傳熱12年期終試題B卷答案

1、傳熱學(xué)期終試題B卷答案及評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)一、（10分）如圖1所示，一個(gè)半徑為mm的實(shí)心長(zhǎng)圓柱體，具有均勻的內(nèi)熱源，導(dǎo)熱系數(shù)。圓柱體處于溫度為25的環(huán)境中，與周圍環(huán)境間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為80。試求圓柱體外壁溫度及圓柱體沿半徑方向的溫度分布；并求圓柱體內(nèi)最高溫度的位置和大小？圖1解：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度圓柱體外表面的散熱量為：=（1） （2分）又由 （1分）則=150 （1分）圓柱體內(nèi)的柱坐標(biāo)導(dǎo)熱微分方程為：（2） （2分）邊界條件為：，；， （1分）對(duì)（2）式兩邊積分得，由邊界條件1得 （1分）再積分一次得，由邊界條件2得 (1分)。帶入可得圓柱體中的溫度場(chǎng)為：= （1分）當(dāng)=0時(shí)，溫度達(dá)到最高，最高溫度為152.5

2、 （1分）二、（10分）一塊平板寬為1m，長(zhǎng)為1.5m，在10的空氣中保持90，如果空氣流過(guò)平板時(shí)，板的一面與空氣的對(duì)流換熱量為3.75kW，試確定空氣的流速。準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式： 層流； 湍流；（空氣熱物性參數(shù)見(jiàn)表1）。表1空氣的熱物理性質(zhì)/m2/s/ W/(mK)4016.960.02760.6995017.950.02830.6986018.970.02900.696解：定性溫度 （1分） （1分）假定處于層流 （2分） 紊流 （2分）與假設(shè)不符，故處于紊流。空氣流速為： （2分） （2分）三、（10分）20的空氣，以10m/s的速度縱向流過(guò)一塊長(zhǎng)200mm，溫度為60的平板。求離平板前沿50m

3、m，100mm處的流動(dòng)邊界層和熱邊界層厚度。并求得平板與流體之間的換熱量。（平板寬為1m，空氣物性參數(shù)見(jiàn)表2）準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式： 層流； 湍流；邊界層厚度：； 流動(dòng)邊界層與熱邊界層之比：表2空氣的熱物理性質(zhì)/m2/s/ W/(mK)3016.000.02670.7014016.960.02760.6995017.950.02830.698解：定性溫度 (1分) 層流 (1分)50mm處 (2分)100mm處 (2分) (2分) (1分) (1分)四、（10分）兩個(gè)相互平行的漫灰大表面，相距很近，兩表面的發(fā)射率均為0.85。要使它們之間的輻射換熱量減少為原來(lái)的1/10，在中間插入一塊遮熱板，該板的表面

4、發(fā)射率必須不高于多少？在兩表面溫度分別為200和400的情況下，若用=0.05W/(mK)的保溫材料達(dá)到相同的目的，需要多厚保溫層？解：（2分）加了遮熱板后，換熱量為：（3分）因此 解得：（1分）若采用保溫層的方式，則（3分）代入數(shù)據(jù)，得（1分）五、（10分）如圖2所示，已知一微元圓盤dA1與有限大圓盤A2（直徑為D）相平行放置，兩圓盤中心線之連線垂直于兩圓盤，且長(zhǎng)度為s。試計(jì)算Xd1,2答：由幾何關(guān)系： （2分）根據(jù)角系數(shù)定義式： （2分）代入幾何關(guān)系，整理得： （2分）令： （1分）則 （2分） （1分）六、（10分）如圖3所示，用進(jìn)口溫度為12、質(zhì)量流量kg/h的水冷卻從分餾器中得到的8

5、0的飽和苯蒸汽。使用順流換熱器，冷凝段和過(guò)冷段的傳熱系數(shù)均為980W/(m2K)。已知苯的汽化潛熱J/kg，比熱容1758 J/（kgK）。試確定將質(zhì)量流量3600kg/h的苯蒸汽凝結(jié)并過(guò)冷到40所需的冷凝段和過(guò)冷段傳熱面積分別為多少。（水的定壓比容4183 J/（kgK）。）圖3解：先計(jì)算總傳熱量：冷凝段：W（1分）過(guò)冷段：W（1分）水的定壓比熱容：J/(kgK)由冷凝段熱平衡，有：所以，得 （1分）冷凝段對(duì)數(shù)平均溫差：（2分）冷凝段換熱面積為： m2（1分）由過(guò)冷段熱平衡，有：得 （1分）其過(guò)冷段對(duì)數(shù)平均溫差為： （2分）故過(guò)冷段傳熱面積為：m2（1分）七、簡(jiǎn)答題：1、（5分）在熱電偶測(cè)定

6、流體溫度時(shí)，熱電偶對(duì)流體溫度變動(dòng)響應(yīng)快慢的指標(biāo)是什么？寫(xiě)出該指標(biāo)的具體表達(dá)式，由表達(dá)式判斷該指標(biāo)與那些因素有關(guān)？答：該指標(biāo)為熱電偶的時(shí)間常數(shù)（1分），其表達(dá)式為（1分），由表達(dá)式可知時(shí)間常數(shù)取決熱電偶的幾何參數(shù)體積與表面積的比值（1分）、物性參數(shù)密度、比熱（1分），及換熱條件表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)（1分）。2、（5分）空氣橫掠垂直管束時(shí)，沿流動(dòng)方向管排數(shù)越多，換熱越強(qiáng)，而蒸汽在水平管束外凝結(jié)時(shí)，沿液膜流動(dòng)方向管排數(shù)越多，換熱強(qiáng)度降低，為什么？答：空氣橫掠垂直管束時(shí)，沿流動(dòng)方向管排數(shù)越多，氣流擾動(dòng)越強(qiáng)（2分），換熱越強(qiáng)，而蒸汽在水平管束外凝結(jié)時(shí)，沿液膜流動(dòng)方向管排數(shù)越多，凝結(jié)液膜越厚（1分），凝結(jié)換熱熱阻

7、越大，換熱強(qiáng)度降低（2分）。3、（5分）有人說(shuō)；“常溫下呈紅色的物體表示該物體在常溫下紅色光光譜發(fā)射率較其他單色光（黃、綠、藍(lán)）的光譜發(fā)射率高”。你認(rèn)為這種說(shuō)法正確么？為什么？答：不正確（1分），因?yàn)槌叵挛矬w呈現(xiàn)的顏色是由于物體對(duì)可見(jiàn)光中某種單色光反射造成的（1分）。紅色物體正是由于物體對(duì)可見(jiàn)光中的黃、綠、藍(lán)等色光的吸收比較大、反射比較小，而對(duì)紅色光的吸收比較小、反射比較大所致（2分）。根據(jù)基爾霍夫定律，可見(jiàn)光的光譜發(fā)射率較其他單色光的光譜發(fā)射率低而不是高（1分）。4、（3分）傳熱學(xué)中角系數(shù)是如何定義的？其基本屬性是什么？輻射換熱中為何要引入這一參數(shù)？答：我們把從表面1發(fā)出的輻射能落到表面2

8、上的百分比，稱為表面1對(duì)表面2的角系數(shù)（1分）；其基本屬性為角系數(shù)與表面溫度和發(fā)射率無(wú)關(guān)，是一純幾何因子（1分）。引入角系數(shù)的原因在于，即使其他所有條件均相同，若表面間得的相對(duì)位置不同時(shí)，物體間的輻射換熱量有較大差別（1分）。5、（7分）如圖4所示為真空輻射爐，球心處有一黑體加熱元件，試指出，黑體對(duì)A、B、C三處中何處定向輻射強(qiáng)度最大？何處輻射熱流最大？假設(shè)A、B、C三處對(duì)球心所張的立體角相同。圖4答：（1）由黑體輻射的蘭貝特定律知，黑體的定向輻射強(qiáng)度與方向無(wú)關(guān)，故（2分）（2）由已知條件A、B、C三處立體角相同，且由于，（2分）蘭貝特定律知，（1分）A處輻射力最大，即A處輻射熱流最大（1分）

9、射力最小，即C處輻射熱流最小。（1分）6、（5分）在圖5（a）、（b）中所示的兩個(gè)逆流換熱器冷、熱流體溫度沿?fù)Q熱面變化曲線有無(wú)可能實(shí)現(xiàn)？如有可能，各需滿足什么條件？圖5答：（a）由熱平衡：，（1分）圖中左側(cè)冷、熱流體溫差大于右側(cè)，即，（1）同時(shí)溫度變化曲線較陡，因此可能實(shí)現(xiàn)。其應(yīng)滿足的條件是：。（1分）（b）理由同上，該兩流體溫度沿程變化曲線也能實(shí)現(xiàn)，條件是。（2分）。7、（5分）解釋為什么許多高效隔熱材料都采用蜂窩狀多孔性結(jié)構(gòu)和多層隔熱屏結(jié)構(gòu)。答：高效隔熱材料都采用蜂窩狀多孔性結(jié)構(gòu)和多層隔熱屏結(jié)構(gòu)，從導(dǎo)熱角度看，空氣的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于固體材料，因此采用多孔結(jié)構(gòu)可以顯著減小保溫材料的表觀導(dǎo)熱系數(shù)，阻礙了導(dǎo)熱的進(jìn)行（2分）；從對(duì)流換熱角度看，多孔性材料和多層隔熱屏阻隔了空氣的大空間流動(dòng)，使之成為尺度十分有限的微小空間。使空氣的自然對(duì)流換熱難以開(kāi)展，有效地阻礙了對(duì)流換熱的進(jìn)行（2分）；從輻射換熱角度分析，蜂窩狀多孔材料或多層隔熱屏相當(dāng)于使用了多層遮熱板，可以成倍地阻礙輻射換熱的進(jìn)行，若再在隔熱屏表面鍍上高反射率材料，則效果更為顯著（1分）。8、（5分）為什么高溫過(guò)熱器一般采用順流式和逆流式混合布置的方式？答：（ 1 ）因?yàn)樵谝欢ǖ倪M(jìn)出口溫度條件下，逆流的平均溫差最大，順流的平均溫差最小，即采用逆流方式有利于設(shè)備的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。（1分