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1、传热学考题1. 强迫流动换热如何受热物性影响？ 答：强迫对流换热与Re和Pr有关；加热与对流的粘性系数发生变化。 2. 强化传热是否意味着增加换热量？工程上强化传热的收益和代价通常是指什么？ 答：不一定，强化传热是指在一定条件下增加所传递的热量。工程上的收益是减小换热器的体积节省材料和重量；提高现有换热器的换热量；减少换热器的阻力，以降低换热器的动力消耗等。代价是耗电，并因增大流速而耗功。 3. 传热学和热力学中的热平衡概念有何区别？ 答：工程热力学是温度相同时，达到热平衡，而传热学微元体获得的能量等于内热源和进出微元体热量之和，内热源散热是有温差的。 4. 表面辐射和气体辐射各有什么特点?
2、为什么对辐射板供冷房间，无需考虑气体辐射的影响，而发动机缸内传热气体辐射却成了主角？ 答：表面辐射具有方向性和选择性。气体辐射的特点：1.气体的辐射和吸收具有明显的选择性。2. 气体的辐射和吸收在整个气体容器中进行，强度逐渐减弱。空气，氢，氧，氮等分子结构称的双原子分子，并无发射和吸收辐射能的能力，可认为是热辐射的透明体。但是二氧化碳，水蒸气，二氧化硫，氯氟烃和含氯氟烃的三原子、多原子以及不对称的双原子气体却具有相当大的辐射本领。房间是自然对流，气体主要是空气。由于燃油，燃煤及然气的燃烧产物中通常包含有一定浓度的二氧化碳和水蒸气，所以发动机缸内要考虑。 5. 有人在学完传热学后认为，换热量和热
3、流密度两个概念实质内容并无差别，你的观点是？ 答：有差别。热流密度是指通过单位面积的热流量。而换热量跟面积有关。 6. 管内层流换热强化和湍流换热强化有何实质性差异？为什么? 答：层流边界层是强化管内中间近90%的部分，层流入口段的热边界层比较薄，局部表面传热系数比充分发展段高，且沿着主流方向逐渐降低。如果边界层出现湍流，则因湍流的扰动与混合作用又会使局部表面传热系数有所提高，再逐渐向于一个定值。而湍流是因为其推动力与梯度变化和温差有关，减薄粘性底层，所以强化壁面。 7. 以强迫对流换热和自然对流换热为例，试谈谈你对传热、流动形态、结构三者之间的关联 答：对流换热按流体流动原因分为强制对流换热
4、和自然对流换热。一般地说，强制对流的流速较自然对流高，因而对流换热系数也高。例如空气自然对流换热系数约为525 W/，强制对流换热的结构影响了流体的流态、流速分布和温度分布，从而影响了对流换热的效果。流体在管内强制流动与管外强制流动，由于换热表面不同，流体流动产生的边界层也不同，其换热规律和对流换热系数也不相同。在自然对流中，流体的流动与换热表面之间的相对位置，对对流换热的影响较大，平板表面加热空气自然对流时，热面朝上气流扰动比较激烈，换热强度大；热面朝下时流动比较平静，换热强度较小。 8. 我们经常用Q=hAt.计算强迫对流换热、自然对流换热、沸腾和凝结换热，试问在各种情况下换热系数与温差的
5、关联？ 答：强迫对流的换热系数与Re,Pr有关但与温差无关，自然对流与Gr的0.25次方有关联，即与温差有关，凝结换热换热系数是温差的-0.25次方。 9. 试简述基尔霍夫定理的基本思想 答：一、基尔霍夫第一定律：汇于节点的各支路电流的代数和等于零，用公式表示为： I=0 又被称作基尔霍夫电流定律。 二、基尔霍夫第二定律：沿任意回路环绕一周回到出发点，电动势的代数和等于回路各支路电阻和支路电流的乘积。用公式表示为： E=RI 又被称作基尔霍夫电压定律(KVL)。 10. 简述沸腾换热与汽泡动力学、汽化核心、过热度这些概念的关联 答：沸腾是指在液体内部以产生气泡的形式进行的气化过程，就流体运动的
6、动力而言，沸腾过程又有大容器沸腾，大容器沸腾时流体的运动是由于温差和气泡的扰动所引起的，沸腾换热会依次出现自然对流区、核态沸腾区、过度沸腾区和膜态0Dt4C）壁面过热度小，壁面上没有气泡产生。当加沸腾区。当温度较低时开始产生气泡，汽化核心的气泡彼此互不干扰。随着Dt进一步增加，汽化核心增加，气泡互相影响，并会合成气块及气柱。在这两个区中，气泡的扰动剧烈，传热系数和热流密度都急剧增大。进一步提高Dt，传热规律出现异乎寻常的变化。这是因为气泡汇聚覆盖在加热面上，而蒸汽排除过程越趋恶化。这时热流密度达到最低，并且温度达到了过热度，是很不稳定的过程。 II.传热学与实际应用 1.利用同一冰箱储存相同的
7、物质时，试问结霜的冰箱耗电量大还是未结霜的冰箱耗电量大？ 答：当其它条件相同时，冰箱的结霜相当于在冰箱蒸发器和冰箱冷冻室之间增加了一个附加热阻，因此，要达到相同的制冷室温度，必然要求蒸发器处于更低的温度。所以，结霜的冰箱耗电量更大。 2. 在深秋晴朗无风的夜晚，草地会披上一身白霜，可是气象台的天气报告却说清晨最低温度为2摄氏度，试解释这种现象。 答：可从辐射换热以及热平衡温度的角度来分析，由于存在大气窗口，因此地面可与温度很低的外太空可进行辐射热交换，这样就有可能使地面的热平衡温度低于空气温度 3请说明在换热设备中，水垢、灰垢的存在对传热过程会产生什么影响，如何防止。当你设计一台换热器，如果预
8、先考虑结垢的影响，换热器面积将会比理想情况大还是小? 答：从传热系数或传热热阻角度分析。在换热设备中，水垢、灰垢的存在将使系统中导热热阻大大增加，减小了传热系数，使换热性能恶化，同时还使换热面易于发生腐蚀，并减小了流体的流通截面，较厚的污垢将使流动阻力也增大。此外，热流体侧壁面结垢，会使壁面温度降低，使换热效率下降，而冷流体侧壁面结垢，会导致壁温升高，对于换热管道，甚至造成爆管事故。防止结垢的手段有定期排污、清洗、清灰，加强水处理，保证水质，采用除尘、吹灰设备等。 4. 一碗水放在空气中散热，其温度随时间的变化估计是何种趋势？为什么？ 答 ：一碗水放在空气中，将会与大气进行自然对流换热和辐射对
9、流换热，开始温度下降较快，而后逐渐变慢，最后趋于环境温度。 5为强化一台冷油器的传热，有人用提高冷却水流速的办法，但发现效果并不显著，试分析原因。 答：冷油器中由于油的粘度较大，对流换热表面传热系数较小，占整个传热过程中热阻的主要部分，而冷却水的对流换热热阻较小，不占主导地位，因而用提高水速的方法，只能减小不占主导地位的水侧热阻，故效果不显著。 6有一台钢制换热器，热水在管内流动，加热管外空气。有人提出，为提高加热效果，采用管外加装肋片并将钢管换成铜管。请你评价这一方案的合理性。 答：该换热器管内为水的对流换热，管外为空气的对流换热，主要热阻在管外空气侧，因而在管外加装肋片可强化传热。注意到钢
10、的导热系数虽然小于铜的，但该换热器中管壁导热热阻不是传热过程的主要热阻，因而无需将钢管换成铜管。 7干燥物料有很多种方式：比如热风干燥、微波干燥、红外干燥等，目前常用的是热风干燥，但热风干燥的缺点是耗能大、表面易起皮和开裂，试从传热传质的角度来分析这一现象 答：热量从高温热源以各种方式传递给湿物料，使物料表面湿分汽化并逸散到外部空间，从而在物料表面和内部出现湿含量的差别。但是为了使内部湿量逐步往外走，就要加大能耗，使的表面温度更高，变干。 8. 有人存在这样的观点：由于工质冷凝和沸腾换热系数很高，因此无需进行沸腾和冷凝换热强化 答：随着工业的发展，特别是高热负荷的出现，相变传热的强化日益受到重
11、视并在工业上得到越来越多的应用。一般认为凝结换热系数很高，可以不必采用强化措施。但对氟里昂蒸汽或有机蒸汽而言，氟利昂是低沸点工质，潜热很小，沸腾换热系数和它们的凝结换热系数比水蒸气小的多。 9. 太阳能集热器吸热表面选用具有什么性质的材料为宜? 为什么? 答：太阳能集热器是用来吸收太阳辐射能的，因而其表面应能最大限度地吸收投射来的太阳辐射能，同时又保证得到的热量尽少地散失，即表面尽可能少的向外辐射能。但太阳辐射是高温辐射，辐射能量主要集中于短波光谱(如可见光)，集热器本身是低温辐射，辐射能量主要集中于长波光谱范围(如红外线)。所以集热器表面应选择具备对短波吸收率很高，而对长波发射(吸收)率极低
12、这样性质的材料。 10.为什么锅炉中高温过热器一般采用顺流式和逆流式混合布置的方式？ 答:因为在一定的进出口温度条件下，逆流的平均温差最大，顺流的平均温差最小，即采用逆流方式有利于设备的经济运行。 但逆流式换热器也有缺点，其热流体和冷流体的最高温度集中在换热器的同一端，使得该处的壁温较高，即这一端金属材料要承受的温度高于顺流型换热器，不利于设备的安全运行。所以高温过热器一般采用顺流式和逆流式混合布置的方式，即在烟温较高区域采用顺流布置，在烟温较低区域采用逆流布置。 1. 有一台1-2型管壳式换热器用来冷却11号润滑油。冷却t=20C,t=50C,流量为3kg/s；可认为管壳式换热器是一种交叉流
13、22水在管内流动， 2t=100C,t=60C,k=350W/mC。 1换热，热油的进出口温度为：1试计算： 油的流量； 所传递的热量； 所需的传热面积。 解: (1) 油的流量: 查得润滑油及水的比热分别为：c1=2148 J/kg；c2=4174 J/kg 则: (2) 所传递的热量: G1=G2c2Dt234174(50-20)=4.37(kg/s)c1Dt12148(100-60) F=G2c2Dt2=34174(50-20)=375.66(kW) (3) 所需的传热面积: tl=t1-t2=60-20=40C t=t-t=100-50=50C r12 tl-tr40-50Dtm=44
14、.8Ctl40lnln50tr t2-t250-20P=0.375100-20t1-t2t1-t1100-60R=1.333=50-20t2-t2PR=1.3330.375=0.5由图10-23： 1/R=1/1.333=0.75 查得： y=0.9 Dtm=44.80.9=40.32 2. 压力为1.5105Pa的无油饱和水蒸汽在卧式壳管式冷凝器的壳侧凝结。经过处理的循环水在外径为20mm、厚为1mm的黄铜管内流过，流速为1.4m/s，其温度由进口出处的56升高到出口处的94。黄铜管成叉排布置，在每一竖直排上平均布置9根。冷却水在管内的流动为两个流程，管内已积水垢。试确定所需的管长、管子数及
15、冷却水量。=1.2107W。 解：(1)平均传热温差： 由附录10查得饱和蒸汽温度为111.32，则： Dtm=94-56=32.72 () 11132.-56ln11132.-94(2)管外凝结换热系数： 设管外壁温度tw=105，则tm=(111.32+105)/2=108.2 由附录查得凝结水物性参数： rl=952.3(kg/m3)ll=0.685(W/mC)h=263.210(kg/ms)r=223(kJ5/kg)-6 由公式6-4： grrl2l3l ho=0.729hld(ts-tw)n1/49.82235103952.320.6853=0.729-6263.2100.02(11
16、1.32-105)91/4=8809 (W/m2) (3)管内换热系数： tf=(56+94)/2=75 由附录查得水物性参数: l=0.671(W/mC);n=0.3910-6(m2/s); Pr=2.38hi=0.023Re0f.8Pr0.4d0.6711.40.018=0.0230.0180.3910-60.8l2.380.4=8552(W/m2C)(4) 热阻： 蒸汽侧污垢热阻：r0=0.0001 ; 水侧污垢热阻： ri=0.0002 管壁热阻：(黄铜 l=131 W/m) (5) k=d0.020.022d2-6 ln=ln=8102ld21310.0181传热系数： 1ddd11
17、+r0+2ln2+2+rih02ld1d1hi1(=1743W/m2C) =1201+0.0001+810-6+0.00028809188552由传热方程：q1=kDtm=174332.72=57030 (W/m2) 由凝结换热: q2=h0Dt=8809(111.32-105)=55673 (W/m2) q1与q2仅相差 2% ; 上述计算有效。 (6) 传热面积： A=F/(kDtm)=1.2107/(174332.72)=210m2 (7) 冷却水量： F1.2107=75.35 G= 4191(94-56)cpt2-t2()(kg/s) (8) 流动截面： G75.35-2=5.521
18、0 f= ru974.81.44f4552.10-2 单程管数：n=216.9217 (根) pd231416.0.0182 两个流程共需管子434根。 管子长度：l=A210=7.7 (m) npd4343.14160.023 一蒸汽管道的保温层外包了油毛毡, 表面温度为330K，外径为0.22m。该管道水平地穿过室温为22的房间，在房内长度为6m。试计算蒸汽管道在该房间内的总散热量。 解：空气定性温度tf=garDtd357+22=39，选取空气的物性参数， 2n=17.9510-6，Pr=0.699，l=2.76*10-2W/(mK)， Gr=n29.81/(373+39.5)(57-2
19、2)0.223 =36272980(17.9510-6)Nu=0.481/4=0.481/4=34.06 h= Nu d/ l=34.060.22/0.0276=271.5W/(mK) =AhDt=3.140.226271.5(57-22)=39386W 4. 对于如图所示的结构，试计算下列情形下从小孔向外辐射的能量： 所有内表面均是500K的黑体； 所有内表面均是=0.6的漫射体，温度均为500K。 解：设小孔面积 A1=11111222pd2+pdH+p(d-d)=3.140.04+3.140.040.04+3.14(0.042-0.0322)2221444441= 3.140.0322=
20、8.0410-4m2 4A2=112pd1= 3.140.0322=8.0410-4m2 44-6AX8.25101221X12=1, A1X12=A2X21，X12=0.1194 -3A16.73210TTC0(1)4-(2)410010012= 1-e11-e21+e1A1A2X21e2A2(1) e=1，12=2.85w; (2) e1=0.6，e2=1,12=2.64W 5白天，投射到大的水平屋顶上的太阳照度Gx1100W/m，室外空气温度t127，有风吹过时空气与屋顶的表面传热系数为h25W/(mK)，屋顶下表面绝热，上表面发射率0.2，且对太阳辐射的吸收比 s0.6。求稳定状态下屋顶的热平衡温度。设太空温度为绝对零度。 如图所示， 22qrqcasGsTw稳态时屋顶的热平衡：对流散热量:辐射散热量:太阳辐射热量:代入(1)中得:采用试凑法，解得
