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传热学第四版完整版答案传热学第四版完整版答案 -- 1 元

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编号: 417   大小: 6.60 MB   格式: doc   上传时间: 2018-04-03 23:01
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答案 第四 热学 版完 整版
文档简介:
第一章
思考题 1. 试用简练的语言说明导热、对流换热及辐射换热三种热传递方式之间的联系和区别。 答:导热和对流的区别在于:物体内部依靠微观粒子的热运动而产生的热量传递现象,称为导 热;对流则是流体各部分之间发生宏观相对位移及冷热流体的相互掺混。联系是:在发生对流 换热的同时必然伴生有导热。 导热、对流这两种热量传递方式,只有在物质存在的条件下才能实现,而辐射可以在真空中传 播,辐射换热时不仅有能 量的转移还伴有能量形式的转换。 2. 以热流密度表示的傅立叶定律、牛顿冷却公式及斯忒藩-玻耳兹曼定律是应当熟记的传热学公 式。试写出这三个公式并说明其中每一个符号及其意义。
dx ,其中, q -热流密度;  -导热系数; dx -沿 x 方向的温 答:① 傅立叶定律: 度变化率, “-”表示热量传递的方向是沿着温度降低的方向。 q   dt
dt

② 牛顿冷却公式: q  h ( t w  t f ) ,其中, q -热流密度; h -表面传热系数; t w -固体 表面温度; t f -流体的温度。 ③ 斯忒藩-玻耳兹曼定律:q   T ,其中,q -热流密度; -斯忒藩-玻耳兹曼常数; T -辐射物体的热力学温度。 3. 导热系数、表面传热系数及传热系数的单位各是什么?哪些是物性参数,哪些与过程有关? 答:① 导热系数的单位是:W/(m.K);② 表面传热系数的单位是:W/(m2.K);③ 传热系数的 单位是:W/(m2.K)。这三个参数中,只有导热系数是物性参数,其它均与过程有关。 4. 当热量从壁面一侧的流体穿过壁面传给另一侧的流体时,冷、热流体之间的换热量可以通过其 中任何一个环节来计算(过程是稳态的) ,但本章中又引入了传热方程式,并说它是“换热器热 工计算的基本公式” 。试分析引入传热方程式的工程实用意义。 答:因为在许多工业换热设备中,进行热量交换的冷、热流体也常处于固体壁面的两侧,是工 程技术中经常遇到的一种典型热量传递过程。 5. 用铝制的水壶烧开水时,尽管炉火很旺,但水壶仍然安然无恙。而一旦壶内的水烧干后,水壶 很快就烧坏。试从传热学的观点分析这一现象。 答:当壶内有水时,可以对壶底进行很好的冷却(水对壶底的对流换热系数大) ,壶底的热量被 很快传走而不至于温度升得很高;当没有水时,和壶底发生对流换热的是气体,因为气体发生 对流换热的表面换热系数小,壶底的热量不能很快被传走,故此壶底升温很快,容易被烧坏。 6. 用一只手握住盛有热水的杯子,另一只手用筷子快速搅拌热水,握杯子的手会显著地感到热。 试分析其原因。 答:当没有搅拌时,杯内的水的流速几乎为零,杯内的水和杯壁之间为自然对流换热,自热对 流换热的表面传热系数小,当快速搅拌时,杯内的水和杯壁之间为强制对流换热,表面传热系 数大,热水有更多的热量被传递到杯壁的外侧,因此会显著地感觉到热。 7. 什么是串联热阻叠加原则,它在什么前提下成立?以固体中的导热为例,试讨论有哪些情况可 能使热量传递方向上不同截面的热流量不相等。 答:在一个串联的热量传递过程中,如果通过每个环节的热流量都相同,则各串联环节的总热 阻等于各串联环节热阻的和。例如:三块无限大平板叠加构成的平壁。例如通过圆筒壁,对于 各个传热环节的传热面积不相等,可能造成热量传递方向上不同截面的热流量不相等。 8.有两个外形相同的保温杯 A 与 B,注入同样温度、同样体积的热水后不久,A 杯的外表面就可以 感觉到热,而 B 杯的外表面则感觉不到温度的变化,试问哪个保温杯的质量较好? 答:B:杯子的保温质量好。因为保温好的杯子热量从杯子内部传出的热量少,经外部散热以 后,温度变化很小,因此几乎感觉不到热。 能量平衡分析 1-1 夏天的早晨,一个大学生离开宿舍时的温度为 20℃。他希望晚上回到房间时的温度能够低一些,
4

【第 1 页

共 284 页】

于是早上离开时紧闭门窗,并打开了一个功率为 15W 的电风扇,该房间的长、宽、高分别为 5m、 3m、2.5m。如果该大学生 10h 以后回来,试估算房间的平均温度是多少? 解:因关闭门窗户后,相当于隔绝了房间内外的热交换,但是电风扇要在房间内做工产生热量:为
15  10  3600 = 540000 J 全部被房间的空气吸收而升温,空气在 20℃时的比热为:1.005KJ/Kg.K,
t  540000  10
3

5  3  2 . 5  1 . 205  1 . 005 密度为 1.205Kg/m3,所以 当他回来时房间的温度近似为 32℃。

 11 . 89

2 1-2 理发吹风器的结构示意图如附图所示,风道的流通面积 A 2  60 cm ,进入吹风器的空气压力

,温度 t 1  25 ℃。要求吹风器出口的空气温度 t 2  47 ℃,试确定流过吹风器的空气 的质量流量以及吹风器出口的空气平均速度。电加热器的功率为 1500W。 解:
p  100 kPa

1-3 淋浴器的喷头正常工作时的供水量一般为每分钟 1000 cm 。冷水通过电热器从 15℃被加热到 43℃。试问电热器的加热功率是多少?为了节省能源,有人提出可以将用过后的热水(温度为 38℃) 送入一个换热器去加热进入淋浴器的冷水。如果该换热器能将冷水加热到 27℃,试计算采用余热回 收换热器后洗澡 15min 可以节省多少能源? 解:电热器的加热功率:
P Q  cm  t  4 . 18  10
3

3

 10

3

 1000 60

 10

6

 ( 43  15 )





 1950 . 6 W  1 . 95 kW

15 分钟可节省的能量:
Q  cm  t  4 . 18  10
3

 10

3

 1000

 10

6

 15  ( 27  15 )  752400

J  752 . 4 kJ

1-4 对于附图所示的两种水平夹层, 试分析冷、热表面间热量交换的方式有何不同?如果要通过实验 来测定夹层中流体的导热系数,应采用哪一种布置?

解: (a)中热量交换的方式主要为热传导。 (b)热量交换的方式主要有热传导和自然对流。 所以如果要通过实验来测定夹层中流体的导热系数,应采用(a)布置。 1-5 一个内部发热的圆球悬挂于室内,对于附图所示的三种情况,试分析: (1)圆球表面散热的方 式; (2)圆球表面与空气之间的换热方式。 解: (2)圆球为表面传热方式散热。 (1)换热方式: (a)自然对流换热; (b)自然对流与强制对流换热相当的过渡流传热; (c)强制对 流换热; 1-6 一宇宙飞船的外形示于附图中,其中外遮光罩是凸出于飞船体之外的一个光学窗口,其表面的 温度状态直接影响到飞船的光学遥感器。船体表面各部分的表面温度与遮光罩的表面温度不同。试 分析,飞船在太空中飞行时与遮光罩表面发生热交换的对象可能有哪些?换热的方式是什么? 解:一遮光罩与外界发生辐射换热及遮光罩外表与船体外表进行辐射。传热方式为(辐射) 1-7 热电偶常用来测量气流温度。如附图所示,用热电偶来测量管道中高温气流的温度 Tf ,壁管温度 T w  T f 。试分析热电偶结点的换热方式。 解:具有管道内流体对节点的对流换热,沿偶丝到节点的导热和管道内壁到节点的热辐射。
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1-8 热水瓶胆剖面的示意图如附图所示。瓶胆的两层玻璃之间抽成真空,内胆外壁及外胆内壁涂了 反射率很低的银。试分析热水瓶具有保温作用的原因。如果不小心破坏了瓶胆上抽气口处的密闭性, 这会影响保温效果吗? 解:保温作用的原因:内胆外壁外胆内壁涂了反射率很低的银,则通过内外胆向外辐射的热量很少, 抽真空是为了减少内外胆之间的气体介质,以减少其对流换热的作用。如果密闭性破坏,空气进入 两层夹缝中形成了内外胆之间的对流传热,从而保温瓶的保温效果降低。 导热 1-9 一砖墙的表面积为 12 m ,厚为 260mm,平均导热系数为 1.5W/(m.K) 。设面向室内的表面温 度为 25℃,而外表面温度为-5℃,试确定次砖墙向外界散失的热量。 解:根据傅立叶定律有:
  A t
2



 1 . 5  12 

25  (  ) 5 0 . 26
2

 2076 . 9 W

1-10 一炉子的炉墙厚 13cm,总面积为 20 m ,平均导热系数为 1.04w/m.k,内外壁温分别是 520℃ 及 50℃。试计算通过炉墙的热损失。如果所燃用的煤的发热量是 2.09×104kJ/kg,问每天因热损失 要用掉多少千克煤? 解:根据傅利叶公式
Q

At 



1 . 04  20  ( 520  50 ) 0 . 13

 75 . 2 KW

每天用煤
24  3600  75 . 2 2 . 09  10
4

 310 . 9 Kg / d

1-11 夏天,阳光照耀在一厚度为 40mm 的用层压板制成的木门外表面上,用热流计测得木门内表面 热流密度为 15W/m2。外变面温度为 40℃,内表面温度为 30℃。试估算此木门在厚度方向上的导热 系数。
, t 40  30 解: 1-12 在一次测定空气横向流过单根圆管的对流换热实验中,得到下列数据:管壁平均温度 tw=69℃, 空气温度 tf=20℃,管子外径 d=14mm,加热段长 80mm,输入加热段的功率 8.5w,如果全部热量 通过对流换热传给空气,试问此时的对流换热表面传热系数多大? 解:根据牛顿冷却公式
q  2  rlh t w  t f
q t



q



15  0 . 04

 0 . 06 W /( m . K )


2

h

q

所以

 d t w  t f

 =49.33W/(m

.k)
5

1-13 对置于水中的不锈钢束采用电加热的方法进行压力为 1.013  10 Pa 的饱和水沸腾换热实验。 测得加热功率为 50W,不锈钢管束外径为 4mm,加热段长 10mm,表面平均温度为 109℃。试计算 此时沸腾换热的表面传热系数。 解:根据牛顿冷却公式有
h At  4423 . 2

  Ah  t
2

W/(m .K) 1-14 一长宽各为 10mm 的等温集成电路芯片安装在一块地板上, 温度为 20℃的空气在风扇作用下冷 却芯片。芯片最高允许温度为 85℃,芯片与冷却气流间的表面传热系数为 175 W/(m .K)。试确定在 不考虑辐射时芯片最大允许功率时多少?芯片顶面高出底板的高度为 1mm。 解: 
m ax

2

 hA  t  175 W / m . K  0 . 01  0 . 01  4   0 . 01  0 . 001
2





  (85℃-20℃)

=1.5925W 1-15 用均匀的绕在圆管外表面上的电阻带作加热元件,以进行管内流体对流换热的实验,如附图所
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示。用功率表测得外表面加热的热流密度为 3500W/ m ;用热电偶测得某一截面上的空气温度为 45℃,内管壁温度为 80℃。设热量沿径向传递,外表面绝热良好,试计算所讨论截面上的局部表面 传热系数。圆管的外径为 36mm,壁厚为 2mm。 解:由题意 又
2 3500W/ m  2  Rl  h  2  rl  (80℃-45℃)

2

r= R   =(18-2)mm=16mm
 h  112 . 5 W/(m 2 .K)

1-16 为了说明冬天空气的温度以及风速对人体冷暖感觉的影响,欧美国家的天气预报中普遍采用风 冷温度的概念(wind-chill temperature) 。风冷温度是一个当量的环境温度,当人处于静止空气的风冷 温度下时其散热量与人处于实际气温、实际风速下的散热量相同。从散热计算的角度可以将人体简 化为直径为 25cm、高 175cm、表面温度为 30℃的圆柱体,试计算当表面传热系数为 15 W / m K  时 人体在温度为 20℃的静止空气中的散热量。如果在一个有风的日子,表面传热系数增加到
2

50 W / m K ,人体的散热量又是多少?此时风冷温度是多少?



2



辐射 1-17 有两块无限靠近的黑体平行平板,温度分别为 T 1 , T 2 。试按黑体的性质及斯藩-玻尔兹曼定律导 出单位面积上辐射换热量的计算式。 (提示:无限靠近意味着每一块板发出的辐射能全部落到另一块 板上。 ) 解:由题意
q 1 f   T1
4

;

q 2 f  T2
4

4

;

两板的换热量为

q   (T1  T 2 )

4

1-18 宇宙空间可近似地看成为 0K 的真空空间。 一航天器在太空中飞行, 其外表面平均温度为 250℃, 表面发射率为 0.7,试计算航天器单位表面上的换热量。 解: q   T =0.7  5 . 67  10 W /( m . K )  250  155 W/ m 1-19 在 1-14 题目中,如果把芯片及底板置于一个封闭的机壳内,机壳的平均温度为 20℃,芯片的 表面黑度为 0.9,其余条件不变,试确定芯片的最大允许功率。
4

8

2

4

4

2

  解:  辐射   A  T 1  T 2 = 0 . 9  5 . 67  10
4 4

8

[( 85  273 )

4

 ( 20  273 ) ]  0 . 00014
4

P  对流 +  辐射 =1.657W 1-20 半径为 0.5 m 的球状航天器在太空中飞行, 其表面发射率为 0.8。 航天器内电子元件的散热总共 为 175W。假设航天器没有从宇宙空间接受任何辐射能量,试估算其表面的平均温度。 解:电子原件的发热量=航天器的辐射散热量即: Q   T
T 
4
4

Q

 A

=187K 热阻分析 1-21 有 一 台 气 体 冷 却 器 , 气 侧 表 面 传 热 系 数 h 1 = 95W/(m
2

.K) , 壁 面 厚  = 2.5mm ,

  46 . 5W /( m . K ) 水侧表面传热系数 h 2  5800 W/(m 2 .K)。设传热壁可以看成平壁,试计算各个

环节单位面积的热阻及从气到水的总传热系数。你能否指出,为了强化这一传热过程,应首先从哪 一环节着手? 解:
R1  1 h1  0 . 010526 ; R  2
1 1 h1  1 h2 

 



0 . 0025 46 . 5

 5 . 376  10

5

; R3 

1 h2



1 5800

 1 . 724  10

4

;

K

  =94.7 W /( m . K ) ,应强化气体侧表面传热。
2

则

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