傳熱學第四版完整版答案

1、傳熱學第四版完整版答案 第一章 思考題 1 試用簡練的語言說明導熱、對流換熱及輻射換熱三種熱傳遞方式之間的聯(lián)系和區(qū)別。 答：導熱和對流的區(qū)別在于：物體內部依靠微觀粒子的熱運動而產(chǎn)生的熱量傳遞現(xiàn)象，稱為導熱；對流則是流體各部分之間發(fā)生宏觀相對位移及冷熱流體的相互摻混。聯(lián)系是：在發(fā)生對流換熱的同時必然伴生有導熱。 導熱、對流這兩種熱量傳遞方式，只有在物質存在的條件下才能實現(xiàn)，而輻射可以在真空中傳播，輻射換熱時不僅有能 量的轉移還伴有能量形式的轉換。 2 以熱流密度表示的傅立葉定律、牛頓冷卻公式及斯忒藩玻耳茲曼定律是應當熟記的傳熱學公式。試寫出這三個公式并說明其中每一個符號及其意義。 答： 傅立葉定

2、律：dxdtq l - =，其中， q 熱流密度； l 導熱系數(shù)； dxdt沿 x 方向的溫度變化率，"'表示熱量傳遞的方向是沿著溫度降低的方向。 牛頓冷卻公式：) (f wt t h q - =，其中， q 熱流密度； h 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；wt固體表面溫度；ft流體的溫度。 斯忒藩玻耳茲曼定律：4T q s =，其中， q 熱流密度； s 斯忒藩玻耳茲曼常數(shù)；T 輻射物體的熱力學溫度。 3 導熱系數(shù)、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)及傳熱系數(shù)的單位各是什么？哪些是物性參數(shù)，哪些與過程有關？ 答： 導熱系數(shù)的單位是：W/(m.K)； 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的單位是：W/(m2 .K)； 傳熱系數(shù)的單位是：W

3、/(m2 .K)。這三個參數(shù)中，只有導熱系數(shù)是物性參數(shù)，其它均與過程有關。 4 當熱量從壁面一側的流體穿過壁面?zhèn)鹘o另一側的流體時，冷、熱流體之間的換熱量可以通過其中任何一個環(huán)節(jié)來計算（過程是穩(wěn)態(tài)的），但本章中又引入了傳熱方程式，并說它是"換熱器熱工計算的基本公式'。試分析引入傳熱方程式的工程實用意義。 答：因為在許多工業(yè)換熱設備中，進行熱量交換的冷、熱流體也常處于固體壁面的兩側，是工程技術中經(jīng)常遇到的一種典型熱量傳遞過程。 5 用鋁制的水壺燒開水時，盡管爐火很旺，但水壺仍然安然無恙。而一旦壺內的水燒干后，水壺很快就燒壞。試從傳熱學的觀點分析這一現(xiàn)象。 答：當壺內有水時，可以對

4、壺底進行很好的冷卻（水對壺底的對流換熱系數(shù)大），壺底的熱量被很快傳走而不至于溫度升得很高；當沒有水時，和壺底發(fā)生對流換熱的是氣體，因為氣體發(fā)生對流換熱的表面換熱系數(shù)小，壺底的熱量不能很快被傳走，故此壺底升溫很快，容易被燒壞。 6 用一只手握住盛有熱水的杯子，另一只手用筷子快速攪拌熱水，握杯子的手會顯著地感到熱。試分析其原因。 答：當沒有攪拌時，杯內的水的流速幾乎為零，杯內的水和杯壁之間為自然對流換熱，自熱對流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)小，當快速攪拌時，杯內的水和杯壁之間為強制對流換熱，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大，熱水有更多的熱量被傳遞到杯壁的外側，因此會顯著地感覺到熱。 7 什么是串聯(lián)熱阻疊加原則，它在什么前提下

5、成立？以固體中的導熱為例，試討論有哪些情況可能使熱量傳遞方向上不同截面的熱流量不相等。 答：在一個串聯(lián)的熱量傳遞過程中，如果通過每個環(huán)節(jié)的熱流量都相同，則各串聯(lián)環(huán)節(jié)的總熱阻等于各串聯(lián)環(huán)節(jié)熱阻的和。例如：三塊無限大平板疊加構成的平壁。例如通過圓筒壁，對于各個傳熱環(huán)節(jié)的傳熱面積不相等，可能造成熱量傳遞方向上不同截面的熱流量不相等。 8.有兩個外形相同的保溫杯 A 與 B，注入同樣溫度、同樣體積的熱水后不久，A 杯的外表面就可以感覺到熱，而 B 杯的外表面則感覺不到溫度的變化，試問哪個保溫杯的質量較好？ 答：杯子的保溫質量好。因為保溫好的杯子熱量從杯子內部傳出的熱量少，經(jīng)外部散熱以后，溫度變化很小，

6、因此幾乎感覺不到熱。 能量平衡分析 1-1 夏天的早晨，一個大學生離開宿舍時的溫度為 20。他希望晚上回到房間時的溫度能夠低一些， 于是早上離開時緊閉門窗，并打開了一個功率為 15W 的電風扇，該房間的長、寬、高分別為 5m、3m、2.5m。如果該大學生 10h 以后回來，試估算房間的平均溫度是多少？ 解：因關閉門窗戶后，相當于隔絕了房間內外的熱交換，但是電風扇要在房間內做工產(chǎn)生熱量：為J 540000 3600 10 15 ´ ´全部被房間的空氣吸收而升溫，空氣在 20時的比熱為：1.005KJ/Kg.K,密度為 1.205Kg/m3 ,所以89 . 11005 . 1

7、205 . 1 5 . 2 3 510 5400003=´ ´ ´ ´´= D-t 當他回來時房間的溫度近似為 32。 1-2 理發(fā)吹風器的結構示意圖如附圖所示，風道的流通面積2260cm A =，進入吹風器的空氣壓力kPa p 100 =，溫度251= t。要求吹風器出口的空氣溫度472= t，試確定流過吹風器的空氣的質量流量以及吹風器出口的空氣平均速度。電加熱器的功率為 1500W。 解： 1-3 淋浴器的噴頭正常工作時的供水量一般為每分鐘31000cm。冷水通過電熱器從 15被加熱到43。試問電熱器的加熱功率是多少？為了節(jié)省能源，有人提出

8、可以將用過后的熱水（溫度為 38）送入一個換熱器去加熱進入淋浴器的冷水。如果該換熱器能將冷水加熱到 27，試計算采用余熱回收換熱器后洗澡 15min 可以節(jié)省多少能源？ 解：電熱器的加熱功率： kW Wt cm QP 95 . 1 6 . 195060) 15 43 ( 10 1000 10 10 18 . 46 3 3= =- ´ ´ ´ ´ ´=D= =-t t 15 分鐘可節(jié)省的能量： kJ J t cm Q 4 . 752 752400 ) 15 27 ( 15 10 1000 10 10 18 . 46 3 3= = - ´

9、 ´ ´ ´ ´ ´ = D =- 1-4 對于附圖所示的兩種水平夾層，試分析冷、熱表面間熱量交換的方式有何不同？如果要通過實驗來測定夾層中流體的導熱系數(shù)，應采用哪一種布置？ ： 解：（a）中熱量交換的方式主要為熱傳導。 （b）熱量交換的方式主要有熱傳導和自然對流。 所以如果要通過實驗來測定夾層中流體的導熱系數(shù)，應采用（a）布置。 1-5 一個內部發(fā)熱的圓球懸掛于室內，對于附圖所示的三種情況，試分析：（1）圓球表面散熱的方式；（2）圓球表面與空氣之間的換熱方式。 ： 解：（2）圓球為表面?zhèn)鳠岱绞缴帷?（1）換熱方式：（a）自然對流換熱；（b）

10、自然對流與強制對流換熱相當?shù)倪^渡流傳熱；（c）強制對流換熱； 1-6 一宇宙飛船的外形示于附圖中，其中外遮光罩是凸出于飛船體之外的一個光學窗口，其表面的溫度狀態(tài)直接影響到飛船的光學遙感器。船體表面各部分的表面溫度與遮光罩的表面溫度不同。試分析，飛船在太空中飛行時與遮光罩表面發(fā)生熱交換的對象可能有哪些？換熱的方式是什么？ 解：一遮光罩與外界發(fā)生輻射換熱及遮光罩外表與船體外表進行輻射。傳熱方式為（輻射） 1-7 熱電偶常用來測量氣流溫度。如附圖所示，用熱電偶來測量管道中高溫氣流的溫度 T f ,壁管溫度f wT T <。試分析熱電偶結點的換熱方式。 解：具有管道內流體對節(jié)點的對流換熱，沿偶絲

11、到節(jié)點的導熱和管道內壁到節(jié)點的熱輻射。 1-8 熱水瓶膽剖面的示意圖如附圖所示。瓶膽的兩層玻璃之間抽成真空，內膽外壁及外膽內壁涂了反射率很低的銀。試分析熱水瓶具有保溫作用的原因。如果不小心破壞了瓶膽上抽氣口處的密閉性，這會影響保溫效果嗎？ 解：保溫作用的原因：內膽外壁外膽內壁涂了反射率很低的銀，則通過內外膽向外輻射的熱量很少，抽真空是為了減少內外膽之間的氣體介質，以減少其對流換熱的作用。如果密閉性破壞，空氣進入兩層夾縫中形成了內外膽之間的對流傳熱，從而保溫瓶的保溫效果降低。 導熱 1-9 一磚墻的表面積為 122m，厚為 260mm，平均導熱系數(shù)為 1.5W/（m.K）。設面向室內的表面溫度為

12、 25，而外表面溫度為-5，試確定次磚墻向外界散失的熱量。 解：根據(jù)傅立葉定律有： WtA 9 . 207626 . 05 ) ( 2512 5 . 1 =- -´ ´ =D= Fdl 1-10 一爐子的爐墻厚 13cm，總面積為 202m，平均導熱系數(shù)為 1.04w/m.k，內外壁溫分別是 520及 50。試計算通過爐墻的熱損失。如果所燃用的煤的發(fā)熱量是 2.09104kJ/kg，問每天因熱損失要用掉多少千克煤？ 解：根據(jù)傅利葉公式 KWt AQ 2 . 7513 . 0) 50 520 ( 20 04 . 1=- ´ ´=D=dl 每天用煤 d Kg

13、 / 9 . 31010 09 . 22 . 75 3600 244=´´ ´ 1-11 夏天，陽光照耀在一厚度為 40mm 的用層壓板制成的木門外表面上，用熱流計測得木門內表面熱流密度為 15W/m2 。外變面溫度為 40，內表面溫度為 30。試估算此木門在厚度方向上的導熱系數(shù)。 解： dltqD=，) . /( 06 . 030 4004 . 0 15K m Wtq=-´=D=dl 1-12 在一次測定空氣橫向流過單根圓管的對流換熱實驗中，得到下列數(shù)據(jù)：管壁平均溫度 t w =69，空氣溫度 t f =20，管子外徑 d=14mm，加熱段長 80mm

14、，輸入加熱段的功率 8.5w，如果全部熱量通過對流換熱傳給空氣，試問此時的對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)多大？ 解：根據(jù)牛頓冷卻公式 ( )f wt t rlh q - = p 2 所以 ( )f wt t dqh-=p49.33W/(m2.k) 1-13 對置于水中的不銹鋼束采用電加熱的方法進行壓力為 1.013Pa510 ´的飽和水沸騰換熱實驗。測得加熱功率為 50W，不銹鋼管束外徑為 4mm，加熱段長 10mm，表面平均溫度為 109。試計算此時沸騰換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。 解：根據(jù)牛頓冷卻公式有 t AhD = F 2 . 4423 =DF= t AhW/(m2.K) 1-14 一長寬各為

15、 10mm 的等溫集成電路芯片安裝在一塊地板上，溫度為 20的空氣在風扇作用下冷卻芯片。芯片最高允許溫度為 85，芯片與冷卻氣流間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為 175 W/(m2.K)。試確定在不考慮輻射時芯片最大允許功率時多少？芯片頂面高出底板的高度為 1mm。 解：( ) ( ) ´ ´ ´ + ´ ´ = D = F 001 . 0 01 . 0 4 01 . 0 01 . 0 . / 1752maxK m W t hA(85-20) 1.5925W 1-15 用均勻的繞在圓管外表面上的電阻帶作加熱元件，以進行管內流體對流換熱的實驗，如附圖所示。用功

16、率表測得外表面加熱的熱流密度為 3500W/2m；用熱電偶測得某一截面上的空氣溫度為45，內管壁溫度為 80。設熱量沿徑向傳遞，外表面絕熱良好，試計算所討論截面上的局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。圓管的外徑為 36mm，壁厚為 2mm。 解：由題意 3500W/´ ´ = ´ rl h Rl m p p 2 22（80-45） 又 r=d - R=(18-2)mm=16mm 5 . 112 = h W/(m2.K) 1-16 為了說明冬天空氣的溫度以及風速對人體冷暖感覺的影響，歐美國家的天氣預報中普遍采用風冷溫度的概念（wind-chill temperature）。風冷溫度是

17、一個當量的環(huán)境溫度，當人處于靜止空氣的風冷溫度下時其散熱量與人處于實際氣溫、實際風速下的散熱量相同。從散熱計算的角度可以將人體簡化為直徑為 25cm、高 175cm、表面溫度為 30的圓柱體，試計算當表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為( ) K m W2/ 15時人體在溫度為 20的靜止空氣中的散熱量。如果在一個有風的日子，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增加到( ) K m W2/ 50，人體的散熱量又是多少？此時風冷溫度是多少？ 輻射 1-17 有兩塊無限靠近的黑體平行平板，溫度分別為2 1 ,TT。試按黑體的性質及斯藩-玻爾茲曼定律導出單位面積上輻射換熱量的計算式。（提示：無限靠近意味著每一塊板發(fā)出的輻射能全部落到另一塊板上。

18、） 解：由題意 41 1T qfs =; 42 2T qfs =; 兩板的換熱量為 ) (4241T T q - = s 1-18 宇宙空間可近似地看成為 0K 的真空空間。一航天器在太空中飛行，其外表面平均溫度為 250，表面發(fā)射率為 0.7，試計算航天器單位表面上的換熱量。 解：4T q es =0.7155 250 ) . /( 10 67 . 54 4 2 8= ´ ´ ´-K m WW/2m 1-19 在 1-14 題目中，如果把芯片及底板置于一個封閉的機殼內，機殼的平均溫度為 20，芯片的表面黑度為 0.9，其余條件不變，試確定芯片的最大允許功率。 解

19、：( ) 00014 . 0 ) 273 20 ( ) 273 85 ( 10 67 . 5 9 . 04 4 84241´ + - + ´ ´ - = F-輻射T T A s e P輻射 對流 FF1.657W 1-20 半徑為 0.5 m 的球狀航天器在太空中飛行，其表面發(fā)射率為 0.8。航天器內電子元件的散熱總共為 175W。假設航天器沒有從宇宙空間接受任何輻射能量，試估算其表面的平均溫度。 解：電子原件的發(fā)熱量航天器的輻射散熱量即：4T Q es = 4AQTes= =187K 熱阻分析 1-21 有 一 臺 氣 體 冷 卻 器 ， 氣 側 表 面 傳 熱

20、 系 數(shù)1h 95W/(m2.K) ， 壁 面 厚 d 2.5mm ，) . /( 5 . 46 K m W = l水側表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)58002= hW/(m2.K)。設傳熱壁可以看成平壁，試計算各個環(huán)節(jié)單位面積的熱阻及從氣到水的總傳熱系數(shù)。你能否指出，為了強化這一傳熱過程，應首先從哪一環(huán)節(jié)著手？ 解：; 010526 . 0111= =hR; 10 376 . 55 . 460025 . 052-´ = = =ldR; 10 724 . 158001 1423-´ = = =hR 則ld+ +=2 11 11h hK94.7) . /(2K m W，應強化氣體側表面?zhèn)鳠帷?1-22 在上題中，如果氣側結了一層厚為 2mm 的灰，) . /( 116 . 0 K m W = l;水側結了一層厚為 1mm 的水垢) . /( 15 . 1 K m W = l。其他條件不變。試問此時的總傳熱系數(shù)為多少？ 解：由題意