2012-2013-2_传热学B期末试题及答案

1试题A：一、简答题（每题4分，共40分）1．黑体的单色辐射率最大位置随温度升高是向长波方向还是向短波方向移动？这种移动的规律是由哪个定律确定的？答：向短波方向移动，维恩位移定律2．对于过热器中：高温烟气→外壁→内壁→过热蒸汽的传热过程次序为什么？答：复合换热、导热、对流换热3．绝热边界是第几类边界条件？边界上的温度梯度是多少？答：第二类边界条件，边界上的温度梯度为零。4．半径为R的长圆柱，水平放置在空气中冷却，已知空气的表面传热系数为h，导热系数为1，圆柱体的导热系数为2。请写出此时的毕渥数与努塞尔数。答：2hRBi1hRNu5．有一表面为灰体的物体放在一个大房间中，房间可看做黑体。试画出由该两个表面构成的封闭空间的辐射换热网络图。（房间面积与物体表面积相比可以认为无限大）6．暖气片的肋片加在空气侧，请解释原因？答：空气侧对流热阻比水侧对流热阻以及管壁的导热热阻大很多，所以肋片加在空气侧，可以减小总热阻，明显增大传热系数。7．Bi数满足什么条件，就可以使非稳态导热问题按第三类边界条件所求解的结果转化为第一类边界条件的解？为什么？答：假设Bi数为无穷大，此时表面温度与周围流体温度相等，为第一类边界条件。8．已知某黑体向外发出的定向辐射强度为)/(100002srmWIb，求该黑体的温度为多少？Ｔ＝863Ｋ9．肋效率是不是越高越好？当肋效率1f时，肋高是多少？答：肋效率不是越高越好。肋片高度分别为0时肋效率1f。10．有两块平行放置的大平壁，其中之一是黑体，另一块是灰体。若两者温度相等。试问黑体与灰体中哪个辐射力大？黑体与灰体之中哪个有效辐射大？为什么？答：黑体的辐射力大。有效辐射两者相等，因为处于热平衡，J＝Eb。二、实验题（10分）bEbI2写出水自然对流换热实验的数据整理成的公式形式，实验中如何实现自然对流换热？实验装置中的冷却管和辅助加热管有什么作用？答：nPrGrCNu)(4分为实现自然对流换热应使测试管与水的温差足够小。3分实验装置中的冷却管和辅助加热管可以使容器中的水温各处均匀一致。3分三、计算题（共50分）1、（10分）在一台1-2型壳管式冷却器中，管内冷却水从16℃升高到35℃，管外空气从119℃下降到45℃。空气流量为19.6kg/min，温差修正系数92.0，换热器的总传热系数为k=84W/(m2.K)。试计算所需的传热面积。已知水)./(2.4KkgkJcp，空气)./(009.1KkgkJcp解：根据已知条件skgqm/327.060/6.191119'1t℃451t℃16'2t℃352t℃k=84W/(m2.K)根据热平衡方程)(1'111ttcqpm=0.327×1.009×（119-45）=24.42kW3分逆流时对数平均温差72.51164535119ln)1645()35119(ln)()('212'1'212'1tttttttttm逆℃2分温差修正系数92.0，则平均温差58.4772.5192.0逆mmtt℃2分根据传热方程21.6mtkAm4分2、（10分）已知一漫射表面，其光谱吸收比与波长的关系可表示为：λ≤3μm时，α（λ）=0.4；λ=3～6μm时，α（λ）=0.8；λ6μm时，α（λ）=0。光谱投入辐射Gλ按波长分布的关系为：λ≤8μm时，Gλ=4000W/m2.μm；λ8μm时，Gλ=0。在某一瞬间，测得表面温度为1100K。试计算：（1）单位表面积所吸收的辐射能；（2）该表面的发射率及辐射力；（3）设物体内无内热源，无其它形式热量传递，确定在此条件下物体表面的温度随时间如何3变化。黑体辐射函数表KmT./)0(bFKmT./)0(bF30000.27364000.76931000.29665000.77632000.31866000.78333000.34067000.78934000.36268000.79635000.38369000.802解：（1）263308866330/14400960048000040008.040004.0)()()()(mWdGdGdGdGG4分（2）KmT.33001100311，340.0)10(bFKmT.66001100612，783.0)20(bF漫射表面，)()(49.0)340.0783.0(8.0340.04.0)()()21(2)10(1bbFF2分2484/4067711001067.549.0mWTE2分（3）该表面发出的辐射能已超过全部投入辐射能，因此表面温度随时间降低。2分3、（10分）一钢板初始温度为500℃，将其置于20℃的空气中。已知钢板厚δ=20mm，λ=45W/m.K，a=1.37×10-5m2/s，h=35W/m2.K。求：使钢板冷却到与空气相差10℃所需的时间。解：31078.701.04535)(AVhBiV0.1可以用集中参数法3分VVFoBie.03分其中θ=10℃θ0=500-20=480℃4137.0)01.0(1037.1)/(252AVaFoV2分解得s36321078.7137.048010ln32分4、（10分）一根d=50mm、长度l=8m的钢管，被置于横断面为0.2×0.2m的砖槽道内。若钢管温度和发射率分别为t1=250℃、ε1=0.79，砖槽壁面温度和发射率分别为t2=27℃、ε2=0.93，试计算该钢管的辐射热损失。解：根据已知条件，钢管为凸表面，且其X1,2=12分kWAAEEAbb71.3193.012.0405.014.379.01])27327()273250[(1067.5805.014.3111)(44822112114分4分5、（10分）温度为30℃的空气以0.5m/s的速度平行掠过长250mm、温度为50℃的平板，试求出整个平板的平均表面传热系数以及空气与单位宽度平板的换热量。大气压力下干空气热物理性质表解：空气定性温度Cttt4021wm查得40℃的空气物性参数分别为v=16.96×10-6m2/s,λ=2.76×102W/m.K,Pr=0.6992分在离平板前沿250mm处，361037.71096.1625.05.0ulRel5×1052分即空气流动为层流，外掠等温平板6.50699.01037.7664.0PrRe664.03/12/133/12/1lNu2分5则整个平板的平均表面传热系数)/(6.56.5025.01076.222KmWNulh2分1m宽平板与空气的换热量为WttAh28)3050(6.525.01w2分试题B：一、简答题（每题4分，共40分）1.请写出热扩散率a的表达式，并解释其物理意义。答：ca物体内部温度扯平的能力2.一块金属与一块塑料板，哪个导热系数大？若两块板的厚度一样，哪个导热热阻大？答：金属导热系数大。两板厚度相同时，塑料板热阻大。3.非稳态导热诺谟图中，0h的线代表第几类边界条件的解？答：即Bi为无穷大，边界温度等于流体温度，代表第一类边界条件的解。4.写出Pr数的物理意义。Pr1时，运动边界层和热边界层哪一个厚？答：Pr数为动量扩散率和热扩散率的比值,Pr时热边界层厚。5.请解释光谱辐射力E，其单位中“3m”代表什么？答：光谱辐射力是单位时间内单位表面积向半球空间所有方向发射出去的包含的单位波长范围内的辐射能，其单位的中分母“3m”代表了单位波长和单位面积。6.锅炉的炉门打开时，站在正前方感觉很热，而站在侧面则不太热，为什么？答：兰贝特定律，辐射能按空间分布与纬度角的余弦成正比。7.管内受迫流动换热，短管的修正值是大于1，还是小于1？答：大于1，因为有入口效应。8.一个平面发射出去的辐射能量所占的空间立体角有多大？答：29.平壁和圆筒壁外加保温层，是不是一定可以起到保温的作用？为什么？答：平壁外加保温材料可以起到保温的作用，因为增大了总热阻。圆筒壁外加保温层不一定起到保温的作用，增大了导热热阻，但是减小了外表面的对流换热阻。10.试画出3个灰体表面构成的封闭系统的辐射网络图，并标明各辐射热阻阻值。6二、实验题（10分）导热系数实验中如何对试件进行加热？为何要采用2块试件并对称布置？实验中如何实验一维导热？答：采用电加热。3分对称加热2块试件，可以使加热功率均匀地分配给2个试件。3分试件四周采用辅助加热，抵消向四周的散热量，实现一维导热。4分三、计算题（共50分）1.（10分）一内直径为300mm、厚为10mm的钢管表面包上一层厚为20mm的保温材料，钢材料及保温材料的导热系数分别为48W/(m·K)和0.1W/(m·K)，钢管内壁及保温层外壁温度分别为220℃及40℃，管长为10m。试求稳态时：（1）该管壁的散热量；（2）钢管与保温层界面上的温度。C40C220：oo41t,t解22311231ddddttl2/)/ln(/)/ln()(9591.25W./]/()ln[(/]/)ln[()(.10101502010150481501015040220101416324分11221ddttl2/)/ln()(9591.2548/150]/)10ln[()(.150t2201014163224分C79199o.t22分72.（10分）一台逆流式换热器用水来冷却润滑油。流量为2.5kg/s的冷却水在管内流动，其进出口温度分别为15℃和60℃，比热为4174J/(kg·k)；热油进出口温度分别为110℃和70℃，比热为2190J/(kg·k)。总传热系数为400W/(m2·k)。试计算所需的传热面积。C60tC15tKKgJ4174cskg52：o2o22m,),/(,/.q'm2解W10741560219052ttcq52122m2m2.)(.)('3分C551570ttto21maxC5060110ttto21minC465250555055tttttom.)/ln()/ln(minmaxminmax3分25m10744652A400tkA..2m422A.4分3．（10分）设地表温度为10Co，后受冷空气侵袭使地表温度降为-15Co并维持不变，确定这种条件下地面下1m处温度降为0Co时共需几天？土壤物性为32050m/kg，)Km/(W.520，)Kkg/(Jc1840，高斯误差函数表如下所示。（10分）0.520.560.600.640.68)(erf0.537900.571620.603860.634590.663783.解：大地厚度无限大法计算可用半无限大物体导热axerfttttww204分CtCtCtmxooow010,15,10smCa/10379.11840205052.0272分6.0)15(1015000）（ttttww8,59521.021ads2.59101172.564分4．（10分）水流过长度l=5m，壁面均匀的直管时，从C20tf被加热到C30tf，管子的内径直d=20mm,水在管内的流速为2m/s，设管壁与水的换热温差较小,且l/d≥60，饱和水的热物理性质如下表。求：（1）表面传热系数；（2）管子的平均壁温。t/℃3mkg/)/(KkgJCp