传热学试题库含参考答案2新版.docx

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传热学试题库含参考答案2新版

1、外径为200mm采暖热水输送保温管道，水平架空铺设于空气温度为-5℃的室外，周围墙壁表面平均温度近似为0℃，管道采用岩棉保温瓦保温，其导热系数为λ（W/m℃）＝0.027+0.00017t（℃）。

管内热水平均温度为100℃，由接触式温度计测得保温层外表面平均温度为45℃，表面发射率为0.9，若忽略管壁的导热热阻，试确定管道散热损失、保温层外表面复合换热系数及保温层的厚度。

解：

管道散热损失包括自然对流散热损失和辐射散热损失两部分。

确定自然对流散热损失：

定性温度

℃

则

确定辐射散热损失：

属空腔（A2）与内包壁（A1）之间的辐射换热问题，且

。

单位管长管道散热损失

确定保温层外表面复合换热系数：

确定保温层的厚度：

由傅立叶定律积分方法获得。

，分离变量得：

，即：

得管道外径

保温层的厚度为

2、一所平顶屋，屋面材料厚δ＝0.2m，导热系数λw=0.6W/（m·K），屋面两侧的材料发射率ε均为0.9。

冬初，室内温度维持tf1＝18℃，室内四周墙壁亦为18℃，且它的面积远大于顶棚面积。

天空有效辐射温度为-60℃。

室内顶棚表面对流表面传热系数h1＝0.529W/（m2·K），屋顶对流表面传热系数h2=21.1W/（m2·K），问当室外气温降到多少度时，屋面即开始结霜（tw2＝0℃），此时室内顶棚温度为多少?

此题是否可算出复合换热表面传热系数及其传热系数?

解：

⑴求室内顶棚温度tw1

稳态时由热平衡，应有如下关系式成立：

室内复合换热量Φ’=导热量Φ=室内复合换热量Φ”

；

因Φ’=Φ，且结霜时

℃，可得：

，即

解得：

℃。

⑵求室外气温tf2

因Φ”=Φ，可得：

，即：

℃

⑶注意到传热方向，可以求出复合换热系数hf1、hf2

依据

，得

依据

，得

⑷求传热系数K

3、一蒸汽冷凝器，内侧为ts=110℃的干饱和蒸汽，汽化潜热r=2230

，外侧为冷却水，进出口水温分别为30℃和80℃，已知内外侧换热系数分别为104

，及3000

，该冷凝器面积A=2m2，现为了强化传热在外侧加肋，肋壁面积为原面积的4倍，肋壁总效率η=0.9，若忽略冷凝器本身导热热阻，求单位时间冷凝蒸汽量。

解：

对数平均温差：

℃，

℃

℃

传热系数

单位时间冷凝蒸汽量：

7、设计一台给水加热器，将水从15℃加热到80℃，水在管内受迫流动，质量流量为2kg/s，比热为4.1868kJ/kg℃。

管内径为0.0116m，外径0.019m，用110℃的饱和蒸汽加热，在加热器为饱和液体。

已知管内外的对流传热系数分别为4306W/m2℃和7153W/m2℃；汽化潜热r=2229.9kJ/kg；且忽略管壁的导热热阻，试利用ε-NTU法确定所需传热面积。

该换热器运行一段时间后，在冷热流体流量及进口温度不变的条件下，只能将水加热到60℃，试采用对数平均温差法确定运行中产生的污垢热阻。

提示：

一侧流体有相变时，ε=1-e-NTU。

解：

利用ε-NTU法确定所需传热面积。

换热器效能为：

传热单元数为：

传热系数为：

需说明因为管内径为0.0116m，外径0.019m，即管壁较薄，可视为平壁的传热过程。

由

，得：

换热器面积为：

采用对数平均温差法确定运行中产生的污垢热阻。

对数平均温差：

℃，

℃

℃

运行中产生的污垢热阻为：

二、定量计算

包括建立辐射换热的能量守恒关系式，兰贝特定律的应用，利用物体的光辐（即单色）射特性计算辐射换热，等等。

1、白天，投射到—大的水平屋顶上的太阳照度Gx＝1100W/m2，室外空气温反t1＝27℃，有风吹过时空气与屋顶的表面传热系数为h＝25W/（m2·K），屋顶下表面绝热，上表面发射率

＝0.2，且对太阳辐射的吸收比

＝0.6。

求稳定状态下屋顶的温度。

设太空温度为绝对零度。

解：

如图所示，

稳态时屋顶的热平衡：

对流散热量

辐射散热量

太阳辐射热量

代入

（1）中得

采用试凑法，解得

℃

2、已知太阳可视为温度Ts＝5800K的黑体。

某选择性表面的光谱吸收比随波长A变化的特性如图所示。

当太阳的投入辐射Gs＝800W/m2时，试计算该表面对太阳辐射的总吸收比及单位面积上所吸收的太阳能量。

解：

先计算总吸收比。

单位面积上所吸收的太阳能：

第三题

3、有一漫射表面温度T=1500K，已知其单色发射率随波长的变化如图所示，试计算表面的全波长总发射率和辐射力。

解：

，即：

查教材P208表8-1得，

所以

2、黑体表面与重辐射面相比，均有J=Eb。

这是否意味着黑体表面与重辐射面具有相同的性质？

答：

虽然黑体表面与重辐射面均具有J=Eb的特点，但二者具有不同的性质。

黑体表面的温度不依赖于其他参与辐射的表面，相当于源热势。

而重辐射面的温度则是浮动的，取决于参与辐射的其他表面。

3、要增强物体间的辐射换热，有人提出用发射率ε大的材料。

而根据基尔霍夫定律，对漫灰表面ε＝α，即发射率大的物体同时其吸收率也大。

有人因此得出结论：

用增大发射率ε的方法无法增强辐射换热。

请判断这种说法的正确性，并说明理由。

答：

在其他条件不变时，由物体的表面热阻

可知，当ε越大时，物体的表面辐射热阻越小，因而可以增强辐射换热。

因此，上述说法不正确。

5、气体辐射有什么特点?

答：

1）不同气体有着不同的辐射及吸收特性，即只有部分气体具有辐射及吸收能力；2）具有辐射及吸收性气体对波长具有选择性，如CO2、H2O都各有三个光带─光谱不连续。

3）辐射与吸收在整个容积中进行。

6、太阳能集热器吸热表面选用具有什么性质的材料为宜?

为什么?

答：

太阳能集热器是用来吸收太阳辐射能的，因而其表面应能最大限度地吸收投射来的太阳辐射能，同时又保证得到的热量尽少地散失，即表面尽可能少的向外辐射能。

但太阳辐射是高温辐射，辐射能量主要集中于短波光谱（如可见光），集热器本身是低温辐射，辐射能量主要集中于长波光谱范围（如红外线）。

所以集热器表面应选择具备对短波吸收率很高，而对长波发射（吸收）率极低这样性质的材料。

1、求如图所示空腔内壁面2对开口1的角系数。

解：

利用角系数的互换性和完整性即可求出。

由于壁面2为凹表面，

，所以

，但

，

由角系数的互换性

得：

。

2、两块平行放置的平板的表面发射宰均为0.8，温度分别为t1＝527℃及t2＝27℃，板间距远小于板的宽度与高度。

试计算：

（1）板1的本身辐射；

（2）对板1的投入辐射；（3）板1的反射辐射；（4）板1的有效辐射；（5）板2的有效辐射；（6）板1、2间的辐射换热量。

解：

由于两板间距极小，可视为两无限大平壁间的辐射换热，辐射热阻网络如图。

根据

，

得：

⑴板1的本身辐射

⑵对板1的投入辐射即为板2的有效辐射，

⑶板1的反射辐射

⑷板1的有效辐射

⑸板2的有效辐射

⑹板1、2间的辐射换热量

3、两个直径为0.4m，相距0.1m的平行同轴圆盘，放在环境温度保持为300K的大房间内。

两圆盘背面不参与换热。

其中一个圆盘绝热，另一个保持均匀温度500K，发射率为0.6。

且两圆盘均为漫射灰体。

试确定绝热圆盘的表面温度及等温圆盘表面的辐射热流密度。

解：

这是三个表面组成封闭系的辐射换热问题，表面1为漫灰表面，表面2为绝热表面，表面3相当于黑体。

如图（a）所示。

辐射网络图见图（b）。

计算角系数：

，

对J1列节点方程

对J2列节点方程

其中

，

因而

（1），

（2）式成为：

解得：

J1=2646.65W/m2，J2=1815.4W/m2

因此

等温圆盘1的表面辐射热流：

4、用热电偶来测量管内流动着的热空气温度，如图。

热电偶测得温度t1=400℃，管壁由于散热测得温度t2＝350℃，热电偶头部和管壁的发射率分别为0.8和0.7。

从气流到热电偶头部的对流表面传热系数为35W/（m2·K）。

试计算由于热电偶头部和管壁间的辐射换热而引起的测温误差，此时气流的真实温度应为多少?

讨论此测温误差和换热系数的关系，此测温误差和热电偶头部发射率的关系。

解：

热电偶头部的能量平衡式为：

，

其中热电偶头部与管壁的辐射换热为空腔与内包壁的辐射换热，并忽略热电偶丝的导热。

气流的真实温度为：

由上式可以看出，测温误差

与换热系数成正比，与热电偶头部辐射率成反比。

即为减少测温误差，应强化热电偶头部与热气流间的对流换热，削弱与管壁间辐射换热。