高等傳熱學(xué)考試范圍(答案)

強(qiáng)迫流動(dòng)換熱如何受熱物性影響？答：強(qiáng)迫對(duì)流換熱與Re和Pr有關(guān)；加熱與對(duì)流的粘性系數(shù)發(fā)生變化。強(qiáng)化傳熱是否意味著增加換熱量？工程上強(qiáng)化傳熱的收益和代價(jià)通常是指什么？答：不一定，強(qiáng)化傳熱是指在一定條件（如一定的溫差、體積、重量或泵功等）下增加所傳遞的熱量。工程上的收益是減小換熱器的體積節(jié)省材料和重量；提高現(xiàn)有換熱器的換熱量；減少換熱器的阻力，以降低換熱器的動(dòng)力消耗等。代價(jià)是耗電，并因增大流速而耗功。傳熱學(xué)和熱力學(xué)中的熱平衡概念有何區(qū)別？答：工程熱力學(xué)是溫度相同時(shí)，達(dá)到熱平衡，而傳熱學(xué)微元體獲得的能量等于內(nèi)熱源和進(jìn)出微元體熱量之和，內(nèi)熱源散熱是有溫差的。表面輻射和氣體輻射各有什么特點(diǎn)?為什么對(duì)輻射板供冷房間，無(wú)需考慮氣體輻射的影響，而發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)傳熱氣體輻射卻成了主角？答：表面輻射具有方向性和選擇性。氣體輻射的特點(diǎn)：1.氣體的輻射和吸收具有明顯的選擇性。2.氣體的輻射和吸收在整個(gè)氣體容器中進(jìn)行，強(qiáng)度逐漸減弱?？諝?，氫，氧，氮等分子結(jié)構(gòu)稱的雙原子分子，并無(wú)發(fā)射和吸收輻射能的能力，可認(rèn)為是熱輻射的透明體。但是二氧化碳，水蒸氣，二氧化硫，氯氟烴和含氯氟烴的三原子、多原子以及不對(duì)稱的雙原子氣體（一氧化碳）卻具有相當(dāng)大的輻射本領(lǐng)。房間是自然對(duì)流，氣體主要是空氣。由于燃油，燃煤及然氣的燃燒產(chǎn)物中通常包含有一定濃度的二氧化碳和水蒸氣，所以發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)要考慮。有人在學(xué)完傳熱學(xué)后認(rèn)為，換熱量和熱流密度兩個(gè)概念實(shí)質(zhì)內(nèi)容并無(wú)差別，你的觀點(diǎn)是？答：有差別。熱流密度是指通過(guò)單位面積的熱流量。而換熱量跟面積有關(guān)。管內(nèi)層流換熱強(qiáng)化和湍流換熱強(qiáng)化有何實(shí)質(zhì)性差異？為什么?答：層流邊界層是強(qiáng)化管內(nèi)中間近90%的部分，層流入口段的熱邊界層比較薄，局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)比充分發(fā)展段高，且沿著主流方向逐漸降低。如果邊界層出現(xiàn)湍流，則因湍流的擾動(dòng)與混合作用又會(huì)使局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)有所提高，再逐漸向于一個(gè)定值。而湍流是因?yàn)槠渫苿?dòng)力與梯度變化和溫差有關(guān)，減薄粘性底層，所以強(qiáng)化壁面。以強(qiáng)迫對(duì)流換熱和自然對(duì)流換熱為例，試談?wù)勀銓?duì)傳熱、流動(dòng)形態(tài)、結(jié)構(gòu)三者之間的關(guān)聯(lián)答：對(duì)流換熱按流體流動(dòng)原因分為強(qiáng)制對(duì)流換熱和自然對(duì)流換熱。一般地說(shuō)，強(qiáng)制對(duì)流的流速較自然對(duì)流高，因而對(duì)流換熱系數(shù)也高。例如空氣自然對(duì)流換熱系數(shù)約為5?25W/（m2?°C）,強(qiáng)制對(duì)流換熱的結(jié)構(gòu)影響了流體的流態(tài)、流速分布和溫度分布，從而影響了對(duì)流換熱的效果。流體在管內(nèi)強(qiáng)制流動(dòng)與管外強(qiáng)制流動(dòng)，由于換熱表面不同,流體流動(dòng)產(chǎn)生的邊界層也不同,其換熱規(guī)律和對(duì)流換熱系數(shù)也不相同。在自然對(duì)流中,流體的流動(dòng)與換熱表面之間的相對(duì)位置,對(duì)對(duì)流換熱的影響較大,平板表面加熱空氣自然對(duì)流時(shí),熱面朝上氣流擾動(dòng)比較激烈,換熱強(qiáng)度大；熱面朝下時(shí)流動(dòng)比較平靜,換熱強(qiáng)度較小。我們經(jīng)常用Q=hA?At.計(jì)算強(qiáng)迫對(duì)流換熱、自然對(duì)流換熱、沸騰和凝結(jié)換熱，試問(wèn)在各種情況下?lián)Q熱系數(shù)與溫差的關(guān)聯(lián)？答：強(qiáng)迫對(duì)流的換熱系數(shù)與Re,Pr有關(guān)但與溫差無(wú)關(guān)，自然對(duì)流與Gr的0.25次方有關(guān)聯(lián)，即與溫差有關(guān)，凝結(jié)換熱換熱系數(shù)是溫差的-0.25次方。試簡(jiǎn)述基爾霍夫定理的基本思想答：一、基爾霍夫第一定律：匯于節(jié)點(diǎn)的各支路電流的代數(shù)和等于零，用公式表示為：?=0又被稱作基爾霍夫電流定律（KCL）。二、基爾霍夫第二定律：沿任意回路環(huán)繞一周回到出發(fā)點(diǎn)，電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和等于回路各支路電阻（包括電源的內(nèi)阻在內(nèi)）和支路電流的乘積（即電壓的代數(shù)和）。用公式表示為：ZE=￡RI又被稱作基爾霍夫電壓定律（KVL）。簡(jiǎn)述沸騰換熱與汽泡動(dòng)力學(xué)、汽化核心、過(guò)熱度這些概念的關(guān)聯(lián)答：沸騰是指在液體內(nèi)部以產(chǎn)生氣泡的形式進(jìn)行的氣化過(guò)程，就流體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力而言，沸騰過(guò)程又有大容器沸騰，大容器沸騰時(shí)流體的運(yùn)動(dòng)是由于溫差和氣泡的擾動(dòng)所引起的，沸騰換熱會(huì)依次出現(xiàn)自然對(duì)流區(qū)、核態(tài)沸騰區(qū)、過(guò)度沸騰區(qū)和膜態(tài)沸騰區(qū)。當(dāng)溫度較低時(shí)（At<40C）壁面過(guò)熱度小，壁面上沒(méi)有氣泡產(chǎn)生。當(dāng)加熱壁面的過(guò)熱度At-40C后，壁面上個(gè)別點(diǎn)（稱為汽化核心）開(kāi)始產(chǎn)生氣泡，汽化核心的氣泡彼此互不干擾。隨著At進(jìn)一步增加，汽化核心增加，氣泡互相影響，并會(huì)合成氣塊及氣柱。在這兩個(gè)區(qū)中，氣泡的擾動(dòng)劇烈，傳熱系數(shù)和熱流密度都急劇增大。進(jìn)一步提高At，傳熱規(guī)律出現(xiàn)異乎尋常的變化。這是因?yàn)闅馀輩R聚覆蓋在加熱面上，而蒸汽排除過(guò)程越趨惡化。這時(shí)熱流密度達(dá)到最低，并且溫度達(dá)到了過(guò)熱度，是很不穩(wěn)定的過(guò)程。傳熱學(xué)與實(shí)際應(yīng)用利用同一冰箱儲(chǔ)存相同的物質(zhì)時(shí)，試問(wèn)結(jié)霜的冰箱耗電量大還是未結(jié)霜的冰箱耗電量大？答：當(dāng)其它條件相同時(shí)，冰箱的結(jié)霜相當(dāng)于在冰箱蒸發(fā)器和冰箱冷凍室（或冷藏室）之間增加了一個(gè)附加熱阻，因此，要達(dá)到相同的制冷室溫度，必然要求蒸發(fā)器處于更低的溫度。所以，結(jié)霜的冰箱耗電量更大。在深秋晴朗無(wú)風(fēng)的夜晚，草地會(huì)披上一身白霜，可是氣象臺(tái)的天氣報(bào)告卻說(shuō)清晨最低溫度為2攝氏度，試解釋這種現(xiàn)象。答：可從輻射換熱以及熱平衡溫度的角度來(lái)分析，由于存在大氣窗口（紅外輻射能量透過(guò)大氣層時(shí)透過(guò)率較高的光譜段稱為大氣窗口），因此地面可與溫度很低的外太空可進(jìn)行輻射熱交換，這樣就有可能使地面的熱平衡溫度低于空氣溫度3．請(qǐng)說(shuō)明在換熱設(shè)備中，水垢、灰垢的存在對(duì)傳熱過(guò)程會(huì)產(chǎn)生什么影響，如何防止。當(dāng)你設(shè)計(jì)一臺(tái)換熱器，如果預(yù)先考慮結(jié)垢的影響，換熱器面積將會(huì)比理想情況大還是小?答：從傳熱系數(shù)或傳熱熱阻角度分析。在換熱設(shè)備中，水垢、灰垢的存在將使系統(tǒng)中導(dǎo)熱熱阻大大增加，減小了傳熱系數(shù)，使換熱性能惡化，同時(shí)還使換熱面易于發(fā)生腐蝕，并減小了流體的流通截面，較厚的污垢將使流動(dòng)阻力也增大。此外，熱流體側(cè)壁面結(jié)垢，會(huì)使壁面溫度降低，使換熱效率下降，而冷流體側(cè)壁面結(jié)垢，會(huì)導(dǎo)致壁溫升高，對(duì)于換熱管道，甚至造成爆管事故。防止結(jié)垢的手段有定期排污、清洗、清灰，加強(qiáng)水處理，保證水質(zhì)，采用除塵、吹灰設(shè)備等。4.一碗水放在空氣中散熱，其溫度隨時(shí)間的變化估計(jì)是何種趨勢(shì)？為什么？答：一碗水放在空氣中，將會(huì)與大氣進(jìn)行自然對(duì)流換熱和輻射對(duì)流換熱，開(kāi)始溫度下降較快，而后逐漸變慢，最后趨于環(huán)境溫度。5．為強(qiáng)化一臺(tái)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，試分析原因。答：冷油器中由于油的粘度較大，對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較小，占整個(gè)傳熱過(guò)程中熱阻的主要部分，而冷卻水的對(duì)流換熱熱阻較小，不占主導(dǎo)地位，因而用提高水速的方法，只能減小不占主導(dǎo)地位的水側(cè)熱阻，故效果不顯著。6．有一臺(tái)鋼制換熱器，熱水在管內(nèi)流動(dòng)，加熱管外空氣。有人提出，為提高加熱效果，采用管外加裝肋片并將鋼管換成銅管。請(qǐng)你評(píng)價(jià)這一方案的合理性。答：該換熱器管內(nèi)為水的對(duì)流換熱，管外為空氣的對(duì)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(qiáng)化傳熱。注意到鋼的導(dǎo)熱系數(shù)雖然小于銅的，但該換熱器中管壁導(dǎo)熱熱阻不是傳熱過(guò)程的主要熱阻，因而無(wú)需將鋼管換成銅管。7．干燥物料有很多種方式：比如熱風(fēng)干燥、微波干燥、紅外干燥等，目前常用的是熱風(fēng)干燥，但熱風(fēng)干燥的缺點(diǎn)是耗能大、表面易起皮和開(kāi)裂，試從傳熱傳質(zhì)的角度來(lái)分析這一現(xiàn)象答：熱量從高溫?zé)嵩匆愿鞣N方式傳遞給濕物料，使物料表面濕分汽化并逸散到外部空間，從而在物料表面和內(nèi)部出現(xiàn)濕含量的差別。但是為了使內(nèi)部濕量逐步往外走，就要加大能耗，使的表面溫度更高，變干。有人存在這樣的觀點(diǎn)：由于工質(zhì)冷凝和沸騰換熱系數(shù)很高，因此無(wú)需進(jìn)行沸騰和冷凝換熱強(qiáng)化答：隨著工業(yè)的發(fā)展，特別是高熱負(fù)荷的出現(xiàn)，相變傳熱（沸騰和凝結(jié)）的強(qiáng)化日益受到重視并在工業(yè)上得到越來(lái)越多的應(yīng)用。一般認(rèn)為凝結(jié)換熱系數(shù)很高，可以不必采用強(qiáng)化措施。但對(duì)氟里昂蒸汽或有機(jī)蒸汽而言，氟利昂是低沸點(diǎn)工質(zhì)，潛熱很小，沸騰換熱系數(shù)和它們的凝結(jié)換熱系數(shù)比水蒸氣小的多。太陽(yáng)能集熱器吸熱表面選用具有什么性質(zhì)的材料為宜?為什么?答：太陽(yáng)能集熱器是用來(lái)吸收太陽(yáng)輻射能的，因而其表面應(yīng)能最大限度地吸收投射來(lái)的太陽(yáng)輻射能，同時(shí)又保證得到的熱量盡少地散失，即表面盡可能少的向外輻射能。但太陽(yáng)輻射是高溫輻射，輻射能量主要集中于短波光譜（如可見(jiàn)光），集熱器本身是低溫輻射，輻射能量主要集中于長(zhǎng)波光譜范圍（如紅外線）。所以集熱器表面應(yīng)選擇具備對(duì)短波吸收率很高，而對(duì)長(zhǎng)波發(fā)射（吸收）率極低這樣性質(zhì)的材料。為什么鍋爐中高溫過(guò)熱器一般采用順流式和逆流式混合布置的方式？答:因?yàn)樵谝欢ǖ倪M(jìn)出口溫度條件下，逆流的平均溫差最大，順流的平均溫差最小，即采用逆流方式有利于設(shè)備的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。但逆流式換熱器也有缺點(diǎn)，其熱流體和冷流體的最高溫度集中在換熱器的同一端，使得該處的壁溫較高，即這一端金屬材料要承受的溫度高于順流型換熱器，不利于設(shè)備的安全運(yùn)行。所以高溫過(guò)熱器一般采用順流式和逆流式混合布置的方式，即在煙溫較高區(qū)域采用順流布置，在煙溫較低區(qū)域采用逆流布置。有一臺(tái)1-2型管殼式換熱器（殼側(cè)1程，管側(cè)2程）用來(lái)冷卻11號(hào)潤(rùn)滑油。冷卻水在管內(nèi)流動(dòng)，12二200C,12二500C,流量為3kg/s；可認(rèn)為管殼式換熱器是一種交叉流換熱， 熱油的進(jìn)出口溫度為：「1000C,t1二60OC,k二350W/m2OC試計(jì)算：油的流量；所傳遞的熱量所需的傳熱面積。解:（1）油的流量:查得潤(rùn)滑油及水的比熱分別為：c1=2148J/kg°C；c2=4174J/kg°CGcAt 3x4174x(50-20)G=—r2= =4.37(kg/s)則:1 cAt 2148x(100-60)11所傳遞的熱量:①=GcAt=3x4174x(50-20)=375.66(kW)222所需的傳熱面積:t=t"-t'=60-20=400Cl12r12t-tAt=-r

mtIn-tt=t'-1"r12t-tAt=-r

mtIn-t40-50=茹=44.80Clnt"-t' 50-20P=t亠= =0.375t'-1' 100—2012t'-t" 100-60R=-J= =1.333t"-1' 50一2022PR=1.333x0.375=0.5由圖10-23：查得：1/R=1/1.333=0.75屮=0.9Atm=44.8X0.9=40.32C壓力為1.5X105Pa的無(wú)油飽和水蒸汽在臥式殼管式冷凝器的殼側(cè)凝結(jié)。經(jīng)過(guò)處理的循環(huán)水在外徑為20mm、厚為1mm的黃銅管內(nèi)流過(guò)，流速為1.4m/s,其溫度由進(jìn)口出處的56°C升高到出口處的94°C。黃銅管成叉排布置，在每一豎直排上平均布置9根。冷卻水在管內(nèi)的流動(dòng)為兩個(gè)流程，管內(nèi)已積水垢。試確定所需的管長(zhǎng)、管子數(shù)及冷卻水量。①=1.2<107W。解：(1)平均傳熱溫差：由附錄10查得飽和蒸汽溫度為111.32C，則:Atm94-56Atm(C)= =3272(C)11132-56In11132-94管外凝結(jié)換熱系數(shù):設(shè)管外壁溫度tw=105C，則tm=(111.32+105)/2=108.2C由附錄查得凝結(jié)水物性參數(shù):p=952.3(kg/m3)l九=0.685(W/m°C)l耳=263.2x10-6(kg/m-s)r=223(k5J/kg)由公式6-4:h=0.729—h=0.729—grp2^3—° 耳d(t一t)-nlsw=8809(W/m2C)管內(nèi)換熱系數(shù):1/4=0.7299.8x2235x103x952.32x0.6853263.2x10-6x0.02(111.32-105)x91/4tf=(56+94)/2=75C由附錄查得水物性參數(shù):X=0.671(W/m°C);v=0.39x10-6(m2/s);Pr=2.38h=0.023—?Re0.8-Pr0.4i dfcc"0.671(1.4x0.018)°.8=0.023x 0.01810.39x10-6丿x2.380.4=8552(W/m2°C)熱阻:蒸汽側(cè)污垢熱阻：r0=0.0001;水側(cè)污垢熱阻:ri=0.0002i管壁熱阻：(黃銅—=131W/mC)dd灰I"t==x810-6dd灰I"t==x810-621x31山0.018

1d.dd(1+r+1d.dd(1+r+2ln2+2+rh00 2Xd1d11hii丿1+0.0001+8x10-6+20 +0.00028809 18(8552由傳熱方程：qi=kAtm=1743X32.72=57030(W/m2°C)由凝結(jié)換熱：q2=h0At=8809X(111.32-105)=55673(W/m2°C)q,與q2僅相差2%; .??上述計(jì)算有效。傳熱面積： . 、A二①/(kAt)二1.2x107/(1743x32.72)=210 m2m冷卻水量：(查附錄10：cp=4191J/kgK)G=一(^ 、= 吟107、=75.35 (kg/s)cV"-1')419104-56)p22(8)截面：(查附錄10：p=974.8kg/m3)G75.35f=- = =5.521X0-2丿P-u974.8X.4單程管數(shù)：4x552單程管數(shù)：4x552x10-23.1416x0.0182_216.9沁217(根)兩個(gè)流程共需管子434根。管子長(zhǎng)度：1_管子長(zhǎng)度：1_離210434x3.1416x0.02_7.7(m)3一蒸汽管道的保溫層外包了油毛氈，表面溫度為330K,外徑為0.22m。該管道水平地穿過(guò)室溫為22C的房間,在房?jī)?nèi)長(zhǎng)度為6m。試計(jì)算蒸汽管道在該房間內(nèi)的總散熱量。t57+22 “解：空氣定性溫度f(wàn)= 2 _39°C,選取空氣的物性參數(shù)，V=17.95x10-6,Pr=0.699,X=2.76*10-2W/(m?K),Gr=gaAtdGr=gaAtd3rV29.8x1/(373+39.5)x(57一22)x0.223(17.95x10-6)_36272980Nu=0.48(GrPr)1/4=0.48X(36272980X0.699)1/4=34.06h=Nu?d/X=34.06X0.22/0.0276=271.5W/(m?K))(p=AhAt=3.14X0.22X