傳熱學問答題

1、1、試分析室內(nèi)暖氣片的散熱過程，各個環(huán)節(jié)有哪些熱量傳遞方式？以暖氣片管內(nèi)走熱水為例。答：有以下?lián)Q熱環(huán)節(jié)及傳熱方式：(1) 由熱水到暖氣片管道內(nèi)壁，熱傳遞方式為強制對流換熱；(2) 由暖氣片管道內(nèi)壁到外壁，熱傳遞方式為固體導熱；(3) 由暖氣片管道外壁到室內(nèi)空氣，熱傳遞方式有自然對流換熱和輻射換熱。 2、寫出Nu、Re、Pr、Bi、Fo 數(shù)的表達式，并說明其物理意義。答：（1）努謝爾特數(shù)， ，它表示壁面法向無量綱過余溫度梯度的大小，或反映對流換熱的強弱。（2）雷諾數(shù)， ，它表示流體流動時慣性力與粘性力的相對大小。（3）普朗特數(shù)， ，它反映了流體的動量傳遞能力與熱量傳遞能力的相對大小。（4）畢渥數(shù)

2、， ，它表示物體內(nèi)部導熱熱阻與物體表面對流換熱熱阻的比值。（5）傅立葉數(shù)， ，是非穩(wěn)態(tài)導熱過程的無量綱時間,它表示非穩(wěn)態(tài)導熱過程進行的深度。3、熱擴散系數(shù)是表征什么的物理量？它與導熱系數(shù)的區(qū)別是什么？答：熱擴散率 ，與導熱系數(shù)一樣都是物性參數(shù)，它是表征物體被加熱或冷卻時，物體內(nèi)各部分溫度趨向均勻一致的能力。熱擴散率取決于導熱系數(shù) 和 的綜合影響；而導熱系數(shù)是反映物體的導熱能力大小的物性參數(shù)。一般情況下，穩(wěn)態(tài)導熱的溫度分布取決于物體的導熱系數(shù)，但非穩(wěn)態(tài)導熱的溫度分布不僅取決于物體的導熱系數(shù)，還取決于物體的導溫系數(shù)。 4、集總參數(shù)法的適用條件是什么？滿足集總參數(shù)法的物體，其內(nèi)部溫度分布有

3、何特點？答：集總參數(shù)法的適用條件是Bi<0.1，其特點是當物體內(nèi)部導熱熱阻遠小于外部對流換熱熱阻時，物體內(nèi)部在同一時刻均處于同一溫度，物體內(nèi)部的溫度僅是時間的函數(shù)，而與位置無關(guān)8、影響強制對流換熱的表面換熱系數(shù)的因素有哪些？答：影響強制對流換熱的表面換熱系數(shù)的因素有流態(tài)、流體的物性、換熱表面的幾何因素等，用函數(shù)表示為：9、沸騰換熱的臨界熱流密度的含義是什么？答：在泡態(tài)沸騰階段時，液體溫度與壁面溫度之差 若進一步增大，汽泡在表面上生成、長大，隨后引因浮力作用而離開表面。沸騰的液體主體溫度這時有一定的過熱度，故汽泡通過液體層時還會繼續(xù)被加熱、膨脹，直到逸出液面，由于氣泡的大量迅速生成和它的劇

4、烈運動，換熱強度劇增，熱流密度隨 的提高而急劇增大，直到達到熱流密度的峰值，此時的熱流密度稱為臨界熱流密度。當 進一步增大時，熱流密度又開始下降。14、不凝結(jié)氣體對表面凝結(jié)換熱強弱有何影響？答：不凝結(jié)氣體的存在，一方面使凝結(jié)表面附近蒸汽的分壓力降低，從而蒸汽飽和溫度降低，使得傳熱驅(qū)動力即溫差減??；另一方面，凝結(jié)蒸汽穿過不凝結(jié)氣體層到達壁面依靠的是擴散，從而增加了阻力。因此，上述兩方面原因?qū)е履Y(jié)換熱時的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)降低。 15、空氣橫掠垂直管束時，沿流動方向管排數(shù)越多，換熱越強，而蒸汽在水平管束外凝結(jié)時，沿液膜流動方向管排數(shù)越多，換熱強度降低，為什么？答：空氣橫掠垂直管束時，沿流動方向管排數(shù)越

5、多，氣流擾動越強，換熱越強，而蒸汽在水平管束外凝結(jié)時，沿液膜流動方向管排數(shù)越多，凝結(jié)液膜越厚，凝結(jié)換熱熱阻越大，換熱強度降低。 16、寫出時間常數(shù)的表達式，時間常數(shù)是從什么導熱問題中定義出來的？它與哪些因素有關(guān)？答：時間常數(shù)的表達式為 ，是從非穩(wěn)態(tài)導熱問題中定義出來的，它不僅取決于幾何參數(shù)V/A,物性參數(shù)PC，還取決于換熱條件h。 8、其它條件相同時，同一根管子橫向沖刷與縱向沖刷相比，哪個的表面換熱系數(shù)大？為什么？答：同一根管子橫向沖刷比縱向沖刷相比的表面換熱系數(shù)大。因為縱向沖刷時相當于外掠平板的流動，熱邊界層較厚，熱阻較大；而橫向沖刷時熱邊界層較薄且在邊界層由于分離而產(chǎn)生的旋渦，增加了流體擾

6、動，因而換熱增強。23、在寒冷的北方地區(qū)，建房用磚采用實心磚還是多孔的空心磚好？為什么？答：采用空心磚較好，因為空心磚內(nèi)部充滿著空氣，而空氣的導熱系數(shù)相對較小，熱阻較大，空心磚導熱性較之實心磚差，同一條件下空心磚的房間的散熱量小保溫性好。25、北方深秋季節(jié)的清晨，樹葉葉面上常常結(jié)霜。試問樹葉上、下表面的哪一面上容易結(jié)霜？為什么？答：霜會容易結(jié)在樹葉的上表面，因為樹葉上表面朝向太空，而太空表面的溫度會低于攝氏零度；下表面朝向地面，而地球表面的溫度一般在零度以上。相對于下表面來說，樹葉上表面向外輻射熱量較多，溫度下降的快，一旦低于零度時便會結(jié)霜。27、窗玻璃對紅外線幾乎是不透過的，但為什么隔著玻璃

7、曬太陽卻使人感到暖和？ 答：窗玻璃對紅外線幾乎不透過，但對可見光則是可透過的，當隔著玻璃曬太陽時，太陽光可以穿過玻璃進入室內(nèi)，而室內(nèi)物體發(fā)出的紅外線卻被阻隔在室內(nèi)，因房間內(nèi)溫度越來越高，從而感到暖和。29、用熱電偶監(jiān)測氣流溫度隨時間變化規(guī)律時，應如何選擇熱電偶節(jié)點的大??？答：在其它條件相同時，熱電偶節(jié)點越大，它的溫度變化一定幅度所需要吸收（或放出）的熱量越多，此時雖然節(jié)點換熱表面積也有所增大，但其增大的幅度小于體積增大的幅度。故綜合地講，節(jié)點大的熱電偶在相同的時間內(nèi)吸收熱量所產(chǎn)生的溫升要小一些。3.冬天，經(jīng)過在白天太陽底下曬過的棉被，晚上蓋起來感到很暖和，并且經(jīng)過拍打以后，效果更加明顯。試解釋

8、原因。答：棉被經(jīng)過晾曬以后，可使棉花的空隙里進人更多的空氣。而空氣在狹小的棉絮空間里的熱量傳遞方式主要是導熱，由于空氣的導熱系數(shù)較小(20，1.01325×105Pa時，空氣導熱系數(shù)為0.0259W/(m·K)，具有良好的保溫性能。而經(jīng)過拍打的棉被可以讓更多的空氣進入，因而效果更明顯。2、夏季在維持20的室內(nèi)工作，穿單衣感到舒適，而冬季在保持22的室內(nèi)工作時，卻必須穿絨衣才覺得舒服。試從傳熱的觀點分析原因。答：首先，冬季和夏季的最大區(qū)別是室外溫度的不同。夏季室外溫度比室內(nèi)氣溫高，因此通過墻壁的熱量傳遞方向是出室外傳向室內(nèi)。而冬季室外氣溫比室內(nèi)低，通過墻壁的熱量傳遞方向是由室

9、內(nèi)傳向室外。因此冬季和夏季墻壁內(nèi)表面溫度不同，夏季高而冬季低。因此，盡管冬季室內(nèi)溫度(22)比夏季略高(20)，但人體在冬季通過輻射與墻壁的散熱比夏季高很多。根據(jù)上題人體對冷感的感受主要是散熱量的原理，在冬季散熱量大，因此要穿厚一些的絨衣。3、試分析室內(nèi)暖氣片的散熱過程，各環(huán)節(jié)有哪些熱量傳遞方式？以暖氣片管內(nèi)走熱水為例。答：有以下?lián)Q熱環(huán)節(jié)及熱傳遞方式(1)由熱水到暖氣片管到內(nèi)壁，熱傳遞方式是對流換熱(強制對流)；(2)由暖氣片管道內(nèi)壁至外壁，熱傳遞方式為導熱；(3)由暖氣片外壁至室內(nèi)環(huán)境和空氣，熱傳遞方式有輻射換熱和對流換熱。4、冬季晴朗的夜晚，測得室外空氣溫度t高于0，有人卻發(fā)現(xiàn)地面上結(jié)有層

10、簿冰，試解釋原因(若不考慮水表面的蒸發(fā))。解：如圖所示。假定地面溫度為了Te，太空溫度為Tsky，設過程已達穩(wěn)態(tài)，空氣與地面的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為h，地球表面近似看成溫度為Tc的黑體，太空可看成溫度為Tsky的黑體。則由熱平衡：由于Ta0，而Tsky0，因此，地球表面溫度Te有可能低于0，即有可能結(jié)冰。3、在寒冷的北方地區(qū)，建房用磚采用實心磚還是多孔的空心磚好?為什么?答：在其他條件相同時，實心磚材料如紅磚的導熱系數(shù)約為05W/(mK)(35)，而多孔空心磚中充滿著不動的空氣，空氣在純導熱(即忽略自然對流)時，其導熱系數(shù)很低，是很好的絕熱材料。因而用多孔空心磚好。4、兩種幾何尺寸完全相同的等截面直肋

11、，在完全相同的對流環(huán)境(即表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和流體溫皮均相同)下，沿肋高方向溫度分布曲線如圖所示。請判斷兩種材料導熱系數(shù)的大小和肋效率的高低? 答：對一維肋片，導熱系數(shù)越高時，沿肋高方向熱阻越小，因而沿肋高方向的溫度變化(降落或上升)越小。因此曲線1對應的是導熱系數(shù)大的材料曲線2對應導熱系數(shù)小的材料。而且，由肋效率的定義知，曲線1的肋效率高于曲線2。5、用套管溫度計測量容器內(nèi)的流體溫度，為了減小測溫誤差，套管材料選用銅還是不銹鋼?答：由于套管溫度計的套管可以視為一維等截面直助，要減小測溫誤差(即使套管頂部溫度tH盡量接近流體溫度tf)，應盡量減小沿套管長度流向容器壁面的熱量，即增大該方向的熱阻。所以

12、，從套管樹料上說應采用導熱系數(shù)更小的不銹鋼。6、工程中應用多孔性材料作保溫隔熱,使用時應注意什么問題?為什么?答：應注意防潮。保溫材料的一個共同特點是它們經(jīng)常呈多孔狀，或者具有纖維結(jié)構(gòu)，其中的熱量傳遞是導熱、對流換熱、熱輻射三種傳熱機理聯(lián)合作用的綜合過程。如果保溫材料受潮，水分將替代孔隙中的空氣，這樣不僅水分的導熱系數(shù)高于空氣，而且對流換熱強度大幅度增加，這樣材料保溫性能會急劇下降。4、東北地區(qū)春季,公路路面常出現(xiàn)“彈簧”,冒泥漿等“翻漿”病害。試簡要解釋其原因。為什么南方地區(qū)不出現(xiàn)此病害?東北地區(qū)的秋冬季節(jié)也不出現(xiàn) “翻漿”?答：此現(xiàn)象可以由半無限大物體（地面及地下）周期性非穩(wěn)態(tài)導熱現(xiàn)象的溫

13、度波衰減及溫度波時間延遲特征來解釋。公路路面“彈簧”及“翻漿”病害產(chǎn)生的條件是：地面以下結(jié)冰，而地表面已解凍（表面水無法滲如地下）。東北地區(qū)春季地表面溫度已高于0，但由于溫度波的時間延遲，地下仍低于0，從而產(chǎn)生了公路路面“彈簧”及“翻漿”等病害。東北地區(qū)的秋冬季節(jié)，雖然地表面溫度已低于0，但由于溫度波的時間延遲，地下仍高于0，從而不會產(chǎn)生“翻漿”。南方地區(qū)不出現(xiàn)此病害的原因是，由于溫度波衰減的特征，使得地下部分不會低于0，當然不會出現(xiàn)此病害。 2、其他條件相同時，同一根管子橫向沖刷與縱向沖刷相比，哪個的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大，為什么？答：橫向沖刷時表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大。因為縱向沖刷時相當于外掠平板的流動，熱

14、邊界層較厚，而橫向沖刷時熱邊界層薄且存在由于邊界層分離而產(chǎn)生的旋渦，增加了流體的擾動，因而換熱強。4、在地球表面某實驗室內(nèi)設計的自然對流換熱實驗，到太空中是否仍然有效，為什么？答：該實驗到太空中無法得到地面上的實驗結(jié)果。因為自然對流是由流體內(nèi)部的溫度差從而引起密度差并在重力的作用下引起的。在太空中實驗裝置格處于失重狀態(tài)，因而無法形成自然對流，所以無法得到頂期的實驗結(jié)果。8、在對流溫度差大小相同的條件下,在夏季和冬季,屋頂天花板內(nèi)表面的對流放熱系數(shù)是否相同?為什么?答：在夏季和冬季兩種情況下,雖然它們的對流溫差相同,但它們的內(nèi)表面的對流放熱系數(shù)卻不一定相等。原因:在夏季tftw,在冬季tftw,

15、即在夏季,溫度較高的水平壁面在上,溫度較低的空氣在下,自然對流不易產(chǎn)生,因此放熱系數(shù)較低.反之,在冬季,溫度較低的水平壁面在上,而溫度較高的空氣在下,自然對流運動較強烈,因此,放熱系數(shù)較高。2、為什么蒸氣中含有不凝結(jié)氣體會影響凝結(jié)換熱的強度?答：不凝結(jié)氣體的存在，一方面使凝結(jié)表面附近蒸氣的分壓力降低，從而蒸氣飽和溫度降低，使傳熱驅(qū)動力即溫差(ts-tw)減?。涣硪环矫婺Y(jié)蒸氣穿過不凝結(jié)氣體層到達壁面依靠的是擴散，從而增加了阻力。上述兩方面的原因使不凝結(jié)氣體存在大大降低了表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，使換熱量降低。所以實際冷凝器中要盡量降低并排除不凝結(jié)氣體。3、空氣橫掠管束時，沿流動方向管徘數(shù)越多，換熱越強，而

16、蒸氣在水平管束外凝結(jié)時，沿液膜流動方向管束排數(shù)越多，換熱強度降低。試對上述現(xiàn)象做出解釋。答：空氣外掠管束時，沿流動方向管徘數(shù)越多，氣流擾動增加，換熱越強。而蒸氣在管束外凝結(jié)時，沿液膜流動方向排數(shù)越多，凝結(jié)液膜越來越厚，凝結(jié)傳熱熱阻越來越大，因而換熱強度降低。4、試述沸騰換熱過程中熱量傳遞的途徑。答：半徑RRmin的汽泡在核心處形成之后,隨著進一步地的加熱,它的體積將不斷增大,此時的熱量是以導熱方式輸入, 其途徑一是由汽泡周圍的過熱液體通過汽液界面輸入, 另一是直接由汽泡下面的汽固界面輸入,由于液體的導熱系數(shù)遠大于蒸汽,故熱量傳遞的主要途徑為前者。 當汽泡離開壁面升入液體后,周圍過熱液體繼續(xù)對它

17、進行加熱,直到逸出液面,進入蒸汽空間。5、兩滴完全相同的水滴在大氣壓下分別滴在表面溫度為120和400的鐵板上，試問滴在哪塊板上的水滴先被燒干，為什么?答：在大氣壓下發(fā)生沸騰換熱時，上述兩水滴的過熱度分別是和，由大容器飽和沸騰曲線，前者表面發(fā)生的是核態(tài)沸騰，后者發(fā)生膜態(tài)沸騰。雖然前者傳熱溫差小，但其表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大，從而表面熱流反而大于后者。所以水滴滴在120的鐵板上先被燒干。1、北方深秋季節(jié)的清晨，樹葉葉面上常常結(jié)霜。試問樹葉上、下去面的哪一面結(jié)箱?為什么?答：霜會結(jié)在樹葉的上表面。因為清晨，上表面朝向太空，下表面朝向地面。而太空表回的溫度低于攝氏零度，而地球表面溫度一般在零度以上。由于相對樹

18、葉下表面來說，其上表面需要向太空輻射更多的能量，所以樹葉下表面溫度較高，而上表面溫度較低且可能低于零度，因而容易結(jié)霜。2、如圖所示的真空輻射爐，球心處有一黑體加熱元件，試指出，3處中何處定向輻射強度最大?何處輻射熱流最大?假設，處對球心所張立體角相同。答：由黑體輻射的蘭貝特定律知，定向輻射強度與方向無關(guān)。故IlI2=I3。而三處對球心立體角相當，但與法線方向夾角不同，123。所以處輻射熱流最大，處最小。3、有臺放置于室外的冷庫，從減小冷庫冷量損失的角度出發(fā)，冷庫外殼顏色應涂成深色還是淺色?答：要減少冷庫冷損，須盡可能少地吸收外界熱量，而盡可能多地向外釋放熱量。因此冷庫敗取較淺的顏色，從而使吸收

19、的可見光能量較少，而向外發(fā)射的紅外線較多。5、你以為下述說法：“常溫下呈紅色的物體表示此物體在常溫下紅色光的單色發(fā)射率較其它色光(黃、綠、蘭)的單色發(fā)射率為高?！睂?為什么?(注：指無加熱源條件下)答：這一說法不對。因為常溫下我們所見到的物體的顏色，是由于物體對可見光的反射造成的.紅色物體正是由于它對可見光中的黃、綠、藍等色光的吸收率較大,對紅光的吸收率較小,反射率較大形成的. 根據(jù)基而霍夫定律=，故常溫下呈紅色的物體,其常溫下的紅色光單色發(fā)射率較其他色光的單色光發(fā)射率要小。6、某樓房室內(nèi)是用白灰粉刷的, 但即使在晴朗的白天, 遠眺該樓房的窗口時, 總覺得里面黑洞洞的, 這是為什么?答：窗口

20、相對于室內(nèi)面積來說較小, 當射線(可見光射線等)從窗口進入室內(nèi)時在室內(nèi)經(jīng)過多次反復吸收、反射, 只有極少的可見光射線從窗口反射出來, 由于觀察點距離窗口很遠, 故從窗口反射出來的可見光到達觀察點的份額很小, 因而就很難反射到遠眺人的眼里, 所以我們就覺得窗口里面黑洞洞的.2、為強化一臺冷油器的傳熱，有人用提高冷卻水流速的辦法，但發(fā)現(xiàn)效果并不顯著c試分析原因。答：冷油器中由于油的粘度較大，對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較小，占整個傳熱過程中熱阻的主要部分，而冷卻水的對流換熱熱阻較小，不占主導地位，因而用提高水速的方法，只能減小不占主導地位的水側(cè)熱阻，故效果不顯著。3、有一臺鋼管換熱器，熱水在管內(nèi)流動，空氣在管束間作多次折流橫向沖刷管束以冷卻管內(nèi)熱水。有人提出，為提高冷卻效果，采用管外加裝肋片并將鋼管換成銅管。請你評價這一方案的合理性。答：該換熱器管內(nèi)為水的對流換熱，管外為空氣的對流換熱，主要熱阻在管外空氣側(cè)，因而在管外加裝肋片可強化傳熱。注意到鋼的導熱系數(shù)雖然小于銅的，但該換熱器中管壁導熱熱阻不是傳熱過程的主要熱阻，因而無需將鋼管換成銅管。5、肋片間距的大小對肋壁的換熱有何影響?答：當肋片間距減小時，肋片的數(shù)量增多，肋壁的表面積相應地增大,故肋化系數(shù)值增大,這對減小熱阻有利;此外適當減