián)？答：強(qiáng)迫對(duì)流的換熱系數(shù)與 Re,Pr有關(guān)但與溫差無關(guān)，自然對(duì)流與Gr的0.25次方有關(guān)聯(lián)，即與溫差有關(guān)，凝結(jié)換熱換熱系數(shù)是溫差的 -0.25 次方。9. 試簡(jiǎn)述基爾霍夫定理的基本思想 答：一、基爾霍夫第一定律：匯于節(jié)點(diǎn)的各支路電流的代數(shù)和等于零，用公式表示為：刀=0又被稱作基爾霍夫電流定律（KCL）。二、基爾霍夫第二定律：沿任意回路環(huán)繞一周回到出發(fā)點(diǎn)，電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和等于回路各支路電阻（包括電 源的內(nèi)阻在內(nèi)）和支路電流的乘積（即電壓的代數(shù)和）。用公式表示為：XE=XRI又被稱作基爾

6、霍夫電壓定律 （KVL） 。10. 簡(jiǎn)述沸騰換熱與汽泡動(dòng)力學(xué)、汽化核心、過熱度這些概念的關(guān)聯(lián)答：沸騰是指在液體內(nèi)部以產(chǎn)生氣泡的形式進(jìn)行的氣化過程，就流體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力而言，沸騰過程又有大容器沸騰，大容器沸騰時(shí)流體的運(yùn)動(dòng)是由于溫差和氣泡的擾動(dòng)所引起的，沸騰換熱會(huì)依次出現(xiàn)自然對(duì)流區(qū)、核態(tài)沸騰區(qū)、過度沸騰區(qū)和膜態(tài)沸騰區(qū)。當(dāng)溫度較低時(shí)（吐：4C ）壁面過熱度小，壁面上沒有氣泡產(chǎn)生。當(dāng)加熱壁面的過熱度 ：t -4 C后，壁面上個(gè)別點(diǎn)（稱為汽化核心）開始產(chǎn)生氣泡，汽化核心的氣泡彼此互不干擾。隨著進(jìn)一步增加，汽化核心增加，氣泡互相影響，并會(huì)合成氣塊及氣柱。在這兩個(gè)區(qū)中，氣泡的擾動(dòng)劇烈，傳熱系數(shù)和熱流密度都急劇增

7、大。進(jìn)一步提高過，傳熱規(guī)律出現(xiàn)異乎尋常的變化。這是因?yàn)闅馀輩R聚覆蓋在加熱面上，而蒸汽排除過程越趨惡化。這時(shí)熱流密度達(dá)到最低，并且溫度達(dá)到了過熱度，是很不 穩(wěn)定的過程。II. 傳熱學(xué)與實(shí)際應(yīng)用1. 利用同一冰箱儲(chǔ)存相同的物質(zhì)時(shí)，試問結(jié)霜的冰箱耗電量大還是未結(jié)霜的冰箱耗電量大？答：當(dāng)其它條件相同時(shí)，冰箱的結(jié)霜相當(dāng)于在冰箱蒸發(fā)器和冰箱冷凍室（或冷藏室）之間增加了一個(gè)附加熱阻， 因此，要達(dá)到相同的制冷室溫度，必然要求蒸發(fā)器處于更低的溫度。所以，結(jié)霜的冰箱耗電量更大。2. 在深秋晴朗無風(fēng)的夜晚，草地會(huì)披上一身白霜，可是氣象臺(tái)的天氣報(bào)告卻說清晨最低溫度為2攝氏度，試解釋這種現(xiàn)象。答：可從輻射換熱以及熱平衡

8、溫度的角度來分析，由于存在大氣窗口 （紅外輻射能量透過大氣層時(shí)透過率較高的光譜段稱為大氣窗口），因此地面可與溫度很低的外太空可進(jìn)行輻射熱交換，這樣就有可能使地面的熱 平衡溫度低于空氣溫度3請(qǐng)說明在換熱設(shè)備中，水垢、灰垢的存在對(duì)傳熱過程會(huì)產(chǎn)生什么影響，如何防止。當(dāng)你設(shè)計(jì)一臺(tái)換熱器，如果預(yù)先考慮結(jié)垢的影響，換熱器面積將會(huì)比理想情況大還是??？答：從傳熱系數(shù)或傳熱熱阻角度分析。在換熱設(shè)備中，水垢、灰垢的存在將使系統(tǒng)中導(dǎo)熱熱阻大大增 力口，減小了傳熱系數(shù)，使換熱性能惡化，同時(shí)還使換熱面易于發(fā)生腐蝕，并減小了流體的流通截面，較 厚的污垢將使流動(dòng)阻力也增大。此外，熱流體側(cè)壁面結(jié)垢，會(huì)使壁面溫度降低，使換熱效

9、率下降，而冷 流體側(cè)壁面結(jié)垢，會(huì)導(dǎo)致壁溫升高，對(duì)于換熱管道，甚至造成爆管事故。防止結(jié)垢的手段有定期排污、 清洗、清灰，加強(qiáng)水處理，保證水質(zhì)，采用除塵、吹灰設(shè)備等。4. 一碗水放在空氣中散熱，其溫度隨時(shí)間的變化估計(jì)是何種趨勢(shì)？為什么？答：一碗水放在空氣中，將會(huì)與大氣進(jìn)行自然對(duì)流換熱和輻射對(duì)流換熱，開始溫度下降較快，而后逐漸變慢,最后趨于環(huán)境溫度。5為強(qiáng)化一臺(tái)冷油器的傳熱，有人用提高冷卻水流速的辦法，但發(fā)現(xiàn)效果并不顯著，試分析原因。答：冷油器中由于油的粘度較大，對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較小，占整個(gè)傳熱過程中熱阻的主要部分，而冷卻水的 對(duì)流換熱熱阻較小，不占主導(dǎo)地位，因而用提高水速的方法，只能減小不占主

10、導(dǎo)地位的水側(cè)熱阻，故效 果不顯著。6有一臺(tái)鋼制換熱器，熱水在管內(nèi)流動(dòng)，加熱管外空氣。有人提出，為提高加熱效果，采用管外加裝肋片并將 鋼管換成銅管。請(qǐng)你評(píng)價(jià)這一方案的合理性。答：該換熱器管內(nèi)為水的對(duì)流換熱，管外為空氣的對(duì)流換熱，主要熱阻在管外空氣側(cè)，因而在管外加裝肋片可強(qiáng) 化傳熱。注意到鋼的導(dǎo)熱系數(shù)雖然小于銅的，但該換熱器中管壁導(dǎo)熱熱阻不是傳熱過程的主要熱阻，因 而無需將鋼管換成銅管。7 干燥物料有很多種方式：比如熱風(fēng)干燥、微波干燥、紅外干燥等，目前常用的是熱風(fēng)干燥，但熱風(fēng)干燥的缺 點(diǎn)是耗能大、表面易起皮和開裂，試從傳熱傳質(zhì)的角度來分析這一現(xiàn)象答：熱量從高溫?zé)嵩匆愿鞣N方式傳遞給濕物料，使物料表面

11、濕分汽化并逸散到外部空間，從而在物料表面和內(nèi)部出現(xiàn)濕含量的差別。但是為了使內(nèi)部濕量逐步往外走，就要加大能耗，使的表面溫度更高，變干。8. 有人存在這樣的觀點(diǎn)：由于工質(zhì)冷凝和沸騰換熱系數(shù)很高，因此無需進(jìn)行沸騰和冷凝換熱強(qiáng)化答：隨著工業(yè)的發(fā)展，特別是高熱負(fù)荷的出現(xiàn)，相變傳熱(沸騰和凝結(jié))的強(qiáng)化日益受到重視并在工業(yè)上得到越來越多的應(yīng)用。一般認(rèn)為凝結(jié)換熱系數(shù)很高，可以不必采用強(qiáng)化措施。但對(duì)氟里昂蒸汽或有機(jī)蒸汽而言， 氟利昂是低沸點(diǎn)工質(zhì)，潛熱很小，沸騰換熱系數(shù)和它們的凝結(jié)換熱系數(shù)比水蒸氣小的多。9. 太陽能集熱器吸熱表面選用具有什么性質(zhì)的材料為宜？為什么？答：太陽能集熱器是用來吸收太陽輻射能的，因而其表

12、面應(yīng)能最大限度地吸收投射來的太陽輻射能，同時(shí)又保證得到的熱量盡少地散失，即表面盡可能少的向外輻射能。但太陽輻射是高溫輻射，輻射能量主要集中于短波光譜(如可見光)，集熱器本身是低溫輻射，輻射能量主要集中于長波光譜范圍(如紅外線)。所以集熱器表面應(yīng)選擇具備對(duì)短波吸收率很高，而對(duì)長波發(fā)射(吸收)率極低這樣性質(zhì)的材料。10. 為什么鍋爐中高溫過熱器一般采用順流式和逆流式混合布置的方式？答：因?yàn)樵谝欢ǖ倪M(jìn)出口溫度條件下，逆流的平均溫差最大，順流的平均溫差最小，即采用逆流方式有利于設(shè)備的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。但逆流式換熱器也有缺點(diǎn)，其熱流體和冷流體的最高溫度集中在換熱器的同一端，使得該處的壁溫較高，即這一端金屬材料要

13、承受的溫度高于順流型換熱器，不利于設(shè)備的安全運(yùn)行。所以高溫 過熱器一般采用順流式和逆流式混合布置的方式，即在煙溫較高區(qū)域采用順流布置，在煙溫較低區(qū)域采 用逆流布置。1. 有一臺(tái)1-2型管殼式換熱器(殼側(cè) 1程，管側(cè) 2程)用來冷卻 11號(hào)潤滑油。冷卻水在管內(nèi)流動(dòng)，IHt2 =20 C,t2 =5 C,流量為 3kg/s ;可認(rèn)為管殼式換熱器是一種交叉流換熱，熱油的進(jìn)出口溫度為：t1 -100 C,ti -60 C,k -350W/m2 C。試計(jì)算： 油的流量； 所傳遞的熱量； 所需的傳熱面積。解: (1) 油的流量： 查得潤滑油及水的比熱分別為：c仁2148 J/kg C； c2=4174 J

14、/kg CG2cAt23 江 4174 漢(50 20)G1匕 24.37(kg/s)則：cr：t12148 (100 -60)(2) 所傳遞的熱量：=G2c2心t2 =3漢4174 漢(50 20) =375.66(kW)(3) 所需的傳熱面積：ti = 1 -12 = 60 - 20 = 40 Ctr = t| -12 = 100-50 = 50 Ct| tr4050=tm t4044.8 CIn m tr50t； -t250-20P 0.375鮎-t；100-20t； -t；10060R ；1.333t； - t；50 - 20PR 二 1.333 0.375 二 0.5由圖 10-23

15、 :1 / R =1 /1.333 =0.75查得：-=0.9.：tm=44.8 X 0.9=40.32 C2. 壓力為1.5 X 105Pa的無油飽和水蒸汽在臥式殼管式冷凝器的殼側(cè)凝結(jié)。經(jīng)過處理的循環(huán)水在外徑為20mm厚為1mm的黃銅管內(nèi)流過，流速為1.4m/s，其溫度由進(jìn)口出處的 56C升高到出口處的 94C。黃銅管成叉排布置，在每一豎直排上平均布置 9根。冷卻水在管內(nèi)的流動(dòng)為兩個(gè)流程，管內(nèi)已積水垢。試確定所需的管長、管子數(shù)及 冷卻水量。=1.2 X 107W解：(1)平均傳熱溫差：由附錄10查得飽和蒸汽溫度為 111.32 C,則：= 32.72 (94 -5611132 -56 In1

16、1132 -94(2)管外凝結(jié)換熱系數(shù):設(shè)管外壁溫度 tw=105C，貝U tm=(111.32+105)/2=108.2 C由附錄查得凝結(jié)水物性參數(shù)：-=952.3(kg/m3) =0.685(W/m C)= 263.2 10 氣kg/m s)r =2235(kJ/kg)由公式6-4 :grP|%31h。=0.729 |d(ts -tw) n 一 =8809 (W/m 2C)(3)管內(nèi)換熱系數(shù)：t f=(56+94)/2=75C由附錄查得水物性參數(shù)： =0.671(W/m C);=0.39 10“(m2/s);2。,1/4= 0.729 壬叮上工進(jìn)L| 263.2 100.02(111.32

17、 -105) 91/4Pr =2.38扎0.80.4hi =0.023 Re f Prd/、0.8= 0.023 漢 0671 1.0.01_8 I 2.3804 =8552(W/m2C) 0.018 0.310 丿 熱阻:蒸汽側(cè)污垢熱阻：r 0=0.0001 ; 水側(cè)污垢熱阻：r i =0.0002管壁熱阻：(黃銅.=131 W/mC )d2d20.020.02InIn81 02 d121310.018(5)傳熱系數(shù):k 二1r0h0空In並2 d1h rihi1120 1、0.0001 8 10 0.0002 880918 85522由傳熱方程：q1=k . t n=1743X 32.72

18、=57030 (W/m C ) 由凝結(jié)換熱:q 2=h0. ：t=8809 X (111.32-105)=55673 (W/m q1與q2僅相差2 ;.上述計(jì)算有效。= 1743W/m2C)(6)傳熱面積：A hi；/(k ：tm) =1.2 107 / 1743 32.72 =210 m2冷卻水量：(查附錄 10： cp=4191 J/kgK )1.2 07cp t； -t2419194-56 _ 75.35kg/s(8)流動(dòng)截面：(查附錄G10： p=974.8 kg/m3)75.35-974.81 .4= 5.52104f門二二 d 2單程管數(shù):4 552102 =216.9 : 217

19、 (根) 3.1416 x 0.0182兩個(gè)流程共需管子 434根。A210管子長度：I 二一A2107.7 (m)n nd434 漢 3.1416 漢 0.023 一蒸汽管道的保溫層外包了油毛氈，表面溫度為330K,外徑為0.22m。該管道水平地穿過室溫為在房內(nèi)長度為6m試計(jì)算蒸汽管道在該房間內(nèi)的總散熱量。22 C的房間,57 + 22解：空氣定性溫度tf二一 一 =39 C,選取空氣的物性參數(shù)，2 =17.95 10“ , Pr=0.699, = 2.76* 10W/(m K),二 36272980G =g%Atd39.8/(373 + 39.5尸(57 22)漢0.223V2(17.95X0 )1/41/4Nu=0.48 (GrPr)=0.48 X( 36272980 X 0.699 )=34.06 h= Nu *d/ - =34.06 X 0.22/0.0276=271.5 W /(m K)0 =Ah ：t=3.14 X 0.22 X 6X 271.5 X (57-22)=39386W4.對(duì)于如圖所示的結(jié)構(gòu)，試計(jì)算下列情形下從小孔向外輻射的能量:(1)