华电保定专业课考研真题及答案传热学.docx
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华电保定专业课考研真题及答案传热学
华北电力大学2002年硕士研究生入学考试试题
一、简答题（每小题6分，共36分）
1•写出傅立叶导热定律的数学表达式，式中没有出现时间变量，为什么同样可
以分析非稳态导热问题？
（华电，02）
2•在对实际传热问题的分析计算中，采用合理的假设可以使问题得到很大的简
化，请举两个导热问题的例子给以说明（华电，02）。
3•写出基尔霍夫定律的不同数学表达式，并给出其适用的条件（华电，02）。
4•沸腾换热过程的临界热流密度是如何定义的？
对电加热沸腾换热的设备，控制临界热流密度有何意义？
（华电，02）
5•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？
在热水温度一定的情况下，你能提出一些提高暖气片散热量的措施吗？
（华电，02）
6•影响自然对流换热的因素有哪些？
（华电，02）
二、（华电，02）［12分］一个功率为「的电烙铁，其形状可近似看作一个半径很小的短圆柱，初始放在室内，然后瞬间通电加热。
（1）分析并列出加热过程中烙铁温度随时间变化的微分方程式（注明式中符号的名称）；
（2）给出最终稳定后确定烙铁温度的关系式。
三、（华电，02）［15分］在一对流换热的实验中，10C的水以1.6m/s的速度流入内径为28mm、外径为31mm、长1.5m的管子。
管子外表面均匀地绕着电阻带作为加热器，其外还包有保温层。
加热器的总功率为42.05kW，通过保温层的散热损失为2%，试确定：
（1）管子出口处的平均水温；
（2）管子内表面的传热系数；
（3）管子外表面的平均壁温。
［水的物性参数如下：
，=1000kg/m，cp=4.187kJ/kg「C，
'=0.586W/mC，vh.210m/s，Pr=8.57;管材的导热系数为18W/mC;管内对流换热的实验关联式：
层流：
Nu=3.66，紊流：
Nu=0.027Re0.8Pr0.33，不需考虑入口效应］
四、（华电，02）［12分］直径为0.5m的球内表面，被一水平面划分成相等的上、
下两部分，上、下部分的结合处完全绝热。
上半球温度为450K，发射率为
0.8;下半球温度为350K，发射率为0.6。
球面为漫射灰体。
试确定上、下两球表面的辐射换热量？
五、（华电，02）［15分］考察一同心套管式换热器，该换热器的特点是具有均匀的总传热系数，并在下列条件下工作：
质量流量
qm（kg/s）
比热容cpJ/kgK）
进口温度t'C
出口温度t"C
冷流体
0.125「
4200—
40
95
热流体
0.125
2100
210
热流体出口温度,
换热器的效能是多少，
对于最小的尺寸和重量要求，换热器应以顺流式还是逆流式工作？
对于这两种流动条件所需的面积比是多少？
六、（华电，02）[10分]一锅炉省煤器的管子尺寸为外径32mm、壁厚4mm,管材的导热系数为52W/m「C，若烟气侧的总换热系数（包括对流和辐射）为8W/m2C，管内水侧换热系数为5012W/m2C。
试求：
（1）计算省煤器的传热系数K（传热面积以管外表面为基准），
（2）分析管壁热阻及两侧换热热阻对传热系数K的影响，
（3）长时间运行后传热过程会发生什么变化？
华北电力大学2003年硕士研究生入学考试试题
一、选择和填空（每小题5分，共50分）
1.（华电，03）为了强化换热器的换热效果，应主要降低表面传热系数小一（大;小）的一侧的热阻。
2•（华电，03）国家标准规定，凡平均温度不高于350C时导热系数不大于
0.12W/mK的材料称为保温材料。
2
3.（华电，03）若炉膛内的火焰温度在1400C，则炉膛火焰中最大光谱辐射能量所对应的波长约为1.73」m。
8
4.（华电，03）在圆筒壁稳态导热问题中,当内壁温度小于外壁温度时，其壁内温度分布应为下图中的aa;b;c。
2
5.（华电，03）研究对流换热的一种方法是比拟法，它是指通过研究热量传递和动量传递之间的共性,以建立表面传热系数与阻力系数相互关系的方法。
5
6.（华电，03）蒸气与低于饱和温度的壁面接触时有两种不同的凝结方式，它们分别是珠状凝结和膜状凝结。
7
7.（华电，03）—长圆管被置于方形通道的正中间，如本题附图所示，则角系数
nd
X12为—。
9
4a
a
a
r
'42
丿A
8.（华电，03）在常温下下列工质的Pr数最小的是£（a.水；b.空气；c.
水银；d.11号润滑油）。
9.（华电，03）一无内热源的无限大平板中的温度分布可以表示成tnqx2C2XC3的形式，其中C|、C2和C3为已知的常数，导热系数为，。
此时刻在X=0的表面处的热流密度为-C2。
2
10.（华电，03）自然对流换热的格拉晓夫数Gr表示b（a.惯性力与粘性力；
b.浮升力与粘性力；c.浮升力与惯性力）之比的一种度量。
6
二、问答题（每小题10分，共60分）
1.
（华电，03）—个常物性、无内热源的二维非稳态导热问题，在直角坐标系中利用数值方法进行求解，试列出内部节点的显示格式差分方程cxsiyo
qt?
—tl■qt3—tl■qt4—tlnt^—t^dt
y.x.y.x=：
c.：
x.：
y■
x•:
yx.：
yd.
2.（华电，03）利用遮热板可以减少两个辐射表面之间的辐射量。
若保持两侧平板温度不变，所放遮热板的位置对减弱辐射换热量的效果有无影响？
若遮热板两侧的发射率（黑度）不同，正向与反向放置对减弱辐射换热量又有无区别？
遮热板的温度有无区别？
9
答：
设如图所示，
tl
1_I1-^[
1一引1
EuEia
r-S_S_S_S―S_S—r
加遮热板后；丄】-已]iti七!
丄
€lAiAiX\iEjA©AmAiXu別盘*
ts,又因为大小容器介质均为水，则小容器沸腾传热的驱动力过=0,q=h.it=0，贝U小容器中的水不能沸腾。
4.（华电，03）试说明Bi数的物理意义，Bi>0和引》：
：
各代表什么样的换热条件？
有
认为Bi>0代表绝热工况，你是否赞同这一观点，为什么？
3
答：
（1）Bi』，
&
其中，h为表面传热系数，，为物体导热系数，I为物体的特征长度。
Bi数表示物体导热传热热阻与表面换热热阻的比值，即：
Bi”世，
1"几
h
当Bi>0时，即，>:
:
，->0，导热热阻远小于表面换热热阻，丄涂-，
z.z.h
为第三类边界条件；
当Bi—；•匚时，即丄>0=h^■:
，此时表面换热热阻远小于导热热阻，
h
1：
：
：
：
：
：
丄，为第一类边界条件；
h
（2）不赞同，代表绝热工况是不正确的，Bi-；0表示边界热阻相对于内部热
阻较大，边界上有热流；而绝热工况是边界上没有热流。
5.（华电，03）解释螺旋管、短管和小管径管强化传热的原理。
6
答：
管内的传热热阻主要集中在边界层处，螺旋管的作用是增加流体在管内扰动，破坏边界层，减薄边界层厚度，螺旋管内的流体在向前运动的过程中连续地改变方向，因此会在横截面上引起二次环流而强化传热。
短管的作用主要是加强入口段效应以强化传热，在入口段流体流速增加，边界层减薄，从而强化传热。
小管径管：
相同质量流体通过小管径管的流速大于大管径管，可以减薄边界层厚度，增加表面传热系数，减小表面传热热阻，强化传热。
相同质量流体用多根小管径管代替大管径管可以增加比表面积，强化传热。
6.（华电，03）由三个表面组成了一个封闭的系统，其中表面3为重辐射面，画出该系统辐射换热的网络图，注明各热阻的表达式。
答：
系统辐射换热的网络图如下所示：
1
三、计算题（每小题20分，共40分）
1.（华电，03）在考虑一建筑物冬天的采暖设计中，需要确定墙壁的散热情况，已知墙壁的厚度为40cm，墙壁材料的导热系数为0.25W/mK，要求室内的
空气温度在18C，墙壁外侧和内侧的表面传热系数分别为34W/m2K和
8W/m2K，计算下面两种情况下通过墙壁的热流密度为多少？
（1）在白天，室外空气的平均温度为-5C，该墙壁外侧实际吸收环境的总辐射能为80W/m2;
（2）在夜晚，室外空气的平均温度为-10^，天空的有效辐射温度为—30C,墙壁的发射率为0.85。
2.（华电，03）某220t/h高压锅炉的低温省煤器采用叉排、逆流布置，管子为
253mm，横向节距70mm，纵向节距30mm，总的受热面积为570m2，已知烟气的入口温度为384C，通过省煤器的实际烟气流量为142m3/s，烟气平均流速（最小截面处）为8.5m/s，给水的入口温度为215C，给水流量为
59.6kg/s。
管材的导热系数为30W/mK，壁面的灰污热阻取0.002m2K，忽略烟气侧辐射换热的影响和管内侧对流换热热阻。
水的定压比热近似取4.68J/kgK
华北电力大学2004年硕士研究生入学考试试题
、选择和填空（每小题5分，共50分）
（华电，04）下列材料在常温下导热系数最大的是
（a）.纯铜；（b）.纯铁；（c）.黄铜；（d）.不锈钢
（华电，04）通过单层圆筒壁导热的热阻表达式为（华电，04）—个含有内热源的大平板，其导热系数为50W/mK，测得在
2
稳定情况下，其内部温度分布为：
t=50-2500x，则平板内的内热源生成率
53
为2.5105W/m3。
2
4.（华电，04）大空间饱和沸腾曲线可分为自然对流、核态沸腾、过渡沸腾和稳定膜态沸腾四个阶段。
7
5.（华电，04）对于管内湍流换热的实验关联式，当管长较短时，需要进行入口效应修正，其修正系数是一个a（a大于1；b小于1）的值。
6.（华电，04）毕渥准则数Bi的表达式为Bi=世，傅里叶准则数Fo的表达式为九
7.（华电，04）附图1中表面1对表面2的角系数X.2为0.125o[已知
X2.A-0.1，X2,（1A）-0.15]
8.（华电，04）对于粘度很大的油，当进行外掠平板的对流换热时，在同一位置，
其流动边界层厚度和温度边界层厚度的关系是：
b（a.：
：
••「；b.「••「；
c.：
「：
%）
9.（华电，04）—个肋片，测得其肋基处温度为80C，周围气体温度为30C，表面传热系数取20W/m2K，肋片表面积为0.2m2，查得该肋片的效率为0.6,则该肋片的实际散热量为120Wo2
10.（华电，04）—个可近似认为是漫射灰体的表面，其温度为500K，表面的发射率为0.5，测得该平板得到的投入辐射为800W/m2，此时该平板的有效辐射为2171.879W/m2。
8
二、简答题（每小题8分，共40分）
1.（华电，04）解释定向辐射强度和辐射力，对于黑体，给出二者的关系式。
答：
定向辐射强度：
单位时间内，单位有效可见面积发射出去落在单位立体角上
辐射力：
单位时间内，单位有效面积辐射出去落在单位立体角上的辐射能
2.（华电，04）以外掠平板的对流换热为例，对流换热问题的数学描述包括哪些
方程（只需要文字叙述即可）？
理论上如何求得表面传热系数？
5
答：
对流换热问题的数学描述包括：
能量方程；动量方程；质量方程。
以上方程加上定解条件并结合对流换热微分方程h=丄空y」,可解得某处
Atcy
1
的对流换热系数hx，积分得对流换热系数hm二-hxdx。
3.（华电，04）为强化一台冷油器的传热，有人采用提高冷却水流速的方法，但发现效果并不显著。
试分析原因。
10
答：
强化传热的原则是：
强化传热系数小，热阻大的一侧。
而水的表面换热系数比油的表面换热系数大，水侧表面换热热阻相对于油侧的表面换热热阻较小，因此主要传热热阻在油侧，所以强化水侧的换热效果不明显，应强化油的换热。
4.（华电，04）为什么少量的不凝结气体存在就会使凝结换热大大恶化？
7答：
⑴不凝结气体的存在会降低水蒸气的分压，从而降低水蒸气开始凝结的凝
结温度，使蒸气降低到更低的温度才能放出汽化潜热，使凝结换热恶化。
⑵由于不凝结气体的存在使得蒸汽的热量向壁面传递过程中增加了一个热阻，而且不凝结气体的热阻很大，所以使凝结换热大大恶化。
5.（华电，04）太阳能集热器的结构通常是将一组集热管放在一个密封的箱体内，上面是透明的玻璃板。
解释为何采用这样的结构，对集热管表面的涂层有什么样的要求？
8
答：
集热管放在密封的箱体内是为了防止集热管与外面空气对流换热放出热量；太阳有效辐射大部分集中在短波范围内，集热管上的玻璃对太阳辐射的短波是透明的，短波可以通过玻璃被集热管吸收；集热管的辐射集中在红外线范围内，玻璃对红外线是不透明的，玻璃将集热管辐射的红外线阻挡在集箱内起到保温作用。
集热管表面的涂层应是表面发射率小的材料，即：
集热管的表面换热热阻
1大，使集热管的有效辐射减小。
A
三、分析求解（各7分，共14分）
1.（华电，04）如附图2所示一个常物性、无内热源的二维稳态导热问题，列出图中角部节点A的差分方程式。
2.（华电，04）—块大平板，一侧被电加热器均匀加热，另一侧为第三类边界条件，通电前平板处于环境温度，电热器给出恒定的热流密度qW/m2L现突然合上开关。
画出初始状态和最后稳定以及中间两个时刻平板内的温度分布曲线。
答：
如图所示：
初始时刻为1线，此时大平板的温度为t「C。
中间时刻两条曲线为1和2线。
最后稳定后的温度分布为4线。
四、计算题（共46分）
1.（华电，04）（11分）储存液氮的钢瓶采用中间抽真空的双层结构。
若刚装入液氮后，内筒壁的温度为-196C，外筒壁的温度为-30C，内、外筒壁的面积分别近似为0.03m2和0.35m2，内、外筒表面的发射率均为0.45。
（1）计算此时单位时间钢瓶的散热量？
Eb1JzEb2
-l=j——I，F~~
1-Q1==
A：
C-Xi?
AiA2C2
单位时间钢瓶的散热量为:
（2）为进一步减少散热损失，可采用哪些方法？
答：
①在内、外筒涂上发射率低的材料，增加表面热阻。
②在内、外筒之间安装遮热板，减少内、外筒之间的换热。
2.（华电，04）（15分）一台逆流式换热器刚投入工作时，测得的运行参数如下:
热流体的进出口温度分别为1360C和t「-300C，冷流体的进出口温
度分别为t2"-30C和t/-200C，热流体的热容量qm1c=2500W/K1，换热器的面积为0.892m2。
10
（1）计算该换热器在刚投入工作时的传热系数；
（2）若运行一年后，在冷、热流体的进口温度（t1,t2）及热容量（qm1C1,qm2C2）保持不变的情况下，测得冷流体只能被加热到162C，计算此时该换热器的传热系数；
（3）—年后换热器的污垢热阻为多少？
解：
（1）由能量平衡方程:
qm1G（t；-仃）=qm2C2（t2亠）
（2）由题知：
t1-360C，t2-30C，t2-162C
由能量平衡方程：
qM（E-t；）=qm2C2（t2-t2）
1"527），36^882.35（162-30^313.4rc
得:
2500
qm1C1
二'tmax一'tmin
'tmax
In
心tmin
由AkXm=qm1G=t1得：
.qm1C1£250046.59
k-548.85W/（m
AAtm0.892^237.91
（t；-t；）-（t；-t；）（313.41-30）-（360-162）=23791c
ln（□）
t1-上2
ln（313・41「30）360-162
（3）污垢热阻为：
1111
Rf二丄一丄丄丄0.000571m2K/W
kko548.85799.53
2K）
3.（华电，04）（20分）有一块铝合金板，表面温度被均匀加热到227C，然后垂直地悬挂在一房间内进行冷却，室内环境空气温度和周围墙壁温度分别为
21C和17C。
已知板的面积是0.30.3m2,厚度为15mm,表面发射率（黑度）为0.25。
（1）假定在冷却过程中任何时刻，板的内部温度均匀，建立一个表示板的温度随时间而变化的关系式。
（2）计算在冷却的最初时刻，表面换热系数为多少？
（3）计算在冷却的最初时刻，它的冷却速率（K/s）为多少？
附：
（1）铝合金板的密度取2660kg/m3，比热取871J/kgK；
（2）推荐的自然对流换热的实验关联式：
Nu二C（GrPr）n，对于符合理想气体性质的气体，格拉晓夫准则数中的体积膨胀系数1T，定性温度取边界
层的算术平均温度，式中C，n由下表确定：
加热面形状与位置
流动情
示意
况
流态
系数C
系数n
Gr适用范围
R、\1
［层流
0.59
p/4
：
104~3X109
竖平板或
竖圆柱
4
过渡
0.0292
0.39
3X109~2X1010
/
Ht
家
LI
湍流
0.11
1/3
>2X1010
（3）干空气的热物理性质如下:
t/C
円（kg/m3）
Cp/[kJ/（kgK）]
九x102/[W/（mK）]
vx106/（m2/s）
Pr
100
0.946
1.009
3.21
23.13
0.688
120
0.898
1.009
3.34
25.45
0.686
140
0.854
1.013
3.49
27.8
0.684
华北电力大学2005年硕士研究生入学考试试题
一、选择和填空（每小题5分，共50分）
1.（华电，05）下列物质在常温下导热系数最小的是（B）。
（A）水（B）空气（C）玻璃（D）岩棉板
2.（华电，05）对于等截面的直肋片，沿着肋片的高度方向，肋片横截面上导热的热流量逐渐（B）。
（A）变大（B）变小（C）不变（D）不确定
3.（华电，05）在横掠管束的对流换热中，平均的表面对流换热系数随管排数的增加（在前几排）而（A）o
（A）增加（B）不变（C）变小（D）不确定
4.（华电，05）对于等温线而言，以下不正确的描述是（A）o
（A）不同温度的等温线可以相交（B）等温线可以封闭（C）等温线可以终止
于边界
5.（华电，05）工程上主要的辐射性气体包括二氧化碳、水蒸气、二氧化硫、甲烷、氟里昂和一氧化碳等，气体辐射具有选择性和容积性的特点。
8
6.（华电，05）努塞尔在对纯净蒸气层流膜状凝结换热进行理论分析求解时，忽略了液膜流动过程中的（C）o7
（A）重力（B）粘性力（C）惯性力
7.（华电，05）附图1中表面1对表面2的角系数X.2为0.125o[已知
X2.A=0.1，X2（Ha）=0.15]
附图1
8.（华电，05）对于粘度很小的液态金属，当进行外掠平板的对流换热时，在同一位置，其流动边界层厚度和温度边界层厚度的关系是（C）o
（Ap:
t（B）---t（C）—：
「
9.（华电，05）描述黑体辐射能量在空间方向分布规律的是（B）o8
（A）普朗克定律（B）兰贝特定律
（C）维恩位移定律（D）斯忒藩一波尔兹曼定律
10.（华电，05）—个可近似认为是漫射灰体的表面，其温度为300K，表面的发
射率为0.7，测得该平板得到的投入辐射为800W/m2，此时该平板的
有效辐射为561.5W/m2o
、分析和问答题（每小题8分，共40分）
1.（华电，05）—个常物性、含均匀内热源的二维稳态导热问题，在直角坐标系中利用有限差分的数值方法进行求解，试列出任意内部节点的差分方程
:
丄x北-yo
i
h
1
i
I
.1
0
r
■
i
h
5
t4——…儿——lx；‘.xcy=0
AxAy
2.（华电，05）什么是黑体、灰体？
它们和黑颜色物体、灰颜色物体有何区别?
答：
发射率为1的物体为黑体；
光谱吸收比与波长无关的物体称为灰体；黑色的物体是物体吸收了可见光中所有的波长的光；灰颜色的物体是物体吸收了可见光中此波段的光。
3.（华电，05）画出大容器饱和沸腾曲线，并注明各个区域的名称，解释临界热流密度的概念。
q105W/m2
在核态沸腾与过渡沸腾区段，热流密度q随温差增大而增大，而在两区段过渡时，达到的最大热流密度qmax，称为临界热流密度。
4.（华电，05）试说明Bi数的物理意义，Bi>0和:
:
各代表什么样的换热条件？
有人认为Bi>0代表绝热工况，你是否赞同这一观点，为什么？
答：
Bi数是物体内外热阻之比的相对值，
Bi>0说明传热热阻主要在边界上，内部温度趋于均匀，可以用集总参数法进行分析求解；
:
:
说明传热热阻主要在内部，可以近似认为壁面温度就是流体温度；
Bi>0代表绝热工况是不正确的，Bi>0表示边界热阻相对于内部热阻较
大，边界上有热流；而绝热工况是边界上没有热流。
5.（华电，05）影响自然对流换热的因素有哪些？
大空间和有限空间的自然对流换热是如何划分的？
7
答：
影响自然对流换热的因素有：
流体流动起因；流体有无相变；流体流动状态;换热表面的几何因素；流体的物理性质。
所谓无限大空间是指边界层可以自由生长的空间；而有限空间是指边界层相互干扰的空间。
三、计算题（每小题15分，共60分）
1.（华电，05）—厚为10cm的金属大平板，一侧绝热，另一侧暴露于温度为30C的空气中，表面与空气之间的表面传热系数为450W/（m2K），通电后平板内
63
相当于有°310W/m的均匀内热源，平板的导热系数为18W/（mK）o
（1）写出描述该问题的数学描述（导热微分方程和边界条件）；解：
该问题导热微分方程和边界条件
；：
2t：
；Jc
2—=0
:
x
dt
x二0,-0
dx
（2）确定平板中的最高温度及其位置。
•*
解：
由导热微分方程和边界条件解得温度分布为：
t2-X2■tf
2九h
所
以当
x
-0
时温度
取
得最
大
值，即
「22
0.3"06
0.3106
01
t=
2-X2
）+
tf
0.12
30=180C
2
h
218
450
2.（华电，05）有一暖水瓶胆，可近似看成直径为100mm，
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