傳熱學第四版第一章

1、頁眉第一章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外的熱交換，但是電風扇要在房間內做工產生熱量：為 15 10 3600540000J 全部被房間的空氣吸收而升溫，空氣在20時的比熱為：t54000010 311.895 32.51.2051.0051.005KJ/Kg.K, 密度為 1.205Kg/m 3,所以當他回來時房間的溫度近

2、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A260cm2，進入吹風器的空氣壓力 p100kPa ，溫度 t1 25 。要求吹風器出口的空氣溫度t 247 ，試確定流過吹風器的空氣的質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1000cm3 。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

3、：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 一個內部發(fā)熱的圓球懸掛于室內，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?。?）換熱方式：（ a）自然對流換熱； （ b）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

4、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Tf,壁管溫度 Tw T f 。試分析熱電偶結點的換熱方式。解：具有管道內流體對節(jié)點的對流換熱，沿偶絲到節(jié)點的導熱和管道內壁到節(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

5、空， 內膽外壁及外膽內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1 / 7頁眉口處的密閉性，這會影響保溫效果嗎？解：保溫作用的原因：內膽外壁外膽內壁涂了反射率很低的銀，則通過內外膽向外輻射的熱量很少， 抽真空是為了減少內外膽之間的氣體介質，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12 m2 ，厚為 260mm ，平均導熱系數(shù)為1.5W/（ m.K ）。設面向室內的表面溫度為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：A

6、 t 1.5 12 25 ( )5 2076.9W 0.261-10 一爐子的爐墻厚13cm，總面積為 20 m 2，平均導熱系數(shù)為1.04w/m.k ，內外壁溫分別是 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2.09× 104kJ/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QAt1.04 20 (52050)0.1375.2KW每天用煤24360075.2310.9Kg / d2.0910 41-11 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表面熱流密度為15W/m 2。外變面溫度為40，內表面溫度

7、為30。試估算此木門在厚度方向上的導熱系數(shù)。qtq150.04t400.06W /(m.K )解：，301-12 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tw=69 ，空氣溫度 tf=20 ，管子外徑 d=14mm ，加熱段長 80mm，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q 2rlh t wt fhqd t w t f2所以.k)49.33W/(m105 Pa 的飽和水沸騰換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1.013熱實驗。測得加熱功率為50W ，不銹

8、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AhthAt4423.22W/(m.K)1-14 一長寬各為 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1752W/(m.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：max hA t 175W / m 2.K0.01 0.01 4 0.01 0.001(85 -20 ) 1.5925W1-15 用均勻的繞在圓管外表面上的電阻帶作加熱

9、元件，以進行管內流體對流換熱的實驗，如附圖所示。用功率表測得外表面加熱的熱流密度為3500W/ m 2 ；用熱電偶測得某一截面2 / 7頁眉上的空氣溫度為45，內管壁溫度為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/ m 22 Rlh2 rl（ 80-45）又r=(18-2)mm=16mmh 112.5 W/(m 2 .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 ）。風冷溫度是一個當量的環(huán)境

10、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 15W / m2 K 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 50W / m2 K，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T1 , T2 。試按黑體的性質及斯藩-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。 ）解： 由題意q1 fT

11、14;q2 fT24;兩板的換熱量為q(T14T24 )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： qT 4=0.75.6710 8W /(m2 .K 4 ) 2504155 W/ m 21-19在 1-14 題目中，如果把芯片及底板置于一個封閉的機殼內，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：輻射AT14T24 0.9 5.6710 8(85273) 4(20273) 4 0.00014P對流輻射 1.657W1-20半徑為

12、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：QT 4T4QA=187K熱阻分析1-21有一臺氣體冷卻器，氣側表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h1 95W/(m2 2.5mm ，.K) ，壁面厚46.5W /( m.K )水側表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h258002W/(m .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：R110.010526; R20.00255

13、.376105; R3111.724 10 4 ;h146.5h258003 / 7頁眉K111則h1h2 94.7W /(m2 .K ) ，應強化氣體側表面?zhèn)鳠帷?-22 在上題中，如果氣側結了一層厚為2mm 的灰，0.116W /(m.K ) ;水側結了一層厚為 1mm 的水垢1.15W /( m.K ) 。其他條件不變。試問此時的總傳熱系數(shù)為多少？解：由題意得K11110.0020.00250.00111123h1123h2950.11646.51.155800 34.6W /(m2 .K )1-23 在鍋爐爐膛的水冷壁管子中有沸騰水流過，以吸收管外的火焰及煙氣輻射給管壁的熱量。試針對下

14、列三種情況，畫出從煙氣到水的傳熱過程的溫度分布曲線：（ 1） 管子內外均干凈；（ 2） 管內結水垢，但沸騰水溫與煙氣溫度保持不變；（ 3） 管內結水垢，管外結灰垢，沸騰水溫及鍋爐的產氣率不變。解：1-24 在附圖所示的穩(wěn)態(tài)熱傳遞過程中，已知：t w1 460 ， t f 2 300 ， 1 5 mm ，20.5 mm， 1246.5 W/(m.K) ， 21.16 W/(m.K), h2 5800 W/(m .K) 。試計算單位面積所傳遞的熱量。解：由題意得RZ1120.00071h112qttwt fRZRZ=225.35KW1-25 在工程傳熱問題的分析中定性地估算換熱壁面的溫度工況是很有

15、用的。對于一個穩(wěn)態(tài)的傳熱過程，試概括出通過熱阻以估計壁面溫度工況的簡明法則。解：因為穩(wěn)態(tài)傳熱所以通過每個截面的熱流量都相等， 熱阻越小的串聯(lián)環(huán)節(jié)溫降小， 則換熱壁面溫度越趨于接近，否則溫差較大。傳熱過程及綜合分析1-26 有一臺傳熱面積為12 m2的氨蒸發(fā)器， 氨液的蒸發(fā)溫度為 0，被冷卻水的進口溫度為9.7，出口溫度為5，蒸發(fā)器中的傳熱量為69000W，試計算總傳熱系數(shù)。解：由題意得tt1t22 7.354 / 7頁眉又KA tK A t 782.3W /(m2 .K )t f 1，室外溫度為tf 2，試在該兩溫度保持不變的條件下，畫出下1-27 設冬天室內的溫度為列三種情形從室內空氣到室外

16、大氣溫度分布的示意性曲線：（ 1）室外平靜無風；（ 2）室外冷空氣以一定流速吹過磚墻表面；（ 3）除了室外刮風以外，還要考慮磚墻與四周環(huán)境間的輻射換熱。解t f 1t f 21-28對于圖 1-4 所示的穿過平壁的傳熱過程，試分析下列情形下溫度曲線的變化趨向：（ 1）/0 ；（ 2） h1；（ 3） h2。t f 1t f 21-29在上題所述的傳熱過程中，假設/0 ，試計算下列情形中分隔壁的溫度：（ 1）h1h2 ；（ 2） h12h2 ; (3)h10.5h2。解：0;t w1t w2又Ah1 tw1t f 2Ah2 tw 2t f 2t f 1t f 2t w1tw 22(1)h1 h2

17、 時t w1t w22t f 1t f 2（ 2） h12h23時（ 3） h11-30 設圖1-40.08m,t f 1t w1t f 12t f 2t w230.5h2 時所示壁面兩側分別維持在20及 0 ，且高溫側受到流體的加熱，1000 C, h1200W /(m2 .K ) ,過程是穩(wěn)態(tài)的， 試確定壁面材料的導熱系數(shù)。qh1 t f 1tw1tw1 t w2解：5 / 7頁眉h1 t f 1tw1t w1tw2 64W /( m.K )1-31 附圖所示的空腔由兩個平行黑體表面組成，空腔內抽成真空，且空腔的厚度遠小于其高度與寬度。其余已知條件如圖示。表面2 是厚為0.1m 的平板的一

18、側面，其另一側表面 3 被高溫流體加熱，平板的導熱系數(shù)17.5W /( m.K ) 。試問在穩(wěn)態(tài)工況下表面3 的溫度 tw3 為多少？解：在穩(wěn)態(tài)工況下因為A t w3t w2A Tw 2 4Tw14Tw24Tw14t w3t w2 132.671-32 一玻璃窗，尺寸為 60 cm30cm，厚為 4 mm。冬天，室內及室外溫度分別為20及-20，內表面的自然對流換熱表面系數(shù)為 W，外表面強制對流換熱表面系數(shù)為50W /(m.K ) 。玻璃的導熱系數(shù)0.78W /( m.K ) 。試確定通過玻璃的熱損失。T11解：h1 A Ah2 A 57.5W厚為 200 mm，其中一面墻的高與寬各為 3 m

19、1-33一個儲存水果的房間的墻用軟木板做成，及 6 m 。冬天設室內溫度為2，室外為-10，室內墻壁與環(huán)境之間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為6 W /( m.K ) , 室 外 刮 強 風 時 的 表 面 傳 熱 系 數(shù) 為60 W /(m.K ) 。 軟 木 的 導 熱 系 數(shù)0.044W /(m.K ) 。試計算通過這面墻所散失的熱量，并討論室外風力減弱對墻散熱量的影響（提示：可以取室外的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)值為原來的二分之一或四分之一來估算）。解：由題意T11hN1 A AhWA=45.67W當室外風力減弱時hW230 W/(m .K)T11hN1 AAhW A 45.52W單位換算1-34一臺 R22 的空

20、調器的冷凝器如附圖所示。溫度為313K 的氟利昂22 的飽和蒸氣在管子內流動，溫度為283K的空氣進入冷凝器冷卻氟利昂蒸氣使其凝結。該冷凝器的迎風面積為 0.4m2，迎面風速為2m/ s。氟利昂蒸氣的流量為0.011kg / s ，從凝結氟利昂蒸氣到空氣的總傳熱系數(shù)為40W / m2 K ,試確定該冷凝器所需的傳熱面積。提示：以空氣進、出口溫度的平均值作為計算傳熱溫差的空氣溫度。所謂迎風面積是指空氣進入冷凝器之前的流動面積。1-35.一戰(zhàn)車的齒輪箱外表面積為0.2 ，為安全需要， 其最高溫度不超過65，為此用 25的冷空氣強制對流流過此表面。該齒輪箱在穩(wěn)態(tài)運行時消耗的機械能為1000W 。假定

21、這份6 / 7頁眉能量全部通過對流傳熱散失到環(huán)境中，所需的對流傳熱系數(shù)應多大？如果齒輪箱四周的固體表面平均溫度為30，試分析通過輻射傳熱最多可以帶走多少熱量？齒輪箱表明的發(fā)射率可取為 0.85。解：1-36.航空噴氣發(fā)動機的工作葉片與高溫的燃氣相接觸，為了使葉片金屬的溫度不超過允許數(shù)值， 常在葉片中間鑄造出冷卻通道， 從壓氣機出口抽出一小部分冷空氣進入這些通道。 附圖中示意性地畫出了這樣的葉片的截面。現(xiàn)在給出以下數(shù)據(jù)：空心葉片內表面面積A i=200mm2， 冷 卻空 氣 的 平 均 溫 度 t=700，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)hi =320W/(m2*K) ；面積fio2 的葉片外表面與平均溫度為 1000的燃氣接觸，平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)A =2840mmho=1420W/(m 2*K) 。此時葉片外表面溫度為820，內表面溫度為790。試分析此時該葉片內的導熱是否處于穩(wěn)態(tài)？解：1-37.一宇航員在太空模擬艙內工作（檢測儀器儀表的工作性能），該模擬艙外表面面積為3，外表面溫度為0，表面發(fā)射率為0.05。模擬艙位于表面溫度為-100 的人工環(huán)境的大殼體內。 此時模擬艙內的溫度保