第一章
思考题
1． 试用简练的语言说明导热、对流换热及辐射换热三种热传递方式之间的联系和区别。
答：导热和对流的区别在于：物体内部依靠微观粒子的热运动而产生的热量传递现象，称为导热；对流则是流体各部分之间发生宏观相对位移及冷热流体的相互掺混。联系是：在发生对流换热的同时必然伴生有导热。
导热、对流这两种热量传递方式，只有在物质存在的条件下才能实现，而辐射可以在真空中传播，辐射换热时不仅有能
量的转移还伴有能量形式的转换。
2． 以热流密度表示的傅立叶定律、牛顿冷却公式及斯忒藩－玻耳兹曼定律是应当熟记的传热学公式。试写
出这三个公式并说明其中每一个符号及其意义。
答：① 傅立叶定律：
“－”表示热量传递的方向是沿着温度降低的方向。
q???dtdtdx，其中，q－热流密度；?－导热系数；dx－沿x方向的温度变化率，
② 牛顿冷却公式：q?h(tw?tf)，其中，q－热流密度；h－表面传热系数；tw－固体表面温度；
tf－流体的温度。
4q??T③ 斯忒藩－玻耳兹曼定律：，其中，q－热流密度；?－斯忒藩－玻耳兹曼常数；T－辐
射物体的热力学温度。
3． 导热系数、表面传热系数及传热系数的单位各是什么？哪些是物性参数，哪些与过程有关？
答：① 导热系数的单位是：W/(m.K)；② 表面传热系数的单位是：W/(m2.K)；③ 传热系数的单位是：W/(m2.K)。这三个参数中，只有导热系数是物性参数，其它均与过程有关。
4． 当热量从壁面一侧的流体穿过壁面传给另一侧的流体时，冷、热流体之间的换热量可以通过其中任何一
个环节来计算（过程是稳态的），但本章中又引入了传热方程式，并说它是“换热器热工计算的基本公式”。试分析引入传热方程式的工程实用意义。
答：因为在许多工业换热设备中，进行热量交换的冷、热流体也常处于固体壁面的两侧，是工程技术中经常遇到的一种典型热量传递过程。
5． 用铝制的水壶烧开水时，尽管炉火很旺，但水壶仍然安然无恙。而一旦壶内的水烧干后，水壶很快就烧
坏。试从传热学的观点分析这一现象。
答：当壶内有水时，可以对壶底进行很好的冷却（水对壶底的对流换热系数大），壶底的热量被很快传走而不至于温度升得很高；当没有水时，和壶底发生对流换热的是气体，因为气体发生对流换热的表面换热系数小，壶底的热量不能很快被传走，故此壶底升温很快，容易被烧坏。
6． 用一只手握住盛有热水的杯子，另一只手用筷子快速搅拌热水，握杯子的手会显著地感到热。试分析其
原因。
答：当没有搅拌时，杯内的水的流速几乎为零，杯内的水和杯壁之间为自然对流换热，自热对流换热的表面传热系数小，当快速搅拌时，杯内的水和杯壁之间为强制对流换热，表面传热系数大，热水有更多的热量被传递到杯壁的外侧，因此会显著地感觉到热。
7． 什么是串联热阻叠加原则，它在什么前提下成立？以固体中的导热为例，试讨论有哪些情况可能使热量
传递方向上不同截面的热流量不相等。
答：在一个串联的热量传递过程中，如果通过每个环节的热流量都相同，则各串联环节的总热阻等于各串联环节热阻的和。例如：三块无限大平板叠加构成的平壁。例如通过圆筒壁，对于各个传热环节的传热面积不相等，可能造成热量传递方向上不同截面的热流量不相等。
8.有两个外形相同的保温杯A与B，注入同样温度、同样体积的热水后不久，A杯的外表面就可以感觉到热，而B杯的外表面则感觉不到温度的变化，试问哪个保温杯的质量较好？
答：Ｂ：杯子的保温质量好。因为保温好的杯子热量从杯子内部传出的热量少，经外部散热以后，温度变化很小，因此几乎感觉不到热。 能量平衡分析
1-1夏天的早晨，一个大学生离开宿舍时的温度为20℃。他希望晚上回到房间时的温度能够低一些，于是早上离开时紧闭门窗，并打开了一个功率为15W的电风扇，该房间的长、宽、高分别为5m、3m、2.5m。如果该大学生10h以后回来，试估算房间的平均温度是多少？
1
解：因关闭门窗户后，相当于隔绝了房间内外的热交换，但是电风扇要在房间内做工产生热量：为
15?10?3600＝540000J全部被房间的空气吸收而升温，空气在20℃时的比热为：1.005KJ/Kg.K,密度为
540000?10?3?t??11.893
5?3?2.5?1.205?1.0051.205Kg/m,所以
当他回来时房间的温度近似为32℃。
1-2理发吹风器的结构示意图如附图所示，风道的流通面积A2?60cm，进入吹风器的空气压力
2p?100kPa，温度t1?25℃。要求吹风器出口的空气温度t2?47℃，试确定流过吹风器的空气的质量流
量以及吹风器出口的空气平均速度。电加热器的功率为1500W。
解：
cm。冷水通过电热器从15℃被加热到43℃。试问1-3淋浴器的喷头正常工作时的供水量一般为每分钟1000电热器的加热功率是多少？为了节省能源，有人提出可以将用过后的热水（温度为38℃）送入一个换热器去加热进入淋浴器的冷水。如果该换热器能将冷水加热到27℃，试计算采用余热回收换热器后洗澡15min可以节省多少能源？ 解：
1-4对于附图所示的两种水平夹层，试分析冷、热表面间热量交换的方式有何不同？如果要通过实验来测定夹层中流体的导热系数，应采用哪一种布置？
3
解：（a）中热量交换的方式主要为热传导。
（b）热量交换的方式主要有热传导和自然对流。
所以如果要通过实验来测定夹层中流体的导热系数，应采用（a）布置。
1-5 一个内部发热的圆球悬挂于室内，对于附图所示的三种情况，试分析：（1）圆球表面散热的方式；（2）圆球表面与空气之间的换热方式。 解：（2）圆球为表面传热方式散热。 （1）换热方式：（a）自然对流换热；（b）自然对流与强制对流换热相当的过渡流传热；（c）强制对流换热；
1-6 一宇宙飞船的外形示于附图中，其中外遮光罩是凸出于飞船体之外的一个光学窗口，其表面的温度状态直接影响到飞船的光学遥感器。船体表面各部分的表面温度与遮光罩的表面温度不同。试分析，飞船在太空中飞行时与遮光罩表面发生热交换的对象可能有哪些？换热的方式是什么？
解：一遮光罩与外界发生辐射换热及遮光罩外表与船体外表进行辐射。传热方式为（辐射） 1-7 热电偶常用来测量气流温度。如附图所示，用热电偶来测量管道中高温气流的温度Tf
,壁管温度Tw?Tf。试分析热电偶结点的换热方式。
解：具有管道内流体对节点的对流换热，沿偶丝到节点的导热和管道内壁到节点的热辐射。
1-8 热水瓶胆剖面的示意图如附图所示。瓶胆的两层玻璃之间抽成真空，内胆外壁及外胆内壁涂了反射率很低的银。试分析热水瓶具有保温作用的原因。如果不小心破坏了瓶胆上抽气口处的密闭性，这会影响保温效果吗？
解：保温作用的原因：内胆外壁外胆内壁涂了反射率很低的银，则通过内外胆向外辐射的热量很少，抽真空是为了减少内外胆之间的气体介质，以减少其对流换热的作用。如果密闭性破坏，空气进入两层夹缝中形成了内外胆之间的对流传热，从而保温瓶的保温效果降低。 导热
1-9 一砖墙的表面积为12m，厚为260mm，平均导热系数为1.5W/（m.K）。设面向室内的表面温度为25℃，而外表面温度为-5℃，试确定次砖墙向外界散失的热量。 解：根据傅立叶定律有：
2???A
?t??1.5?12?25?(?)5?2076.9W0.26
2
1-10 一炉子的炉墙厚13cm，总面积为20m，平均导热系数为1.04w/m.k，内外壁温分别是520℃及50℃。试计算通过炉墙的热损失。如果所燃用的煤的发热量是2.09×104kJ/kg，问每天因热损失要用掉多少千克煤？ 解：根据傅利叶公式
每天用煤
2Q??A?t1.04?20?(520?50)??75.2KW?0.13
24?3600?75.2?310.9Kg/d42.09?10
?t1-11 夏天，阳光照耀在一厚度为40mm的用层压板制成的木门外表面上，用热流计测得木门内表面热流密度
为15W/m2。外变面温度为40℃，内表面温度为30℃。试估算此木门在厚度方向上的导热系数。
?，解：
1-12 在一次测定空气横向流过单根圆管的对流换热实验中，得到下列数据：管壁平均温度tw=69℃，空气温度tf=20℃，管子外径 d=14mm，加热段长 80mm，输入加热段的功率8.5w，如果全部热量通过对流换热传给空气，试问此时的对流换热表面传热系数多大？ 解：根据牛顿冷却公式
q?2?rlh?tw?tf?
qh??d?tw?tf?＝49.33W/(m2.k) 所以
q????q?15?0.04??0.06W/(m.K)?t40?30
1-13 对置于水中的不锈钢束采用电加热的方法进行压力为1.013?10Pa的饱和水沸腾换热实验。测得加热
功率为50W，不锈钢管束外径为4mm，加热段长10mm，表面平均温度为109℃。试计算此时沸腾换热的表面传热系数。
解：根据牛顿冷却公式有 ??Ah?t
5A?t W/(m.K)
1-14 一长宽各为10mm的等温集成电路芯片安装在一块地板上，温度为20℃的空气在风扇作用下冷却芯片。
芯片最高允许温度为85℃，芯片与冷却气流间的表面传热系数为175 W/(m.K)。试确定在不考虑辐射时芯片最大允许功率时多少？芯片顶面高出底板的高度为1mm。
2?h???4423.22???(85℃-20℃) W/m.K??0.01?0.01?4??0.01?0.001解：?max?hA?t?175 ＝1.5925W
1-15 用均匀的绕在圆管外表面上的电阻带作加热元件，以进行管内流体对流换热的实验，如附图所示。用功
2??率表测得外表面加热的热流密度为3500W/m；用热电偶测得某一截面上的空气温度为45℃，内管壁温度为80℃。设热量沿径向传递，外表面绝热良好，试计算所讨论截面上的局部表面传热系数。圆管的外径为36mm，壁厚为2mm。
2解：由题意 3500W/m?2?Rl?h?2?rl?（80℃-45℃）
2 又 r==(18-2)mm=16mm 2 ?h?112.5 W/(m.K)
1-16为了说明冬天空气的温度以及风速对人体冷暖感觉的影响，欧美国家的天气预报中普遍采用风冷温度的概念（wind-chill temperature）。风冷温度是一个当量的环境温度，当人处于静止空气的风冷温度下时其散热量与人处于实际气温、实际风速下的散热量相同。从散热计算的角度可以将人体简化为直径为25cm、高175cm、
W/mK时人体在温度为20℃的静止空气中的散热表面温度为30℃的圆柱体，试计算当表面传热系数为15量。如果在一个有风的日子，表面传热系数增加到50W/mK，人体的散热量又是多少？此时风冷温度是多少？ 辐射
1-17 有两块无限靠近的黑体平行平板，温度分别为T1,T2。试按黑体的性质及斯藩-玻尔兹曼定律导出单位面
3
?2??2?
积上辐射换热量的计算式。（提示：无限靠近意味着每一块板发出的辐射能全部落到另一块板上。）
4q??Tq??T2f2; 1; 解：由题意 1f4两板的换热量为 q??(T1?T2)
1-18 宇宙空间可近似地看成为0K的真空空间。一航天器在太空中飞行，其外表面平均温度为250℃，表面发射率为0.7，试计算航天器单位表面上的换热量。
解：q???T=0.7?5.67?10W/(m.K)?250?155W/m
1-19 在1-14题目中，如果把芯片及底板置于一个封闭的机壳内，机壳的平均温度为20℃，芯片的表面黑度为0.9，其余条件不变，试确定芯片的最大允许功率。
2444?8244?844???A?T?T＝0.9?5.67?10[(85?273)?(20?273)]?0.00014 12解：辐射?44? P?对流＋?辐射＝1.657W
1-20 半径为0.5 m的球状航天器在太空中飞行，其表面发射率为0.8。航天器内电子元件的散热总共为175W。假设航天器没有从宇宙空间接受任何辐射能量，试估算其表面的平均温度。
4Q???T解：电子原件的发热量＝航天器的辐射散热量即：
??A
=187K 热阻分析
21-21 有一台气体冷却器，气侧表面传热系数h1＝95W/(m.K)，壁面厚?＝2.5mm，??46.5W/(m.K)水侧
?T?4Q表面传热系数h2?5800W/(m.K)。设传热壁可以看成平壁，试计算各个环节单位面积的热阻及从气到水的总传热系数。你能否指出，为了强化这一传热过程，应首先从哪一环节着手？
2111?0.010526;R2???0.0025?5.376?10?5;R3???1.724?10?4;h1h25800?46.5解：
1K?11???h1h2?＝94.7W/(m2.K)，应强化气体侧表面传热。 则
W/(m.K);水侧结了一层厚为1mm的水垢1-22 在上题中，如果气侧结了一层厚为2mm的灰，??0.116??1.15W/(m.K)。其他条件不变。试问此时的总传热系数为多少？
R1?解：由题意得
K?11?1?2?31????h1?1?2?3h22?110.0020.00250.0011????950.11646.51.155800
＝34.6W/(m.K)
1-23 在锅炉炉膛的水冷壁管子中有沸腾水流过，以吸收管外的火焰及烟气辐射给管壁的热量。试针对下列三种情况，画出从烟气到水的传热过程的温度分布曲线： （1） 管子内外均干净；
（2） 管内结水垢，但沸腾水温与烟气温度保持不变；
（3） 管内结水垢，管外结灰垢，沸腾水温及锅炉的产气率不变。 解：
4