传热学期终考试题答案A卷详解

1、哈尔滨工程大学本科生考试试卷（2012年秋季学期）课程编号：03050020课程名称：传热学（期终A一、（10分）如图1所示的墙壁，其导热系数为5550W/（mK）,厚度为100mm,所处外界温度20C,测得两侧外壁面温度均为100C,外壁面与空气的表面传热系数为h为125W/（m2K）,壁内单位体积内热源生成热为本，假设墙壁内进行的是一维稳态导热，求小及墙壁厚度方向温度分布t（x）?tf=20DC501nHi.501nm_tw=100C50ximn图1解：由于对称性只研究墙壁厚度的一半即可，导热微分方程为:(2分)(1分)边界条件为：x=0,由=0;dx1=。（1）dxdtx=50mm,-九

2、一=h(tw-tf)(2)dx由（1）式积分得：虫=-gxdx,+G(3)由x=0处边界条件得g=0（1分）2对(3)式积分得：t=-x+c2(4)(1分)2由x=50mm时，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时，tw=x2+c2=100,（1分）5则得：c2=100+2x0X0.052=105（1分），250则壁厚方向温度分布：t（x）=105-2000X2（1分）边界层厚度:5.0二:xRex流动边界层与热边界层之比：一=Pr13、t二、（10分）为20c的空气

3、，以10m/s的速度纵向流过一块长200mm,温度60C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）表1空气的热物理性质t/cv父106/m2/s九/W/（mK）Pr3016.000.02670.7014016.960.02760.6995017.950.02830.698准则关联式：Nu=0.664Re112Pr13层流；Nu=（0.037Re45-871）Pr13湍流（1分）（1分）（2分）（2分）解：定性温度tf=（20+60）/2=40Cul100.25Re=7=1.1810B流v16.964050mm处5=51y

4、=5父J16.96)3=1，根据角系数相对性,A12X(1-2),3=A3X3,(12)可得X3(1切=人七,3=吧?=05(1分)A2二r2根据对称性X1,3=X2,3,根据角系数的可加性，X3,()=X3,1+X3,2=0.5,所以可得X3,1=X3,2=0.25根据角系数的相对性可得:AX=4X3,1,同理，X23,3可得X（1分）3X3,1Ai2r20.2520.5r根据角系数的完整性X1,3+X1,21,可得X1,2=1-X1,3=0（1分）（2）热网络图为；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）已知如图所示微元面积dA与球缺A?。求：从角系数的积分定义出发，计算dA到球缺内表面A2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。图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：当P=0时，应有Xd1,2=0,由上式确实得出此值;当2时，应有Xd1,2=1,由上式亦确实得出此值。（1分）六、（10分）用进口温度为12C、质量流量qm2=1803.610过伶段：2=qm1cp1（t1-t1）=父1758M（80-40）=70320W（1分）p3600水的定压比热容：cp2=4183J/（kgK）由冷凝段热平衡，有：二qm2cp2（t2m-t2）kg/h的水冷却从分储器中得到的80c的饱和苯蒸

7、汽。使用顺流换热器，冷凝段和过冷段的传热系数k均为980W/（m2K）。已知苯的汽化潜热3=395父103J/kg,比热容cp1=1758J/（kgK）。试确定将质量流量qm1=3600kg/h的苯蒸汽凝结并过冷到40c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cp2=4183J/（kgK）。）解：先计算总传热量: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冷凝段对数平均温差:-tm1（80-12）-（80-30.9）ln受士80-30.9=58（2分）冷

8、凝段换热面积为:Ak-tm13.95510c6.9805829m（1分）由过冷段热平衡，有:,J2-qm2cp2（t2-t2m）中270320t”2=t2m+=30.9+3=34.3C（1分）qm2cp241833600其过冷段对数平均温差为:（80-30.9）-（40-34.3）ln也心空40-34.3=20.2C（2分）故过冷段传热面积为:A2中2k-tm23=3.55m2（1分）98020.2七、简答题（40分）1、（5分）对于平板导热,试说明Bi数的物理意义，BiT0及BiTg各代表什么样的换热条件？一块厚为26的金属平板，初始温度为t0,突然置于温度为10c的流体中冷却，试着画出当B

9、iT0时，平板中温度场的变化情形。答；Bi数是平板导热热阻5/K与表面对流传热热阻1/h之比（1分）。BiT0时说明传热热阻主要为表面热阻，平板内部温度趋于均匀，可以用集总参数法进行分析求解（1分）；BiTR时，说明传热热阻主要为导热热阻，可以近似认为壁温就是流体温度（1分）。（2分）1、厚度均为每的两个无限大平板，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5所示，两平板的导热系数分别为，心九2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qrq2是否相等，并比较两平板的导热系数兀、乂的大小？t-68x

10、2、（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？解：采用短管，主要是利用流体在管内换热处于入口段，温度边界层较薄，因而有换热强的特点，即所谓的人口效应”，从而强化换热。（3分）而对于弯管，流体流经弯管时，由于离心力作用，在横截面上产生二次环流，增加了扰动，从而强化了换热。（2分）2、（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？解：在温度边界层中，贴壁处流体温度梯度的绝对值最大，（1分）因为壁面与流体间的热量交换都要通过贴壁处不动的薄流体层，因而这里

11、换热最剧烈。（2分）由对流换热微分方程h=-士史y,对一定表面传热温差的同种流体，儿与&包&均保持为常数，因而可用且绝对值的大小来判断表面传热系数h的大小。（2二y分）3、（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。答：（1）单位时间投入到单位表面上的总辐射能称为该表面的投入辐射G（1分），单位时间内离开表面单位面积的总辐射能称为有效辐射J（1分）；（2）有效辐射不仅包括表面的自身辐射E（1分），而且还包括投入辐射G中被表面反射的部分pG（1分），其中p为表面的反射比；（3）对于表

12、面温度均匀、表面辐射特性为常数的表面。有效辐射的表达式为：JLE1+RG1（1分）4、（5分）如图6所示为真空辐射炉，球心处有一黑体加热元件，试指出，黑体A、B、C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？假设三处对球心所张的立体角相同。答：（1）由黑体辐射的兰贝特定律知，黑体的定向辐射强度与方向无关，故1A1B1C（2分）（2）由已知条件A、B、C三处立体角相同，且由于cos0AcoslBcos0C,（1分）由兰贝特定律Ee=iecos日知，（1分）A处辐射力最大，即A处辐射热流最大；C处辐射力最小，即C处辐射热流最小。（1分）5、（5分）在一个球形腔上开一个小孔，并设法使空

13、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？答：小孔的黑度主要与空腔材料本身的吸收比的大小以及小孔面积与腔体总面积之比有关。（2分）腔体本身的吸收比越大，小孔的黑度越大；空腔表面积与小孔的面积比越大，小孔的黑度越大。（2分）其中空腔与小孔的面积比可以显著影响小孔的黑度；空腔本身的吸收比原则上对小孔的黑度没有影响或影响很小。（1分）6、（5分）何谓换热器的效能，其物理含义是什么？（t-t）max注=-（3分），表示换热器的实际换热效果与最大可能的换热效果t1-t2之比（2分）。7、（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试问水垢的产生对采用（1分）采用水冷时，管因而水垢的产生在总热阻行冷却。经过一段时间后，两管内产生相同厚度的水垢空冷还是水冷的管道的传热系数影响较大？为什么？答：水垢产生对采用水冷的管道的传热系数影响较大。道内外均为换热较强的水，两侧流体的换热热阻较小，中占得比例较大。（2分）而空气冷却时，气侧热阻较大，这时，水垢的产生对总热阻影响不大。（2分）8、（5分）在图7（a）、（b）中