传热学期终考试题答案A卷

1w。1w。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）一、（10分所示的墙壁热系数

/(m所处外界温度20℃测得两侧外壁面温度均为℃外壁面与空气的表面传热系数为125W(m

2

壁内单位体积内热源生成热假设墙壁内进行的是一维稳态导热，墙壁厚度方向温度分t(x图解：由于对称性只研究墙壁厚度的一半即可，导热微分方程为：d2

t（1）（2）2边界条件为：0，

dx

0；50mm

dtdx

h(t)（）（分）wfdt由(1)式积分得：x（3）dx由x处边界条件c（1分）1对（3）式积分得t

x（4分）2由=时

=(t

w

f

)（分）可得Φ=(tw

f

)/=125(100=5

3

)（1分）由（4）式x=时t

2

2

1分）则得c2

2

（分则壁厚方向温度分布t(xx

2

（1）二分为20的空气以10m/s的速度纵向流过一块长200mm温度℃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板宽为1m1

232232表1气的热物理性质t

/m/s

/W/(m·K)304050

0.02670.02760.0283

准则关联式：12Pr3

层流；Nu(0.037Re

1

湍流边界层厚度：

x

；流动边界层与热边界层之比：t

1解：定性温度

(20/℃fu1v6.

5

1流

(1分)(1分)u13t

16.9611.293

10

m

(2分)100mm处

0.1

2.06

m

(2分)t

13

1mNu0.664Re1/3202.4

(2分)0.0276h202.427.9W/ml

2

(1分)w

f

7

160)223

(1分)三10分）水以的流速流过长为8m的直管，入口温度为℃，出口温度为40，管内径d＝求对流换热系数和平均管壁温度。表2的热物理性质t

/℃/m/W/(m·K)c/K)p20998.24.18330995.74.17440992.24.17450988.14.174解：定性温度t24)（1）fu0.02层流（分）v0.8050.0303

0

4

h

(W/md

2

（2）2

11112),33,(1EJ11211148111112),33,(1EJ11211148121RRT5.67(5.5)2由热量平衡得：则：

qc(''')1(t''')c(t')4h(t0.02417420)47985.4

℃

（2）（1）设管壁平均温度t，则：wt43℃，（1）wf四10）如图2所示，半球表面是绝热的，底面一直径的圆盘被分为1、2两部分。表为灰体，＝550K，发射率=0.6，表2为温度T＝12的黑体。（1）计算角系数X，X，X，X1,21,32,3（2）画出热网络图并计算表面1和表面2间的换热量以及绝热面的温度。图2解：根据角系数相对性，(2),3AX可得X（分）A2根据对称性XX，根据角系数的可加性，

XX0.5，所以可得X3,1根据角系数的相对性可得：

3,1

3,2

AX，可得X11,31,3同理，（1分）根据角系数的完整性

AXA

，X，可得（1分）X1,21,2（2）热网络图为；R分）b1R,

J

2

R

E

R1323

）244.96(W)（2分）89891314889J)5.6744.96b113（1）

JE∴T33

4

1986.2b5.67

（1）五10分）已知如图所示微元面dA球缺。13

d22A2分）0d22A2分）002求：从角系数的积分定义出发，计算dA到球缺内表面的角系数，并用两种极1限情形来检查你所得到的公式的正确性。图3解：X1dA,1

2代入上式得：Xd1,2

12

1

2d11

（2）

2sin

sin1

12

（1）

时，应有

d

，由上式确实得出此值；

（1）当时，应有X1,2，由上式亦确实得出此值。（分）六10分）用进口温度为12、质量流kg/h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k均为980W/(m·K)苯的汽化潜3J/kgc1758kg·Kp1试确定将质量流3600kg/h的苯蒸汽凝结并过冷到℃所需的冷凝段和过1冷段传热面积分别为多少的定压比c4183（kg·Kpt

冷凝段t'80

℃

过冷段t''

℃t'

℃

t2m0

Ax图4解：先计算总传热量：4

212212冷凝段r1m

3.6

3

395

3

5

W1）过冷段c(t''')2mp111

3

175840)70320（1）水的定压比热容c

p

由冷凝段热平衡，有c(1

2m

)2所以，得

t

2m

'2

1q

℃（1）冷凝段对数平均温差m冷凝段换热面积为：

(8030.9)80ln80

℃（2分）3.0A6.（1分）k98m由过冷段热平衡，有(t)2m222得

t''2

2

qm2p

30.9

70320341833600

34.3℃（分）其过冷段对数平均温差为：

m

(80.4033)2）80.ln4034.3故过冷段传热面积为：70320km

2

（1）七、简答题（40）1分）对于平板导热，试说明Bi数的物理意义BiBi各代表什么样的换热条件？一块厚2的金属平板始温度然置于温度的0流体中冷却，试着画出Bi时，平板中温度场的变化情形。答；Bi是平板导热热表面对流传热热阻1h之（1Bi0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Bi时，说明传热热阻主要为导热热阻，可以近似认为壁温5

就是流体温度（1(2分)1、厚度均的两个无限大平板，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且均为常数，12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，是否相等，并比较两平板的12导热系的大小？122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“口效应从而强化换热分）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）2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，因而这里换热最剧烈2分由对流换热微分方

y

对一定表面传热温差的同种流体与均保持为常数，因而可用绝对值的大小来判断表面传热系数的大小分）3分）漫灰表面间的辐射换热计算中采用了有效辐射，试阐述有效辐射及投入辐射的概念；并结合投入辐射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分且还包括投入辐射G中被表面反射的部分ρG（分中ρ为表面的反射比；（3对于表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：6

J（1分）114分）如图6示为真空辐射炉，球心处有一黑体加热元件，试指出，黑体对ABC三处中何处定向辐射强度最大？何处辐射热流最大？假设ABC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III（分）（2）由已知条件A、三处立体角相同，且由coscos1C分）由兰贝特定律Ecos知分）A处辐射力最大，即A辐射热流最大；处辐射力最小，即C处辐射热流最小1分）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？答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）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？答：

max1

（分示换热器的实际换热效果与最大可能的换热效果之比（27、（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？答：水垢产生对采用水冷的管道的传热系数影响较大分）采用水冷时，管道内外均为换热较强的水两侧流体的换热热阻较小因而水垢的产生在总热阻中占得比例较大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分）