傳熱學(xué)習(xí)題答案

第一章

導(dǎo)熱理論基礎(chǔ)

1.

按20℃時，銅、碳鋼（1.5%C）、鋁和黃銅導(dǎo)熱系數(shù)的大小，排列它們的順序；隔熱保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)值最大為多少？列舉膨脹珍珠巖散料、礦渣棉和軟泡沫塑料導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)值。

答：銅>鋁>黃銅>碳鋼；

隔熱保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)最大值為0.12W/（m?K）

膨脹珍珠巖散料：25℃

60-300Kg/m3

0.021-0.062

W/（m?K）

礦渣棉：

30℃

207

Kg/m3

0.058

W/（m?K）

軟泡沫塑料：

30℃

41-162

Kg/m3

0.043-0.056

W/（m?K）

2.

推導(dǎo)導(dǎo)熱微分方程式的已知前提條件是什么？

答：導(dǎo)熱物體為各向同性材料。

3．(1)

mkxt/2000

,

q=-2×105(w/m2).

(2)

mkxt/2000,

q=2×105(w/m2).

4.

(1),00xq

3109xqw/m2

(2)

5108.1q

w/m3

5.

已知物體的熱物性參數(shù)是λ、ρ和c，無內(nèi)熱源，試推導(dǎo)圓柱坐標(biāo)系的導(dǎo)熱微分方程式。

答：2222211[()]ttttarrrrrz6.

已知物體的熱物性參數(shù)是λ、ρ和c，無內(nèi)熱源，試推導(dǎo)球坐標(biāo)系的導(dǎo)熱微分方程式。

答：2222222111[()(sin)]sinsinttttarrrrrr7.

一半徑為Ｒ的實(shí)心球，初始溫度均勻并等于t0，突然將其放入一溫度恒定并等于tf的液體槽內(nèi)冷卻。已知球的熱物性參數(shù)是λ、ρ和c，球壁表面的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為h，試寫出描寫球體冷卻過程的完整數(shù)學(xué)描述。

答：2201[()],0,00,0,0,,()frRrRttrrRcrrrrRtttrRhttr8.

從宇宙飛船伸出一根細(xì)長散熱棒，以輻射換熱將熱量散發(fā)到外部空間去，已知棒的發(fā)射率（黑度）為ε，導(dǎo)熱系數(shù)為λ，棒的長度為l，橫截面面積為f，截面周長為Ｕ，棒根部溫度為Ｔ0。外部空間是絕對零度的黑體，試寫出描寫棒溫度分布的導(dǎo)熱微分方程式和相應(yīng)的邊界條件。

答：0)273(422fUtbxt

x=0

,

t273=T0

41)273(,txtxbx第二章

穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱

1.

為什么多層平壁中溫度分布曲線不是一條連續(xù)的直線而是一條折線？

答：因?yàn)椴煌牧系钠奖趯?dǎo)熱系數(shù)不同。

2.

導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)的無內(nèi)熱源的平壁穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程，若平壁兩側(cè)都給定第二類邊界條件，問能否惟一地確定平壁中的溫度分布？為什么？

答：不能。因?yàn)樵趯?dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)的無內(nèi)熱源的平壁穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱中tx為常數(shù)，q為定值，由tqx求解得qtxc常數(shù)c無法確定，所以不能惟一地確定平壁中的溫度分布。

3.

導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)的無內(nèi)熱源的平壁穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程，試問（1）若平壁兩側(cè)給定第一類邊界條件tw1和tw2，為什么這一導(dǎo)熱過程的溫度分布與平壁的材料無關(guān)？為什么？（2）相同的平壁厚度，不同的平壁材料，仍給定第一類邊界條件，熱流密度是否相同。

答：（1）因?yàn)樵谠搶?dǎo)熱過程中12wwttdtcdx

（2）不相同。因?yàn)閠qx，tx為定值，而λ不同，則q隨之而變。

4.

如果圓筒壁外表面溫度較內(nèi)表面溫度高，這時壁內(nèi)溫度分布曲線的情形如何？

答：圓筒壁內(nèi)的溫度分布曲線為11121221ln()()lnwwwwwddttttttdd

5.

參看圖2-19，已知球壁導(dǎo)熱系數(shù)λ為常數(shù)，內(nèi)外表面分別保持tw1和tw2，度推導(dǎo)空心球壁導(dǎo)熱量計算公式和球壁的導(dǎo)熱熱阻。

答：球體的22222222211()(2)020ttttrrrrrrrrrttrrr

當(dāng)r=r1時，t=tw1

當(dāng)r=r2時，t=tw2

對上式進(jìn)行求解得212111dtdrcrtccr

1211221211wwtccrtccr

22111212211111wwwwwrrcttttctrr

所以球體的溫度分布為2212121111wwwwwttttttrrrrrr

球體的導(dǎo)熱量計算公式為Q=Aq=4

r2q,且32.地球T196K

33.(1)T=393.5K

(2)

T=263.2K

(3)

T=588.5K

第十章

傳熱和換熱器

1．計算肋壁的傳熱系數(shù)的公式和平壁的有何不同？式（10-3）可否用于肋壁？

答：平壁的傳熱系數(shù)

k。=12111hh；

肋壁的傳熱系數(shù)

112111khh；

或

212111khh。

1k、2k不同點(diǎn)在于它們的計算傳熱量的面積基準(zhǔn)不同。

書本中的(10-3)

即

112111khh是可以用于肋壁的

2．在什么具體情況下：amwfttt；amwfttt；amwfttt；amwfttt。

答：具體情況如下：

amwfttt：表示輻射換熱面的傳熱系數(shù)為負(fù)值，輻射熱量由環(huán)境傳向物體表面,

對流換熱量由物體表面?zhèn)飨蛭矬w周圍的流體；

amwfttt：表示輻射換熱面的傳熱系數(shù)為正值，輻射熱量由環(huán)境傳向物體表面,

對流換熱量由物體表面?zhèn)飨蛭矬w周圍的流體；

amwfttt：表示輻射換熱面的傳熱系數(shù)為正值，輻射熱量由環(huán)境傳向物體表面,

對流換熱量由物體表面?zhèn)飨蛭矬w周圍的流體；

amwfttt：表示輻射換熱面的傳熱系數(shù)為負(fù)值，輻射熱量由環(huán)境傳向物體表面,

對流換熱量由物體表面?zhèn)飨蛭矬w周圍的流體。

3．若兩換熱器冷熱流體進(jìn)出口溫度相同，但效能不同，是否可以說效能大者設(shè)計一定合理？怎樣才能提高效能？

答：效能大的并不一定是合理的。因?yàn)閾Q熱器的的大小受傳熱面、流動狀態(tài)、表面狀況、換熱面的形狀和大小、能量傳遞方式的影響。通過提高上述因素提高，而使得成本增加。有時的提高不明顯，但成本資金的浪費(fèi)卻很大，所以要有優(yōu)化的思想，一個合理的是最好的。

提高的方法：擴(kuò)大傳熱面的面積、改變流體狀況、改變流體物性、改變表面狀況、改變換熱面的形狀和大小、改變能量傳遞方式、靠外力產(chǎn)生振蕩，強(qiáng)化換熱。

4．為什么逆流換熱器的效能極限可接近1，而順流不可能？

答：逆流的換熱比順流的充分。在相同的進(jìn)出口溫度下，逆流比順流平均溫差大。此外，順流時冷流體的出口溫度必然低于熱流體的出口溫度，而逆流不受此限制。工程上換熱器一般都盡可能采用逆流布置。

5．目前市場出售的電熱取暖器，一種是紅外線加熱取暖器（通電加熱玻璃管式或磁管式紅外加熱元件取暖），一種是加熱油浴散熱器（散熱器外殼為普通暖器片狀，片內(nèi)充導(dǎo)熱油，電首先加熱油，油以自然對流循環(huán)，通過外殼散熱）。試從傳統(tǒng)觀點(diǎn)分析這兩種取暖器的特點(diǎn)？有人認(rèn)為在相同的功率下，用油浴散熱器時能使房間暖和一些，此話有道理嗎？

答：電加熱油浴散熱器體大笨重，有的靠墻側(cè)無隔熱層，造成了明顯的熱損、墻壁變色等現(xiàn)象。紅外加熱取暖器供熱方式是以紅外傳熱為主，故升溫快、無污染、成本低。紅外線可直接輻射于人體和周圍物體，對人體有保健的作用，并且節(jié)能。在相同功率下，同一房間內(nèi)所得到的熱量是一樣的，只是紅外加熱取暖器主要是通過輻射，使得屋內(nèi)出現(xiàn)溫室效應(yīng)，室內(nèi)溫度比較均勻。電加熱油浴散熱器主要是以對流換熱方式對外換熱，故會在室內(nèi)溫度分布不均勻，從而使得在離換熱器近的地方溫度高，遠(yuǎn)的地方溫度低。

6．選用管殼式換熱器，兩種流體在下列情況下，何種安排在管內(nèi)？何種在管外？（1）清潔的和不清潔的；（2）腐蝕性小的和強(qiáng)的；（3）溫度高的和常溫的；（4）高壓的和常壓的；（5）質(zhì)量流量大的和小的；（6）粘度大和粘度小的；（7）密度大和密度小的。如果不限管殼式，試問針對這幾種情況，選何種類型換熱器較合適？

答：清潔的在管外，不清潔的在管內(nèi)；

腐蝕性小的在管外，腐蝕性大的在管內(nèi)；

溫度高的在管內(nèi)，溫度低的在管外；

高壓的在管內(nèi)，低壓的在管外；

質(zhì)流量大的管外，質(zhì)流量小的管內(nèi)；

粘度大的管外，

粘度小的管內(nèi)。

7．參考圖10-8，采用一個板式換熱器完成由一熱流體加熱兩冷流體的任務(wù)，試問三流體的進(jìn)出口及板內(nèi)流程應(yīng)如何安排？冷流體的溫度變化范圍有下列兩種情況：（1）基本相同；（2）互不重疊。

答：如圖：冷冷冷熱熱冷冷冷熱熱熱板內(nèi)進(jìn)出口流程安排如下圖一：逆流形式圖二：順流形式8.該火墻總散熱量：3022.4W

輻射熱/總熱量=60.5%

9．以壁面為基準(zhǔn)的傳熱系數(shù)

wwAAAAhhK2211222111,111

10.解得

（1）室內(nèi)頂棚，tw=11.6℃

室外氣溫tf2=6.8℃

(2)復(fù)合換熱系數(shù)h=5.137W/(m2·K)

傳熱系數(shù)

K=3.078

W/(m2·K)

11．空氣須為

7.81℃

12．壁面熱流密度：3908.3

W/m2

輻射對流熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

19.165

W/(m2·K)

13．(1)順流mt=112℃

(2)逆流mt=155℃

(3)交叉流mt=138℃

14．應(yīng)選換熱器2，且應(yīng)采用逆流布置

15．（1）逆流A=4.386

m2

（2）一殼程兩管程：A=4.87

m2

（3）交叉流A=5.34

m2

16．NTU法

A=464

m2

對數(shù)平均溫差法

A=458

m2

17．6.0

18．（1）最大可能傳熱量

Qmax=44625(W)

(2)效能647.0

（3）應(yīng)按逆流方式運(yùn)行

A逆流/A順流=55%

19．肋壁面積A=41.53

m2

20.

按逆流考慮：A=17.83

m2

按順流考慮：A=18.76

m2

21．換熱面積：

A=0.31

m2

出口水溫提高到30℃時，冷卻水量

m=0.48

(kg/s)

22.換熱面積

A=1.607

m2

產(chǎn)生污垢后，傳熱量：1.411×104W

兩種流體出口溫度：1t=77.6℃

2t=36.9℃

23.順流安排時，1t=81.3℃

2t=78.5℃