哈工大传热学第五版课后习题答案

传热学习题解答

与中国建筑工业教材

——《传热学》配套

中原工学院

1.冰雹落地后，即慢慢融化，试分析一下，它融化所需的热量是由哪

些途径得到的？

答：冰雹融化所需热量主要由三种途径得到:

a、地面向冰雹导热所得热量；b、冰雹与周围的空气对流换热所得到

的热量；c、冰雹周围的物体对冰雹辐射所得的热量。

2.秋天地上草叶在夜间向外界放出热量，温度降低，叶面有露珠生成,

请分析这部分热量是通过什么途径放出的？放到哪里去了？到了白

天，叶面的露水又会慢慢蒸发掉，试分析蒸发所需的热量又是通过哪

些途径获得的？

答：通过对流换热，草叶把热量散发到空气中；通过辐射，草叶把热

量散发到周围的物体上。白天，通过辐射，太阳和草叶周围的物体把

热量传给露水；通过对流换热，空气把热量传给露水。

3.现在冬季室供暖可以采用多种方法。就你所知试分析每一种供暖方

法为人们提供热量的主要传热方式是什么？填写在各箭头上。

“E八,一心.、人quI对流换热不.,,导热出.,,对流换热和辐射

答：暖气片的蒸汽或热水暖气片壁暖气片外L|壁

»、一对流换热和辐射，江皿-u廿辐射、4b辐射…

室空气人体；暖气片外壁—墙壁一人体

I，I口L人、I对流换热~八口、包m对流换热和辐

电热暖气片：电加热后的油暖气片壁—暖气片外壁

射》、一对流换热和辐射，人

一室空气人体

辐射辐射辐射

红外电热器：红外电热元件人体；红外电热元件一墙壁人体

,_,,.对流换热和辐射.4r对流换热和辐射,.,

电热暖机：电加热器BD加热风人体

人eke、、E»-I、Iur对流换热和辐射,

冷暖两用空调机（供热时）：加热风人体

太阳照射：阳光超才人体

4.自然界和日常生活中存在大量传热现象，如加热、冷却、冷凝、沸

腾、升华、凝固、融熔等，试各举一例说明这些现象中热量的传递方

式？

答：加热：用炭火对锅进行加热一一辐射换热

冷却：烙铁在水中冷却——对流换热和辐射换热

凝固：冬天湖水结冰一一对流换热和辐射换热

沸腾：水在容器中沸腾一一对流换热和辐射换热

升华：结冰的衣物变干一一对流换热和辐射换热

冷凝：制冷剂在冷凝器中冷凝——对流换热和导热

融熔：冰在空气中熔化——对流换热和辐射换热

5.夏季在维持20t的室，穿单衣感到舒服，而冬季在保持同样温度的

室却必须穿绒衣，试从传热的观点分析其原因？冬季挂上窗帘布后顿

觉暖和，原因又何在？

答：夏季室温度低，室外温度高，室外物体向室辐射热量，故在20℃

的环境中穿单衣感到舒服；而冬季室外温度低于室，室向室外辐射散

热，所以需要穿绒衣。挂上窗帘布后，辐射减弱，所以感觉暖和。

6.“热对流”和“对流换热”是否同一现象？试以实例说明。对流换

热是否为基本传热方式？

答：热对流和对流换热不是同一现象。流体与固体壁直接接触时的换

热过程为对流换热，两种温度不同的流体相混合的换热过程为热对流,

对流换热不是基本传热方式，因为其中既有热对流，亦有导热过程。

7.一般保温瓶胆为真空玻璃夹层，夹层两侧镀银，为什么它能较长时

间地保持热水的温度？并分析热水的热量是如何通过胆壁传到外界

的？什么情况下保温性能会变得很差？

答：镀银减弱了水与壁的辐射换热，而真空夹层阻止了空气与壁之间

的对流换热，两层玻璃之间只有辐射换热，外层的镀银则减弱了外壁

与外界之间的辐射作用。如果真空中渗入空气，则保温性能将变得很

差。

热水壁外壁外界空气

8.面积为12m2的壁的总导热热阻与它单位面积上的份上热阻R.\之比为

多少？

答：R=Rx/12

9.利用式(0-1)分析，在什么条件下图0-2中平壁的温度呈直线关系

变化？什么条件下将呈曲线关系变化？

答：当人与温度无关时，平壁中的温度呈直线关系变化；当人与温度

有关时，平壁中的温度呈曲线变化。

10.一燃气加热炉，炉子壁为耐火砖，外壁为普通红砖，两种砖之间有

的填充保温材料，而有的则为空气夹层，试分析这两种情况下由炉到

炉外环境的散热过程？如果是空气夹层，空气层的厚度对炉壁的保温

性能是否会有影响？

答：中间为保温材料的过程：两壁与外界环境之间为对流和辐射换热,

两壁与保温材料之间均为导热；如果是空气夹层，则夹层中为对流换

热，空气层的厚度与保温性能无关，因为对流换热与厚度无关。

第一章导热理论基础

1.按20C时，铜、碳钢(1.5%C),铝和黄铜导热系数的大小，排列它

们的顺序；隔热保温材料导热系数的数值最大为多少？列举膨胀珍珠

岩散料、矿渣棉和软泡沫塑料导热系数的数值。

答：铜〉铝〉黄铜》碳钢；

隔热保温材料导热系数最大值为0.12W/(m・・K)

膨胀珍珠岩散料：25℃60-300Kg/m:i0.-0.062W/(m・・K)

矿渣棉：30℃207Kg/m30.W/(m・・K)

软泡沫塑料：30℃41-162Kg/m30.043-0.W/(m・・K)

2.推导导热微分方程式的已知前提条件是什么？

答：导热物体为各向同性材料。

3.(1)史=2000A/〃z,q=-2X105(w/m2).

dx

(2)—=-2000k/m,q=2X105(w/m2).

dx

3

4.(1)qx=0=0,qx=s=9xlOw/m?

53

(2)qv=1.8xlOw/m

5.已知物体的热物性参数是入、P和c,无热源，试推导圆柱坐标系的

导热微分方程式。

“dt1da、1d2t西

答：一=4——(zr—)+——-+—]

drrdrdrr~dz~

6.已知物体的热物性参数是人、P和c,无热源，试推导球坐标系的导

热微分方程式。

dt「13/2力、1S..dt,1c~t

答:—=«[——(厂一)+--------(sin0n—)+———；------]1

drr2drdrr2sin^dOdOr2sin20d(p

7.一半径为R的实心球，初始温度均匀并等于t。，突然将其放入一温

度恒定并等于tf的液体槽冷却。已知球的热物性参数是入、P和c,

球壁表面的表面传热系数为h,试写出描写球体冷却过程的完整数学描

述。

包生）］

T>0,0<r<R

drpcr2drdr'

较r=O,O<r<R,t=to

T>0,F—R,—A,—

drr=R

dt

r=0n,­=0

dr

8.从宇宙飞船伸出一根细长散热棒，以辐射换热将热量散发到外部空

间去，已知棒的发射率（黑度）为£,导热系数为入，棒的长度为1,

横截面面积为f,截面周长为U,棒根部温度为T。。外部空间是绝对

零度的黑体，试写出描写棒温度分布的导热微分方程式和相应的边界

条件。

2

展.dt叩2+273）4。

答口：%—命7--------/-----=0

x=0,t+273=T0

At

x=£—勺L=Wi+273/

OX

第二章稳态导热

1.为什么多层平壁中温度分布曲线不是一条连续的直线而是一条折

为9

答：因为不同材料的平壁导热系数不同。

2.导热系数为常数的无热源的平壁稳态导热过程，若平壁两侧都给定

第二类边界条件，问能否惟一地确定平壁中的温度分布？为什么？

答：不能。因为在导热系数为常数的无热源的平壁稳态导热中?为常

OX

数，q为定值，由夕=-几空求解得f=常数c无法确定，所以不

OXZ

能惟一地确定平壁中的温度分布。

3.导热系数为常数的无热源的平壁稳态导热过程，试问（1）若平壁两

侧给定第一类边界条件。和5,为什么这一导热过程的温度分布与平

壁的材料无关？为什么？（2）相同的平壁厚度，不同的平壁材料，仍

给定第一类边界条件，热流密度是否相同。

答：（1）因为在该导热过程中/=c=

axo

（2）不相同。因为夕=-几3,?为定值，而入不同，则q随之而变。

OXOX

4.如果圆筒壁外表面温度较表面温度高，这时壁温度分布曲线的情形

如何?

.d

In一4

圆筒壁的温度分布曲线为，=射一（&「42）(g<42)

答:In%

4

5.参看图2T9,已知球壁导热系数人为常数，外表面分别保持品和

5,度推导空心球壁导热量计算公式和球壁的导热热阻。

1d2。八1St32t.八

V2r=(r-——)=—(zo2r——+r2——)=0

2drdrrdrdr2

答：球体的m科n

2---Fr---=0

drdr2

当r=n时，t=twi

时

当r=t=t

r2

对

式进

求解

上

行

得

所以球体的温度分布为

球体的导热量计算公式为Q=Aq=47tr2q,且

r2rx

14叽4Ww2)=九］一。2

Q=-An——Ajir~9=-

-q广q-1_1一(」)-1-

(4r\r24成

空心球壁的导热量为,导热热阻为（丁下石

6.同上题，若已知边界条件改为第三类边界条件，即已知和tf2,h2

试推导通过空心球壁传热量的计算公式和球壁的传热热阻。

Q=4万(/,讨一S)

11111、

传热热阻为z藐(/-森-京+丽)

7.答：通过砖墙总散热：0=672(W)

8.答:表面温度％=1.5℃

9.答：加贴泡沫层厚度b=0.(m)=91(mm)

10.答:保温层厚度SN0.147(m)=147(mm)

11.答：红砖层厚度应改为500(mm)

12.答：该双层玻璃窗的热损失41.66(W)

单层玻璃；其它条件不变时热损失2682.68(W)

13.答：第一层占总热阻比：22.2%

第二层占总热阻比：51.9%

第三层占总热阻比：25.9%

14.答：表面传热系数K=30.23W/(m2•K)

热流通量q=5687.2W/m2

15.方案(1)K=29.96W/(m2•K)

方案(2)K=29.99W/(m2•K)

方案(3)K=37.4W/(m2•K)

16.答:取修正系数e=0.96

单位面积导热阻：0.204(m2-K)/W

17.答：(1)单位长度管壁中：

2

第一层材料导热阻：Ru=1.66x101^-•m)/W

第二层材料导热阻:%=0.5171•加2)/卬

第三层材料导热阻：&3=02796(%•/)/W

(2)每米蒸汽管热损失q尸314.0(W/m)

(3)5=299.95℃

U=137.61℃

18.解：调换比调换前减少13.41%

19.电流是6.935(A)

20.解：保温层材料厚度71.5mm

21.解：取保温材料外表面温度为室温25℃时，蒸发量m=1.85kg/h

22.解：有，4=*

23.根据现有知识，试对肋壁可以使传热增强的道理作一初步分析。

答：肋壁加大了表面积，降低了对流换热的热阻，直到了增强传热的

作用。

24.一直径为d,长度为1的细长圆杆，两端分别与温度为3和t2的表

面紧密接触，杆的侧面与周围流体间有对流换热，已知流体的温度为

3,而tWt1或t2,杆侧面与流体间的表面传热系数为h,杆材料的导

热系数为入，试写出表示细长杆温度场的完整数学描述，并求解其温

度分布。

答：把细长圆杆看作肋片来对待，那么单位时间单位体积的对流散热

h(t-tP71ddx4h(t~~tf)

量就是热源强度。d

d2t4h,、八

--9-----(rTf)=。0〈x〈l

dx2dA/U'X1

x=0t=ti

X=1t=t2

2

令,“Y/瓦4A，则左dt一4祓/z(r)=°n可..化w为d~t/:"/J/、

d-e

肋的过余温度为0=t-t,则002=t-t,=m20

f2fdx2

9=c、exp(〃u:)+c2exp(-mx)

根据边界条件，求得：，-产丁/)‘2二

exp(m/)-exp(-m/)exp(mZ)-exp(-mZ)

所以该杆长的温度分布为:

c0.-Oexp(-m/)4expo/)—&/、

3=-=——x!---------exp(/nx)+-----!---------=-exp(-/7ix)

exp(m/)-exp(-m/)exp(m/)-exp(-m/)

25.解：温度0=44.88c/?[0.472-18.9x]

散热量。=321.33(W)

26.解：tf=10(TC

测温误差：△t=16℃

27.解：材料改变后,测出匕=99.85%

误差：100-99.85=0.15℃

28.答：(1)铝材料力=0.961

(2)钢材为=0.853

29.答：总散热量包括肋表面管壁面散热之和：IL885kW

31.答：散热量：484.29(W/m)

32.答：0=154.21(W)

34.答：接触面上温差51.4℃

第三章非稳态导热

1.何谓正常情况阶段，这一阶段的特点是什么？

答：正常情况阶段：物体各处温度随时间的变化率具有一定的规律,

该阶段为物体加热或冷却过程中温度分布变化的第二阶段。

2.何谓集总参数分析，应用这种方法的条件是什么？应怎样选择定型

尺寸？

答：当Bi<0.1时，可以近似地认为物体的温度是均匀的，这种忽略物

体部导热热阻，认为物体温度均匀一致的分析方法称为集总参数法。

给出任意形态的物体，由于它的导热系数很大，或者它的尺寸很

小，或者它的表面与周围流体间的表面传热系数很小，因此物体的Bi

准则小于0.1,可以采用集总参数法。

3.试举例说明温度波的衰减和延迟性质。

答：综合温度的振幅为37.1C,屋顶外表面温度振幅为28.6C,表面

温度振幅为4.9寸，振幅是逐层减小的，这种现象称为温度波的衰减。

不同地点，温度最大值出现的时间是不同的，综合温度最大值出

现时间为中午12点，而屋顶外表面最大值出现时间为12点半，表面

最大值出现时间将近16点，这种最大值出现时间逐层推迟的现象叫做

时间延迟。

4.用不锈钢作底板的家用电熨斗初始时处于室温3。当开关接通后，

电热器在底板以qvW/m，的强度发热。不锈钢的热物性参数人、P和c

均为已知，不锈钢的体积为V,暴露于空气中的表面面积为A,该表

面与空气之间的表面传热系数为h,试用集总参数法分析电熨斗底板温

度变化T(T).

答：根据物体热平衡方程式得，

pcV—=Vq-hAO

drv

zv、/V

6⑺=———Fcexp(/--h-A--r)

hApcV

又当T=O时，e(0)=o,c=^—

hA

ayhA

所以，6(7)=-^41+exp(-----r)]

hApcv

5.该热电偶外形为球形，定性尺寸L=£=O.O25m

3

rcl=1.52s

TC2=0.7s

-xO.0032x0.016

4=0.000716(

6.7tX0.003x0.016+fX0.0032

「管=*HL56S

7.此答案取热电偶球形直径d=0.5mm,则T=14.43sT=119.05℃

8.T-426(.v)

9.

10.h=83.2W/(m2•K)

11.T=48min

12.T=6(/z)

13.

14.%=-12-22=346)=12-22=-10

10、

kLs1.1

=一1/=-------O=-----------7x

hA6»0ah7.5x10-74"1347

=448717(5)

15.T=5.97(〃)

16.10分钟后棒中心及表面均为油温a=&B30%r=71s,

例=1043KJ

17.

18.t»,=30.85℃tx=o,i=21,53℃

21.r=2.32/1

22.

23.砖墙x=0.618m

木墙x=0.25m

24.x=0.Imtrain=-l.883℃看=2.1h

x=0.5m,tmin=0.681℃J=10.5〃

第五章对流换热分析

1.影响对流换热的因素有流体种类、速度、物理性质、表面温度、环

境温度、形状、尺寸、位置、表面状况....等等，试以你的感性认识

举例说明这些因素的存在。

答：①日常生活中，蒸汽换热与水换热，其种类不同，物理性质也不

同，则换热效果也明显不同。

②在晴朗无风的天气里与有风的天气里晒衣服，其流体速度不

同，衣服晒干的时间也是不同的，说明换热效果有不同。

③一杯水放在空气装配能够与放在冰箱里，环境温度不同，其换

热效果有是不同的。

④板式换热器与肋片式换热器形状不同，定性尺寸也不同，换热

效果也不同。

⑤粗糙管与光滑管的换热效果也是不一样的。

⑥换热器放在窗下面与放在墙角换热效果是不一样的。

2.试设想用什么方法可以实现物体表面温度恒定、表面热流恒定的边

界条件？

答：加热水使其在沸腾状态，放一物体在沸腾水中，此状况下物体表

面温度可认为是恒定的。将一物体外层包裹一层绝热材料，再将物体

连入一恒定电流的加热器中，则其物体可认为是表面热流恒定。

3.试就自然界和日常生活中的对流换热现象举例，说明哪些现象可以

作为常壁温或者常热流边界条件来处理？哪些现象可以近似地按常壁

温或常热流处理？

答：在冰箱层结了一层冰，与冰箱物体换热，此时，冰箱壁是常壁温

的。电炉加热可视为常热流。水壶烧开水，可近似认为是恒热流的加

热方式。暖壶装满热水壁可近似认为是常壁温的。

5.沸腾水与常温水的温度有没有数量级差别？如果厚度相比是否可

以认为是1与§之比？

答：沸腾水与常温水的温度没有数量级差别。如果流体外掠长度只有

1mm的平板，那么它的板长与边界厚度相比是可以认为是1与§之比。

6.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两

者有什么不同之处？

-I?/

答：对流换热过程微分方程式：4=67(7?小①

uixey

导热过程的第三类边界条件表达式为：

/W、

h(tItIz)="/(-)5②

①式中为x点贴壁处流体的温度梯度，k/mo由近壁面的温度场确定,

I为流体的导热系数，q,为对流换热量，是随着x的变化而变化的，

而②中是确定的。②式中的/是传热体的导热系数，由传热材料决定。

7.流体外掠平板，在温度条件不变的情况下，主流速度增加时，它的

局部和平均表面传热系数都增加，试从换热原理进行分解释。

答：主流速度增加时，速度边界层厚度减小，在温度条件不变时即使

温度条件不变，热边界层厚度减小，增加了边界层的温度梯度，从而

局部和平均表面传热系数都增加。

8.在相同温度及速度条件下，不同Pr流体外掠平板时的温度及速度

边界层厚度、速度及温度梯度及平均表面传热系数等有何差异？

答：Pr大的流体，温度边界层厚度小于速度边界层厚度，温度梯度速

度大于速度梯度，则平均表面传热系数将较大。

10.导出外掠平板层流边界层在距前缘x距离的平均厚度表达式。

解：由外掠平板流动的动量微分方程

抖U?2"

由于“，叫,xd,而由连续性方程

步，=。

A…・.-......可知v—d,因此，动量微分方程式中各项的数量级如下:

xdx

抖U?2〃

u—+v——=n--

提y?y

%当••…在边界层内,粘性力项与惯性力项具有相同数量级,

xxdd~

212

即£〃二即4n/u,x

xdx

所以44

11.为什么Pr《1时，则0》8,试分析在5区域的流动及换热

的机制。

3t--

答：由公式一”r3,Pr«l,夕>>3,

此时在边界层热量扩散强度远大于动量扩散。

12.5=1.47x10-3〃?

13.R=9.78XK)T机

2

14.局部表面传热系数：hMl=2273.2w/(m•k)

2

hx=02,n=1608.2w/(m•k)

%).=1312w/(m2-k)

曝。a=1071.2w/(m2•k)

平均表面h=2142.4w/(m2•k)

-3

15.^max=2.54xl0m

16.—=0.376^--0.2-^-y注：5=4.64叵

%xSx&V%

3

17.vmax=1.3x10m/s

18.Xc=0.923m

全板长为层流：h=13.9W/(m2.k)

°=556(W)

19.xc=0.026m

紊流换热系数关联式：h=24289W/(m2•k)

0=971577(W)

20.xc=8.265m,全板长流动层流

h=325.5W/(m2•K),dm(w)

21.3=3.46后

41

22.NUx=0.02872Rt5Pr5

,X(dtyAb

Zooo.h=----------=-------

^\dy)wtw-tf

5-24由边界层能量微分方程式直接导出能量积分方程式。

解：常物性不可压缩流体，忽略粘性耗散，二维的边界层能量微分方

程表示为：

抖t?7

同样，上式在y方向上对整个温度边界层厚度积分，得

后I抖14/Jc，？7

蝌〃市办+u—dy=a?—

w抖°y°?y

进一步可写为

阖呦-:学+"巾-?:干尸-喻。

由连续性方程知

旨二-'，二-a,N办，代入上式得：

丹X。(X

d、41欣I拌74〃，C4排？t

区Oady-卿丘dyf。-dy+9Qt-dy=-a-\y=Q

整理得其/g,-。为二。上

取过余温度4二%-。，上式变为:

、&(、八忖2

区dqu(q.-Q^y-a—。即此为边界层能量积分方程。

25.。=24「“红；+备备2)

26.Q=120.5w

27.h=104W/(m2•k)

2

28.h2=8.24W/(m•k)

29.°=296.8W

30.使G=A0

4-

31.h=31.4W/(m2•k)

第六章单相流体对流换热及准则关联式

1.试定性分析下列问题：

(1)夏季与冬季顶棚壁的表面传热系数是否一样？

(2)夏季与冬季房屋外墙外表面的表面传热系数是否相同？

(3)普通热水或蒸汽散热器片型高或矮对其外壁的表面传热系数是

否有影响？

(4)从传热观点看，为什么散热器一般都放在窗户的下面？

(5)相同流速或者相同的流量情况下，大管和小管(管或管外)的

表面传热系数会有什么变化？

答：(1)夏季与冬季顶棚壁的表面传热系数是不一样的。因为夏季与

冬季顶棚壁与室的空气温度的温差是不一样的。

(2)同(1)夏季与冬季房屋外墙外表面的表面传热系数也是不

一样的。

(3)普通热水或蒸汽散热器片型高或矮对其外壁的表面传热系数

是有影响的。因为他们的定性尺寸是不一样的。

(4)因为窗户附近负荷大，散热器放在窗户的下面可以在窗户附

近形成一热幕，使冷负荷尽可能少的进入房间。这样使室温度更均匀。

(5)相同流速或者相同的流量情况下，大管的对流传热系数小，

小管的对流传热系数较大些。

2.传热学通常把“管流动”称为部流动，将“外掠平板，外掠圆管”

等称为外部流动，请说明它们的流动机制有什么差别。这些对流换热

问题的数学描写有什么不同？

答：管流动对流换热的热阻主要在边界层。Re〉IO,为旺盛湍流区，

Re=2300~l()4为过度区。无论层流还是湍流，都存在入口段，且入口段

的换热很强。管充分发展的流动与换热，表面传热系数h为常数。管

流动的换热边界条件有两种，即恒壁温及恒热流条件。对层流和低

数介质的流动，两种边界条件结果不同。但队湍流和高〃厂数介质的

换热，两种边界条件的影响可以忽略不计，即换热的N“是一样的。管

流动与外部流动其边界层也是不同的。部湍流数学描写

8

N,uf=0.023RJe?rfP"Nuf=cRe；吸

加热流体〃=0.4外掠单管关联式为

c、n值根据Re.来确定。

冷却流体〃=0.3

5.答：第一种散热器进出口方法是最不利的，热水根本就不进入管。

第二种比较可靠，稳定。其要是受迫对流是更可靠和稳定。第三种只

能是受迫对流，其可靠性和稳定性不及第二种的受迫对流。

6-12答：(1).先计算管流体的出口温度0"。qpdl=Mep(tf--r/)o

(2)由于管壁为常热流边界条件。根据管流体进出口温度的算术平均

值计算出管流体平均温度。=土孕。

(3.)由。查表得流体的热物性参数值的、nf.prmrr,o

(4.)根据质量流量M及管子断面积，求出管流体速度

u=MlaA主彳

'rpd2

(5.)计算雷诺数凡，并判断流动状态并根据常热流的边界条件，选

择相应的换热关联式。计算N“

(6.)由N“数，可计算出ho

(7.)由常热流的边界条件，在热充分发展段，流体与壁面间的温度

差沿管长保持不变。

6-13关于管对流换热的热进口段的长度有几种表达方式，它们各适应

什么条件？（1）从管子入口到热边界层在管中心闭合前的一段长度；

（2）当皿=0和〃=cawf前的一段长度；（3）l/d=O.05R/..

仙

答：对第一种表达方式，为热进口段长度的定义。适用于粘性流体在

管进行对流换热的任何情形。对第二种表达方式，适用于常物性流体,

在管的流动状态为层流，且边界条件为常壁温的情形。

6-14答：对外掠平板，随层流边界层增厚，局部表面传热系数有较快

的降低。当层流想紊流转变后，儿因紊流传递作用而一迅速增大，并

且明显高于层流，随后，由于紊流边界层厚度增加。儿再呈缓慢下降

之势。对紊流情况下的管受迫流动，在进口段，随着边界层厚度的增

加。局部表面传热系数比沿主流方向逐渐降低。在进口处，边界层最

厚，久具有最高值，当边界层转变为紊流后，因湍流的扰动与混合作

用又会使儿有所提高，但只有少量回升，其久仍小于层流。少量回升。

队再逐渐降低并趋向于一个定值，该定值为热充分发展段的力,。

6-15.解：令力为管流动气体与不锈钢管壁之间的对流表面传热系数。

为为室空气与不锈钢管外壁之间的对流表面传热系数。室温度为微

元段处不锈钢管壁温度为L，管微元段处流体的平均温度为品，管径

为d.则热平均式为

「执）改+「

3dqwth2Pd（tw％）dx=FR

17.h=9541.4W/（m2•k）

18.d=114mm,L=23.Im

19.出口水流tf=67℃

20.出口弓=97%

2

21.h=3328.2w/(m•k)△tm=10.9℃

22.t"f=83.50=4.65x105W

23.

24.类比定律;h=7051w/(m2・k)

光滑管：西得一塔特公式8026w/(m2,k)

迪图斯——贝尔特式7033w/(m2•k)

25.H=5.2w/(m2•k)

26.h=16.3w/(m2,k)

27.h=20513w/(m2・k)

2

28.tw=65.24℃h=31.42w/(m•k)0=484(W)

29.相差百分比：18.7%

31.tw=158.5℃

32.Pmax=50.463(kw)

33.h=131.7w/(m2,k)

34.h=157.2w/(m2•k)

35.h=20157w/(m2・k)

36.h=70.4w/(m2,k)h顺=69.5w/(m2,k)

2

37.t"f=27h=73.7w/(m•k)

38.N=79.42(W)q=6559.3w/(m2•k)

功耗比82.6

39.

比例0.8E0.9511.051.251.5

功耗50.E770.)280.0990.21133.18190.64

40.换热量

=1.809xlO5WN功耗=65.5(W)

42.h=5.16w/(nf•k)

43.0=3154(W)

44.q(=132W/m

45.0=1O16(W)h=4.233w/(m~•k)

46.tw.max=55.5℃

48.N=779.2(W)

52.H=7.07w/(m2•k)(/)=1021.3(W)

53.ae=1.325w/(ni~•k)q=13.25w/(m~•k)

54.5=10.5(,〃/“)q=23.9w/m'

第七章凝结与沸腾换热

1.凝液量：m=0.0116(kg/s)

2.水平放置时，凝水量m=0.0166(kg/s)

3.壁温3=1000,h=12029w/(m2•k)

4.

向下高度局部换热系数w/(m2•k)平均换热系数w/(n)2・k)

X=0.1m976313015

X=0.5m65298704

X=l.0m54907319

5.此时管下端液膜已出现紊流。

H=6730w/(m2・k)

6.竖壁高h=9.2mm

7.单管与管束平均表面传热系数之比：-^-=2.1

力管束

8.凝结水量m=5.14x103(kg/s)

9.考虑过冷度时，m=5.12x103(kg/s)

相差：5J4-5-12x100%=0.39%

5.14

10.管长L=，管长减少量史=%

11.凝结表面传热系数h=700.2w/(m2,k)

凝液量：m=5.242x103(kg/s)

12.管长能缩短

13.用于水时，h=5341.1w/(m2,k)

与H题相比换热系数倍率史坦=7.63

700.2

15.氟利昂12：。=42143(W)

氟利昂22：0=50810(W)

差异：20.6%

16.用电加热时，加热方式是控制表面的热流密度。而采用蒸汽

加热则是壁面温度可控的情形。由大容器饱和沸腾曲线可知，当加热

功率q稍超过/皿值时，工况将沿9max虚线跳至稳定膜态沸腾线，使

壁面温度飞升，导致设备烧坏。总之，电加热等依靠控制热流来改变

工况的设备，一旦热流密度超过峰值，工况超过热流密度峰值后，沸

腾温差将剧烈上升到lOOOt左右，壁温也急剧升高，发生器壁烧毁现

象。

采用蒸气加热时，工况点沿沸腾曲线依次变化。不会发生壁面温

度急剧上升情况。

18.由式⑺人"段’在一定的―金工五个量中'只有工

随压强变化最大，P增加时，工的增加值将超过T.的增值和/的减少，

最终使Rmin随P的增加而减小。

19.h=l.51x101w/(m?•k)

20.h=67140w/(m2•k)

21.温度降为183℃h=1585w/(m2•k)与自然对流相比较,

=加=0.485

h沸腾1585

2

22.Q=3077.18w/(m・k),tw=106.6℃

23.C0.0115

第八章热辐射的基本定律

1.热辐射和其他形式的电磁辐射有何相同之点？有何区别？

答：物质是由分子、原子、电子等基本粒子组成。当原子部的电

子受到激发或振动时，产生交替变化的电场和磁场，发出电磁波向空

间传播，这就是电磁波。它是热辐射和其他电磁辐射的相同点。但由

于激发的方法不同，所产生的电磁波长就不相同，它们投射到物体上

产生的效应也不相同。如果由于自身温度或热运动的原因而激发产生

的电磁波传播就称为热辐射。

2.为什么太阳灶的受热表面要作成粗糙的黑色表面，而辐射采暖板不

需要作成黑色？

答：太阳灶和辐射采暖板的区别主要源于它们对温度的不同要求:

太阳灶的温度一般都在几百度以上，为了更有效吸收来自太阳的光热,

其受热表面要做成粗糙的黑色表面。辐射采暖板的用处是用来采暖的,

气温度一般不会太高，所以不需要做成黑色。

3.窗玻璃对红外线几乎是不透明的，但为什么隔着玻璃晒太阳却使人

感到暖和？

答：隔着玻璃晒太阳时，太阳通过热辐射给玻璃热量，而玻璃也

对室进行导热，对流换热，辐射等，使得人感到暖和，同时透过玻璃

的光在穿过玻璃后衰减为长波辐射，产生温室效应，使得人感到更加

的暖和。

4.深秋及初冬季节的清晨在屋面上常常会看到结霜，试从换热与辐射

换热的观点分析a有霜的早上总是晴天；b室外气温是否一定要低于零

度；c结霜屋面的热阻（表面对流换热热阻及屋面材料导热热阻）对结

霜有何影响？

答：（1）当温度低于某一值时，空气中的水分便会凝结成霜，这

样就使得空气中的水蒸气减少，并且在凝结时，水蒸气会消耗空气中

的固体粉尘，用其作为凝结核，这样又使得空气中的灰尘减少了，同

时水蒸气和固体粉尘的减少也降低了云形成的可能性，所以有霜的早

上总是晴天。

（2）不一定要低于零度，因为结霜温度不光与当时水蒸气的含量

有关，而且凝结核的多少也对其有一定的影响。但温度应该是接近于

零度。

（3）在结霜时的主要换热方式是热辐射。屋面的热阻越小越

有利于将表面的热传走，越有利于结霜。

5.实际物体表面在某一定温度T下的单色辐射力E、随波长入的变化曲

线与它的单色吸收率密的变化曲线有何联系？如已知其单色辐射力

变化曲线如图8-11所示，试定性地画出它的单色吸收率变化曲线。

解：，在温度T下，％.=邑=方一

EW

6.在什么条件下物体表面的发射率等于它的吸收率（e=a）?在什么

情况下当时，是否意味着物体的辐射违反了基尔霍夫定

律？

答：在热平衡条件下£=。，温度不平衡条件下的几种不同层次：

⑴J，仇T=%,6,丁无条件成立；

（2）Jr=%,7漫表面成立;

（3）=。仇丁灰表面成立；

（4）£（r）=4T）漫-灰表面成立。

当时，并没有违反基尔霍夫定律，因为基尔霍夫定律是有前提条

件的，如果没有以上条件，则o

7.试从普朗克定律推导出维恩位移定律。

解：普朗克定律的表达式为：E^=~k一W/（布・4㈤

1

c2

6

dEhA-5C,2-GG/T,e方

贝IN=F—+—五—=°=儿侬7=2897.6”机.K

T（〃f2

8.黑体温度「=1500K时，透过百分数：43.35%

T2=2000K时，透过百分数:63.38%

T3=6000K时，透过百分数：82.87%

9.在1nm—411m围,黑体辐射份额:69.9%

10.T=2000K时,份额1.49%

太阳,T=5762K,份额：44.62%

11.(1)辐射强度:3500W/(m2•sr)

(2)Ai中心对A2表面开立体角:3.464x10-4"力

A1中心对A3表面开立体角：4x10"(sr)

A1中心对A」表面开立体角：4x10'(sr)

12.太阳辐射能透过玻璃部分：80.17%

室辐射透过比例：0

13.全波长总发射率：£=0.2756

总辐射力：7.911x10"W/m2

14.该表面吸收率c=0.4625

15.发射率0.1；800K黑体,a=0.1158;5800K黑体,a=0.8522

16.E=7.127xl05(W/m2),发光效率:7.03%

17.£=0.26发射率

18.£=0.9,热平衡温度Tw=260.4K

“0.1时，热平衡温度Tw=273.85K

第九章辐射换热计算

1.任意位置两表面之间的角系数来计算辐射换热，这对物体表面作了

那些基本假设？

答：角系数表示表面发射出的辐射能量中直接落到另一表面上的

百分数。与另一表面的吸收能力无关，仅取决于表面的大小和相互位

置。在推导中应用了两个假设条件：物体表面为漫反射面；物体表面

物性均匀。

2.为了测量管道中的气流温度，在管道中设置温度计。试分析由于温

度计头部和壁面之间的辐射换热而引起的测温误差，并提出减少测温

误差的措施。

答：当管道的温度高于气流的温度时，温度计所测得的温度高于

气流的实际温度；当管道的温度低于气流的温度时，温度计所测得的

温度低于气流的实际温度。

改造措施是：辐射隔热：将温度计头部用遮热板罩住。

3.在安装有辐射采暖板的室测量空气温度计时，为了消除热辐射带来

的误差，用高反射率材料分别做筒状和不开口的球壳状遮热罩。试分

析这两种方法的效果，它们测得的温度是否一样，为什么？如将它们

的表面涂黑或者刷白，是否影响测温结果？

答：两种测量方法的效果是不一样的。相比之下筒状遮热罩流体

与温度计头部直接接触，所得的值比较精确。

不影响测温结果。

5.(1)%2=128658(W/m2)

(2)%2=98080(W/m2)

△九二30578,减少23.8%

(3)£=0.8时,外,2=57181(W/m2)

£=0.5时，%2=43591(W/m2)

6.尢=1.72(W)

8.①正确

②错误，应改为x(1+2)J=-A_xn+-A-x9,

41+2)Al+2)

QYa+b-飞a-+b~-2abcos®

y-x«,b=工

10.①".A2=O-32②X5%=0.069

11.X„,6=01Xa,=X,,.d=0.165

X〃.”0.208X〃,/=0.4*..”0.05

12.(1)23224(w/m2)(2)367.42(w/m2)

(3)73.48(w/m2)(4)18579.2(w/m2)

(5)293.94(w/m2)(6)18285.3(w/m2)

13.170.43(w/m)

14.

15.4,2=498Wt„=19.8℃

16.高温表面4=11145.5温)

低温表面%=191.5(w)

17.外,2=50.7(w)

18.内2=50.7(w)

19.达到稳态时，表面温度4=13074

20.解：①八二%二。

j______XiQFbi_____

4k+X1.2A+^2,3^2

1-与

,二。1,2=AX],2(j]-32)

②现在几=4,人手0,：.J,-J2^0

族2W0

由于外表面存在辐射，丸2。0

2

21.qi,2=69.77W/m,T3=453.3k

2

无遮热板:q1.2=924.5W/m

22.-105.54(W/m),4.584(W/m)

23.

24.私=94500(W/m)

25.q尸1640(W/m),13=74℃

不用遮热罩：q,=3925(W/m)

26.tf=470.63℃

27.ti=416.5℃

28.烟气发射率：0.379,辐射换热量：0=68664(W).

30.辐射换热量:qk=477(W/m)

32.地球T=196K

33.(1)T=393.5K

(2)T=263.2K

(3)T=588.5K

第十章传热和换热器

1.计算肋壁的传热系数的公式和平壁的有何不同？式(10-3)可否用

于肋壁？

答：平壁的传热系数ko=丁1~~r；

--1---1---

%A店

肋壁的传热系数4=丁"一一「；

-1-1--O-1---1--

%Ah2Prj

仁、网不同点在于它们的计算传热量的面积基准不同。

书本中的(10-3)即k=——^一L是可以用于肋壁的

t1O1

------1-------1------------

hyZ色尸77

2.在什么具体情况下：tam>tw>tf;tam<tw<tf;tain<tw>tf；tam>tw<tf.

答：具体情况如下：

*>。>小表示辐射换热面的传热系数为负值，辐射热量由环境传向

物体表面，对流换热量由物体表面传向物体周围的流体；

tam<tw<tf：表示辐射换热面的传热系数为正值，辐射热量由环境传向

物体表面，对流换热量由物体表面传向物体周围的流体；

表示辐射换热面的传热系数为正值，辐射热量由环境传向

物体表面，对流换热量由物体表面传向物体周围的流体；

V。：表示辐射换热面的传热系数为负值，辐射热量由环境

传向物体表面，对流换热量由物体表面传向物体周围的流体。

3.若两换热器冷热流体进出口温度相同