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1、第一章,题目和答案,例：一根水平放置的蒸汽管道，其保温层外径d=583 mm，外表面实测平均温度及空气温度分别为，此时空气与管道外表面间的自然对流换热的表面传热系数h=3.42 W/(m2 K),保温层外表面的发射率问：（1）此管道散热必须考虑哪些热量传递方式；（2）计算每米长度管道的总散热量。,解：（1）此管道的散热有辐射换热和自然对流换热两种方式。（2）把管道每米长度上的散热量记为ql,近似地取墙壁的表面温度为室内空气温度，于是每米长度管道外表面与室内物体及墙壁之间的辐射为：,讨论：计算结果表明，对于表面温度为几或几十摄氏度的一类表面的散热问题，自然对流散热量与辐射具有相同的数量级，必须同
2、时予以考虑。,当仅考虑自然对流时，单位长度上的自然对流散热,例:一房屋的混凝土外墙的厚度为=200mm，混凝土的热导率为=1.5W/(mK)，冬季室外空气温度为tf2=-10,有风天和墙壁之间的表面传热系数为h2=20W/(m2K)，室内空气温度为tf1=25,和墙壁之间的表面传热系数为h1=5 W/(m2K)。假设墙壁及两侧的空气温度及表面传热系数都不随时间而变化，求单位面积墙壁的散热损失及内外墙壁面的温度。解：,由给定条件可知，这是一个稳态传热过程。通过墙壁的热流密度，即单位面积墙壁的散热损失为,根据牛顿冷却公式，对于内、外墙面与空气之间的对流换热，,第三章,题目及计算,常用形体的修正系数
3、及Biv,须记忆！,2023/5/23,8,厨师吹肉丝,一厨师在炒鸡肉丝时要品尝一下咸淡，于是他从100的热炒锅中取出一鸡肉丝，用口吹了一会，待其降至65时再放入口中。试估算厨师需要吹多长时间？,出锅时鸡肉丝可视为平均直径为2mm的圆条，厨师口中吹出的气流温度为30，其与鸡肉丝之间的表面传热系数为100W/m2K，鸡肉丝的=810 kg/m3，c=3.35kJ/(kg)，=1.1 W/(mK)。,2023/5/23,9,解：首先检验是否可用集总参数法。为此计算BiV，,故可以采用集总参数法。,2023/5/23,10,例：空气流过球表面的换热系数，可采用观察一个纯铜制成的球的温度随时间的变化求
4、得。球的直径为12.7mm，在把它放入温度为27的气流中之前，温度为66。当球被放进气流中69秒钟之后，球外表面上热电偶的指示温度是55。计算对流换热系数。假设：1）球温是均匀的；2）辐射交换忽略不计；3）常物性。,2023/5/23,11,物性：查物性参数表：纯铜（66）=8933kg/m3；c=389J/（kg）=398W/(m)分析：暂且按集总参数法处理，其温度随时间变化的关系式为：,2023/5/23,12,当=69S时，有,解得对流换热系数h为：h=35.3 W/(m2)说明：以上用的是集总参数法计算得结果，因此需要检验本题是否可以用集总参数法求解。,2023/5/23,13,例：一
5、温度计水银泡是圆柱形，长20mm，内径4mm，测量气体温度，表面传热系数h=12.5W/(m2K),若要温度计的温度与气体的温度之差小于初始过余温度的10%，求测温所需要的时间。水银=10.36 W/(mK),=13110 kg/m3,c=0.138 kJ/(kgK).解：首先要判断能否用集总参数法求解。,2023/5/23,14,故可以用集总参数法。,由上式解得：=333 s=5.6 min为了减小测温误差，测温时间应尽量加长。,例：一块厚100mm的钢板放入温度为1000 的炉中加热。钢板一面加热，另一面可认为是绝热。初始温度 t0=20，求受热面加热到500所需时间，及剖面上最大温差。(
6、h=174 W/(m2K),=34.8 W/(mK),a=0.55510-5 m2/s)解：这一问题相当于厚200mm平板对称受热问题，此问题为已知温度求时间，必须先求m/0，再由图3-8查Fo。,（不能使用集总参数法）,查图3-9，可得,由m/0和Bi从图3-8查得Fo=1.2（Fo0.2,可采用诺模图）,求中心（绝热面）温度：,较困难,剖面最大温差：,讨论：图3-8图线过密，不容易查出Fo时，可采用直接计算的方法确定Fo。,解得：,第四章,题目及答案,例:温度为30的空气以0.5m/s的速度平行掠过长250mm、温度为50的平板，试求出平板末端流动边界层和热边界层的厚度及空气与单位宽度平板
7、的换热量。解：,边界层的平均温度为,空气40的物性参数分别为=16.9610-6m2/s,=2.7610-2W/m.k,Pr=0.699,在离平板前沿250mm处，雷诺数为,边界层为层流!,流动边界层的厚度为,热边界层的厚度为,可见，空气的热边界层比流动边界层略厚。,整个平板的平均表面传热系数,1m宽平板与空气的换热量为,第五章,题目及答案,2023/5/23,22,例1 空气以2m/s的速度在内径为10mm的管内流动，入口处空气的温度为20，管壁温度为120，试确定将空气加热至60所需管子的长度。,解：定性温度为tf=(20+60)/2=40，查出空气的物性参数为：=1.128 kg/m3，
8、Cp=1.005 kJ/kg，=2.7610-2 W/m，f=19.110-6 kg/ms，Pr=0.699。而当tw=120时，查得 w=22.810-6 kg/ms。,雷诺数Re=umd/=1.1810310,2023/5/23,23,由能量平衡有:,代入数据得hL=2.83,比较上述两步得到的结果，有10.12L-1/3 L=2.83，最后解得L=0.148 m。由于L0.825 m，前述假设是正确的。,解得h=10.12L-1/3。,例2 30的空气以45m/s的速度掠过0.6m温度为250的平板，求单位宽度平板传给空气的总热量。解：这是一个空气外掠平板的问题。定性温度为膜温度：查空气
9、物性参数：=3.4910-2W/m，=27.810-6 kg/ms，Pr=0.684。计算雷诺数：选择换热准则关系式：,其中临界雷诺数Rexc为5105，,例3：将直径为0.1mm的电热丝与空气来流方向垂直放置，来流温度为20，电热丝温度为50，测得电加热功率为20W/m。假定除对流外其他热损失可忽略不计，求此时的来流速度。解：这是一个空气横向外掠圆柱体的问题。取单位长度的电热丝为研究对象。由题意，电热丝的发热量由对流换热散发出去。,定性温度为来流温度t=20，查此时空气物性参数为：tw=50时，空气的物性参数：流体横向外掠圆柱体的换热准则关系式为：其中参数c，n，m的选择见课本P108表5-
10、1。,先假定5Re103，则换热准则关系式为：其中：解得：符合上述假设范围。注意：若计算出Re不在假定范围之内，就需要重新假定Re范围，并重新选取准则式中的参数，再次计算Re。,例4：空气横向掠过一组叉排管束,s1=60mm，s2=40mm，管子外径d=30mm。空气在最小截面处的流速为5m/s。流体入口温度为300，出口温度为100，管子外表面平均温度为40，流动方向上管排数目大于10。试确定空气与管束间的平均表面传热系数。解：这是一个空气横向外掠叉排管束的问题。定性温度为流体平均温度：,查200下空气的物性参数：tw=40时，空气的物性参数：其中参数c，n，m，p的选择见课本P109表5-
11、2。,其中：计算得：Nu=49.7表面传热系数：注意：当流体温度均匀时，即流体流过管束前后流体温度不变，则定性温度为来流温度t。,2023/5/23,32,例题 热电厂中有一水平放置的蒸汽管道，保温层外径为400mm,壁温tw为50，周围空气的温度t为20。试计算蒸汽管道外壁面的对流散热损失。解：,这是一个自然对流换热问题。特征温度为,按此温度从附录中查得空气的物性参数值为,查得,c=0.53，n=1/4,单位管长的对流散热损失为,第六章,题目及答案,在加热金属时可以观察到：当金属温度低于500时，由于实际上没有可见光辐射，不能察觉到金属颜色的变化，随着温度不断升高，铁块的颜色相继出现暗红、鲜
12、红、橘黄等颜色，最终将出现白炽。这是由于随着温度的升高，热辐射中的可见光及可见光中的短波比例逐渐增大的缘故。,2023/5/23,37,例：试分别计算温度为2000K和5800K的黑体的最大光谱辐射力所对应的波长max。,解：按 计算：,T=2000K时，,T=5800K时，,可见工业上一般高温辐射（2000K内），黑体最大光谱辐射力的波长位于红外线区段，而太阳辐射（5800K）对应的最大光谱辐射的波长则位于可见光区段。,2023/5/23,38,例：一黑体置于室温为27的厂房中，试求在热平衡条件下黑体表面的辐射力。如果将黑体加热到827，它的辐射力又是多少？,解：在热平衡条件下，黑体温度与室
13、温相同，辐射力为：,827黑体的辐射力为,其辐射力增加了180倍，可见随着温度的增加，辐射将成为主要的换热方式。,思考：善于发射的物体必善于吸收，这个说法是否正确？答：不正确。由基尔霍夫定律，物体对黑体投入辐射的吸收比等于同温度下该物体的发射率。即投入辐射必须来自黑体，且达到热平衡。物体发射率越大，其对同温度的黑体辐射吸收比越大。只能说：善发射的物体必善吸收同温度下的黑体辐射。比如：某物体在2000K时的发射率，并不等于物体对6000K的太阳辐射的吸收比。,第七章,题目及答案,例：求表面1对表面3的角系数。已知各表面面积A1=1、A2=1、A3=4，以及X（1+2）,3=0.4；X2，3=0.
14、2,2023/5/23,42,为零。因此J3=Eb3是个已知量，其等效网络图如右图所示。,例：两块尺寸为1m2m、间距为1m的平行平板置于室温t3=27的大厂房内。平板背面不参与换热。已知两板的温度和发射率分别为t1=827,t2=327和1=0.2,2=0.5,计算每个板的净辐射散热量及厂房壁所得到的辐射热量。需画出等效网络图。解：本题是3个灰表面间的辐射换热问题。因厂房表面积A3很大，其表面热阻(1-3)/(3A3)可取,2023/5/23,43,由角系数的性质：,计算网络中的各热阻值：,计算各表面相应的黑体辐射力：,2023/5/23,45,对J1、J2节点建立节点方程：,节点1,节点2,联立求解得：,2023/5/23,46,于是，板1的辐射散热为：,板2的辐射散热为：,厂房墙壁的辐射换热量为：,2023/5/23,47,讨论：表面1、2的净辐射换热量Q1及Q2均为正值，说明两个表面都向环境放出了热量。这部分热量必为墙壁所吸收。上述结果中的负号表示了这一物理意义。,2023/5/23,48,例：在上例中若厂房的壁面为重辐射表面，在其它条件不变时，计算温度较高表面的净辐射散热量。解：这时网络图如图，串并联电路部分的等效电阻为,2023/5/23,49,在Eb1与Eb2之间的总热阻为：,温度较高的表面的净辐射散热量为：,可见，表面3为重辐射表面时情况不大相同。,
