傳熱學第四版完整版答案

1、傳熱學第四版完整版答案 第一章 思考題 1 試用簡練的語言說明導熱、對流換熱及輻射換熱三種熱傳遞方式之間的聯(lián)系和區(qū)別。 答：導熱和對流的區(qū)別在于：物體內(nèi)部依靠微觀粒子的熱運動而產(chǎn)生的熱量傳遞現(xiàn)象，稱為導熱；對流則是流體各部分之間發(fā)生宏觀相對位移及冷熱流體的相互摻混。聯(lián)系是：在發(fā)生對流換熱的同時必然伴生有導熱。 導熱、對流這兩種熱量傳遞方式，只有在物質(zhì)存在的條件下才能實現(xiàn)，而輻射可以在真空中傳播，輻射換熱時不僅有能 量的轉(zhuǎn)移還伴有能量形式的轉(zhuǎn)換。 2 以熱流密度表示的傅立葉定律、牛頓冷卻公式及斯忒藩玻耳茲曼定律是應當熟記的傳熱學公式。試寫出這三個公式并說明其中每一個符號及其意義。 答： 傅立葉定

2、律：dxdtq l - =，其中， q 熱流密度； l 導熱系數(shù)； dxdt沿 x 方向的溫度變化率，"'表示熱量傳遞的方向是沿著溫度降低的方向。 牛頓冷卻公式：) (f wt t h q - =，其中， q 熱流密度； h 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；wt固體表面溫度；ft流體的溫度。 斯忒藩玻耳茲曼定律：4t q s =，其中， q 熱流密度； s 斯忒藩玻耳茲曼常數(shù)；t 輻射物體的熱力學溫度。 3 導熱系數(shù)、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)及傳熱系數(shù)的單位各是什么？哪些是物性參數(shù)，哪些與過程有關？ 答： 導熱系數(shù)的單位是：w/(m.k)； 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的單位是：w/(m2 .k)； 傳熱系數(shù)的單位是：w

3、/(m2 .k)。這三個參數(shù)中，只有導熱系數(shù)是物性參數(shù)，其它均與過程有關。 4 當熱量從壁面一側的流體穿過壁面?zhèn)鹘o另一側的流體時，冷、熱流體之間的換熱量可以通過其中任何一個環(huán)節(jié)來計算（過程是穩(wěn)態(tài)的），但本章中又引入了傳熱方程式，并說它是"換熱器熱工計算的基本公式'。試分析引入傳熱方程式的工程實用意義。 答：因為在許多工業(yè)換熱設備中，進行熱量交換的冷、熱流體也常處于固體壁面的兩側，是工程技術中經(jīng)常遇到的一種典型熱量傳遞過程。 5 用鋁制的水壺燒開水時，盡管爐火很旺，但水壺仍然安然無恙。而一旦壺內(nèi)的水燒干后，水壺很快就燒壞。試從傳熱學的觀點分析這一現(xiàn)象。 答：當壺內(nèi)有水時，可以對

4、壺底進行很好的冷卻（水對壺底的對流換熱系數(shù)大），壺底的熱量被很快傳走而不至于溫度升得很高；當沒有水時，和壺底發(fā)生對流換熱的是氣體，因為氣體發(fā)生對流換熱的表面換熱系數(shù)小，壺底的熱量不能很快被傳走，故此壺底升溫很快，容易被燒壞。 6 用一只手握住盛有熱水的杯子，另一只手用筷子快速攪拌熱水，握杯子的手會顯著地感到熱。試分析其原因。 答：當沒有攪拌時，杯內(nèi)的水的流速幾乎為零，杯內(nèi)的水和杯壁之間為自然對流換熱，自熱對流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)小，當快速攪拌時，杯內(nèi)的水和杯壁之間為強制對流換熱，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大，熱水有更多的熱量被傳遞到杯壁的外側，因此會顯著地感覺到熱。 7 什么是串聯(lián)熱阻疊加原則，它在什么前提下

5、成立？以固體中的導熱為例，試討論有哪些情況可能使熱量傳遞方向上不同截面的熱流量不相等。 答：在一個串聯(lián)的熱量傳遞過程中，如果通過每個環(huán)節(jié)的熱流量都相同，則各串聯(lián)環(huán)節(jié)的總熱阻等于各串聯(lián)環(huán)節(jié)熱阻的和。例如：三塊無限大平板疊加構成的平壁。例如通過圓筒壁，對于各個傳熱環(huán)節(jié)的傳熱面積不相等，可能造成熱量傳遞方向上不同截面的熱流量不相等。 8.有兩個外形相同的保溫杯 a 與 b，注入同樣溫度、同樣體積的熱水后不久，a 杯的外表面就可以感覺到熱，而 b 杯的外表面則感覺不到溫度的變化，試問哪個保溫杯的質(zhì)量較好？ 答：杯子的保溫質(zhì)量好。因為保溫好的杯子熱量從杯子內(nèi)部傳出的熱量少，經(jīng)外部散熱以后，溫度變化很小，

6、因此幾乎感覺不到熱。 能量平衡分析 1-1 夏天的早晨，一個大學生離開宿舍時的溫度為 20。他希望晚上回到房間時的溫度能夠低一些， 于是早上離開時緊閉門窗，并打開了一個功率為 15w 的電風扇，該房間的長、寬、高分別為 5m、3m、2.5m。如果該大學生 10h 以后回來，試估算房間的平均溫度是多少？ 解：因關閉門窗戶后，相當于隔絕了房間內(nèi)外的熱交換，但是電風扇要在房間內(nèi)做工產(chǎn)生熱量：為j 540000 3600 10 15 ´ ´全部被房間的空氣吸收而升溫，空氣在 20時的比熱為：1.005kj/kg.k,密度為 1.205kg/m3 ,所以89 . 11005 . 1

7、205 . 1 5 . 2 3 510 5400003=´ ´ ´ ´´= d-t 當他回來時房間的溫度近似為 32。 1-2 理發(fā)吹風器的結構示意圖如附圖所示，風道的流通面積2260cm a =，進入吹風器的空氣壓力kpa p 100 =，溫度251= t。要求吹風器出口的空氣溫度472= t，試確定流過吹風器的空氣的質(zhì)量流量以及吹風器出口的空氣平均速度。電加熱器的功率為 1500w。 解： 1-3 淋浴器的噴頭正常工作時的供水量一般為每分鐘31000cm。冷水通過電熱器從 15被加熱到43。試問電熱器的加熱功率是多少？為了節(jié)省能源，有人提出

8、可以將用過后的熱水（溫度為 38）送入一個換熱器去加熱進入淋浴器的冷水。如果該換熱器能將冷水加熱到 27，試計算采用余熱回收換熱器后洗澡 15min 可以節(jié)省多少能源？ 解：電熱器的加熱功率： kw wt cm qp 95 . 1 6 . 195060) 15 43 ( 10 1000 10 10 18 . 46 3 3= =- ´ ´ ´ ´ ´=d= =-t t 15 分鐘可節(jié)省的能量： kj j t cm q 4 . 752 752400 ) 15 27 ( 15 10 1000 10 10 18 . 46 3 3= = - ´

9、 ´ ´ ´ ´ ´ = d =- 1-4 對于附圖所示的兩種水平夾層，試分析冷、熱表面間熱量交換的方式有何不同？如果要通過實驗來測定夾層中流體的導熱系數(shù)，應采用哪一種布置？ ： 解：（a）中熱量交換的方式主要為熱傳導。 （b）熱量交換的方式主要有熱傳導和自然對流。 所以如果要通過實驗來測定夾層中流體的導熱系數(shù)，應采用（a）布置。 1-5 一個內(nèi)部發(fā)熱的圓球懸掛于室內(nèi)，對于附圖所示的三種情況，試分析：（1）圓球表面散熱的方式；（2）圓球表面與空氣之間的換熱方式。 ： 解：（2）圓球為表面?zhèn)鳠岱绞缴帷?（1）換熱方式：（a）自然對流換熱；（b）

10、自然對流與強制對流換熱相當?shù)倪^渡流傳熱；（c）強制對流換熱； 1-6 一宇宙飛船的外形示于附圖中，其中外遮光罩是凸出于飛船體之外的一個光學窗口，其表面的溫度狀態(tài)直接影響到飛船的光學遙感器。船體表面各部分的表面溫度與遮光罩的表面溫度不同。試分析，飛船在太空中飛行時與遮光罩表面發(fā)生熱交換的對象可能有哪些？換熱的方式是什么？ 解：一遮光罩與外界發(fā)生輻射換熱及遮光罩外表與船體外表進行輻射。傳熱方式為（輻射） 1-7 熱電偶常用來測量氣流溫度。如附圖所示，用熱電偶來測量管道中高溫氣流的溫度 t f ,壁管溫度f wt t <。試分析熱電偶結點的換熱方式。 解：具有管道內(nèi)流體對節(jié)點的對流換熱，沿偶絲

11、到節(jié)點的導熱和管道內(nèi)壁到節(jié)點的熱輻射。 1-8 熱水瓶膽剖面的示意圖如附圖所示。瓶膽的兩層玻璃之間抽成真空，內(nèi)膽外壁及外膽內(nèi)壁涂了反射率很低的銀。試分析熱水瓶具有保溫作用的原因。如果不小心破壞了瓶膽上抽氣口處的密閉性，這會影響保溫效果嗎？ 解：保溫作用的原因：內(nèi)膽外壁外膽內(nèi)壁涂了反射率很低的銀，則通過內(nèi)外膽向外輻射的熱量很少，抽真空是為了減少內(nèi)外膽之間的氣體介質(zhì)，以減少其對流換熱的作用。如果密閉性破壞，空氣進入兩層夾縫中形成了內(nèi)外膽之間的對流傳熱，從而保溫瓶的保溫效果降低。 導熱 1-9 一磚墻的表面積為 122m，厚為 260mm，平均導熱系數(shù)為 1.5w/（m.k）。設面向室內(nèi)的表面溫度為

12、 25，而外表面溫度為-5，試確定次磚墻向外界散失的熱量。 解：根據(jù)傅立葉定律有： wta 9 . 207626 . 05 ) ( 2512 5 . 1 =- -´ ´ =d= fdl 1-10 一爐子的爐墻厚 13cm，總面積為 202m，平均導熱系數(shù)為 1.04w/m.k，內(nèi)外壁溫分別是 520及 50。試計算通過爐墻的熱損失。如果所燃用的煤的發(fā)熱量是 2.09104kj/kg，問每天因熱損失要用掉多少千克煤？ 解：根據(jù)傅利葉公式 kwt aq 2 . 7513 . 0) 50 520 ( 20 04 . 1=- ´ ´=d=dl 每天用煤 d kg

13、 / 9 . 31010 09 . 22 . 75 3600 244=´´ ´ 1-11 夏天，陽光照耀在一厚度為 40mm 的用層壓板制成的木門外表面上，用熱流計測得木門內(nèi)表面熱流密度為 15w/m2 。外變面溫度為 40，內(nèi)表面溫度為 30。試估算此木門在厚度方向上的導熱系數(shù)。 解： dltqd=，) . /( 06 . 030 4004 . 0 15k m wtq=-´=d=dl 1-12 在一次測定空氣橫向流過單根圓管的對流換熱實驗中，得到下列數(shù)據(jù)：管壁平均溫度 t w =69，空氣溫度 t f =20，管子外徑 d=14mm，加熱段長 80mm

14、，輸入加熱段的功率 8.5w，如果全部熱量通過對流換熱傳給空氣，試問此時的對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)多大？ 解：根據(jù)牛頓冷卻公式 ( )f wt t rlh q - = p 2 所以 ( )f wt t dqh-=p49.33w/(m2.k) 1-13 對置于水中的不銹鋼束采用電加熱的方法進行壓力為 1.013pa510 ´的飽和水沸騰換熱實驗。測得加熱功率為 50w，不銹鋼管束外徑為 4mm，加熱段長 10mm，表面平均溫度為 109。試計算此時沸騰換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。 解：根據(jù)牛頓冷卻公式有 t ahd = f 2 . 4423 =df= t ahw/(m2.k) 1-14 一長寬各為

15、 10mm 的等溫集成電路芯片安裝在一塊地板上，溫度為 20的空氣在風扇作用下冷卻芯片。芯片最高允許溫度為 85，芯片與冷卻氣流間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為 175 w/(m2.k)。試確定在不考慮輻射時芯片最大允許功率時多少？芯片頂面高出底板的高度為 1mm。 解：( ) ( ) ´ ´ ´ + ´ ´ = d = f 001 . 0 01 . 0 4 01 . 0 01 . 0 . / 1752maxk m w t ha(85-20) 1.5925w 1-15 用均勻的繞在圓管外表面上的電阻帶作加熱元件，以進行管內(nèi)流體對流換熱的實驗，如附圖所示。用功

16、率表測得外表面加熱的熱流密度為 3500w/2m；用熱電偶測得某一截面上的空氣溫度為45，內(nèi)管壁溫度為 80。設熱量沿徑向傳遞，外表面絕熱良好，試計算所討論截面上的局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。圓管的外徑為 36mm，壁厚為 2mm。 解：由題意 3500w/´ ´ = ´ rl h rl m p p 2 22（80-45） 又 r=d - r=(18-2)mm=16mm 5 . 112 = h w/(m2.k) 1-16 為了說明冬天空氣的溫度以及風速對人體冷暖感覺的影響，歐美國家的天氣預報中普遍采用風冷溫度的概念（wind-chill temperature）。風冷溫度是

17、一個當量的環(huán)境溫度，當人處于靜止空氣的風冷溫度下時其散熱量與人處于實際氣溫、實際風速下的散熱量相同。從散熱計算的角度可以將人體簡化為直徑為 25cm、高 175cm、表面溫度為 30的圓柱體，試計算當表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為( ) k m w2/ 15時人體在溫度為 20的靜止空氣中的散熱量。如果在一個有風的日子，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增加到( ) k m w2/ 50，人體的散熱量又是多少？此時風冷溫度是多少？ 輻射 1-17 有兩塊無限靠近的黑體平行平板，溫度分別為2 1 ,tt。試按黑體的性質(zhì)及斯藩-玻爾茲曼定律導出單位面積上輻射換熱量的計算式。（提示：無限靠近意味著每一塊板發(fā)出的輻射能全部落到另一塊板上。

18、） 解：由題意 41 1t qfs =; 42 2t qfs =; 兩板的換熱量為 ) (4241t t q - = s 1-18 宇宙空間可近似地看成為 0k 的真空空間。一航天器在太空中飛行，其外表面平均溫度為 250，表面發(fā)射率為 0.7，試計算航天器單位表面上的換熱量。 解：4t q es =0.7155 250 ) . /( 10 67 . 54 4 2 8= ´ ´ ´-k m ww/2m 1-19 在 1-14 題目中，如果把芯片及底板置于一個封閉的機殼內(nèi)，機殼的平均溫度為 20，芯片的表面黑度為 0.9，其余條件不變，試確定芯片的最大允許功率。 解

19、：( ) 00014 . 0 ) 273 20 ( ) 273 85 ( 10 67 . 5 9 . 04 4 84241´ + - + ´ ´ - = f-輻射t t a s e p輻射 對流 ff1.657w 1-20 半徑為 0.5 m 的球狀航天器在太空中飛行，其表面發(fā)射率為 0.8。航天器內(nèi)電子元件的散熱總共為 175w。假設航天器沒有從宇宙空間接受任何輻射能量，試估算其表面的平均溫度。 解：電子原件的發(fā)熱量航天器的輻射散熱量即：4t q es = 4aqtes= =187k 熱阻分析 1-21 有 一 臺 氣 體 冷 卻 器 ， 氣 側 表 面 傳 熱

20、 系 數(shù)1h 95w/(m2.k) ， 壁 面 厚 d 2.5mm ，) . /( 5 . 46 k m w = l水側表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)58002= hw/(m2.k)。設傳熱壁可以看成平壁，試計算各個環(huán)節(jié)單位面積的熱阻及從氣到水的總傳熱系數(shù)。你能否指出，為了強化這一傳熱過程，應首先從哪一環(huán)節(jié)著手？ 解：; 010526 . 0111= =hr; 10 376 . 55 . 460025 . 052-´ = = =ldr; 10 724 . 158001 1423-´ = = =hr 則ld+ +=2 11 11h hk94.7) . /(2k m w，應強化氣體側表面?zhèn)鳠帷?1-22 在上題中，如果氣側結了一層厚為 2mm 的灰，) . /( 116 . 0 k m w = l;水側結了一層厚為 1mm 的水垢) . /( 15 . 1 k m w = l。其他條件不變。試問此時的總傳熱系數(shù)為多少？ 解：由題意