傳熱學(xué)期終考試題答案A卷.doc

哈爾濱工程大學(xué)本科生考試試卷（2012年秋季學(xué)期）課程編號：03050020 課程名稱：傳熱學(xué)（期終A）1、 （10分）如圖1所示的墻壁，其導(dǎo)熱系數(shù)為，厚度為100mm，所處外界溫度20，測得兩側(cè)外壁面溫度均為100，外壁面與空氣的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為為125，壁內(nèi)單位體積內(nèi)熱源生成熱為，假設(shè)墻壁內(nèi)進(jìn)行的是一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，求及墻壁厚度方向溫度分布？圖1解：由于對稱性只研究墻壁厚度的一半即可，導(dǎo)熱微分方程為：（1） （2分）邊界條件為：，；，（2） （1分）由(1)式積分得：（3）由處邊界條件得（1分）對（3）式積分得：（4）（1分）由=50mm時，（1分）可得：=（1分）由（4）式，=50mm時，=，（1分）則得：=（1分），則壁厚方向溫度分布： （1分）二、（10分）為20的空氣，以10m/s的速度縱向流過一塊長200mm，溫度60的平板。求離平板前沿50mm,100mm處的流動邊界層和熱邊界層厚度。并求得平板與流體之間的換熱量。（平板寬為1m）表1空氣的熱物理性質(zhì)/m2/s/ W/(mK)3016.000.02670.7014016.960.02760.6995017.950.02830.698準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式： 層流； 湍流邊界層厚度：； 流動邊界層與熱邊界層之比：解：定性溫度 (1分) 層流 (1分)50mm處 (2分)100mm處 (2分) (2分) (1分) (1分)三、（10分）水以2m/s的流速流過長為8m的直管，入口溫度為20，出口溫度為40，管內(nèi)徑d20mm，求對流換熱系數(shù)和平均管壁溫度。表2水的熱物理性質(zhì)/m2/s/ W/(mK)/kg/m3/ kJ/(kgK)201.0060.5997.02998.24.183300.8050.6185.42995.74.174400.6590.6354.31992.24.174500.5560.6483.54988.14.174解：定性溫度 （1分） 層流 （1分） （2分） （2分） 由熱量平衡得： （2分） 則： （1分） 設(shè)管壁平均溫度為，則： ， （1分）四、（10分）如圖2所示，半球表面是絕熱的，底面一直徑d=0.3m的圓盤被分為1、2兩部分。表面1為灰體，T1550K，發(fā)射率1=0.6，表面2為溫度T2333K的黑體。（1）計算角系數(shù)，（2）畫出熱網(wǎng)絡(luò)圖并計算表面1和表面2之間的換熱量以及絕熱面3的溫度。圖2解：,根據(jù)角系數(shù)相對性，可得 （1分）根據(jù)對稱性，根據(jù)角系數(shù)的可加性，所以可得根據(jù)角系數(shù)的相對性可得：，可得，同理， （1分）根據(jù)角系數(shù)的完整性，可得（1分）（2）熱網(wǎng)絡(luò)圖為；Eb1R1J1R12R2J2R13R23J3Eb2（2分）, （1分） （2分） （1分） （1分）五、（10分）已知如圖所示微元面積與球缺。求：從角系數(shù)的積分定義出發(fā)，計算到球缺內(nèi)表面的角系數(shù)，并用兩種極限情形來檢查你所得到的公式的正確性。 圖3解：（3分），（2分）代入上式得： （2分）= = （1分）當(dāng)時，應(yīng)有，由上式確實得出此值； （1分）當(dāng)時，應(yīng)有，由上式亦確實得出此值。 （1分）六、（10分）用進(jìn)口溫度為12、質(zhì)量流量kg/h的水冷卻從分餾器中得到的80的飽和苯蒸汽。使用順流換熱器，冷凝段和過冷段的傳熱系數(shù)均為980W/(m2K)。已知苯的汽化潛熱J/kg，比熱容1758 J/（kgK）。試確定將質(zhì)量流量3600kg/h的苯蒸汽凝結(jié)并過冷到40所需的冷凝段和過冷段傳熱面積分別為多少。（水的定壓比容4183 J/（kgK）。）過冷段冷凝段tAx0t2m圖4解：先計算總傳熱量：冷凝段：W（1分）過冷段：W（1分）水的定壓比熱容：J/(kgK)由冷凝段熱平衡，有：所以，得 （1分）冷凝段對數(shù)平均溫差：（2分）冷凝段換熱面積為： m2（1分）由過冷段熱平衡，有：得 （1分）其過冷段對數(shù)平均溫差為： （2分）故過冷段傳熱面積為：m2（1分）七、簡答題（40分）1、（5分）對于平板導(dǎo)熱，試說明數(shù)的物理意義，及各代表什么樣的換熱條件？一塊厚為的金屬平板，初始溫度為，突然置于溫度為的流體中冷卻，試著畫出當(dāng)時，平板中溫度場的變化情形。答；數(shù)是平板導(dǎo)熱熱阻與表面對流傳熱熱阻之比（1分）。時說明傳熱熱阻主要為表面熱阻，平板內(nèi)部溫度趨于均勻，可以用集總參數(shù)法進(jìn)行分析求解（1分）；時，說明傳熱熱阻主要為導(dǎo)熱熱阻，可以近似認(rèn)為壁溫就是流體溫度（1分）。 (2分)1、厚度均為的兩個無限大平板，緊靠在一起放置在某一環(huán)境中，達(dá)到穩(wěn)態(tài)時平板中的溫度分布如圖5所示，兩平板的導(dǎo)熱系數(shù)分別為、且均為常數(shù)，試從一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱方程出發(fā)，判斷兩平板是否存在內(nèi)熱源，若存在指出是哪個平板，并判斷內(nèi)熱源的正負(fù)；兩平板中熱流密度，是否相等，并比較兩平板的導(dǎo)熱系數(shù)、的大?。?、（5分）對管內(nèi)強(qiáng)制對流換熱，為何采用短管和彎管可以強(qiáng)化流體的換熱？解：采用短管，主要是利用流體在管內(nèi)換熱處于入口段，溫度邊界層較薄，因而有換熱強(qiáng)的特點，即所謂的“入口效應(yīng)”，從而強(qiáng)化換熱。（3分）而對于彎管，流體流經(jīng)彎管時，由于離心力作用，在橫截面上產(chǎn)生二次環(huán)流，增加了擾動，從而強(qiáng)化了換熱。（2分）2、（5分）在流體溫度邊界層中，何處溫度梯度的絕對值最大？為什么？有人說對一定表面?zhèn)鳠釡夭畹耐N流體，可以用貼壁處溫度梯度絕對值的大小來判斷表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h的大小，你認(rèn)為對嗎？解：在溫度邊界層中，貼壁處流體溫度梯度的絕對值最大，（1分）因為壁面與流體間的熱量交換都要通過貼壁處不動的薄流體層，因而這里換熱最劇烈。（2分）由對流換熱微分方程，對一定表面?zhèn)鳠釡夭畹耐N流體，與均保持為常數(shù)，因而可用絕對值的大小來判斷表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h的大小。（2分）3、（5分）漫灰表面間的輻射換熱計算中采用了有效輻射J，試闡述有效輻射J及投入輻射G的概念；并結(jié)合投入輻射G說明有效輻射包含哪幾部分輻射，寫出有效輻射J的表達(dá)式。答：（1）單位時間投入到單位表面上的總輻射能稱為該表面的投入輻射G（1分），單位時間內(nèi)離開表面單位面積的總輻射能稱為有效輻射J（1分）；（2）有效輻射不僅包括表面的自身輻射E（1分），而且還包括投入輻射G中被表面反射的部分G（1分），其中為表面的反射比；（3）對于表面溫度均勻、表面輻射特性為常數(shù)的表面。有效輻射的表達(dá)式為： （1分）4、（5分）如圖6所示為真空輻射爐，球心處有一黑體加熱元件，試指出，黑體對A、B、C三處中何處定向輻射強(qiáng)度最大？何處輻射熱流最大？假設(shè)A、B、C三處對球心所張的立體角相同。答：（1）由黑體輻射的蘭貝特定律知，黑體的定向輻射強(qiáng)度與方向無關(guān)，故（2分）（2）由已知條件A、B、C三處立體角相同，且由于，（1分）由蘭貝特定律知，（1分）A處輻射力最大，即A處輻射熱流最大；C處輻射力最小，即C處輻射熱流最小。（1分）5、（5分）在一個球形腔上開一個小孔，并設(shè)法使空腔壁面保持均勻的溫度，這時空腔上的小孔就具有黑體輻射的特性。小孔的黑度與哪些因素有關(guān)，這些因素是如何影響小孔黑度的？哪些為主要因素，哪些為次要因素？答：小孔的黑度主要與空腔材料本身的吸收比的大小以及小孔面積與腔體總面積之比有關(guān)。（2分）腔體本身的吸收比越大，小孔的黑度越大；空腔表面積與小孔的面積比越大，小孔的黑度越大。（2分）其中空腔與小孔的面積比可以顯著影響小孔的黑度； 空腔本身的吸收比原則上對小孔的黑度沒有影響或影響很小。（1分）6、 （5分）何謂換熱器的效能，其物理含義是什么？ 答：（3分），表示換熱器的實際換熱效果與最大可能的換熱效果之比（2分）。7、 （5分）熱水在兩根相同的管內(nèi)以相同流速流動，管外分別采用空氣和水進(jìn)行冷卻。經(jīng)過一段時間后，兩管內(nèi)產(chǎn)生相同厚度的水垢。試問水垢的產(chǎn)生對采用空冷還是水冷的管道的傳熱系數(shù)影響較大？為什么？答：水垢產(chǎn)生對采用水冷的管道的傳熱系數(shù)影響較大。（1分）采用水冷時，管道內(nèi)外均為換熱較強(qiáng)的水，兩側(cè)流體的換熱熱阻較小，因而水垢的產(chǎn)生在總熱阻中占得比例較大。（2分）而空氣冷卻時，氣側(cè)熱阻較大，這時，水垢的產(chǎn)生對總熱阻影響不大。（2分）8、（5分）在圖7（a）、（b）中所示的兩個逆流換熱器冷、熱