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1、传热学复习题热能工程专业复习题解答 热能工程专业传热学复习题 一 简答题 1 导热系数和热扩散系数各自从什么地方产生？它们各自反映了物质的什么特性？并指出它们的差异？ 2 不同温度的等温面不能相交，热流线能相交吗？热流线为什么与等温线垂直？ 3 流体中的热量传递过程 是热对流还是热传导？试对流体中的传热机理加以描述？ 4 非周期性的加热或冷却过程可以分为哪两个阶段，它们各自有什么特征? 5 什么是非稳态导热的集总参数系统？将实际导热物体视为集总参数系统的条件是什么？ 6 时间常数是从什么导热问题中定义出来的？它与哪些因素有关？同一种物体导热过程中的时间常数是不是不变的？ 2t2t2ttttt7
2、 指出rcpu+v=l2+2和rcpux+vy=ly2方程哪一个是边xyxy界层能量微分方程？它是在什么条件下导出的？它有什么主要特征？ 8 写出对流换热过程中的无量纲准则Re数、Pr数、Pe数和Gr数的物理量组成，指出它们各自表示的物理意义？并指出Nu数与导热过程中产生的Bi数的差别？ 9 对流换热问题的支配方程有哪些?将这些方程无量纲化我们能够得出哪些重要的无量纲数?你能指出这些准则的物理意义吗? 10 响膜状凝结换热的其他一些影响因素是什么？指出它们分别是如何影响凝结换热过程的？ 11 在液体沸腾过程中一个球形汽泡存在的条件是什么?为什么需要这样的条件? 12 什么是辐射表面之间的角系数
3、? 在什么条件下角系数成为一个纯几何量？ 13 什么叫黑体、灰体和白体？它们分别与黑色物体、灰色物体和白色物体有什么区别？ 14 表述黑体辐射的兰贝特定律。试问，实际物体是否满足兰贝特定律？在什么条件下灰体可以满足兰贝特定律？ 共4页 第 1 页 热能工程专业复习题解答 15 在深秋晴朗无风的夜晚，草地会披上一身白霜，可是气象台的天气预报却说清晨最低温度为2。试解释这种现象。但在阴天或有风的 夜晚，草地却不会披上白霜，为什么？ 二 分析题 1 积分傅里叶定律表达式，推导出常物性、无内热源空心球壁的稳态导热热流量的计算式。 r1 r2 2 一块无内热源的大平板在稳态导热时的温度场如图所示。试分析
4、该平板的导热系数是随着温度的增加而增加，还是随着温度增加而减少？试写出导热系数随温度变化的近似表达式。 3 d2q导出等截面直肋片的导热微分方程2-m2q=0，并dx分析题1附图 4 有流体沿着一大平板流动，已知流体流速为u，流体温度为T,平板温度为Tw，画出给定条件下在壁面形成的速度边界层和热边界层的示意图，并画出x处的速度和温度的变化曲线。 T u T u 求出在其端部绝热条件下的温度分布表达式，同时画出其温度分布的示意图。 Q T1 T2 分析题2附图 0 x Pr1 分析题4附图 5 已知流体管内流动换热的计算公式为Nu=0.023Re0.8Prn，试分析：管径缩小一半而流速不变时，换
5、热系数增加多少？流速增加一倍而管径不变时，换热系数又增大多少？ 6 画出大容器沸腾换热过程中热流密度随过热度的变化曲线(控制壁温加热用实线控制热流加热用虚线)，同时指出沸腾的几个主要区域，并分析设计控制热流加热过程应注意的问题。 共4页 第 2 页 热能工程专业复习题解答 7 求表面1对表面4的角系数X1,4的表达式(已知各表面面积A1、A2、A3、A4，以及X1+2，3+4；X1+2，3；X2，3+4；X2，3)。 1 2 3 4 8 一半球形真空辐射炉，球心处有一个尺寸不大的圆盘形黑体辐射加热元件，如图所示。试指出图中A、B、C三处中何处辐射强度最大？何处辐射热流密度最大？ 9 有三种材料
6、，其单色吸收率的变化分别如图所示，请 在图中分别表示出可以将其视为灰体的波长范围。 分析题7附图 A B C 3 分析题8附图 1 0 分析题9附图 2 三 计算题 1 直径为57mm的管道，管道外表面温度为100，将它用导热系数为0.071W/(m.)的石棉硅藻土材料保温。保温后保温层外表面温度不超过40，每米管道最大热损失不超过70W，试问该保温层材料至少有多厚？ 解：已知 t1=100 t2=40 l0.071 W/r1=0.05m 。 由热流计算关系式q1=2pl(t-t)， r212lnr1得lnr22pl(t1-t2)=r1q1解出r2，因而有d=r2-r1 。 2 有一长圆柱体，
7、其导热系数为25W/(m),直径为30mm,长为500mm。当对其通以P=100W的电功率后测得圆柱体表面的稳定温度为40。试计算圆柱体的中心温度和表面热流密度。 4l()共4页 第 3 页 热能工程专业复习题解答 解：由圆柱体中心温度的计算式：tc=qv2Prw+tw，以及由题意qv=2，可以得出tc。 4lprwL再由热流密度计算式q=qvr可以得到qw. 23 将初始温度为80、直径为20mm的紫铜长棒突然被横置于空气温度为20、流速为12m/S的风洞之中，5分钟后紫铜棒温度降到34。试计算此时空气和紫铜棒之间的换热系数。已知紫铜棒的物性为：=8954kg/m3,c=383.1J/(kg
8、),=386W/(m)。 解：将紫铜棒视为一个集总参数系统，那么有其温度随时间的变化关系： -tqqaFrcVqrcV=e,两边取对数得，ln=-t,解出a=-ln,qiqircVaFqiaF式中q=T-Tf,qi=Ti-Tf。最后核算毕殴数是否满足集总参数系统的条件。 4 进口温度tf=20的空气，在内径d1=12mm、壁温 tw=200直管内流动，进口处空气的平均流速u=25m/s .试计算出口处空气温度t f=60时所需的管长。设管内流动换热计算公式为Nuf=0.023Retf+tf20.8fPr(0.4fTfTw)0.5。 解：tf=20+60=40 查得空气物性值：l=0.0276w
9、/(m) 2 =16.9610-6m2/s cP=1005J/(kg) f =1.128kg/m3 Prf =0.699 计算流速u，计算雷诺数Re并判别流动状态。 计算Nu，与换热系数 p由热平衡：apdiL(tw-tf)=di2urcp(tf-tf) 4解得管长 L并计算 L/d 查得 eL 实际管长L=eLL。 5 冷却水在内径dI =20mm, 壁温tw =40、长L=1.5m的冷凝器管内流动。冷却水的入口温度tf=17、出口温度tf=23，求冷却水的平均流速及管子的热流密度。今查得水的物性值：lf =0.599w/(m)，Pf =998.2 kg/m3，f =1.00610-6 m2
10、/s，cp =4183 J/(kg)，mf =100410-6 kg/( m)，Prf =7.02，mw=653.310-6kg/(ms)。管内紊流计算公式：Nu=0.023Re0.8Pr0.4(mf/mw)0.11；管内层流换热计算公式：Nu=1.86(RePrd/L)1/3。 共4页 第 4 页 热能工程专业复习题解答 解：假定为紊流换热，又热平衡关系有： p4di2upcp(tf-tf)=apdiL(tw-tf)=0.023lfudidi(vf)0.8Pr0.4(mf0.11)pdiL(tw-tf), mw从中解得速度值 u 。 校核：Re是否大于 104 。大则 属于紊流过程，以上计算
11、有效。 换热量为q=QQ =。FpdiL6 90温度的水以0.6m/S的流速在外直径为33.5mm、壁厚为3.25mm的铜管内流动。管子被放置在温度为20的空气环境中，空气和管子外壁之间的换热系数为8.5W/(m2)。如果铜管的长度为10m，试求：水与管壁间的换热系数；水和空气之间的传热系数；水的出口温度。已知：水的物性量为：3=965.3kg/m,cp=4.208kJ/(kg),=68.010-2W/;=0.32610-6m2/S;Pr=1.95。管内流动换热计算公式：Re2300Nu=1.86(RePrd/L)1/3；Re104 Nu=0.023Re0.8Pr0.4。 um Tf 0 T
12、解：计算管内流动换热，由题意有： 计算Re选择计算公式计算Ne,进而得到a=Nul/di。 通过圆筒壁的传热过程计算公式为 Q= pL(Ti-To)d111+lno+aidi2ldiaodo。 由于管材为铜可以忽略管壁热阻。于是水和空气之间的传热系数为： d1k=o+aidiao-1。 pdi24 由铜管中水和管外空气之间的热平衡，rcpum(Ti-Ti)=pdoLk(Ti-To),式中Ti=(Ti+Ti)2，代入数据解出出口温度为Ti。 7 车间所用的辐射式采暖板A1的尺寸为1.80.75m2,水平悬吊在天花板下，板的表面温度t1=107,黑度1=0.94。已知辐射板与工作台平行，大小相同，
13、相距2.5m。工作台温度t2=12，黑度1=0.9；车间温度t3=7。试求工作台与辐射板间交换的共4页 第 5 页 热能工程专业复习题解答 辐射热，以及由于工作台辐射散热而实际得到的热量。已知：由c0.75=0.3已查得a2.5b1.8=0.72 和 a2.5X1,2=0.058。 解：由于板1和板2发出到车间的能量几乎不返回到板1和2，车间3可视为黑体，它可用与板1和2 组成封闭系统的假想面来代替，由此J3=Eb3。 计算Eb1=sbT4，Eb2，Eb3，A1=A2=，X1,3=1-X1,2=。 对于节点J1和J2有 Eb1-J1J2-J1Eb3-J1+=01-e+111A1X1,2A1X1
14、,3e1A1， E-JE-JJ-J222b2+1+b3=01-e211A1X1,2A2X2,3e2A2从中解得J1= w/m2 J2= w/m2。于是交换的热流为Q12=E-J2J1-J2，Q32=b3；11A1X12A2X23实际得到的热量Q2=J2-Eb2。 1-e2e2F28 在如图所示的黑度e3=0.475的绝热半球状壳体3中，其底部圆盘一半的表面1为灰体，其黑度1=0.35 ，温度 T1=555K, 圆盘另一半的表面2 3 为黑体，温度T2=333 K。半球的半径R=0.3m。试计算：表面1和表面2之间的净辐射换热量，以及表面3的温度。 解：由于X1,2=X2,1=0，空间辐射热阻1
15、，辐射网络图简化成F1X1,22 1 Eb1 J1 J2 Eb2 下图，因X1,3=X2,3=1 ，而 X3,1=X1,3A1/A3=X3,2=1/4，可知J3 A1=A2=p(0.3)22=0.141m2，而A3=2p(0.3)2=0.565m2。由网络辐射热平衡有 共4页 第 6 页 热能工程专业复习题解答 Q1=-Q2=Eb1-Eb2。 1-e1111-e2+e1A1A1X1,3A2X2,3e2A2由Q1=Eb1-J3J，解得 J3=sbT34，从而计算得T3=43。 1-e11sb+e1A1A1X1,39 两个平行放置的无限大平板1和2，表面温度、黑度分别为t1=300、t2=100和1=0.5、2=0.8。在板1、2之间插入导热系数很大的板3。当板3的A侧面向板1时板3的平衡温度为270，而当板3的B侧面向板1时其平衡温度为139。试求板3两侧的黑度。 解：由题意，qB=q31 即 sb(T-T)sb(T-T)=1111+-1+-1e3Be2e1e3A 代入数据得解得e3A , e3B。 4444sb(T1-T3)=sb(T3-T2)1111+-1+-1eeee3B3A21414343421 3 2 计算题3 附图 A B 共4页 第 7 页
