传热学复习题及其答案（Ⅰ部分）
一、 概念题
1、试分析室内暖气片的散热过程，各个环节有哪些热量传递方式？以暖气片管内走热水为例。
答：有以下换热环节及传热方式：
（1） 由热水到暖气片管道内壁，热传递方式为强制对流换热； （2） 由暖气片管道内壁到外壁，热传递方式为固体导热；
（3） 由暖气片管道外壁到室内空气，热传递方式有自然对流换热和辐射换热。 2、试分析冬季建筑室内空气与室外空气通过墙壁的换热过程，各个环节有哪些热量传递方式？
答：有以下换热环节及传热方式：
（1） 室内空气到墙体内壁，热传递方式为自然对流换热和辐射换热； （2） 墙的内壁到外壁，热传递方式为固体导热；
（3） 墙的外壁到室外空气，热传递方式有对流换热和辐射换热。 3、何谓非稳态导热的正规阶段？写出其主要特点。 答：物体在加热或冷却过程中，物体内各处温度随时间的变化率具有一定的规律，物体初始温度分布的影响逐渐消失，这个阶段称为非稳态导热的正规阶段。 4、分别写出Nu、Re、Pr、Bi数的表达式，并说明其物理意义。 答：（1）努塞尔(Nusselt)数，Nu?hl?，它表示表面上无量纲温度梯度的大小。
（2）雷诺(Reynolds)数，Re?（3）普朗特数，Pr?（4）毕渥数，Bi?u?l?，它表示惯性力和粘性力的相对大小。
?a，它表示动量扩散厚度和能量扩散厚度的相对大小。
hl?，它表示导热体内部热阻与外部热阻的相对大小。
5、竖壁倾斜后其凝结换热表面传热系数是增加还是减小？为什么？。
答：竖壁倾斜后，使液膜顺壁面流动的力不再是重力而是重力的一部分，液膜流 动变慢，从而热阻增加，表面传热系数减小。另外，从表面传热系数公式知，公
?gr?l2?l3?hx???4?(t?t)x?lsw?1/4式中的g亦要换成gsin?，从而h减小。
6、按照导热机理，水的气、液、固三种状态中那种状态的导热系数最大？ 答：根据导热机理可知，固体导热系数大于液体导热系数；液体导热系数大于气体导热系数。所以水的气、液、固三种状态的导热系数依次增大。
7、热扩散系数是表征什么的物理量？它与导热系数的区别是什么？ 答：热扩散率 a?? ，与导热系数一样都是物性参数，它是表征物体传递温度?c的能力大小，亦称为导温系数，热扩散率取决于导热系数? 和?c 的综合影响；而导热系数是反映物体的导热能力大小的物性参数。一般情况下，稳态导热的温度分布取决于物体的导热系数，但非稳态导热的温度分布不仅取决于物体的导热系数，还取决于物体的导温系数。
8、集总参数法的适用条件是什么？满足集总参数法的物体，其内部温度分布有何特点？
答：集总参数法的适用条件是Bi<0.1，应用于物体的导热系数相当大，或者几何尺寸很小，或表面传热系数极低；其特点是当物体内部导热热阻远小于外部对流换热热阻时，物体内部在同一时刻均处于同一温度，物体内部的温度仅是时间的函数，而与位置无关。
9、灰体的含义？
答：灰体是指物体单色辐射力与同温度黑体单色辐射力随波长的变化曲线相似，或它的单色发射率不随波长变化的物体；或单色吸收比与波长无关的物体，即单色吸收比为常数的物体。
10、漫射表面？ 答：通常把服从兰贝特定律的表面称为漫射表面，即该表面的定向辐射强度与方向无关。或物体发射的辐射强度与方向无关的性质叫漫辐射，具有这样性质的表面称为漫射表面。
11、气体的热边界层与流动边界层的相对大小？ 答：由于?/?t?Pr1/3，对于气体来说Pr?0.7，所以气体的热边界层的厚度大于
流动边界层的厚度。
12、沸腾换热的临界热流密度的含义是什么？
答：在泡态沸腾阶段时，液体温度与壁面温度之差?t若进一步增大，汽泡在表面上生成、长大，随后引因浮力作用而离开表面。沸腾的液体主体温度这时有一定的过热度，故汽泡通过液体层时还会继续被加热、膨胀，直到逸出液面，由于气泡的大量迅速生成和它的剧烈运动，换热强度剧增，热流密度随?t的提高而急剧增大，直到达到热流密度的峰值，此时的热流密度称为临界热流密度。当?t进一步增大时，热流密度又开始下降。
13、影响强制对流换热的表面换热系数的因素有哪些？
答：影响强制对流换热的表面换热系数的因素有流态、流体的物性、换热表面的几何因素等，用函数表示为h?f(u,tw,tf,?,cp,?,?,?,l)。
14、；利用同一冰箱储存相同的物质时，试问结霜的冰箱耗电量大还是未结霜冰箱耗电量大？为什么？
答：在其它条件相同时，冰箱的结霜相当于在冰箱的蒸发器和冰箱的冷冻室（或冷藏室）之间增加了一个附加的热阻，因此，冷冻室（或冷藏室）要达到相同的温度，必须要求蒸发器处于更低的温度。所以，结霜的冰箱的耗电量要大。
16、圆管临界热绝缘直径与哪些因素有关？ 答：圆管临界热绝缘直径dc?2?ins，根据公式加以分析（略）。 h217、为什么珠状凝结表面换热系数比膜状凝结表面换热系数大？
答：膜状凝结换热时沿整个壁面形成一层液膜，并且在重力的作用下流动，凝结放出的汽化潜热必须通过液膜，因此，液膜厚度直接影响了热量传递。
珠状凝结换热时，凝结液体不能很好的浸润壁面，仅在壁面上形成许多小液珠，此时壁面的部分表面与蒸汽直接接触，因此，换热速率远大于膜状凝结换热。
18、不凝结气体对表面凝结换热强弱有何影响？
答：不凝结气体的存在，一方面使凝结表面附近蒸汽的分压力降低，从而蒸汽饱和温度降低，使得传热驱动力即温差(ts?tw)减小；另一方面，凝结蒸汽穿过不凝结气体层到达壁面依靠的是扩散，从而增加了阻力。因此，上述两方面原因导致凝结换热时的表面传热系数降低。
19、空气横掠垂直管束时，沿流动方向管排数越多，换热越强，而蒸汽在水平管束外凝结时，沿液膜流动方向管排数越多，换热强度降低，为什么？
答：空气横掠垂直管束时，沿流动方向管排数越多，气流扰动越强，换热越强，而蒸汽在水平管束外凝结时，沿液膜流动方向管排数越多，凝结液膜越厚，凝结换热热阻越大，换热强度降低。
20、写出时间常数的表达式，时间常数是从什么导热问题中定义出来的？它与哪些因素有关？
?cV答：时间常数的表达式为?c?，是从非稳态导热问题中定义出来的，它不
hA仅取决于几何V/A参数和物性参数?c，还取决于换热条件h。
21、什么是物体表面的发射率？它与哪些因素有关？ 答：实际物体的辐射力与同温度下黑体辐射力之比称为该物体的发射率，物体的发射率只取决于物体的表面特性（物体的种类、表面状况和温度），而与外界条件无关。
22、什么是物体表面的吸收比（率）？它与哪些因素有关？ 答：物体对投入辐射所吸收的百分数称为该物体的吸收比（率），物体的吸收比（率）只取决于物体的表面特性（物体的种类、表面状况和温度），对于全波长的特性还与投射能量的波长分布有关关。
23、何谓遮热板（罩）？
答：插入两个辐射换热表面之间的用于削弱两个表面之间辐射换热的薄板或罩。
24、黑体辐射包括哪几个定律？
答：普朗克定律、维恩位移定律、斯蒂芬－玻尔兹曼定律、兰贝特定律。
25、其它条件相同时，同一根管子横向冲刷与纵向冲刷相比，哪个的表面换热系数大？为什么？ 答：同一根管子横向冲刷比纵向冲刷相比的表面换热系数大。因为纵向冲刷时相当于外掠平板的流动，热边界层较厚，热阻较大；而横向冲刷时热边界层较薄且在边界层由于分离而产生的旋涡，增加了流体扰动，因而换热增强。
26、下列三种关联式描述的是那种对流换热？Nu?f(Re,Pr,Gr)，
Nu?f(Re,Pr)，Nu?f(Pr,Gr)
答：Nu?f(Re,Pr,Gr)描述的是无相变的强迫对流换热，且自然对流不可忽略；
Nu?f(Re,Pr)描述的是自然对流可忽略的无相变的强迫对流换热；Nu?f(Pr,Gr)描述的是自然对流换热。
27、写出辐射换热中两表面间的平均角系数的表达式，并说明其物理意义。 答：平均角系数X1,2=
1A1cos?1cos?2dA1dA2 ，它表示A1表面发射出的辐射能中直接2???rA1A2落到另一表面A2上的百分数。或者它表示离开A1表面的辐射能中直接落到另一表面A2上的百分数。
28、表面辐射热阻
答：当物体表面不是黑体时，该表面不能全部吸收外来投射的辐射能量，这相当
1??于表面存在热阻，该热阻称为表面辐射热阻，常以表示。
A?
29、有效辐射
答：单位时间内离开单位面积的总辐射能为该表面的有效辐射J，它包括辐射表面的自身的辐射E和该表面对投射辐射G的反射辐射?G，即J?E??G。
30、换热器的污垢热阻 答：换热设备运行一段时间以后，在管壁产生污垢层，由于污垢的导热系数较小，热阻不可以忽略，这种由于污垢生成的产生的热阻称为污垢热阻。
31、在寒冷的北方地区，建房用砖采用实心砖还是多孔的空心砖好？为什么？ 答：采用空心砖较好，因为空心砖内部充满着空气，而空气的导热系数相对较小，热阻较大，空心砖导热性较之实心砖差，同一条件下空心砖的房间的散热量小保温性好。
32、下列材料中导热系数最大的是 （ 纯铜 ）
(a) 纯铜 (b)纯铁 (c)黄铜 (d)天然金刚石
33、什么是雷诺类比律（写出表达式）？它的应用条件是什么？答：雷诺类比率：
St?Cf/2，条件：Pr=1，
34、下列工质的普朗特数最小的是 （液态金属）
(a)水 (b) 空气 (c)液态金属 (d)变压器油
35、为什么多层平壁中的温度分布曲线不是一条连续的直线而是一条折线？
36、对管壳式换热器来说，两种工质在下列哪种情况下，何种工质走管内，何种工质走管外？
(1) 清洁的和不清洁的工质(2)腐蚀性大与小的工质(3)高温与低温的工质 (2) 答：（1）不清洁流体应在管内，因为壳侧清洗比较困难，而管内可以拆开端盖进行清洗；（2）腐蚀性大的流体走管内，因为更换管束的代价比更换壳体要低，且如将腐蚀性大的流体走壳程，被腐蚀的不仅是壳体，还有管子外侧。 （3）温度低的流体置于壳侧，这样可以减小换热器的散热损失。
37、北方深秋季节的清晨，树叶叶面上常常结霜。试问树叶上、下表面的哪一面上容易结霜？为什么？
答：霜会容易结在树叶的上表面，因为树叶上表面朝向太空，而太空表面的温度会低于摄氏零度；下表面朝向地面，而地球表面的温度一般在零度以上。相对于下表面来说，树叶上表面向外辐射热量较多，温度下降的快，一旦低于零度时便会结霜。
38、什么是物体的发射率和吸收率？二者在什么条件下相等？
答：实际物体的辐射力与同温度下黑体的辐射力之比称为该物体的发射率；投射到物体表面的总能量中被吸收的能量所占的份额是物体的吸收率。由基尔霍夫定律可知：当物体表面为漫灰表面时，二者相等。
39、窗玻璃对红外线几乎是不透过的，但为什么隔着玻璃晒太阳却使人感到暖和？
答：窗玻璃对红外线几乎不透过，但对可见光则是可透过的，当隔着玻璃晒太阳时，太阳光可以穿过玻璃进入室内，而室内物体发出的红外线却被阻隔在室内，因房间内温度越来越高，从而感到暖和。 40、对流换热过程微分方程式与导热过程的第三类边界条件表达式有什么不同之处？ 答：对流换热过程微分方程式与导热过程的第三类边界条件表达式都可以用下式表示hx????t??? ，但是，前者的导热系数?为流体的导热系数，而??(tw?tf)x??y?w,x?且表面传热系数h是未知的；后者的导热系数?为固体的导热系数，而且表面传热系数h是已知的。
41、写出竖平壁上膜状凝结的冷凝雷诺数的表达式。 答：冷凝雷诺数：Rec?4hl?ts?tw?4?um?4Mhl?ts?tw?, 或者Rec?，其中M? ??r??r
42、为什么用电加热时容易发生电热管壁被烧毁的现象？而采用蒸汽加热时则不会？
答：用电加热时，加热方式属于表面热流密度可控制的，而采用蒸汽加热时则属于壁面温度可控制的情形。由大容器饱和沸腾曲线可知，当热流密度一旦超过临界热流密度时，工况就有可能很快跳至稳定的膜态沸腾，使得表面温度快速上升，当超过壁面得烧毁温度时，就会导致设备的烧毁；采用蒸汽加热由于壁面温度可控制，就容易控制壁面的温升，避免设备壁面温度过度升高，使其温度始终低于设备的烧毁温度。 43、用热电偶监测气流温度随时间变化规律时，应如何选择热电偶节点的大小？
答：在其它条件相同时，热电偶节点越大，它的温度变化一定幅度所需要吸收（或放出）的热量越多，此时虽然节点换热表面积也有所增大，但其增大的幅度小于体积增大的幅度。故综合地讲，节点大的热电偶在相同的时间内吸收热量所产生
?cV的温升要小一些。由?c?定义知，V/A?f(r)，r为节点的半径，显然，节
hA点半径越小，时间常数越小，热电偶的相应速度越快。
44、由导热微分方程可知，非稳态导热只与热扩散率有关，而与导热系数无关。你认为对吗？
答：由于描述一个导热问题的完整数学表达，不仅包括控制方程，还包括定解条件。虽然非稳态导热控制方程只与热扩散率有关，但边界条件中却有可能包括导热系数。因此，上述观点不正确。
45、由对流换微分方程h????t?t?y可知，该式中没有出现流速，有人因此认为
表面传热系数与流体速度场无关。你认为对吗？
答：这种说法不正确，因为在描述流动的能量方程中，对流项含有流体速度，要获得流体的温度场，必须先获得流体的速度场，在对流换热中流动与换热是密不可分的。因此，对流换热的表面传热系数与流体速度有关。
46、什么是等温线？在连续的温度场中，等温线的特点是什么？
47.大平壁在等温介质中冷却的冷却率与哪些因素有关
48、何谓集总参数法？其应用的条件是什么？应怎样选择定型尺寸？ 答：集总参数法是忽略物体内部导热热阻的简化分析方法。应用于物体的导热系数相当大，或者几何尺寸很小，或表面传热系数极低。集总参数法的适用条件是对于平板Bi<0.1，对于圆柱Bi<0.05，对于球Bi<0.033。
49、写出计算一维等截面直肋散热量的公式。
50、简述遮热罩削弱辐射换热的基本思想。
51、判定两个物理现象相似的条件是什么？
1.同名的以定特征数相等；2.单值性条件相似
52、试述强化管内流体对流换热采用的方法，并简述理由。
54、影响膜状凝结换热的主要热阻是什么？
55、大空间饱和沸腾有哪三种状态？什么是沸腾换热的临界热负荷？
答：核态沸腾、过渡沸腾、稳定膜态沸腾。由大容器饱和沸腾曲线可知，当热流密度一旦超过临界热流密度时，工况就有可能很快跳至稳定的膜态沸腾，使得表面温度快速上升，当超过壁面得烧毁温度时，就会导致设备的烧毁，这个临界热
负荷为沸腾换热的临界热负荷。
56、写出傅立叶定律的数学表达式，并解释其物理意义。
57、简要说明太阳能集热器采用的选择性表面应具备的性质和作用原理。
58、试用传热学理论解释热水瓶的保温原理。
59、无内热源，常物性二维导热物体在某一瞬时的温度分布为t＝2ycosx。试说明该导热物体在x＝0，y=1
处的温度是随时间增加逐渐升高，还是逐渐降低。
2
答：由导热控制方程，得：
当时，
，故该点温度随时间增加而升高。
60、工程中应用多孔性材料作保温隔热,使用时应注意什么问题?为什么?
答：应注意防潮。保温材料的一个共同特点是它们经常呈多孔状，或者具有纤维结构，其中的热量传递是导热、对流换热、热辐射三种传热机理联合作用的综合过程。如果保温材料受潮，水分将替代孔隙中的空气，这样不仅水分的导热系数高于空气，而且对流换热强度大幅度增加，这样材料保温性能会急剧下降。
61、用套管温度计测量容器内的流体温度，为了减小测温误差，套管材料选用铜还是不锈钢?
答：由于套管温度计的套管可以视为一维等截面直助，要减小测温误差(即使套管顶部温度tH尽量接近流体温度tf)，应尽量减小沿套管长度流向容器壁面的热量，即增大该方向的热阻。所以，从套管树料上说应采用导热系数更小的不锈钢。
62、两种几何尺寸完全相同的等截面直肋，在完全相同的对流环境(即表面传热系数和流体温皮均相同)
下，沿肋高方向温度分布曲线如图所示。请判断两种材料导热系数的大小和肋效率的高低?
答：对一维肋片，导热系数越高时，沿肋高方向热阻越小，因而沿肋高方向的温度变化(降落或上升)越小。因此曲线1对应的是导热系数大的材料．曲线2对应导热系数小的材料。而且，由肋效率的定义知，曲线1的肋效率高于曲线2。
63、一维无内热源、平壁稳态导热的温度场如图所示。试说明它的导热系数λ
是随温度增加而减小?
是随温度增加而增加，还
答:由傅立叶里叶定律，
图中随x增加而减小，因而随2增加x而增加，而温度t随x增加而降低，所以导热系数随温
度增加而减小。
64、夏季在维持20℃的室内工作，穿单衣感到舒适，而冬季在保持22℃的室内工作时，却必须穿绒衣才
觉得舒服。试从传热的观点分析原因。
答：首先，冬季和夏季的最大区别是室外温度的不同。夏季室外温度比室内气温高，因此通过墙壁的热量传递方向是出室外传向室内。而冬季室外气温比室内低，通过墙壁的热量传递方向是由室内传向室外。因此冬季和夏季墙壁内表面温度不同，夏季高而冬季低。因此，尽管冬季室内温度(22℃)比夏季略高(20℃)，但人体在冬季通过辐射与墙壁的散热比夏季高很多。根据上题人体对冷感的感受主要是散热量的原理，在冬季散热量大，因此要穿厚一些的绒衣。
65、冬天，经过在白天太阳底下晒过的棉被，晚上盖起来感到很暖和，并且经过拍打以后，效果更加明
显。试解释原因。
答：棉被经过晾晒以后，可使棉花的空隙里进人更多的空气。而空气在狭小的棉絮空间里的热量传递方式主要是导热，由于空气的导热系数较小(20℃，1.01325×10Pa时，空气导热系数为0.0259W/(m·K)，具有良好的保温性能。而经过拍打的棉被可以让更多的空气进入，因而效果更明显。
5
66、由对流换热微分方程
知，该式中没有出现流速，有人因此得出结论：表面传
热系数h与流体速度场无关。试判断这种说法的正确性?
答：这种说法不正确，因为在描述流动的能量微分方程中，对流项含有流体速度，即要获得流体的温度场，必须先获得其速度场，“流动与换热密不可分”。因此表面传热系数必与流体速度场有关。
67、在流体温度边界层中，何处温度梯度的绝对值最大?为什么?有人说对一定表面传热温差的同种流体，
可以用贴壁处温度梯度绝对值的大小来判断表面传热系数h的大小，你认为对吗?
答：在温度边界层中，贴壁处流体温度梯度的绝对值最大，因为壁面与流体间的热量交换都要通过贴壁处
不动的薄流体层，因而这里换热最剧烈。由对流换热微分方程，对一定表面传热温
差的同种流体λ与△t均保持为常数，因而可用
绝对值的大小来判断表面传热系数h的大小。
68、简述边界层理论的基本论点。
答：边界层厚度δ、δt与壁的尺寸l相比是极小值； 边界层内壁面速度梯度及温度梯度最大；
边界层流动状态分为层流与紊流,而紊流边界层内,紧贴壁面处仍将是层流,称为层流底层；
流场可以划分为两个区：边界层区（粘滞力起作用）和主流区，温度同样场可以划分为两个区：边界层区（存在温差）和主流区（等温区域）；
对流换热热阻主要集中在热边界层区域的导热热阻。层流边界层的热阻为整个边界层的导热热阻。紊流边界层的热阻为层流底层的导热热阻
69、有若干个同类物理现象,怎样才能说明其单值性条件相似。试设想用什么方法对以实现物体表面温度
恒定、表面热流量恒定的边界条件?
答：所谓单值条件是指包含在准则中的各已知物理量，即影响过程特点的那些条件──时间条件、物理条件、边界条件。所谓单值性条件相似,首先是时间条件相似(稳态过程不存在此条件)。然后,几何条件、边界条件及物理条件要分别成比例。采用饱和蒸汽（或饱和液体）加热（或冷却）可实现物体表面温度恒定的边界条件，而采用电加热可实现表面热流量恒定的边界条件。
70、对皆内强制对流换热，为何采用短管和弯管可以强化流体的换热?
答：采用短管，主要是利用流体在管内换热处于入口段温度边界层较薄，因而换热强的特点，即所谓的“入口效应”，从而强化换热。而对于弯管，流体流经弯管时，由于离心力作用，在横截面上产生二次环流，增加了扰动，从而强化了换热。
71、在地球表面某实验室内设计的自然对流换热实验，到太空中是否仍然有效，为什么？
答：该实验到太空中无法得到地面上的实验结果。因为自然对流是由流体内部的温度差从而引起密度差并在重力的作用下引起的。在太空中实验装置格处于失重状态，因而无法形成自然对流，所以无法得到顶期的实验结果。
72、在对流温度差大小相同的条件下,在夏季和冬季,屋顶天花板内表面的对流放热系数是否相同?为什么?
答：在夏季和冬季两种情况下,虽然它们的对流温差相同,但它们的内表面的对流放热系数却不一定相等。原因:在夏季tf＜tw,在冬季tf＞tw,即在夏季,温度较高的水平壁面在上,温度较低的空气在下,自然对流不易产生,因此放热系数较低.反之,在冬季,温度较低的水平壁面在上,而温度较高的空气在下,自然对流运动较强烈,因此,放热系数较高。
73、试述沸腾换热过程中热量传递的途径。
答：半径R≥Rmin的汽泡在核心处形成之后,随着进一步地的加热,它的体积将不断增大,此时的热量是以导热方式输入, 其途径一是由汽泡周围的过热液体通过汽液界面输入, 另一是直接由汽泡下面的汽固界面输入,由于液体的导热系数远大于蒸汽,故热量传递的主要途径为前者。 当汽泡离开壁面升入液体后,周围过热液体继续对它进行加热,直到逸出液面,进入蒸汽空间。
74、两滴完全相同的水滴在大气压下分别滴在表面温度为120℃和400℃的铁板上，试问滴在哪块板上的
水滴先被烧干，为什么?
答：在大气压下发生沸腾换热时，上述两水滴的过热度分别是℃和℃，由
大容器饱和沸腾曲线，前者表面发生的是核态沸腾，后者发生膜态沸腾。虽然前者传热温差小，但其表面传热系数大，从而表面热流反而大于后者。所以水滴滴在120℃的铁板上先被烧干。
75、有—台放置于室外的冷库，从减小冷库冷量损失的角度出发，冷库外壳颜色应涂成深色还是浅色?
答：要减少冷库冷损，须尽可能少地吸收外界热量，而尽可能多地向外释放热量。因此冷库败取较浅的颜色，从而使吸收的可见光能量较少，而向外发射的红外线较多。
76、何谓“漫─灰表面”?有何实际意义?
答：“漫─灰表面”是研究实际物体表面时建立的理想体模型.漫辐射、漫反射指物体表面在辐射、反射时各方向相同. 灰表面是指在同一温度下表面的辐射光谱与黑体辐射光谱相似,吸收率也取定值.“漫─灰表面”的实际意义在于将物体的辐射、反射、吸收等性质理想化,可应用热辐射的基本定律了。大部分工程材料可作为漫辐射表面,并在红外线波长范围内近似看作灰体.从而可将基尔霍夫定律应用于辐射换热计算中。
77、某楼房室内是用白灰粉刷的, 但即使在晴朗的白天, 远眺该楼房的窗口时, 总觉得里面黑洞洞的, 这
是为什么?
答：窗口相对于室内面积来说较小, 当射线(可见光射线等)从窗口进入室内时在室内经过多次反复吸收、反射, 只有极少的可见光射线从窗口反射出来, 由于观察点距离窗口很远, 故从窗口反射出来的可见光到达观察点的份额很小, 因而就很难反射到远眺人的眼里, 所以我们就觉得窗口里面黑洞洞的.
78、黑体表面与重辐射面相比，均有J=E。这是否意味着黑体表面与重辐射面具有相同的性质？
b
答：虽然黑体表面与重辐射面均具有J=Eb的特点，但二者具有不同的性质。黑体表面的温度不依赖于其他参与辐射的表面，相当于源热势。而重辐射面的温度则是浮动的，取决于参与辐射的其他表面。
79、要增强物体间的辐射换热，有人提出用发射率ε
大的材料。而根据基尔霍夫定律，对漫灰表面ε＝
α，即发射率大的物体同时其吸收率也大。有人因此得出结论：用增大发射率ε的方法无法增强辐射换热。
请判断这种说法的正确性，并说明理由。
答：在其他条件不变时，由物体的表面热阻以增强辐射换热。因此，上述说法不正确。
可知，当ε越大时，物体的表面辐射热阻越小，因而可
80、对壳管式换热器来说，两种流体在下列情况下，何种走管内，何种走管外？
(1)清洁与不清洁的；(2)腐蚀性大与小的；(3)温度高与低的；(4)压力大与小的；(5)流量大与小的；(6)粘度大与小的。
答：(1)不清洁流体应在管内，因为壳侧清洗比较困难，而管内可定期折开端盖清洗；(2)腐蚀性大的流体走管内，因为更换管束的代价比更换壳体要低，且如将腐蚀性强的流体置于壳侧，被腐蚀的不仅是壳体，还有管子；(3)温度低的流体置于壳侧，这样可以减小换热器散热损失；(4)压力大的流体置于管内，因为管侧耐压高，且低压流体置于壳侧时有利于减小阻力损；(5)流量大的流体放在管外，横向冲刷管束可使表面传热系数增加；(6)粘度大的流体放在管外，可使管外侧表面传热系数增加。
二、计算题
（一）计算题解题方略
1、稳态导热问题
（1）截面直肋肋片的传热量和肋端温度的求解。
（2）单层及多层平壁在第三类边界条件下导热问题的计算，
（3）单层及多层圆筒壁在第三类边界条件下导热每米供热管道的散热损失。
2、非稳态导热问题
（1）集总参数法求解任意形状物体（如热电偶）的瞬态冷却或加热问题。 （2）公式法或诺谟图法求解任意形状物体（如热电偶或平板）的瞬态冷却或加热问题。
3、对流换热问题
（1）外掠平板或管内强制对流换热问题在不同流态下的换热分析及计算。 （2）横掠单管或管束的自然或强制对流换热问题的计算。
4、辐射换热问题 （1）两个和三个非凹面组成的封闭腔体，各个表面之间的辐射换热问题的计算，（2）两个平行平板之间的辐射换热问题的计算。
5、注意事项
（1） 对流换热问题中，当流体为气流时，有时需要同时考虑对流和辐射换热； （2） 对于长直的园管换热问题，往往要计算单位管长的换热量；
（3） 对于管内强迫对流换热问题，应注意层流和紊流时的实验关联式的选取，
而且流体定性温度的在不同边界条件下（如常壁温和常热流边界条件）确
定方法有两种：算数平均法和对数平均法。 （4） 注意多个非凹面组成的封闭腔体，各个表面之间的辐射换热问题的计算中
的某个表面的净辐射热量与任意两个表面之间的辐射换热量的区别与联系。
（二）计算题例题
1、室内一根水平放置的无限长的蒸汽管道， 其保温层外径d=583 mm，外表面实测平均温度及空气温度分别为 ? ? , t f ? 23 ? C ，此时空气与管道外tw48C表面间的自然对流换热的表面传热系数h=3.42 W /(m2 K), 墙壁的温度近似取为室内空气的温度，保温层外表面的发射率 ??0.9问：（1） 此管道外壁的换热必须考虑哪些热量传递方式； （2）计算每米长度管道外壁的总散热量。(12分) 解：
（1）此管道外壁的换热有辐射换热和自然对流换热两种方式。 （2）把管道每米长度上的散热量记为q
l当仅考虑自然对流时，单位长度上的自然对流散热
ql,c??d?h?t??dh(tw?tf) ?3.14?0.583?3.42?(48?23)
?156.5(W/m)
近似地取墙壁的温度为室内空气温度，于是每米长度管道外表面与室内物体及墙壁之间的辐射为：
?3.14?0.583?5.67?10?8?0.9?[(48?273)4?(23?273)4]ql,r??d??(T14?T24)?274.7(W/m)
总的散热量为ql?ql,c?ql,r?156.5?274.7?431.2(W/m)
2、如图所示的墙壁，其导热系数为50W/(m·K),厚度为50mm，在稳态情况下的墙壁内的一维温度分布为：t=200-2000x2，式中t的单位为0C，x单位为m。试求： t (1)墙壁两侧表面的热流密度；
??50mm t?200?2000x2(2)墙壁内单位体积的内热源生成的热量。
解：(1)由傅立叶定律：
q?所以
Φdt?W???? ?2????(?4000x)?4000?xAdx?m?
?W?qx???4000?50?0.05?10000 ?2??m?
d2tqv(3)由导热微分方程2??0得：
dx??W?qx?0?4000??0?0 ?2??m?
d2tqv???2???(?4000)?4000?50?200000W/m3
dx
3、一根直径为1mm的铜导线，每米的电阻为2.22?10?3?。导线外包有厚度为0.5mm，导热系数为0.15W/(m·K)的绝缘层。限定绝缘层的最高温度为650C，绝缘层的外表面温度受环境影响，假设为400C。试确定该导线的最大允许电流为多少？
解：(1)以长度为L的导线为例，导线通电后生成的热量为I2RL,其中的一部分
d2dTmL热量用于导线的升温，其热量为?E??c?：一部分热量通过绝热层的4d?导热传到大气中，其热量为：??tw1?tw2。 d21ln2??Ld1根据能量守恒定律知：I2RL????E??E?I2RL??
t?td2dTm即?E??c?L?I2RL?w1w2
d14d?ln22??Ld1(2)当导线达到最高温度时，导线处于稳态导热，
dTmt?t?0?0?I2RL?w1w2
d1d?ln22??Ld1I2R?tw1?tw265?40?33.98(W/m)，?0，
12d1lnln22??0.1512??d1I2R?33.98?I?33.9833.98??123.7(A) R2.22?10?3
4、250C的热电偶被置于温度为2500C的气流中，设热电偶节点可以近似看成球形，要使其时间常数?c?1s，问热节点的直径为多大？忽略热电偶引线的影响，且热节点与气流间的表面传热系数为h=300W /(m2 K)，热节点材料的物性参数为：导热系数为20W/(m·K)，??8500kg/m3，c?400J/(kg?K)如果气流与热节点间存在着辐射换热，且保持热电偶时间常数不变，则对所需热节点直径大小有和影响？
V4?R3/3R?ch?5解：（1）?c?,????1?300/(8500?400)?8.82?10(m) 2hAA3?c4?R?cV故热电偶直径：d?2R?2?3?8.82?10?5?0.529(mm) 验证毕渥数Bi是否满足集总参数法：
Bi?hV/A?300?8.82?10?5??0.0013?0.1 满足集总参数法条件。
20(2)若热节点与气流间存在辐射换热，则总的表面传热系数h（包括对流和辐
?cV射）将增加，由?c?知，要保持?c不变，可以使V/A增加，即热节点的直
hA径增加。
5、空气以10m/s速度外掠0.8m长的平板，tf?800C,tw?300C，计算该平板在临界雷诺数Rec下的hc、全板平均表面传热系数以及换热量。（层流时平板表
1/21/3面局部努塞尔数Nux?0.33R2ePr，紊流时平板表面局部努塞尔数4/51/3，板宽为1m，已知Rec?5?105，定性温度tm?550C时的Nux?0.029R6ePr?62物性参数为：??2.87?10?2W/(m?K)，??18.46?10m/s，Pr?0.697）
解：(1)根据临界雷诺数求解由层流转变到紊流时的临界长度
1tm?(tf?tw)?550C,此时空气得物性参数为：
2??2.87?10?2W/(m?K)，??18.46?10?6m2/s，Pr?0.697
Rec?ul??Xc?Rec?u5?105?18.46?10?6??0.92(m)
10由于板长是0.8m，所以，整个平板表面的边界层的流态皆为层流
hl1/21/3Nux??0.332RePr??hc?0.332Rl?1/2ecP1/3r2.87?10?2?0.332?(5?105)1/2?0.6971/3?7.41(W/m2?C)
0.8(2)板长为0.8m时，整个平板表面的边界层的雷诺数为：
ul10?0.8Re???4.33?105 ?6?18.46?10全板平均表面传热系数:
h?0.664Rl?1/2ecP1/3r2.87?10?2?0.664?(4.33?105)1/2?0.6971/3?13.9(W/m2?C)
0.8全板平均表面换热量??hA(tf?tw)?13.9?0.8?1?(80?30)?557.9W
6、一厚度为2δ
的无限大平壁，导热系数λ为常量，壁内具有均匀的内热源Φ(单位为W/m)，边界条件为
3
x＝0，t=tw1；x=2δ，t=tw2；tw1＞tw2。试求平壁内的稳态温度分布t(x)及最高温度的位置xtmax，并画出温度分布的示意图。 解建立数学描述如下：
，
，
，
，
据
温度分布的示意图见图。
可得最高温度的位置xtmax，即
。
7、金属实心长棒通电加热,单位长度的热功率等于Φl(单位是W/m)，材料的导热系数λ
数学描述。
，表面发射率ε、
周围气体温度为tf，辐射环境温度为Tsur，表面传热系数h均已知，棒的初始温度为t0。试给出此导热问题的
解：此导热问题的数学描述
8、热处理工艺中，常用银球来测定淬火介质的冷却能力。今有两个直径均为20mm的银球，加热到650℃后
分别置于20℃的静止水和20℃的循环水容器中。当两个银球中心温度均由650℃变化到450℃时，用热电偶分别测得两种情况下的降温速率分别为180℃／s及360℃／s。在上述温度范围内银的物性参数ρ＝10 500 kg／m，c＝2．62×10J／(kg·K)，
3
2
＝360w／(m·K)。试求两种情况下银球与水之间的表面传热系数。
解：本题表面传热系数未知，即Bi数为未知参数，所以无法判断是否满足集总参数法条件。为此．先假定满足集总参数法条件，然后验算。
(1)对静止水情形，由
且，，
故：验算Bi数：
满足集总参数条件。
(2)对循环水情形，同理，
验算
，不满足集总参数法条件。改用诺谟图。
此时，，
。
查图得
，
故：
9、初始温度为300℃，直径为12cm，高为12cm的短钢柱体，被置于温度为30℃的大油槽中，其全部表面均
可受到油的冷却，冷却过程中钢柱体与油的表面传热系数为300w／(m·K)。钢柱体的导热系数(m·K)，热扩散率a=1×10 m/s。试确定5min后钢柱体中的最大温差。
解：本题属二维非稳态导热问题，可采用相应的无限长圆柱体和无限大平板的乘积解求解。显然，圆柱体内最高温度位于柱体中心，最低温度位于柱体的上、下边角处。
-5
2
2
＝48W／
对无限长圆柱：，
查教材附录2图l，得：，由附录2图2，得：
，
其中表示
表面过于温度。
所以：
对无限大平板：
由教材图3—6得：，由教材图3—7得：
所以
所以短圆柱中的最低温度：
℃
即：
短圆柱中最高温度：
℃
故5min后钢柱体中最大温差：
℃
10、温度为50℃，压力为1.01325×10Pa的空气，平行掠过一块表面温度为100℃的平板上表面，平板下
表面绝热。平板沿流动方向长度为0.2m，宽度为0.1m。按平板长度计算的Re数为4×l0。试确定： (1)平板表面与空气间的表面传热系数和传热量；
(2)如果空气流速增加一倍，压力增加到10.1325×10Pa，平板表面与空气的表面传热系数和传热量。 解：本题为空气外掠平板强制对流换热问题。
5
4
5
(1)由于Re＝4×104＜5×105，属层流状态。故：
空气定性温度：
℃
空气的物性参数为
，Pr=0.70
故：
W/（m.K）
2
散热量
W
(2)若流速增加一倍，，压力，则，
，
而：，故：
，属湍流。
所以：
据教材式(5—42b)
=961
W/（m·K）
2
散热量：
W
11、用热线风速仪测定气流速度的试验中．将直径为0.1mm的电热丝与来流方向垂直放置，来流温度为25℃，
电热丝温度为55℃，测得电加热功率为20W／m。假定除对流外其他热损失可忽略不计。试确定此时的来流速度。
解本题为空气外掠圆柱体强制对流换热问题。
＝20 W/m，由牛顿冷却公式
由题意，
2
W/（m·K）
定性温度：
℃
空气的物性值：，m/s，
2
由此得：
假设Re数之值范围在40-4000，有：
，其中C=0.683，n=0.466
即：
，得Re=233.12符合上述假设范围。
故：
m/s
12、一所平顶屋，屋面材料厚δ
＝0.2m，导热系数λw=0.6W/(m·K)，屋面两侧的材料发射率ε均为0.9。
冬初，室内温度维持tf1＝18℃，室内四周墙壁亦为18℃，且它的面积远大于顶棚面积。天空有效辐射温度为-60℃。室内顶棚表面对流表面传热系数h1＝0.529W/(m·K)，屋顶对流表面传热系数h2=21.1W/(m·K)，问当室外气温降到多少度时，屋面即开始结霜(tw2＝0℃)，此时室内顶棚温度为多少?此题是否可算出复合换热表面传热系数及其传热系数? 解：⑴求室内顶棚温度tw1
稳态时由热平衡，应有如下关系式成立：
室内复合换热量Φ’=导热量Φ=室内复合换热量Φ”
2
2
；
因Φ’=Φ，且结霜时℃，可得：
，即
解得：
⑵求室外气温tf2
℃。
因Φ”=Φ，可得：
，即：
℃
⑶注意到传热方向，可以求出复合换热系数hf1、hf2
依据，得
依据
，得
⑷求传热系数K
13、一蒸汽冷凝器，内侧为t=110℃的干饱和蒸汽，汽化潜热r=2230
s
，外侧为冷却水，进出口水
温分别为30℃和80℃，已知内外侧换热系数分别为104求单位时间冷凝蒸汽量。 解：对数平均温差：
℃，
，及3000，该冷凝器面积A=2m，
2
现为了强化传热在外侧加肋，肋壁面积为原面积的4倍，肋壁总效率η=0.9，若忽略冷凝器本身导热热阻，
℃
℃
传热系数
单位时间冷凝蒸汽量：
14、一台逆流套管式换热器在下列条件下运行，传热系数保持不变，冷流体质流量0.125kg/s，定压比热
为4200J/kg℃，入口温度40℃，出口温度95℃。热流体质流量0.125kg/s，定压比热为2100J/kg℃，入口温度210℃， (1)该换热器最大可能的传热量及效能分别是多少？(2)若冷、热流体侧的对流换热系数及污垢热阻分别为2000W/m℃、0.0004m℃/W、120W/m℃、0.0001m℃/W，且可忽略管壁的导热热阻，试利用对数平均温差法确定该套管式换热器的换热面积。
2
2
2
2
解：（1）确定换热器最大可能的传热量：
确定换热器的效能：
确定热流体出口温度，即：
根据热平衡方程式
℃
确定换热器的面积： 对数平均温差：
℃，
℃
℃
1．热交换器的总传热系数与传热方程：
。
能量守恒方程(不计散热损失)：
该式与一般传热方程的区别在于传热温差是沿程变化的。
2．对数平均温差是在若干简化假设条件下得出的换热器沿程传热温差的积分平均值。对各种不同流动布置形式的换热器有
，ε△t称为温差修正系数。