傳熱學(xué)期終考試題答案A卷詳解

1、哈爾濱工程大學(xué)本科生考試試卷（2012年秋季學(xué)期）課程編號(hào)：03050020課程名稱(chēng)：傳熱學(xué)（期終A一、（10分）如圖1所示的墻壁，其導(dǎo)熱系數(shù)為5550W/（mK）,厚度為100mm,所處外界溫度20C,測(cè)得兩側(cè)外壁面溫度均為100C,外壁面與空氣的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為h為125W/（m2K）,壁內(nèi)單位體積內(nèi)熱源生成熱為本，假設(shè)墻壁內(nèi)進(jìn)行的是一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，求小及墻壁厚度方向溫度分布t（x）?tf=20DC501nHi.501nm_tw=100C50ximn圖1解：由于對(duì)稱(chēng)性只研究墻壁厚度的一半即可，導(dǎo)熱微分方程為:(2分)(1分)邊界條件為：x=0,由=0;dx1=。（1）dxdtx=50mm,-九

2、一=h(tw-tf)(2)dx由（1）式積分得：蟲(chóng)=-gxdx,+G(3)由x=0處邊界條件得g=0（1分）2對(duì)(3)式積分得：t=-x+c2(4)(1分)2由x=50mm時(shí)，dx=Jx=h(tw-tf)(1分)x=50可得：6=h(tw-tf)/x=125(100-20)/0.05=2x105(W/m3)(1分)由（4）式，x=50mm時(shí)，tw=x2+c2=100,（1分）5則得：c2=100+2x0X0.052=105（1分），250則壁厚方向溫度分布：t（x）=105-2000X2（1分）邊界層厚度:5.0二:xRex流動(dòng)邊界層與熱邊界層之比：一=Pr13、t二、（10分）為20c的空氣

3、，以10m/s的速度縱向流過(guò)一塊長(zhǎng)200mm,溫度60C的平板。求離平板前沿50mm,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）表1空氣的熱物理性質(zhì)t/cv父106/m2/s九/W/（mK）Pr3016.000.02670.7014016.960.02760.6995017.950.02830.698準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式：Nu=0.664Re112Pr13層流；Nu=（0.037Re45-871）Pr13湍流（1分）（1分）（2分）（2分）解：定性溫度tf=（20+60）/2=40Cul100.25Re=7=1.1810B流v16.964050mm處5=51y

4、=5父J16.96)3=1，根據(jù)角系數(shù)相對(duì)性,A12X(1-2),3=A3X3,(12)可得X3(1切=人七,3=吧?=05(1分)A2二r2根據(jù)對(duì)稱(chēng)性X1,3=X2,3,根據(jù)角系數(shù)的可加性，X3,()=X3,1+X3,2=0.5,所以可得X3,1=X3,2=0.25根據(jù)角系數(shù)的相對(duì)性可得:AX=4X3,1,同理，X23,3可得X（1分）3X3,1Ai2r20.2520.5r根據(jù)角系數(shù)的完整性X1,3+X1,21,可得X1,2=1-X1,3=0（1分）（2）熱網(wǎng)絡(luò)圖為；A=A2=0.5二0.152=0.01125二A3=2二0.152=0.045二R21-0.60.60.0112511480.

5、00675二一二R2=01AX12R|3=R23=（1分）0.01125二1二5.67（T14-丁24）5.67（5.54-3.334）二R1%R23-1488989=44.96（W）（2分）414889J3=Eb11（R1+R13）=5.67父5.54-44.96NJI=1986.2W/mJ3=Eb3二241986.2,5.6710,-433K）（1分）（1分）五、（10分）已知如圖所示微元面積dA與球缺A?。求：從角系數(shù)的積分定義出發(fā)，計(jì)算dA到球缺內(nèi)表面A2的角系數(shù)，并用兩種極限情形來(lái)檢查你所得到的公式的正確性。圖3cos1cos2dA,邛23分cos邛2=1,dA=2n（rsin邛1y

6、d-,（2分）Xd1,22.l，c0sl2二rsin1代入上式得：晨P、dq=20sin%cos。1d%（2分）.1-=0s1n21d1=2|J-cos2（1分）（1分）=sin2：當(dāng)P=0時(shí)，應(yīng)有Xd1,2=0,由上式確實(shí)得出此值;當(dāng)2時(shí)，應(yīng)有Xd1,2=1,由上式亦確實(shí)得出此值。（1分）六、（10分）用進(jìn)口溫度為12C、質(zhì)量流量qm2=1803.610過(guò)伶段：2=qm1cp1（t1-t1）=父1758M（80-40）=70320W（1分）p3600水的定壓比熱容：cp2=4183J/（kgK）由冷凝段熱平衡，有：二qm2cp2（t2m-t2）kg/h的水冷卻從分儲(chǔ)器中得到的80c的飽和苯蒸

7、汽。使用順流換熱器，冷凝段和過(guò)冷段的傳熱系數(shù)k均為980W/（m2K）。已知苯的汽化潛熱3=395父103J/kg,比熱容cp1=1758J/（kgK）。試確定將質(zhì)量流量qm1=3600kg/h的苯蒸汽凝結(jié)并過(guò)冷到40c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cp2=4183J/（kgK）。）解：先計(jì)算總傳熱量:3冷凝段：91=4引=3父395M103=3.95父105W（1分）3600所以，得12m=t2+61=12+3.9%10=30.9C（1分）qm2cp2341833600冷凝段對(duì)數(shù)平均溫差:-tm1（80-12）-（80-30.9）ln受士80-30.9=58（2分）冷

8、凝段換熱面積為:Ak-tm13.95510c6.9805829m（1分）由過(guò)冷段熱平衡，有:,J2-qm2cp2（t2-t2m）中270320t”2=t2m+=30.9+3=34.3C（1分）qm2cp241833600其過(guò)冷段對(duì)數(shù)平均溫差為:（80-30.9）-（40-34.3）ln也心空40-34.3=20.2C（2分）故過(guò)冷段傳熱面積為:A2中2k-tm23=3.55m2（1分）98020.2七、簡(jiǎn)答題（40分）1、（5分）對(duì)于平板導(dǎo)熱,試說(shuō)明Bi數(shù)的物理意義，BiT0及BiTg各代表什么樣的換熱條件？一塊厚為26的金屬平板，初始溫度為t0,突然置于溫度為10c的流體中冷卻，試著畫(huà)出當(dāng)B

9、iT0時(shí)，平板中溫度場(chǎng)的變化情形。答；Bi數(shù)是平板導(dǎo)熱熱阻5/K與表面對(duì)流傳熱熱阻1/h之比（1分）。BiT0時(shí)說(shuō)明傳熱熱阻主要為表面熱阻，平板內(nèi)部溫度趨于均勻，可以用集總參數(shù)法進(jìn)行分析求解（1分）；BiTR時(shí)，說(shuō)明傳熱熱阻主要為導(dǎo)熱熱阻，可以近似認(rèn)為壁溫就是流體溫度（1分）。（2分）1、厚度均為每的兩個(gè)無(wú)限大平板，緊靠在一起放置在某一環(huán)境中，達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)平板中的溫度分布如圖5所示，兩平板的導(dǎo)熱系數(shù)分別為，心九2且均為常數(shù)，試從一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱方程出發(fā)，判斷兩平板是否存在內(nèi)熱源，若存在指出是哪個(gè)平板，并判斷內(nèi)熱源的正負(fù)；兩平板中熱流密度qrq2是否相等，并比較兩平板的導(dǎo)熱系數(shù)兀、乂的大?。縯-68x

10、2、（5分）對(duì)管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱，為何采用短管和彎管可以強(qiáng)化流體的換熱？解：采用短管，主要是利用流體在管內(nèi)換熱處于入口段，溫度邊界層較薄，因而有換熱強(qiáng)的特點(diǎn)，即所謂的人口效應(yīng)”，從而強(qiáng)化換熱。（3分）而對(duì)于彎管，流體流經(jīng)彎管時(shí)，由于離心力作用，在橫截面上產(chǎn)生二次環(huán)流，增加了擾動(dòng)，從而強(qiáng)化了換熱。（2分）2、（5分）在流體溫度邊界層中，何處溫度梯度的絕對(duì)值最大？為什么？有人說(shuō)對(duì)一定表面?zhèn)鳠釡夭畹耐N流體，可以用貼壁處溫度梯度絕對(duì)值的大小來(lái)判斷表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h的大小，你認(rèn)為對(duì)嗎？解：在溫度邊界層中，貼壁處流體溫度梯度的絕對(duì)值最大，（1分）因?yàn)楸诿媾c流體間的熱量交換都要通過(guò)貼壁處不動(dòng)的薄流體層，因而這里

11、換熱最劇烈。（2分）由對(duì)流換熱微分方程h=-士史y,對(duì)一定表面?zhèn)鳠釡夭畹耐N流體，兒與&包&均保持為常數(shù)，因而可用且絕對(duì)值的大小來(lái)判斷表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h的大小。（2二y分）3、（5分）漫灰表面間的輻射換熱計(jì)算中采用了有效輻射J,試闡述有效輻射J及投入輻射G的概念；并結(jié)合投入輻射G說(shuō)明有效輻射包含哪幾部分輻射，寫(xiě)出有效輻射J的表達(dá)式。答：（1）單位時(shí)間投入到單位表面上的總輻射能稱(chēng)為該表面的投入輻射G（1分），單位時(shí)間內(nèi)離開(kāi)表面單位面積的總輻射能稱(chēng)為有效輻射J（1分）；（2）有效輻射不僅包括表面的自身輻射E（1分），而且還包括投入輻射G中被表面反射的部分pG（1分），其中p為表面的反射比；（3）對(duì)于表

12、面溫度均勻、表面輻射特性為常數(shù)的表面。有效輻射的表達(dá)式為：JLE1+RG1（1分）4、（5分）如圖6所示為真空輻射爐，球心處有一黑體加熱元件，試指出，黑體A、B、C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)三處對(duì)球心所張的立體角相同。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1A1B1C（2分）（2）由已知條件A、B、C三處立體角相同，且由于cos0AcoslBcos0C,（1分）由蘭貝特定律Ee=iecos日知，（1分）A處輻射力最大，即A處輻射熱流最大；C處輻射力最小，即C處輻射熱流最小。（1分）5、（5分）在一個(gè)球形腔上開(kāi)一個(gè)小孔，并設(shè)法使空

13、腔壁面保持均勻的溫度，這時(shí)空腔上的小孔就具有黑體輻射的特性。小孔的黑度與哪些因素有關(guān)，這些因素是如何影響小孔黑度的？哪些為主要因素，哪些為次要因素？答：小孔的黑度主要與空腔材料本身的吸收比的大小以及小孔面積與腔體總面積之比有關(guān)。（2分）腔體本身的吸收比越大，小孔的黑度越大；空腔表面積與小孔的面積比越大，小孔的黑度越大。（2分）其中空腔與小孔的面積比可以顯著影響小孔的黑度；空腔本身的吸收比原則上對(duì)小孔的黑度沒(méi)有影響或影響很小。（1分）6、（5分）何謂換熱器的效能，其物理含義是什么？（t-t）max注=-（3分），表示換熱器的實(shí)際換熱效果與最大可能的換熱效果t1-t2之比（2分）。7、（5分）熱水在兩根相同的管內(nèi)以相同流速流動(dòng)，管外分別采用空氣和水進(jìn)試問(wèn)水垢的產(chǎn)生對(duì)采用（1分）采用水冷時(shí)，管因而水垢的產(chǎn)生在總熱阻行冷卻。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，兩管內(nèi)產(chǎn)生相同厚度的水垢空冷還是水冷的管道的傳熱系數(shù)影響較大？為什么？答：水垢產(chǎn)生對(duì)采用水冷的管道的傳熱系數(shù)影響較大。道內(nèi)外均為換熱較強(qiáng)的水，兩側(cè)流體的換熱熱阻較小，中占得比例較大。（2分）而空氣冷卻時(shí)，氣側(cè)熱阻較大，這時(shí)，水垢的產(chǎn)生對(duì)總熱阻影響不大。（2分）8、（5分）在圖7（a）、（b）中