傳熱學(xué)期末試卷及答案5套

學(xué)年第學(xué)期期末試題

課程名稱傳熱學(xué)A使用專業(yè)建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程

班級(jí)姓名學(xué)號(hào)

—?二三

試題四五七八九十總分

得分

一、基本概念（24分）

1、三種基本傳熱方式分別為：,,。

2、建立導(dǎo)熱微分方程時(shí)所遵守的2個(gè)基本原理為和.

3、導(dǎo)熱問(wèn)題的第一類邊界條件是給定了導(dǎo)熱體邊界上，第二類邊界條件是給定了

導(dǎo)熱體邊界上，如果已知導(dǎo)熱體邊界上的和,

則稱為第三類邊界條件。

4、集總參數(shù)法的使用條件為：。

5、層流邊界層內(nèi)的換熱特點(diǎn)是以為主,在湍流邊界層的核心區(qū)則以為

主，而湍流邊界層的底層以為主。（填：流體的導(dǎo)熱，對(duì)流）

6、管內(nèi)對(duì)流換熱入口段的局部對(duì)流換熱系數(shù)比充分發(fā)展段的對(duì)流換熱系數(shù)。

（填：大，小），其原因在于入口段的。

7、請(qǐng)寫出牛頓冷卻公式：。（已知對(duì)流換熱系數(shù)為小流體溫度為上）。

8、對(duì)于凝結(jié)換熱，不凝性氣體有利還是有害？,原因是：

（1）.

（2）。

9、請(qǐng)寫出黑體輻射的四次方定律的表達(dá)式：o請(qǐng)寫出表面發(fā)射率為￡、面積為

A的表面輻射熱阻：。

10、遮熱板是（填：強(qiáng)化，削弱）輻射換熱的方法。表面涂層也可以強(qiáng)化和削弱表

面的輻射換熱。如果希望某表面在太陽(yáng)照射下升溫快，在太陽(yáng)落山后保溫性能好，那么它表

面的涂層材料應(yīng)該吸收率大，而射率小。

二、簡(jiǎn)單計(jì)算（28分）

1、如圖1所示，常物性，有均勻內(nèi)熱源吊，二維穩(wěn)

態(tài)導(dǎo)熱，邊界條件都為第3類（對(duì)流換熱系數(shù)為h,

流體溫度為J）請(qǐng)用控制容積熱平衡法寫出節(jié)點(diǎn)0

的差分方程。（請(qǐng)直接按方向?qū)懗龈鹘缑娴哪芰?/p>

平衡關(guān)系，不要整理）（8分）

2、厚度為3=80mm的大平壁，兩表面維持八=20℃和/2=0℃,其高溫側(cè)受熱流體加熱，流體

的溫度為b=100'C,對(duì)流換熱系數(shù)為〃=200W/（m2.K）。求穩(wěn)態(tài)時(shí)該平壁的導(dǎo)熱系數(shù)。（6分）

3、已知太陽(yáng)表面溫度為58OOK,求太陽(yáng)輻射中最大單色輻射力對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。設(shè)太陽(yáng)為黑體。

（6分）

4、假設(shè)利用高溫?zé)煔鈾M掠加熱圓管內(nèi)的水。當(dāng)煙氣的溫度J和管壁面的溫度心都保持不變

的前提下，如果讓管徑增大一倍，欲使換熱量①保持不變，那么橫掠圓管的煙氣的速度應(yīng)如

何調(diào)整？（8分）

三、計(jì)算題(48分)

1、一塊厚度為20mm的鋼板加熱到5000c后，置于20℃的空氣中冷卻。設(shè)冷卻過(guò)程中鋼板

兩側(cè)的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)均為35W/(m2.K),鋼板的導(dǎo)熱系數(shù)為45W/(m.K),熱擴(kuò)散系數(shù)為

1.375xl0-5ni2/s,求使鋼板冷卻到與空氣相差10℃時(shí)所需的時(shí)間。(16分)

2、熱電廠中有一水平放置的蒸汽管道，內(nèi)徑為&=100mm,壁厚&=4mm,鋼管材料的導(dǎo)

熱系數(shù)為為=40W/(m.K),外包厚度為&=70min厚的保溫層，保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)為22=0.05

W/(m.K)。管內(nèi)蒸汽溫度為用=300℃,管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為/〃=200W/(m2.K),保溫層外壁

面復(fù)合換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為如=8W/(m2.K),周圍空氣的溫度為片=20℃。試計(jì)算單位長(zhǎng)度

蒸汽管道的散熱損失中?及管道外壁面與周圍環(huán)境輻射換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)hm。(16分)

水平管外自然對(duì)流換熱準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式N"=C-(G，Pr)",Gr=空"c、”見(jiàn)下表：

適用范圍

流動(dòng)情況特征長(zhǎng)度CnGr-Pr

0.850.188102~104

圓柱外徑0.481/4104~107

d().1251/3107~10,2

干空氣熱物理性質(zhì)(P=1.013Xl()5pa)

t-rXX102-W/(mK)vX106-m2/sPr

102.5114.160.705

202.5915.060.703

302.6716.000.701

402.7616.960.699

3、已知一漫反射表面的單色吸收率a%、單色輻射強(qiáng)度E入和外界投入輻射隨波長(zhǎng)的分布Gx

如圖所示。在某一瞬間測(cè)得其表面溫度為1100K,求此時(shí)該表面的：（1）全輻射力E和

黑度；（2）定向輻射強(qiáng)度L（單位W/（m2.Sr））；（3）單位表面吸收的外界投入輻射中a。

（16分）

由■E/W/m?岬）

0.8----

0.4----

036X/pm

傳熱學(xué)A建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程

一、基本概念（24分）

1、三種基本傳熱方式分別為：熱傳導(dǎo),熱對(duì)流,熱輻射。

2、建立導(dǎo)熱微分方程時(shí)所遵守的2個(gè)基本原理為能量守恒原理和付立葉定律。

3、導(dǎo)熱問(wèn)題的第一類邊界條件是給定了導(dǎo)熱體邊界上溪鼠，第二類邊界條件是給定了導(dǎo)

熱體邊界上熱流密度，如果已知導(dǎo)熱體邊界上的流體溫度和對(duì)流換熱系數(shù)，則稱為

第三類邊界條件。

4、集總參數(shù)法的使用條件為：Bi40.1。

5、層流邊界層內(nèi)的換熱特點(diǎn)是以流體的導(dǎo)熱為主,在湍流邊界層的核心區(qū)則以對(duì)流為

主，而湍流邊界層的底層以流體的導(dǎo)熱為主。（填：流體的導(dǎo)熱，對(duì)流）

6、管內(nèi)對(duì)流換熱入口段的局部對(duì)流換熱系數(shù)比充分發(fā)展段的對(duì)流換熱系數(shù)XQ（填：大，

?。?，其原因在于入口段的邊界層較薄o

7、請(qǐng)寫出牛頓冷卻公式：q=gT3（已知對(duì)流換熱系數(shù)為人流體溫度為b）。

8、對(duì)于凝結(jié)換熱，不凝性氣體有利還是有害？有害，原因是：8）不凝性氣體在壁面

附近形成一層氣體層，阻礙了蒸汽與壁面接觸，形成熱阻,（2）不凝性氣體使蒸汽的飽和

分壓降低，從而降低了其飽和溫度，使壁面與蒸汽溫差變小。

4

9、請(qǐng)寫出黑體輻射的四次方定律的表達(dá)式：Eh=GT。請(qǐng)寫出表面發(fā)射率為￡、面積為A

的表面輻射熱阻：——。

10、遮熱板是削弱（填：強(qiáng)化，削弱）輻射換熱的方法。表面涂層也可以強(qiáng)化和削弱表

面的輻射換熱。如果希望某表面在太陽(yáng)照射下升溫快，在太陽(yáng)落山后保溫性能好，那么它表

面的涂層材料應(yīng)該對(duì)太陽(yáng)能的吸收率大,而其自身的紅外發(fā)射率小。

二、簡(jiǎn)單計(jì)算（28分）

1、如圖1所示，常物性，有均勻內(nèi)熱源小,二維穩(wěn)

態(tài)導(dǎo)熱，邊界條件都為第3類（對(duì)流換熱系數(shù)為小

流體溫度為J）請(qǐng)用控制容積熱平衡法寫出節(jié)點(diǎn)02

的差分方程。（請(qǐng)直接按方向?qū)懗龈鹘缑娴哪芰?/p>

平衡關(guān)系，不要整理）（8分）4U

解：邊界節(jié)點(diǎn)0的控制體為3/4個(gè)完整的控制體，通

圖1

過(guò)控制體各界面的能量平衡如下:

Z°—Ay—，2——一%-。+(AAAyG-!———,0-+/,z—/-r、)

-7\<X>0n/

2AavAAx2

+++-/)+-AXA)4>=0

Ay2Ay20°4-

2,一個(gè)厚度為B=80mm的大平壁，兩表面維持”=20℃和々=0℃，其高溫側(cè)受熱流體加熱，

2

流體的溫度為J=100℃,對(duì)流換熱系數(shù)為九=200W/（m.K）0求穩(wěn)態(tài)時(shí)該平壁的導(dǎo)熱系數(shù)。

（6分）

解：穩(wěn)態(tài)時(shí)平壁的熱平衡有下面的關(guān)系：

2~~6~—=h'j8-。I），

所以，/竺—><（100—20）x0083.

—t-,20—0

3、已知太陽(yáng)表面溫度為58OOK,求太陽(yáng)輻射中最大單色輻射力對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。設(shè)太陽(yáng)為黑體。

（6分）

解：由維恩定律，2maxr=2900K串m,得:2max=2900IT=2900/5800=0.5pmo

4、假設(shè)利用高溫?zé)煔鈾M掠加熱圓管內(nèi)的水。當(dāng)煙氣的溫度上和管壁面的溫度心都保持不變

的前提下，如果讓管徑增大一倍，欲使換熱量中保持不變，那么橫掠圓管的煙氣的速度應(yīng)如

何調(diào)整？（8分）

解：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度圓管外的換熱量計(jì)算為：①二㈤餌〃-九），

當(dāng)換熱量中保持不變，管徑增大一倍時(shí)，有如下關(guān)系：①=雙傷（晨-4）=萬(wàn)2成'（晨一Q），

所以，管徑增大一倍后，應(yīng)有：h=2h'

對(duì)應(yīng)的Nu數(shù)：N〃=㈣，兇，'=空4="，由于煙氣的溫度上和管壁面的溫度都保

AAA

持不變，4=矛，則N〃=M/'。此外，煙氣的溫度b和管壁面的溫度心都保持不變時(shí)，

Pr=Pr',那么管徑和煙氣的流速改變前、后是相似的，則對(duì)應(yīng)的Re數(shù)應(yīng)相等。

Re=Re',㈣=幺”=凹絲，所以：/=_1〃，即橫掠圓管的煙氣的速度應(yīng)減半。

vv'v2

三、計(jì)算題（48分）

1、一塊厚度為20mm的鋼板加熱到500℃后，置于20℃的空氣中冷卻。設(shè)冷卻過(guò)程中鋼板

兩側(cè)的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)均為35W/（n?.K）,鋼板的導(dǎo)熱系數(shù)為45W/（m.K）,熱擴(kuò)散系數(shù)為

1.375xl0-5m2/s,求使鋼板冷卻到與空氣相差10℃時(shí)所需的時(shí)間。（16分）

M35x0it2.

解：該鋼板導(dǎo)熱的明=，=7T=00156<0.1,因此可以用集總分析法。（3分）

其能量守恒方程為：

pcV^=-2M（t-t.）

aT

T=0,t=500（4分）

引入過(guò)余溫度9得：

PCV霜仁分）

T=0>0=

其解為工=exp（-爭(zhēng)）=?p（號(hào)。（4分）

i

當(dāng)9=1”時(shí)，代入：h=35W/tm.K）,i=45W/（m.n,a-UySxlO-V/i,

S~0.02ni,得：r=3633s。（3分）

2、熱電廠中有一水平放置的蒸汽管道，內(nèi)徑為d=100mm,壁厚3i=4mm,鋼管材料的導(dǎo)

熱系數(shù)為2i=40W/（m.K）,外包厚度為&=70mm厚的保溫層，保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)為22=0.05

W/（m.K）o管內(nèi)蒸汽溫度為加=300℃,管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為/?,=200W/（m2.K）,保溫層外壁

面復(fù)合換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為如=8W/（m2.K）,周圍空氣的溫度為修=20℃。試計(jì)算單位長(zhǎng)度

蒸汽管道的散熱損失包及管道外壁面與周圍環(huán)境輻射換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)％2。（16分）

水平管外自然對(duì)流換熱準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式Nu=C<Gr.Pr）",Gr=/辦了c、n見(jiàn)下表：

適用范圍

流動(dòng)情況特征長(zhǎng)度CnGr-Pr

爪1.851.188102~104

圓柱外徑0.481/4104~107

d().1251/3107~10,2

干空氣熱物理性質(zhì)（P=1.013X105Pa）

t-℃XX102-W/(mK)vX106-m2/sPr

102.5114.160.705

202.5915.060.703

302.6716.000.701

402.7616.960.699

解：這是一個(gè)通過(guò)兩層圓管的傳熱過(guò)程。

O,=—-------------------------------------------------^99.2W/m。（4分）

111出1.a,1

-------+-------In上+-----In」+------

叫42欣］42雙24碎A

該熱量等于管外的自然對(duì)流和輻射換熱的熱量：中,=㈤3九2(9-晨)

①,”g99.2W/m“，八、

t=晨-------=20CH-----------------------------；------=36>(［分)

w加3萬(wàn)2兀x0.248mx8W/(m-?K)

管道外側(cè)為自然對(duì)流，特征溫度為：tm=(tw+^)=1(36+20)℃=28(1分)

按此溫度從附錄中查得空氣的物性參數(shù)值：

v=15.8xl0^/n2/^,A=2.65xl0-2W/mK,Pr=0.701,

1

體膨脹系數(shù)：a=—=7~—；=3.32XK)TKT,

Tm(273+28)

計(jì)算出：GrPi=ga,/.氏=2.23x1O,

V

查表，得計(jì)算公式的常數(shù)：C=0.125,n=l/3,(2分)

Nu=0A25(Gr-Pr)l/3=0.125x(2.23x107)"3=35.2(3分)

,22.65xl0-2W/(m-K)cc，,八、

如=—Nxru=---------------------------x35.2=3.8W/(m-K)(3分)

c-40.248m

于是可得輻射換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為：

僅2="2一%=(8-3.8)W/(m2.K)=4.2W/(m2-K)(2分)

4、已知一漫反射表面的單色吸收率a，.、單色輻射強(qiáng)度E入和外界投入輻射隨波長(zhǎng)的分布Gl

如圖所示。在某一瞬間測(cè)得其表面溫度為1100K,求此時(shí)該表面的：（1）全輻射力E和

黑度；（2）定向輻射強(qiáng)度L（單位W/（m2.Sr））；（3）單位表面吸收的外界投入輻射中?

（16分）

3EJ(W/m2,jim)GW/m2.pm)

解：(1)E=TEd2=50x(10-5)+150x(15-10)4-50x(20-15)=1250W/m2

JOA

4-842

Eh=oT=5.67x10x1100=83014W/m(4分)

E_1250

=0.015（2分）

~Eh~83014

E1250…o/八、

(2)Lr=一=----=398W/(m~.Sr)(5分)

7i3.14

f3f6r3f6

(3)①&=1G，?a*.d2+J3Gzi?02.dzl=0.4xJoG/-dA+0.8x入

=0.4X0.5X3X3X103+0.8X0.5X(3+4)X1xl03+0.8x2x4xl03

=1.8x103+2.8x1()3+6.4x103=11x103w/n?(5分)

學(xué)年第學(xué)期期末試題

課程名稱傳熱學(xué)B使用專業(yè)-建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程

班級(jí)姓名學(xué)號(hào)

—?二三

試題四五七八九十總分

得分

一、填空題（每空1分，共25分）

1.平壁的導(dǎo)熱熱阻為，圓筒壁的導(dǎo)熱熱阻為。

2.與通過(guò)無(wú)限大平壁的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過(guò)程不同，對(duì)于無(wú)限長(zhǎng)圓筒壁，其穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱時(shí)，不同半徑

處的熱流密度常數(shù)，但熱流量恒定的。（填：是，不是）

3.邊界層具有以下特性，即：與壁面特征長(zhǎng)度相比邊界層的厚度____L填：很大，很?。?/p>

邊界層的流態(tài)分為和、紊流邊界層分為

、、三層結(jié)構(gòu)，在垂直于壁面方向上的熱

量傳遞主要依靠，紊流邊界層的主要熱阻為。

4.進(jìn)行傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)遵守原理。在安排實(shí)驗(yàn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭械膶?duì)流換熱

過(guò)程必須與原型中的實(shí)際對(duì)流換熱過(guò)程相似：對(duì)流換熱過(guò)程必須與原型

是,其必須與原型相似，必須與

原型相等。

5.大容器飽和沸騰時(shí)，隨著壁面過(guò)熱度At的增加，依次出現(xiàn)、

、過(guò)渡態(tài)和等不同沸騰階段。

6.黑體熱輻射的揭示了黑體的單色輻射力隨波長(zhǎng)和熱力學(xué)溫度的變化規(guī)

律，揭示了黑體的定向輻射力隨方向的變化規(guī)律。

7.為了削弱輻射換熱，一般采用和o

8.工業(yè)加熱過(guò)程中，金屬表面的溫度逐漸升高，其顏色從暗紅、鮮紅、橘黃，一直變化到

白熾，這種現(xiàn)象所遵循額原理是定律，它表明隨著溫度的升高，入max

向方向移動(dòng)。

二、簡(jiǎn)單計(jì)算（30分）

1.寫出圖中邊界節(jié)點(diǎn)（，〃，〃）穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱時(shí)的差分方程，邊界條件如圖中所示，一側(cè)絕熱，

另一側(cè)為第三類邊界條件。（10分）

2.已知地球平均表面溫度約為300K,求地球輻射中最大單色輻射力對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。設(shè)地球

為黑體。（10分）

3.如圖所示，Ai、A2、A3分別為一正方體的對(duì)角線所在平

面和兩個(gè)側(cè)面。請(qǐng)利用角系數(shù)的基本性質(zhì)計(jì)算下面的角系

數(shù)Xu和X2,i（10分）

三、計(jì)算題（45分）

1.具有內(nèi)熱源并均勻分布的無(wú)限大平壁，壁厚為25,平壁兩表面溫度恒為九,內(nèi)熱源強(qiáng)

度為分，平壁材料的導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)，求穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱時(shí)平壁內(nèi)的溫度分布和中心溫度。（15

分）

2.直徑為，長(zhǎng)度為1m的電阻絲水平地置于的靜止空氣中，試問(wèn)在不計(jì)輻

射換熱的情況下它每米長(zhǎng)度上能承受的最大散熱量是多少？如果考慮輻射換熱這一最

大散熱量會(huì)增加還是減少？該電阻絲的熔點(diǎn)為。（15分）

附：（1）空氣在水平圓柱體外自然對(duì)流換熱的準(zhǔn)則式

1/3

Num=0.36+0.363G/,"6+0.0914G^,G/;,,=10^~1.3x10”

「ga\td3

Gr--——；——

⑵空氣的物性參數(shù):

3.有一圓柱體，如圖所示，表面1溫度7；=550K,發(fā)射率片=0.8,表面2溫度7；=275K,

發(fā)射率￡2=0.4,圓柱面3為絕熱表面，角系數(shù)=0.308。（15分）

求：（1）表面1的凈輻射損失;

（2）絕熱面3的溫度。

圖2

學(xué)年第學(xué)期期末試題答案

課程名稱傳熱學(xué)B使用專業(yè)建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程

班級(jí)姓名學(xué)號(hào)

—?二三

試題四五七八九十總分

得分

一，填空題（每空1分，共25分）

11d、

In—

9.平壁的導(dǎo)熱熱阻為3爪，圓筒壁的導(dǎo)熱熱阻為2成.。

10.與通過(guò)無(wú)限大平壁的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過(guò)程不同，對(duì)于無(wú)限長(zhǎng)圓筒壁，其穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱時(shí)，不同半徑

處的熱流密度不是常數(shù),但熱流量是恒定的。（填：是,不是）

11.邊界層具有以下特性，即：與壁面特征長(zhǎng)度相比邊界層的厚度很?。ㄌ?很大，很?。?，

邊界層的流態(tài)分為層流和紊流/湍流、紊流邊界層分為

層流底層、緩沖層、湍流核心區(qū)三層結(jié)構(gòu),在垂直于壁面方向上的

熱量傳遞主要依靠導(dǎo)熱，紊流邊界層的主要熱阻為層流底層的導(dǎo)熱熱阻。

12.進(jìn)行傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)遵守相似原理。在安排實(shí)驗(yàn)時(shí),實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭械膶?duì)流換熱過(guò)

程必須與原型中的實(shí)際對(duì)流換熱過(guò)程相似：對(duì)流換熱過(guò)程必須與原型是」3

類物理現(xiàn)象，其單值性條件必須與原型相似,已定同名特征數(shù)必須

與原型相等。

13.大容器飽和沸騰時(shí)，隨著壁面過(guò)熱度At的增加，依次出現(xiàn)自然對(duì)流、核態(tài)/

泡態(tài)沸騰、過(guò)渡態(tài)和膜態(tài)沸騰等不同沸騰階段。

14.黑體熱輻射的普朗克定律揭示了黑體的單色輻射力隨波長(zhǎng)和熱力學(xué)溫度的變化規(guī)

律，蘭貝特定律揭示了黑體的定向輻射力隨方向的變化規(guī)律。

15.為了削弱輻射換熱，一般采用低發(fā)射率的表面涂層和在表面間加設(shè)遮熱板.

16.工業(yè)加熱過(guò)程中，金屬表面的溫度逐漸升高，其顏色從暗紅、鮮紅、橘黃，一直變化到

白熾，這種現(xiàn)象所遵循額原理是維恩位移定律,它表明隨著溫度的升高，解MX

向短波方向移動(dòng)。

二、簡(jiǎn)單計(jì)算（30分）

4.寫出圖中邊界節(jié)點(diǎn)（“，〃）穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱時(shí)的差分方程，邊界條件如圖中所示，一側(cè)絕熱，

另一側(cè)為第三類邊界條件。（10分）

解：取控制容積如圖中陰影所示，分析其能量平衡如下:

A)''m-\,nrA)'(t\1n/[兒〃+1—%”\c

丁")t+"七一^^)=°

2M

5.已知地球平均表面溫度約為300K,求地球輻射中最大單色輻射力對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。設(shè)地球

為黑體。（10分）

解：由維恩定律，411ax7=2900K.pm,得：2max=2900/7=2900/300=9.7

6.如圖所示，Ai、AT、A3分別為一正方體的對(duì)角線所在平

面和兩個(gè)側(cè)面。請(qǐng)利用角系數(shù)的基本性質(zhì)計(jì)算下面的角系

數(shù)X1,2和X2J（10分）

解，XI2+XL1+XL3=1

x「o；Xli2=x,.3

X12=0.5

A.X1,2=A-^2,1n^2,1=A-X1,2/4=>X2I=42-0.5=0.707

三、計(jì)算題（45分）

4.具有內(nèi)熱源并均勻分布的無(wú)限大平壁，壁厚為2s,平壁兩表面溫度恒為財(cái)內(nèi)熱源強(qiáng)

度為分，平壁材料的導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)，求穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱時(shí)平壁內(nèi)的溫度分布和中心溫度。（15

分）

解：該平壁的導(dǎo)熱為一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，其導(dǎo)熱微分方程及邊界條件如下:

j2.

導(dǎo)熱微分方程為：氣+2=（）

dx2A

邊界條件為：x=s,t=tw.

包=0

SX.r=0

求解上述微分方程，得2=+C,

2/112

2

由邊界條件確定積分常數(shù)：G=0，c2=tw+^-s

22

，平壁內(nèi)的溫度分布：，=兀+餐（$2—尤2）

2/i

當(dāng)X=o,則得平壁中心溫度：=4+"（/）

5.直徑為，長(zhǎng)度為Im的電阻絲水平地置于的靜止空氣中，試問(wèn)在不計(jì)輻

射換熱的情況下它每米長(zhǎng)度上能承受的最大散熱量是多少？如果考慮輻射換熱這一最

大散熱量會(huì)增加還是減少？該電阻絲的熔點(diǎn)為。（15分）

附：（1）空氣在水平圓柱體外自然對(duì)流換熱的準(zhǔn)則式

1/313

Num=0.36+0.363GL+0.0914G^,G\=10飛~1.3xl0

ga\td3

Gr?,=---s—

v

（2）空氣的物性參數(shù)：，

解：最大散熱量為相應(yīng)于熔點(diǎn)溫度下的表面換熱量，其時(shí)

℃

9.8x-1x(970-30)x0.000I3

Gq=273+500=1.891x10-3

(79.38x10^)2

=0.36+0.1274+0.0113=0.499

^0499x0.0574

=286.4W/(m2K)

d00.0001

6=兀4/加=3.14x0.0001x1x286.4x940

考慮輻射換熱后，在同樣壁溫下增加了輻射換熱量，可承受的熱負(fù)荷可大大增加。

6.有一圓柱體，如圖所示，表面1溫度Z=550K,發(fā)射率q=0.8,表面2溫度%=275K,

發(fā)射率島=0.4,圓柱面3為絕熱表面，角系數(shù)X「=0.308。（15分）

2

A=A2=兀xO.3=0.09兀，&=兀x0.6x0.3=0.18TI

Anig7T

Xl3=^^x0.308=0.616,X|9=1-0.616=0.384

1,3A3,10.09K'

n1-0.81八1-0.41

A.=--------------=--------,&=--------------=--------

0.8x0.09兀0.36兀~0.4x0.09710.06K

八1128.9n118.0

12

A|X120.0971X0.384兀0.09Kx0.616n

(%+&3)/&2=F~=—

兀+兀兀

28^918.0x2

2

?=56：(巴-2.75，"=4.3ix10(W)

—+—+16.0

0.360.06

22

⑵，=Ehi-01?/?,=5.67x5.5"-4.31xl0x-^—=4.81xlO^W/m)

0.36K

232

J,=Eb,+O「R,=5.67x2.75"+4.31xl0x^—=2.61x10(W/m)

0.06冗

332

J3=^(J,+J2)=^(4.81xlO+2.61xlO)=3.71xlO'(W/m)

I3.71X1Q3

,3=Eia=506(K)

V5.67XIO-8

學(xué)年第學(xué)期期末試題

課程名稱傳熱學(xué)A使用專業(yè)建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程18級(jí)

班級(jí)姓名學(xué)號(hào)

—?二三

試題四五七八九十總分

得分

一、分析簡(jiǎn)答（5x6=30分）

1.冬天室內(nèi)的暖氣片內(nèi)流的是熱水，請(qǐng)分析它的散熱過(guò)程都包括了哪些環(huán)節(jié)。

2.簡(jiǎn)述集總參數(shù)法的概念和應(yīng)用條件。

3.為什么管內(nèi)強(qiáng)迫對(duì)流換熱的入口段的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)比充分發(fā)展段大？

4.請(qǐng)說(shuō)明不凝性氣體對(duì)凝結(jié)換熱的影響及原因。

5.北方深秋的清晨，低矮的灌木或草的葉子上會(huì)結(jié)霜，請(qǐng)問(wèn)是葉子的上面還是下面結(jié)

霜，為什么？

二、計(jì)算題（70分）

1.某加熱爐的爐門由兩層材料組成，內(nèi)層材

料的導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱心=0.24W/（m.K）,外層

內(nèi)外

厚5mm,導(dǎo)熱系數(shù)為2=0/2\￥/（111.2。爐內(nèi)

h

溫度為s=8oo°c,爐內(nèi)介質(zhì)與內(nèi)層壁面的5=800。1/2=30C

對(duì)流換熱系數(shù)為/1^18W/（m2.K）,輻射換

4=18郎3K）h=16W7（小妁

熱系數(shù)為萬(wàn)產(chǎn)220W/（m2.K）。爐外空氣溫度

4=220叫（蘇妁

為ffi-30℃，總表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為/i2=16

W/（m2.K）o求：（1）穩(wěn)態(tài)時(shí)如爐門外壁溫

度不能超過(guò)60℃,內(nèi)層材料的厚度至少為多少？（2）如外層材料的耐熱極限是

85℃,此內(nèi)層厚度可否？（18分）

2.一厚度為0.5m的大平壁，其內(nèi)具有一個(gè)強(qiáng)度為"=1000W/，療的內(nèi)熱源。在某一

瞬時(shí)該平壁內(nèi)的溫度分布為：r=450—320x—160氏2。求：（i）人.=0和x=o.5m處

的熱流密度；（2）該平壁的熱力學(xué)能隨時(shí)間的變化率；（3）k0和k0.5m處的溫

度隨時(shí)間的變化率。已知：導(dǎo)熱系數(shù)2=24.38W/（加_K），比熱c=116J//g.K）,

密度P=18070必/加3。（15分）

3.一室內(nèi)暖氣片的散熱面積為A=3n?,表面溫度為fw=50℃,它和20℃的室內(nèi)空氣

之間自然對(duì)流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為〃=4W/（m2.K）。試問(wèn)該暖氣片相當(dāng)于多大功

率的電暖器？（10分）

4.實(shí)驗(yàn)測(cè)得2500K鴿絲的法向單色發(fā)射率如圖所示，計(jì)算其輻射力及發(fā)光效率。（17

分）

部分黑體輻射函數(shù)

XT/(pm.K)Fb(o-x)/%妙"

0.5__________

9000.009

10000.03230.4

18003.9460.3

19005.2250.2

20006.6900.1

0----------------------------------------

500063.4101234l(gm)

550069.12

600073.81第4題筲絲的法向單色發(fā)射率

5.計(jì)算下圖的角系數(shù)：傾斜的長(zhǎng)平板A2和底板Ai間的角系數(shù)Xi,2和X2」。（10分）

學(xué)年第學(xué)期期末試題答案

課程名稱傳熱學(xué)A使用專業(yè)建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程18級(jí)

班級(jí)姓名學(xué)號(hào)

—?二三

試題四五七八九十總分

得分

一、分析簡(jiǎn)答(5x6=30分)

6.冬天室內(nèi)的暖氣片內(nèi)流的是熱水，請(qǐng)分析它的散熱過(guò)程都包括了哪些環(huán)節(jié)。

答：包括暖氣片內(nèi)壁和熱水的對(duì)流換熱，暖氣片壁的導(dǎo)熱和暖氣片外壁和室內(nèi)空氣的自

然對(duì)流換熱以及低溫紅外輻射換熱。

7.簡(jiǎn)述集總參數(shù)法的概念和應(yīng)用條件。

答：忽略物體內(nèi)部導(dǎo)熱熱阻的簡(jiǎn)化分析方法稱為集總參數(shù)法。實(shí)質(zhì)是直接運(yùn)用能量守恒

定律導(dǎo)出物體在非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過(guò)程中溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律。適用條件為Bi<0.1.

8.為什么管內(nèi)強(qiáng)迫對(duì)流換熱的入口段的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)比充分發(fā)展段大？

答：因?yàn)槿肟诙蔚倪吔鐚雍穸缺瘸浞职l(fā)展段的薄，對(duì)流換熱的邊界層的導(dǎo)熱熱阻是主要

熱阻，到了充分發(fā)展段，邊界層厚度增長(zhǎng)并匯合于管道中心，熱阻也增長(zhǎng)到最大。

因此，入口段的局部對(duì)流換熱系數(shù)高于充分發(fā)展段。

9.請(qǐng)說(shuō)明不凝性氣體對(duì)凝結(jié)換熱的影響及原因。

答：不凝結(jié)氣體使凝結(jié)換熱削弱，原因有2個(gè)：一方面，隨著蒸氣的凝結(jié)，不凝結(jié)氣體

會(huì)越來(lái)越多地匯集在換熱面附近，阻礙蒸氣靠近；另一方面，換熱面附近的蒸汽分

壓力會(huì)逐漸下降，飽和溫度ts降低，凝結(jié)換熱溫差ts-tw減小，這兩方面的原因

使凝結(jié)換熱大大削弱。

10.北方深秋的清晨，低矮的灌木或草的葉子上會(huì)結(jié)霜，請(qǐng)問(wèn)是葉子的上面還是下面結(jié)

霜，為什么？

答：葉子的上面結(jié)霜。因?yàn)槿~子的上面和太空間有輻射換熱，太空的溫度低于0℃,葉

子上面失熱；葉子的下面和地面進(jìn)行輻射換熱，地面的溫度高于0℃,葉子下面得

熱。因此，葉子的上面的溫度會(huì)低于0℃,從而更容易結(jié)霜。

二、計(jì)算題(70分)

4.某加熱爐的爐門由兩層材料組成，內(nèi)層材

料的導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱貓=0.24W/(m.K),外層

內(nèi)-----1—外

J?5mm,導(dǎo)熱系數(shù)九2=0.12W/(m.K)。爐內(nèi)h47

溫度為s=8o(rc,爐內(nèi)介質(zhì)與內(nèi)層壁面的^=800'C4"5=30c

對(duì)流換熱系數(shù)為gl8W/(m2.K),輻射換%=1耐“陰

熱系數(shù)為入產(chǎn)220W/(m2.K)。爐外空氣溫度

4=220郎/(/妁t3

為ffi-30℃，總表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為h2=16

W/(m2,K)o求：⑴穩(wěn)態(tài)時(shí)如爐門外壁溫

度不能超過(guò)60C,內(nèi)層材料的厚度至少為多少？（2）如外層材料的耐熱極限是

85℃,此內(nèi)層厚度可否？（18分）

解：（1）穩(wěn)態(tài)時(shí)，有下面的熱平衡：

tfl—3______——t于]

]J小

------T----十---------

hc+hr44b

代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得：偽=0.359相=359mm。

（2）外層材料的最高溫度位于兩層的連接處，有熱平衡如下:

--i---1---^-1-r

hc+hr4友〃2

代入內(nèi)層厚度等數(shù)據(jù)，可得連接處的溫度，2=80℃,因此外層不超溫。

5.一厚度為0.5m的大平壁，其內(nèi)具有一個(gè)強(qiáng)度為d=1000小/m3的內(nèi)熱源。在某一

瞬時(shí)該平壁內(nèi)的溫度分布為：，=450—320%-160?。求：（1）40和x=0.5m處

的熱流密度；（2）該平壁的熱力學(xué)能隨時(shí)間的變化率；（3）40和x=0.5m處的溫

度隨時(shí)間的變化率。已知：導(dǎo)熱系數(shù)/l=24.38W/（〃zK）,比熱c=116〃伏g.K）,

密度2=18070Ag/根3。（15分）

解：

a.

（1）q=一2一=4（320+320%）

dx

則x=0時(shí)，^=24.38x320=7801.6W/m2,

x=0.5時(shí)，g=24.38x（320+320X0.5）-11702.4W/m21.

（2）非穩(wěn)態(tài)時(shí)該大平壁的能量平衡為：

源-鼠+J=。

所以，單位面積的大平壁的熱力學(xué)能隨時(shí)間的變化率為：

丸0、1一405xl+"-xlx0.5=°=—3400.8W

（3）溫度隨時(shí)間的變化率可由其非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱方程計(jì)算：

St_d2t,

---Q-H----=QX（-320）H,

drdxpc------------------pc

代入數(shù)值：pc=2096.12//（疝K）,a=1.163x10-5m2/5,得：

—=-0.00325K/s

dr

6.一室內(nèi)暖氣片的散熱面積為A=3n?,表面溫度為fw=50℃,它和20℃的室內(nèi)空氣

之間自然對(duì)流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為h=4W/（m2-K）?試問(wèn)該暖氣片相當(dāng)于多大功

率的電暖器？(10分)

解：暖氣片和室內(nèi)空氣之間是穩(wěn)態(tài)的自然對(duì)流換熱。

22

。=A/?(rw-rf)=3mX4W/(m-K)x(50-20)K

=360W=0.36kW

即相當(dāng)于功率為0.36kW的電暖器。

4.實(shí)驗(yàn)測(cè)得2500K鴇絲的法向單色發(fā)射率如圖所示，計(jì)算其輻射力及發(fā)光效率。(17

分)

部分黑體輻射函數(shù)

XT/(pm.K)Fb(o-x)/%

0.5__________