No.15 1121 热传导和对流换热复习

12012年传热学

考试复习

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传热学Chapter1Chapter24Chapter57Chapter89Chapter10总体简介：基本概念、基本方式、基本方法热传导：稳态导热、非稳态导热、导热问题数值解对流传热：单相、相变实验关联式辐射传热：基本概念、基本假设辐射基本定律、辐射传热的计算传热过程：传热过程计算、换热器的热计算4

主要内容传热学基本内容复习典型题讲解5导热一导热的定义及特点物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而进行的热量传递现象。定义特点6二傅立叶（Fourier）导热定律一般表达式物理含义关键关键7三导热系数（conductivity）含义四种典型物质的导热系数值铜(copper)钢(steel)水(water)空气(air)400400.60.0268四导热微分方程三个坐标方向净导入的热量非稳态项内能增量内热源9五定解条件初始条件边界条件10六简单一维稳态导热的分析解如何判断是一维问题定性分析

直接求解导热微分方程对傅立叶导热定律直接积分求解方法11七通过肋片的稳态导热如何简化成一维问题？微分方程及定解条件通过肋片的散热量

等效热源法热平衡法肋片效率分析、套管温度计测温误差分析12八非稳态导热基本概念一维非稳态导热

热扩散率吸热系数两个阶段集总参数法时间常数Bi数13九导热问题的数值解法稳态问题热平衡法建立节点离散方程的方法显式格式和隐式格式的优缺点非稳态问题14十温度分布变物性问题变截面问题传热过程15对流传热一什么是对流传热？

对流对流传热流体流过温度不同的固体壁面时的热量传递过程特点16牛顿冷却公式关键分类典型条件下表面传热系数的数量级（表1-1）影响对流传热的因素17二单相对流传热基本概念

对流传热的控制方程流动边界层及热边界层边界层方程相似原理及其应用常用的无量纲准则数（特征数）及其物理含义18实验关联式

外部流动自然对流混合对流（概念性理解）三大基本量的选取适用范围修正（为什么？）

各种流动型式的物理特点内部流动19三凝结传热膜状凝结与珠状凝结

简化假设思路Nusselt膜状凝结分析解关联式横管和竖直壁面影响凝结传热的主要因素及传热强化20四沸腾传热大容器饱和沸腾曲线影响沸腾传热的主要因素及传热强化临界热流密度及其工程指导意义21辐射传热一热辐射的基本概念电磁波谱可见光、红外线太阳辐射一般工业温度范围波长与温度的关系吸收、反射、透射固体、液体气体22黑体的概念和作用Stefan-Boltzmann定律Planck定律

Wien位移定律Lambert定律黑体辐射的基本定律23漫射表面灰体的概念基尔霍夫定律实际物体表面简化的可行性实际物体的辐射吸收特性二辐射传热的计算定义性质计算角系数24投入辐射、有效辐射任意两表面之间辐射传热25表面辐射热阻和空间辐射热阻画网络图的方法表面净辐射传热量和任意两表面之间的辐射传热量两种特殊情形黑体、重辐射面多表面系统辐射传热26遮热板的工作原理遮热板的应用如何进一步提高遮热板的遮热效果提高测温精度7.气体辐射特点温室效应6.太能集热器的应用遮热板27换热器28一传热过程的分析和计算传热过程什么是传热过程？传热方程式关键关键总传热系数传热过程的辨析29总传热系数的计算通过平壁的传热通过圆筒壁的传热通过肋壁的传热30传热表面的温度工况强化传热应从热阻最大的环节入手临界绝缘直径电气工程动力保温管道强化传热的突破口31换热器的定义、型式、特点二换热器的型式及平均温差简单顺流和逆流的平均温差的计算32简单顺流和逆流的定性温度分布温差大的地方温度变化剧烈其它复杂流动布置的平均温差的计算一些特殊情况33设计计算和校核计算三换热器的热计算所依据的方程利用平均温差法进行换热器的设计计算34步骤-NTU法有关概念与平均温差法比较污垢热阻35必要性四Wilson

图解法思想概念性理解五隔热保温技术36、试分析室内暖气片的散热过程，各个环节有哪些热量传递方式？以暖气片管内走热水为例。典型题讲解(一)简答题答：有以下换热环节及传热方式：由热水到暖气片管道内壁，热传递方式为强制对流换热；由暖气片管道内壁到外壁，热传递方式为固体导热；由暖气片管道外壁到室内空气，热传递方式有自然对流换热和辐射换热。R强制对流导热自然对流和热辐射37、试分析冬季建筑室内空气与室外空气通过墙壁的换热过程，各个环节有哪些热量传递方式？答：有以下换热环节及传热方式：室内空气到墙体内壁，热传递方式为自然对流换热和辐射换热；墙的内壁到外壁，热传递方式为固体导热；墙的外壁到室外空气，热传递方式有对流换热和辐射换热。、试分析利用铝壶烧开水的过程中，各个环节有哪些热量传递方式？38、利用同一冰箱储存相同的物质时，试问结霜的冰箱耗电量大还是未结霜冰箱耗电量大？为什么？答：在其它条件相同时，冰箱的结霜相当于在冰箱的蒸发器和冰箱的冷冻室（或冷藏室）之间增加了一个附加的热阻，因此，冷冻室（或冷藏室）要达到相同的温度，必须要求蒸发器处于更低的温度。所以，结霜的冰箱的耗电量要大。39、按照导热机理，水的气、液、固三种状态中那种状态的导热系数最大？答：根据导热机理可知，固体导热系数大于液体导热系数；液体导热系数大于气体导热系数。所以水的气、液、固三种状态的导热系数依次增大。40、由导热微分方程可知，非稳态导热只与热扩散率有关，而与导热系数无关。你认为对吗？答：由于描述一个导热问题的完整数学表达，不仅包括控制方程，还包括定解条件。虽然非稳态导热控制方程只与热扩散率有关，但边界条件中却有可能包括导热系数。因此，上述观点不正确。41、热扩散系数是表征什么的物理量？它与导热系数的区别是什么？答：热扩散率，与导热系数一样都是物性参数，它是表征物体传递温度的能力大小，亦称为导温系数，热扩散率取决于导热系数和的综合影响；而导热系数是反映物体的导热能力大小的物性参数。一般情况下，稳态导热的温度分布取决于物体的导热系数，但非稳态导热的温度分布不仅取决于物体的导热系数，还取决于物体的导温系数。42、一块厚度为2δ(-δ<x<δ)

的大平板，与温度为tf的流体处于热平衡。当时间τ>0时，左侧流体温度升高并保持为恒定温度2tf

。假定平板两侧表面传热系数相同，当时，试确定达到新的稳态时平板中心及两侧表面的温度，画出相应的板内及流体侧温度分布的示意性曲线，并做简要说明。43、已知一无限大平板的导热系数为，板两侧的温度分别为t1和t2，试定性画出当b>0、b=0和b<0时，稳态时平板内的温度分布。44、两种几何尺寸完全相同的等截面直肋，在完全相同的对流环境下(表面对流换热系数和流体温度均相同)，沿肋高方向的温度分布如图所示。试问：两种肋片的导热系数大小？肋效率的高低？肋端45、两种几何尺寸完全相同的等截面直肋，材料相同，放在不同温度的对流环境中，沿肋高方向的温度分布如图所示。试问：哪种情况流体的对流换热系数大？肋效率的高低？肋端46、试由常物性、一维、稳态、有内热源的导热微分方程出发，导出有均匀内热源的一维等截面直肋的导热微分方程。已知肋片截面积为Ac，周长为P，材料导热系数为λ，环境温度为tf，肋表面和环境的表面传热系数为h，肋片中的内热源为Φ。47、集总参数法的适用条件是什么？满足集总参数法的物体，其内部温度分布有何特点？答：集总参数法的适用条件是Biv<0.1，其特点是当物体内部导热热阻远小于外部对流换热热阻时，物体内部在同一时刻均处于同一温度，物体内部的温度仅是时间的函数，而与位置无关。48、写出时间常数的表达式，时间常数是从什么导热问题中定义出来的？它与哪些因素有关？答：时间常数的表达式为，是从非稳态导热问题中定义出来的，它不仅取决于几何参数和物性参数，还取决于换热条件h。49、一直径为d的圆球，一边长为d的正方形及一个高度和直径均为d的圆柱，用同种材料制成且具有相同的初温，在同一初始时间被置于相同的外部环境中进行冷却（h相同），试定性分析这三个物体被冷却到相同温度所需时间长短。（三物体内部导热热阻可忽略）。50、对于一有限大物体在第三类边界条件下发生的非稳态导热过程，试分别就Bi1、Bi1以及Bi～1时画出物体两侧及内部的温度分布曲线，并说明温度分布差异主要发生在导热物体内部还是外部？为什么？51、用热电偶监测气流温度随时间变化规律时，应如何选择热电偶节点的大小？定义知，，r为节点的半径，显然，节点半径越小，时间常数越小，热电偶的相应速度越快。答：在其它条件相同时，热电偶节点越大，它的温度变化一定幅度所需要吸收（或放出）的热量越多，此时虽然节点换热表面积也有所增大，但其增大的幅度小于体积增大的幅度。故综合地讲，节点大的热电偶在相同的时间内吸收热量所产生的温升要小一些。由52、图1示出了常物性、有均匀内热源

、二维稳态导热问题局部边界区域的网格配置，试用热平衡法建立节点0的有限差分方程式（设）。图153、图1示出了常物性、有内热源的二维稳态导热问题局部边界区域的网格划分，上边界为对流换热条件，右侧边界已知热流密度q。试用热平衡法建立节点0的数值离散方程式（不需要整理）。q图１54、何谓非稳态导热的正规阶段？写出其主要特点。答：物体在加热或冷却过程中，物体内各处温度分布随时间的变化具有一定的规律，物体初始条件对温度分布的影响逐渐消失，这个阶段称为非稳态导热的正规阶段。55、分别写出Nu、Re、Pr、Bi、Fo数的表达式，并说明其物理意义。（2）雷诺(Reynolds)数，，它表示惯性力和粘性力的相对大小。（3）普朗特数，，它表示动量扩散厚度和能量扩散厚度的相对大小。（4）毕渥数，，它表示导热体内部热阻与外部热阻的相对大小。答：（1）努塞尔(Nusselt)数，，它表示表面上无量纲温度梯度的大小。（5）傅立叶数，，它表示非稳态导热过程的无量纲时间。56、影响强制对流换热的表面换热系数的因素有哪些？答：影响强制对流换热的表面换热系数的因素有流动起因、有无相变、流动型态、流体的物性、换热表面的几何因素等，用函数表示为

对于无相变的单相管内强制对流，影响强制对流换热的表面换热系数的因素有流动起因、有无相变、流动型态、流体的物性、换热表面的几何因素等，用函数表示为57、边界层理论？什么叫流动边界层和热边界层？（1）流场分为主流区和边界层区。只有在边界层区才考虑粘性的影响，需用粘性流体的微分方程描述。在主流区，流体视为理想流体，用贝努利程描述；（2）边界层内厚度δ<<壁面尺寸l，δ=δ

(x)；（3）在边界层内，流动状态分为层流、过渡流和紊流；紊流边界层内紧贴壁面处仍有极薄层保持层流状态，称为层流底层。58、强制对流和自然对流各有那几种流态？判别的准则各是什么，给出具体的表达式？59、流体流过一个管壁被均匀加热的圆管。假设管足够长，流动和换热能够能发展到旺盛湍流。试定性画出流体与圆管换热的局部对流换热系数沿管长的变化曲线，并简述理由。60、气体的热边界层与流动边界层的相对大小？答：由于，对于气体来说，所以气体的热边界层的厚度大于流动边界层的厚度。61、对流换热过程微分方程式与导热过程的第三类边界条件表达式有什么不同之处？答：对流换热过程微分方程式与导热过程的第三类边界条件表达式都可以用下式表示但是，前者的导热系数为流体的导热系数，而且表面传热系数h是未知的；后者的导热系数为固体的导热系数，而且表面传热系数h是已知的。62、由对流换微分方程可知，该式中没有出现流速，有人因此认为表面传热系数与流体速度场无关。你认为对吗？答：这种说法不正确，因为在描述流动的能量方程中，对流项含有流体速度，要获得流体的温度场，必须先获得流体的速度场，在对流换热中流动与换热是密不可分的。因此，对流换热的表面传热系数与流体速度有关。63、其它条件相同时，同一根管子横向冲刷与纵向冲刷相比，哪个的表面换热系数大？为什么？答：同一根管子横向冲刷比纵向冲刷相比的表面换热系数大。因为纵向冲刷时相当于外掠平板的流动，热边界层较厚，热阻较大；而横向冲刷时热边界层较薄且在边界层由于分离而产生的旋涡，增加了流体扰动，因而换热增强。64、试画出竖壁大空间自然对流（tw<tf）边界层内速度和温度分布曲线并简述特点。utxou,t65、什么是雷诺比拟（写出表达式）？它的应用条件是什么？答：雷诺比拟：，条件：Pr=1。66、判定两个物理现象相似的条件是什么？答：物理现象相似的条件是：（1）同名的已定特征数相等（2）单值性条件相似67、下列三种关联式描述的是那种对流换热？，，答：描述的是无相变的强迫对流换热，且自然对流不可忽略；描述的是自然对流可忽略的无相变的强迫对流换热；描述的是自然对流换热。68、蒸汽与温度低于饱和温度的壁面接触时，有哪两种凝结方式？产生的原因是什么？69、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？答：空气横掠垂直管束时，沿流动方向管排数越多，气流扰动越强，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，凝结液膜越厚，凝结换热热阻越大，换热强度降低。70答：横管和竖壁的平均表面传热系数的计算中，特征尺度横管采用直径d，竖壁采用壁长l。在其他条件相同时，横管与竖管的对流换热系数之比：当l/d50时，，所以冷凝器通常都采用横管的布置方案为什么冷凝器通常都采用横管的布置方案？71、竖壁倾斜后其凝结换热表面传热系数是增加还是减小？为什么？答：竖壁倾斜后，使液膜顺壁面流动的力不再是重力而是重力的一部分，液膜流动变慢，从而热阻增加，表面传热系数减小。另外，根据表面传热系数公式公式中的亦要换成，从而h减小。72、为什么珠状凝结表面换热系数比膜状凝结表面换热系数大？答：膜状凝结换热时,沿整个壁面形成一层液膜，并且在重力的作用下流动，凝结放出的汽化潜热必须通过液膜，因此，液膜厚度直接影响了热量传递。珠状凝结换热时，凝结液体不能很好的浸润壁面，仅在壁面上形成许多小液珠，此时蒸汽仅与部分壁面表面直接接触，因此，换热速率远大于膜状凝结换热。73、不凝结气体对表面凝结换热强弱有何影响？答：不凝结气体的存在，一方面使凝结表面附近蒸汽的分压力降低，从而蒸汽饱和温度降低，使得传热驱动力即温差减小；另一方面，凝结蒸汽穿过不凝结气体层到达壁面依靠的是扩散，从而增加了阻力。因此，上述两方面原因导致凝结换热时的表面传热系数降低。74、请示出大容器饱和沸腾曲线，并对各区域的换热特性进行说明。75答：在核态沸腾阶段时，随着壁面过热度（液体温度与壁面温度之差t

）的进一步增大，壁面上的汽泡不断生成、长大，随后引因浮力作用而离开表面，由于气泡的大量迅速生成和它的剧烈运动，换热强度剧增，热流密度随t

的提高而急剧增大，直到达到热流密度的峰值，此时的热流密度称为临界热流密度。当t进一步增大时，热流密度又开始下降。、沸腾换热的临界热流密度的含义是什么？76、为什么用电加热时容易发生电热管壁被烧毁的现象？而采用蒸汽加热时则不会？答：用电加热时，加热方式属于表面热流密度可控制的，而采用蒸汽加热时则属于壁面温度可控制的情形。由大容器饱和沸腾曲线可知，当热流密度一旦超过临界热流密度时，工况就有可能很快跳至稳定的膜态沸腾，使得表面温度快速上升，当超过壁面的烧毁温度时，就会导致设备的烧毁；采用蒸汽加热由于壁面温度可控制，就容易控制壁面的温升，避免设备壁面温度过度升高，使其温度始终低于设备的烧毁温度。77

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、如图所示的墙壁，其导热系数为50W/(m·K),厚度为50mm，在稳态情况下的墙壁内的一维温度分布为：t=200-2000x2，式中t的单位为0C，x单位为m。试求：(1)墙壁两侧表面的热流密度；(2)墙壁内单位体积的内热源生成的热量。典型题讲解(二)计算题78解：(1)由傅立叶定律：

所以墙壁两侧的热流密度：

(2)由导热微分方程得：79、一根直径为1mm的铜导线，每米的电阻为。导线外包有厚度为0.5mm，导热系数为0.15W/(m·K)的绝缘层。限定绝缘层的最高温度为650℃，绝缘层的外表面温度受环境影响，假设为400℃。试确定该导线的最大允许电流为多少？80解：以长度为L的导线为例，导线通电后生成的热量,其中的一部分热量用于导线的升温,一部分热量通过绝热层的导热传到大气中。根据能量守恒定律知：

当导线达到最高温度时，导线处于稳态导热，81、外径为50mm的蒸汽管道，外表面温度为400℃，管外包有二层保温材料，内层为厚40mm的矿渣棉（λ=0.15W/(m·℃)），外层为厚45mm的煤灰泡沫砖（λ=0.13W/(m·℃)），外层保温材料外表面温度为50℃，试求每米蒸汽管道的散热量及二层保温材料交界面处的温度。82、25℃的热电偶被置于温度为250℃的气流中，设热电偶节点可以近似看成球形，要使其时间常数τc=1s，问热节点的直径为多大？忽略热电偶引线的影响，且热节点与气流间的表面传热系数为h=300W/(m2K)，热节点材料的物性参数为：导热系数为20W/(m·K)，，。如果气流与热节点间存在着辐射换热，且保持热电偶时间常数不变，则对所需热节点直径大小有和影响？83知，要保持不变，可以使增加，即热节点的直径增加。解：故热电偶直径：验证毕渥数Bi是否满足集总参数法：(2)若热节点与气流间存在辐射换热，则总的表面传热系数h（包括对流和辐射）将增加，由满足集总参数法条件。(1)84、质量为M、比热为c、表面面积为A的小型导电体，初温等于环境温度Ta，通电加热后温度逐渐升高，最终达到平衡温度Tb,

试证：

并说明的意义（，其中h是导电体与环境的对流换热系数）。85解：根据能量守恒原理，有当再次达到热平衡时，导电体温度为Tb，dT/dτ=0，则则：引入过余温度则：解之：因为而所以865-13．（课本）来流温度为20℃、速度为2.5m/s空气沿着平板流动，在距离前沿点为2m处的局部切应力为多大？如果平板温度为50℃，该处的对流传热表面传热系数是多少？利用tf=20℃查物性Re值一样吗？87、空气以10m/s速度外掠0.8m长的平板，,,计算该平板在临界雷诺数