传热学期末考试题

导热：一、（10分）如图所示的墙壁，其导热系数为50W/(mK)，厚度为100mm，所处外界温度20℃，测得两侧外壁面温度均为100℃，外壁面与空气的表面传热系数为h为1252W/(mK)，壁内单位体积内热源生成热为，假设墙壁内进行的是一维稳态导热，求及墙壁厚度方向温度分布()tx？二、（10分）如图所示一个半径为1=100rmm的实心长圆柱体，具有均匀的内热源4=10Φ3W/m，导热系数=10W/mK（）。圆柱体处于温度为ft25C。的环境中，与周围环境间的表面传热系数h为802W/mK（）。试求圆柱体外壁温度wt及圆柱体沿半径方向的温度分布；并求圆柱体内最高温度的位置和大小？对流：三、（10分）20℃的空气，以10m/s的速度纵向流过一块长200mm，温度为60℃的平板。求离平板前沿50mm，100mm处的流动边界层和热边界层厚度。并求得平板与流体之间的换热量。（平板宽为1m，空气物性参数见表）准则关联式：12130.664RePrNu层流；4513(0.037Re871)PrNu湍流边界层厚度：5.0Rexx；流动边界层与热边界层之比：13Prt空气的热物理性质t/℃610/m2/s/W/(m·K)Pr3016.000.02670.7014016.960.02760.6995017.950.02830.698四、（10分）水以2m/s的流速流过长为8m的直管，入口温度为20℃，出口温度为40℃，管内径d＝20mm，求对流换热系数和平均管壁温度。水的热物理性质t/℃610/m2/s/W/(m·K)Pr/kg/m3pc/kJ/(kg·K)201.0060.5997.02998.24.183300.8050.6185.42995.74.174400.6590.6354.31992.24.174500.5560.6483.54988.14.174五、（10分）一水平放置的蒸汽管道，管长1.5m，保温层外径为400mm，壁温为50℃，周围空气的温度为10℃。计算蒸汽管道外壁面的对流散热损失。准则关联式：PrnNuCGr（）形状流态参数Gr数适用范围Cn横圆柱层流过渡湍流0.480.01650.111/40.421/31.43×104~5.76×1095.76×109~4.65×10104.65×1010空气的热物理性质t/℃610/m2/s/W/(m·K)Pr2015.060.02590.7033016.000.02670.7014016.960.02760.699六、（10分）一块平板宽为1m，长为1.5m，在10℃的空气中保持90℃，如果空气流过平板时，板的一面与空气的对流换热量为3.75kW，试确定空气的流速。准则关联式：12130.664RePrNu层流；4513(0.037Re871)PrNu湍流空气热物理性质t/℃610/m2/s/W/(m·K)Pr4016.960.02760.6995017.950.02830.6986018.970.02900.696辐射：七、（10分）如图所示，半球表面是绝热的，底面一直径d=0.3m的圆盘被分为1、2两部分。表面1为灰体，T1＝550K，发射率ε1=0.6，表面2为温度T2＝333K的黑体。（1）计算角系数)21(,3X，2,1X，3,1X，3,2X（2）画出热网络图并计算表面1和表面2之间的换热量以及绝热面3的温度。八、（10分）已知如图所示微元面积1dA与球缺2A，微元处于球面的中心出，到达球面的距离为球面半径r。求：从角系数的积分定义出发，计算1dA到球缺内表面2A的角系数，并用两种极限情形来检查你所得到的公式的正确性。九、（10分）两个相互平行的漫灰大表面，相距很近，两表面的发射率均为0.85。要使它们之间的辐射换热量减少为原来的1/10，在中间插入一块遮热板，该板的表面发射率必须不高于多少？在两表面温度分别为200℃和400℃的情况下，若用λ=0.05W/(m·K)的保温材料达到相同的目的，需要多厚保温层？十、（10分）如附图所示，已知一微元圆盘dA1与有限大圆盘A2（直径为D）相平行放置，两圆盘中心线之连线垂直于两圆盘，且长度为s。试计算Xd1,2十一、（10分）如图所示一直径为20mm，表面温度2T＝2000K的热流计探头，用以测定一微小表面积1A的辐射热流，该表面温度为1T＝1000K。环境温度很低，因而对探头的影响可以忽略不计。因某些原因，探头只能安置在与1A表面法线成60°处，探头距地面l=0.5m。探头测得的热量为0.1W。表面1A是漫射的，而探头表面的吸收比可近似地取为1。试确定1A的发射率。1A的面积为24104m。换热器十二、（10分）用进口温度为12℃、质量流量2mq31810kg/h的水冷却从分馏器中得到的80℃的饱和苯蒸汽。使用顺流换热器，冷凝段和过冷段的传热系数k均为980W/(m2·K)。已知苯的汽化潜热339510J/kg，比热容1pc1758J/（kg·K）。试确定将质量流量1mq3600kg/h的苯蒸汽凝结并过冷到40℃所需的冷凝段和过冷段传热面积分别为多少。（水的定压比容2pc4183J/（kg·K）。）十三、（10分）一台逆流式油冷器，管子为铜管，外径为15mm，壁厚为1mm，铜管导热系数为384W/m·K。在油冷器中，密度为879kg/m3，比热容为1950J/kg·K，流量为39m3/h的油从1'56.9t℃冷却到了1''45t℃，油在管外的隔板间流，对流换热系数425ohW/m2·K，冷却水在油冷却器的管内流，进口温度2'33t℃，温升为4℃，对流换热系数4480ihW/m2·K，若温差修正系数0.97t，（1）试求按管子外表面面积计算的总传热系数。（2）试求所需传热面积。简答题：导热：1、（5分）对于平板导热，试说明Bi数的物理意义，0Bi及Bi各代表什么样的换热条件？一块厚为2的金属平板，初始温度为0t，突然置于温度为t的流体中冷却，试着画出当0Bi时，平板中温度场的变化情形。2、（5分）厚度均为的两个无限大平板，紧靠在一起放置在某一环境中，达到稳态时平板中的温度分布如图所示，两平板的导热系数分别为1、2且均为常数，试从一维稳态导热方程出发，判断两平板是否存在内热源，若存在指出是哪个平板，并判断内热源的正负；两平板中热流密度1q，2q是否相等，并比较两平板的导热系数1、2的大小？过冷段冷凝段tAx02'12t℃1'80t℃t2m1''40t℃2''t3、（5分）在热电偶测定流体温度时，热电偶对流体温度变动响应快慢的指标是什么？写出该指标的具体表达式，由表达式判断该指标与那些因素有关？4、（5分）肋效率表征了肋片散热的有效程度，试说明肋效率的物理意义，并判断随肋高H不断增大，肋效率的变化趋势？随着肋片高度的增加是否会出现一个临界高度，当肋片超过这个高度后，肋片导热热流量反而会下降？为什么。对流：5、（5分）对管内强制对流换热，为何采用短管和弯管可以强化流体的换热？6、（5分）在流体温度边界层中，何处温度梯度的绝对值最大？为什么？有人说对一定表面传热温差的同种流体，可以用贴壁处温度梯度绝对值的大小来判断表面传热系数h的大小，你认为对吗？7、（5分）空气横掠垂直管束时，沿流动方向管排数越多，换热越强，而蒸汽在水平管束外凝结时，沿液膜流动方向管排数越多，换热强度降低，为什么？8、（5分）自然对流与强制对流换热机理有什么区别。辐射：9、（5分）漫灰表面间的辐射换热计算中采用了有效辐射J，试阐述有效辐射J及投入辐射G的概念；并结合投入辐射G说明有效辐射包含哪几部分辐射，写出有效辐射J的表达式。10、（5分）如图所示为真空辐射炉，球心处有一黑体加热元件，试指出，黑体对A、B、C三处中何处定向辐射强度最大？何处辐射热流最大？假设A、B、C三处对球心所张的立体角相同。11、（5分）在一个球形腔上开一个小孔，并设法使空腔壁面保持均匀的温度，这时空腔上的小孔就具有黑体辐射的特性。小孔的黑度与哪些因素有关，这些因素是如何影响小孔黑度的？哪些为主要因素，哪些为次要因素？12、（5分）如图两漫灰同心球壳之间插入一辐射遮热球壳，试问遮热球壳靠近外球壳还是靠近内球壳时，球壳1和球壳2表面之间的辐射散热量越大？并画出该辐射换热系统的辐射网络图。13、（5分）传热学中角系数是如何定义的？其基本属性是什么？辐射换热中为何要引入这一参数？14、（5分）有人说；“常温下呈红色的物体表示该物体在常温下红色光光谱发射率较其他单色光（黄、绿、蓝）的光谱发射率高”。你认为这种说法正确么？为什么？15、（5分）在两个非常大的平行平板1、2之间进行辐射换热，平板1、2的辐射率分别为0.3和0.8。在两个平板之间放置一个抛光的铝制辐射遮热板（其两面的辐射率都为0.05）之后，试求其辐射换热量减少的百分数。换热器16（5分）何谓换热器的效能，其物理含义是什么？17（5分）热水在两根相同的管内以相同流速流动，管外分别采用空气和水进行冷却。经过一段时间后，两管内产生相同厚度的水垢。试问水垢的产生对采用空冷还是水冷的管道的传热系数影响较大？为什么？18（5分）在图（a）、（b）中所示的两个逆流换热器冷、热流体温度沿换热面变化曲线有无可能实现？如有可能，各需满足什么条件？19、（5分）什么是临界热绝缘直径？平壁外和圆管外敷设保温材料是否一定能起到保温的作用，为什么？20、（5分）解释为什么许多高效隔热材料都采用蜂窝状多孔性结构和多层隔热屏结构。21、（5分）为什么高温过热器一般采用顺流式和逆流式混合布置的方式？22、（5分）空调和制冷用的冷却器，其管外装的肋片往往制成百叶窗式肋片，见下图。试问肋片做成这种形式的意义？t'1t''20AAxAAAAt''1t'2t'1t''20AAxAAAAt''1t'2(a)(b)