傳熱學(xué)(高起專)試卷及答案

傳熱學(xué)（高起專）-學(xué)習(xí)指南一、 （10分）夏季在維持20°C的室內(nèi)工作，穿單衣感到舒適，而冬季在保持22°C的室內(nèi)工作時(shí)，卻必須穿絨衣才覺得舒服。試從傳熱的觀點(diǎn)分析原因。二、 （12分）夏天，一置于室外的球形液氯罐，罐內(nèi)液體溫度保持在-196°CO球罐外直徑為2m.其外包有厚為30cm的保溫層。由于某種原因，該保溫材料的保溫性能變差，其平均導(dǎo)熱系數(shù)為0.6W/（m?K）。環(huán)境氣溫高達(dá)40°C,罐外空氣與保溫層間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為5W/（m2?K）。試計(jì)算通過保溫層的熱損失并判斷保溫層外是否結(jié)霜?假定球罐外壁溫與罐內(nèi)液體溫度相等。三、 （10分）銅和混凝土在溫度為23°C的房間中已經(jīng)放置很久。用手分別接觸這兩種材料，問哪一塊材料使人感覺更涼?假定材料可當(dāng)作半無限大物體，人手的溫度為37°Co四、 （12分）二維、無內(nèi)熱源常物性的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題具有對流邊界條件的外角頂如下圖所示。試列出角頂0點(diǎn)的顯式離散方程，并指出其穩(wěn)態(tài)性判據(jù)（設(shè)Aa-=Ay）o五、 （10分）對管內(nèi)強(qiáng)制對流換熱，為何釆用短管和彎管可以強(qiáng)化流體的換熱？六、 （12分）壓力為1.013X10'Pa的飽和水蒸氣，用壁溫為90°C的水平銅管來凝結(jié)。有兩種方案可以考慮：用一根直徑為10cm的銅管；或用10根直徑為lcm的銅管。若兩種方案的其他條件均相同，要使產(chǎn)生的凝液量最多，應(yīng)釆取哪種方案?這一結(jié)論與蒸氣壓力和銅管壁溫是否有關(guān)？七、 （12分）白天，投射到一大的水平民頂上的太陽照度Gs=1100W/m2,室外空氣溫度S=27°C,有風(fēng)吹過時(shí)空氣與屋頂?shù)谋砻鎮(zhèn)鳠嵯禂?shù)為h=25W/（m2?K）,屋頂下表面絕熱，上表面發(fā)射率w=0.2,且對太陽輻射的吸收比匕=0.6。求穩(wěn)定狀態(tài)下屋頂?shù)臏囟?。設(shè)太空溫度為絕對零度。八、 （10分）試解釋下列名詞（1）重輻射面；（2）遮熱板。九、 （12分）野外工作者常用紙制容器燒水。設(shè):厚為0.2mm的紙的導(dǎo)熱系數(shù)為0.9W/（m?K）,水在大氣壓力下沸騰，水側(cè)沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為2400W/（m240。容器用1100°C的火焰加熱，火焰與紙面的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為95W/（m2?K）。若紙的耐火溫度為200°C。試證明該紙質(zhì)容器能耐火。

十、（10分）冬天，經(jīng)過在白天太陽底下曬過的棉被，晚上蓋起來感到很暖和,并且經(jīng)過拍打以后，效果更加明顯。試解釋原因。十一、（12分）在用穩(wěn)態(tài)平板法測定固體材料導(dǎo)熱系數(shù)的裝置中?試件做成圓形平板，試件厚度5遠(yuǎn)小于其直徑d。通過試件的熱流量0=6OW,用熱電偶測得冷熱表面溫度分別為tL180°C,t2=30°Co由于安裝不好，試件和冷、熱表面之間均存在4=0?1〃皿的間隙，如下圖所示。試確定由此帶來的測量誤差？11冷表面/w-q— d-120mm |j熱表面-I441r十二、（10分）無內(nèi)熱源，常物性二維導(dǎo)熱物體在某一瞬時(shí)的溫度分布為r=2/cos%。試說明該導(dǎo)熱物體在x=0,y二1處的溫度是隨時(shí)間增加逐漸升高,還是逐漸降低。十三、（12分）如下圖所示，一等截面直肋，高為H=45mm,厚5=10〃伽，肋根溫?to=100°C?流體溫度tf=20°C,表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h=50W/（m"?K）,肋片導(dǎo)熱系數(shù)2=50W/（m?K）,設(shè)肋端絕熱，將它分成四個(gè)節(jié)點(diǎn)。試列出節(jié)點(diǎn)2、3、4的離散方程式，并計(jì)算其溫度。十四、（10分）對流換熱邊界層微分方程組是否適用于粘度很大的油和Pr數(shù)很小的液態(tài)金屬？為什么？十五、（12分）壓力為0.7X105Pa的飽和水蒸氣，在高為0.3m,壁溫為70°C的堅(jiān)直平板上發(fā)生膜狀凝結(jié)，求平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)及平板每米寬的凝液量。

十六、（12）已知太陽可視為溫度Ts=5800K的黑體。某選擇性表面的光譜吸收比隨波長兄變化的特性如下圖所示。當(dāng)太陽的投入輻射Gs=800W/m:時(shí)，試計(jì)算該表面對太陽輻射的總吸收比及單位面積上所吸收的太陽能量。十七、（10分）黑體表面與重輻射面相比，均有J=E0O這是否意味著黑體表面與重輻射面具有相同的性質(zhì)？十八、（12分）對殼管式換熱器來說，兩種流體在下列情況下，何種走管內(nèi)，何種走管外？（1）清潔與不清潔的；（2）腐蝕性大與小的；（3）溫度高與低的；（4）壓力大與小的；（5）流量大與小的；（6）粘度大與小的。十九、（10分）冬天，在相同的室外溫度條件下，為什么有風(fēng)比無風(fēng)時(shí)感到更冷些？二十、（12分）一建筑物的墻壁由如下圖所示的空心磚砌成。設(shè)該磚混凝土導(dǎo)熱系數(shù)為0.8W/（m?K）,空氣當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)為0.28W/（m?K）,設(shè)溫度只沿墻壁厚度x方向發(fā)生變，室內(nèi)溫度為25°C,表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為10W/（m2?K）,室外空氣溫度為零下10°C,表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為20W/（m2.K）o求通過每塊磚的導(dǎo)熱量。二十一、（10分）兩塊厚度為30mm的無限大平板，初始溫度為20°C,分別用銅和鋼制成。平板兩側(cè)表面的溫度突然上升到60°C,試計(jì)算使兩板中心溫度均上升到56°C時(shí)兩板所需時(shí)間之比。銅和鋼的熱擴(kuò)散率分別為103X10喘/s,12.9X106m-/So二十二、（12分）對下圖所示的圓截面直肋的一維穩(wěn)態(tài)、無內(nèi)熱源、常物性導(dǎo)熱問題、試分別列出內(nèi)節(jié)點(diǎn)閉m和端部節(jié)點(diǎn)M的離散方程式。己知圓截面直徑為do二十三、（10分）試比較推則數(shù)Nu和Bi的異同。二十四、（12分）一豎管，管長為管徑的64倍。為使管子豎放與水平放置時(shí)的凝結(jié)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)相等，必須在豎管上安裝多少個(gè)泄液盤?設(shè)相鄰泄液盤之間距離相等。二十五、（12分）從太陽投射到地球大氣層外緣的輻射能量經(jīng)準(zhǔn)確測定為1353W/m2,太陽直徑為1.39xl09m,地球直徑為1.29x10%,兩者相距1.5x10%。若認(rèn)為太陽是黑體，試估計(jì)其表面溫度。二十六、（10分）試解釋下列名詞（1）有效輻射；（2）表面輻射熱阻。二十七、（12分）某廠由于生產(chǎn)需要，將冷卻水以20X10^25X103kg/h的質(zhì)量流量向距離3km的車間供應(yīng)，供水管道外直徑為160mmc為防止冬天水在管道內(nèi)結(jié)冰，在管道外包裹導(dǎo)熱系數(shù)久=0.12W/（m?K）的瀝青蛭石管殼。保溫層外表面的復(fù)合換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h0=35W/（m:?K）。該廠室外空氣溫度達(dá)-15°C,此時(shí)水泵的出口水的溫度為4°C。試確定為使冷卻水不結(jié)冰的最小保溫層厚度。忽略管壁熱阻及管內(nèi)水的對流換熱熱阻。參考答案解首先，冬季和夏季的最人區(qū)別是室外溫度的不同。夏季室外溫度比室內(nèi)氣溫高,因此通過墻壁的熱量傳遞方向是出室外傳向室內(nèi)。而冬季室外氣溫比室內(nèi)低，通過墻壁的熱屋傳遞方向是由室內(nèi)傳向室外。因此冬季和夏季墻壁內(nèi)表面溫度不同，夏季高而冬季低。因此，盡管冬季室內(nèi)溫度（22°C）比夏季略高（20°C）,但人體在冬季通過輻射與墻壁的散熱比夏季高很多。而根據(jù)人體對冷感的感受主要是散熱量的原理，在冬季散熱屋大，因此要穿厚一些的絨衣。二、30cm"=一196匸di=2二、30cm"=一196匸di=2OOOmrr.習(xí)=-4orA=5W/(m2*K)解由題意，如上圖所示。通過球罐的熱流量1fl1x~ 1融UVMX即：“ "嚴(yán).二 4亍伴十196) =5陽6W即：融(〒人"西q3x(TT3)+13^所以t=g—=40 翠彎..—-[SS3V所以杯｛^rlh 4irxi.32x5 ZV因此，該球罐外表面已結(jié)霜。三、解手揩的感覺與其感受到的熱流密度有關(guān)。而由教材(3-43.)式，有VKTVKT故 W=4質(zhì)0鍥4^1泯貶土(丿久陰)混餐土溫度為23匸時(shí)，銅和混艇土的物性值：網(wǎng)：人=401W/(m?K), =8933kg/m3,c=385J/(kg-K)混瞬土以=1.4W/(m?K),卩=2300血加3,「=S80j/(kg?K)所以. .丿厶_==應(yīng)沁二"-別- qwI± “1.4X2300XX80-22.1四、解利用能巌平衡法。對0點(diǎn)所代表的控制容積,有Qs=AE (4-18a)其中

(4-lSb)b勞世W十入T1^F背+蒙）曲-"）］"十嚀崔十(4-lSb)b勞世W十入T1^F背+蒙）曲-"）］"十嚀崔十A氣型-心（儼一切“結(jié)合式（4-18a）,（4-18b）,（4-18c）得：佟誓猊嚴(yán)"K；沁-心卅―）們“"會（冷）+卅）_2卅）〉-隸畸I,”抽黔卜（『+護(hù)）+鵲“i**°=1^（1-4Fb-4E?BO+2用（卅）+$+2Bitf）4人△匸4aAr即：其中:由式（“J8d）?穩(wěn)定性為:(1一4氏)一4Fobi)二()即：Fci(l+BtXj(418c)(4-9d)五、解采用短管，主要泉利用流體住管內(nèi)換熱處于入口段溫度邊界層較薄，因而換熱強(qiáng)的特點(diǎn)，即所謂的“人口效應(yīng)"，從而強(qiáng)化換熱。而對于彎管，流體流經(jīng)彎借時(shí)，由于離心力作用，在橫截面匕產(chǎn)生二次環(huán)流，増加了擾動，從血強(qiáng)化了換熱。六.解水平管的凝納換熱公式論=0.729［場齊f兩種方案的換熱表面積相同，溫差相等，由牛頓冷卻公式0=hHA^t.故凝液量<p/ijjAAr^=7=因此「兩種方案的凝液魚之比QnrIQnrIQm2故小管徑系統(tǒng)的凝液童冕大彗徑系統(tǒng)的1.778倍。只要保證癱氣壓力和骨壁溫度在兩種悄況下相同?上述結(jié)論與蒸氣壓力和銅管壁溫?zé)o關(guān)。七、解:如下圖所示,穩(wěn)態(tài)時(shí)屋頂?shù)臒崞胶馊鏔對流散熱敖么二人（7二一TJ=25（7：-300）

輻射散熱童%=3（冗-TJ）=0.2X5.67x10-8（7^-0）太陽無射熱雖?冬（入=0?6x1100=660W/m2代入⑴中得1.134X1087：*257：=8160采用試湊法，解得Tw=32k5K-48.5T八、 (1)重輻射面一一輻射換熱系統(tǒng)中，表面的凈輻射換熱量為零的表面彼稱為重輻射面?；蚍Q絕熱表面。(2)遮熱板一一插入兩個(gè)輻射換熱表面之間用以削弱輻射換熱的薄板。九、超=1loot1￡一XX（S一￡f）+if解本題展無限大平板的傳熱過程熱阻分析問題。從沸騰水(飽和溫度匚二100十〉到火掐一XX（S一￡f）+if所以’100>卜11002400 0.9十95二157.2t<200t：因此,該紙質(zhì)容器能耐火。十、解：棉被經(jīng)過晾哂以后，可使棉花的空隙里進(jìn)入更多的空氣。而空氣在狹小的棉絮空間里的熱量傳遞方式主要是導(dǎo)熱，由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)較小(20°C,1.01325xl05Pa時(shí),空氣導(dǎo)熱系數(shù)為0.0259W/(m?K)),具有良好的保溫性能。而經(jīng)過拍打的棉被可以讓更多的空氣進(jìn)入，因而效果更明顯。十一、解：不計(jì)空氣隙時(shí)，其熱阻計(jì)算式為：九?①其中心為不計(jì)空氣隙材料的導(dǎo)熱系數(shù),A為導(dǎo)熱面積,A二界2,△尸廿切當(dāng)計(jì)及空氣晾時(shí).應(yīng)增加兩個(gè)空氣隙的導(dǎo)熱熱陰；◎4A+仝「辿入心人2- ?其中A為平板材料的真實(shí)導(dǎo)熱系數(shù)，入“入2為空氣的導(dǎo)熱系數(shù)。AqXAj入2導(dǎo)熱系數(shù)的測量課差為入-入0_3*0-0/入_入L入2A ^/Aq //久°/i=180V和^=30V時(shí)“產(chǎn)0?O378W/(nrK)“2=0?O267W/〈m?K)。所沐0.1￡107 0」X1(T?入=22.6%0.0378 0.0267-入=22.6%扌x0122x(180-30)6()十二解由導(dǎo)熱體的導(dǎo)熱控制方程解由導(dǎo)熱體的導(dǎo)熱控制方程f2￡-r￡?af2￡-r￡?a22-而=4cgr,所以=a(-2y2cosx+4cosx)=acosx(4-2y2)當(dāng)工=0,丿=1時(shí)，券=2a>0,故該點(diǎn)溫度隨時(shí)間增加而升高。十三、解這是一個(gè)一維穩(wěn)態(tài)、無內(nèi)熱源、常物性的導(dǎo)熱問題。利用熱平衡法，列出節(jié)點(diǎn)的離散方程式。對節(jié)點(diǎn)2：” + +A2Ax(/j—^2)=對節(jié)點(diǎn)3：

對節(jié)點(diǎn)4：式中△工詣。將已知條ft(n-?o=iooc)代入可得如下方程組：円-2.045“+100.9=0y"一2.045/3+九+0?9二0上3一10225口+0,45=0利用迭代法解得：t2二92.2X3,乃=87.7T,以=86.2V與精確解0"一上尸弘兇簫痂了"相比較，此時(shí)弘-o-n=wo^2o=80€,.=思=7$=V3-TSSoI=10H=0.045 1r—旦一fjhist—oaofich[10(Q?Q15i0.045〉]qo★、廠~3-0』15,?2-衛(wèi)+80Lch(10x0.045) =95.821r— —n()qf一m丄oq也1丄0(0?03—0?0仍)]gx忙3_0?03‘-20+80“(EXO.麗才"3.35C?I?二H=0.045,“=20+80甌。如麗=92.53C十四、解對粘度很大的油類，總數(shù)很低，速度邊界層厚度g與上為同一數(shù)量級，因而動量微分方程中器與器為同一量級，不可忽略，且此時(shí)由與￡?工，速度?和衛(wèi)為同-?量級｛方向的動量微分方程不能忽略。對液態(tài)金?屬,Pl■很小，速度邊界層厚度6與溫度邊界層厚度&相比XL在邊界層內(nèi)誥?泰'因而能量方程中話不可忽略。因此，對流換熱邊界層微分方程組不適用于粘度大的油和Pr數(shù)很小的液態(tài)金屬。十五、解A=0.7X105Pa的飽和水蒸氣對應(yīng)的飽和溫度匚=90C,液膜平均溫度鼻=寺心X(90+70)=80t液膜平均溫度鼻=寺心X(90+70)=80t凝液(水)的物性參數(shù)g=971?3kg/m\?=0.674W/(nrK),=355-1x1Q6zs=90t對應(yīng)的汽化潛熱:r=2283JkJAg先假定液膜流動處于層流二11打281一x2283JXICPX97「8?x0.674?舟_?"I355.1X10"6X0.3X(90-70)=8390W/(m2<K)

檢驗(yàn)流態(tài)4X8390x(9()-70)^3335.1xIQ-6檢驗(yàn)流態(tài)4X8390x(9()-70)^3335.1xIQ-6x2283J-248<1600所以,假設(shè)層流正確C每米寬平板的凝液量8J%LXO』x(90-四)2283.1x103=0.022kg/s十六、解先計(jì)算總吸收比口[a(入)Egd入Jo°=瓦fl.4a(A)￡^dA+ a(入)E&d入丿0 丿1.4 =-0.8Fb<0-1.4)+0?lFba,4_8)=0.8x0.8608+0.lx(1-0.8608)=0.7026單位面積匕所吸收的太陽能g二心二0.7026x800=562W/m2十七、解：雖然黑體表面與重輻射面均具有J=Eb的待點(diǎn)，但二者具有不同的性質(zhì)。黑體表面的溫度不依賴于其他參與輻射的表面，相當(dāng)于源熱勢。而重輻射面的溫度則是浮動的，取決于參與輻射的其他表面。十八、解(1)不清潔流體應(yīng)在管內(nèi)，因?yàn)闅?cè)清洗比較困難，而管內(nèi)可定期折開端蓋清洗；腐蝕性人的流體走管內(nèi)，因?yàn)楦鼡Q管束的代價(jià)比更換殼體要低，且如將腐蝕性強(qiáng)的流體置于殼側(cè)，被腐蝕的不僅是殼體，還有管子；溫度低的流體置于殼側(cè)，這樣可以減小換熱器散熱損失；壓力大的流體置于管內(nèi)，因?yàn)楣軅?cè)耐壓高，且低壓流體置于殼側(cè)時(shí)有利于減小阻力損失；流量人的流體放在管外，橫向沖刷管束可使表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增加：粘度大的流體放在管外，可使管外側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增加。十九、解：假定人體表面溫度相同時(shí)，人體的散熱在有風(fēng)時(shí)相當(dāng)于強(qiáng)制對流換熱，而在無風(fēng)時(shí)屬自然對流換熱(不考慮熱輻射或假定輻射換熱量相同時(shí))。而空氣的強(qiáng)制對流換熱強(qiáng)度要比自然對流強(qiáng)烈。因而在有風(fēng)時(shí)從人體帶走的熱量更多，所以感到更冷一些。二十、解：該導(dǎo)熱過程的熱阻圖如下圖示。圖中各量為：=25Cj— 1—R&-古2“2山33二 ""L. r 1 ?? / \ i —?R]—1MiAtJ?2= jA|尺33=$2“皿2■?2&=$"入】A〕r5-iM2Ai-20x0.3xoJ_75xUF3一0.8X0.3x0.3-20x0.3xoJ_75xUF3一0.8X0.3x0.3一$2150x103心企_0.8x0/3X0.075$2150x103尺2=1,042=尺4K/W=8.333=R33K/Wa2A3-0.28x0.3x0.15=lk905K/WK/W故：局= 1 =3.086K/W故：sR二R]十左2十心+尺4十尺5二1?11+1?042+3.08&+1.042+0.556=6.836K/W所以導(dǎo)熱母:一2$_一2$_〈亠10)=5.12W6.836解一維非穩(wěn)態(tài)無限大平板內(nèi)的溫度分布有如下函數(shù)形式：結(jié)右戈"（站局,青）兩塊不同材料的無限大平板，均處于第--解一維非穩(wěn)態(tài)無限大平板內(nèi)的溫度分布有如下函數(shù)形式：結(jié)右戈"（站局,青）兩塊不同材料的無限大平板，均處于第--類邊界條件（即B/->oo）o由題意，兩種材料達(dá)到同樣工況時(shí)，質(zhì)數(shù)和彳相同，要使溫廈分布相同，則只需F。數(shù)相等，因此：（用）第=（Fo）鋼而A在兩種悄況下相等、因此：0績12.9X10-6n

轟書廠103x10-^= 125二十二、解對節(jié)點(diǎn)州列熱乎衡式：（圓截面積人二于孫周長Pfd）1SJC 3工即：對節(jié)點(diǎn)A4,有:1SJC 3工即：對節(jié)點(diǎn)A4,有:即：二十三、一】-(^^+2)d嚴(yán)警疔"0XAC肚旨血+hA^t^-加）+?P^（比-tM）=0

如-廠（1+^^+宇）切+ 爭"0解從形式上看?N況數(shù)(N“=竽)與禺?dāng)?shù)(Bi=y)完全相同，但二者物理意義卻不同。Nu數(shù)中的入為流體的導(dǎo)熱系數(shù)，而「般人未如，因而數(shù)一般是待定準(zhǔn)則。Nu數(shù)的物理意義表示壁面附近流體的無星綱溫度梯度，它表示流體對流換熱的強(qiáng)弱。而刃數(shù)中的入為導(dǎo)熱物體的導(dǎo)熱祭數(shù)，且一般情況下人已知，印數(shù)--殷是已定準(zhǔn)則。用效的物理意義是導(dǎo)熱體內(nèi)部導(dǎo)熱熱W(Z/A)與外部對流熱阻(仃S的相對大小。二十四、解設(shè)管長為/,管徑為/,則Z/<7=64o設(shè)安裝的泄液盤為“個(gè)，則該管子被等分為G+1)段，每段高度為「二治。管子水平放譽(yù)時(shí)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為管子豎育放胃時(shí)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為Av—1.13要使訕=2必須即解得巾*10即泄液盤數(shù)冃為10個(gè)。二十五.解由蘭貝特定律(1)d①(0)=(L4cos&dm,(0)其中dG(0)表示地球所接受到的太陽能曲(1)d0(0)=g5Krfe2wsO—costT=1dA表示太陽的輻射面積,dA=m；2,此