传热学部分思考题.docx

1、传热学部分思考题教材上的思考题第 8 章 思考题1试说明热传导（导热） 、热对流和热辐射三种热量传递基本方式之间的联系与区别。 区别： 它们的传热机理不同。 导热是由于分子、 原子和电子等微观粒子的热运动而产生的热 量传递现象， 其本质是介质的微观粒子行为。 热对流是由于流体的宏观运动， 致使不同温度 的流体相对位移而产生的热量传递现象， 其本质是微观粒子或微团的行为。 辐射是由于物体 内部微观粒子的热运动而使物体向外发射辐射能的现象， 其本质是电磁波， 不需要直接接触 并涉及能量形式的转换。 联系： 经常同时发生。 2试说明热对流与对流换热之间的联系与区别。热对流是由于流体的宏观运动， 致使

2、不同温度的流体相对位移而产生的热量传递现象。 对流 换热是流体与固体表面之间由热对流和导热两种传热方式共同作用导致的传热结果。3. 从传热的角度出发，采暖散热器和冷风机应放在什么高度最合适？ 答：采暖器和冷风机主要通过对流传热的方式使周围空气变热和变冷， 使人生活在合适的温 度范围中， 空气对流实在密度差的推动下流动， 如采暖器放得太高， 房间里上部空气被加热， 但无法产生自然对流使下部空气也变热， 这样人仍然生活在冷空气中。 为使房间下部空气变 热，使人感到舒适，应将采暖器放在下面，同样的道理，冷风机应放在略比人高的地方，天 热时，人才能完全生活在冷空气中 4在晴朗无风的夜晚，草地会披上一身

3、白霜，可是气象台的天气报告却说清晨最低温度为 2。试解释这种现象。但在阴天或有风的夜晚（其它条件不变） ，草地却不会披上白霜， 为什么？ 答：深秋草已枯萎，其热导率很小，草与地面可近似认为绝热。草接受空气的对流传热量， 又以辐射的方式向天空传递热量，其热阻串联情况见右图。所以，草表面温度 tgr 介于大气温度 tf和天空温度 tsk接近， tgr较低，披上“白霜” 。如有风， hc 增加，对流传热热阻 R1减 小，使 tgr向 t f靠近，即 tgr 升高，无霜。阴天，天空有云层，由于云层的遮热作用，使草对 天空的辐射热阻 R2增加， t gr向 t f靠近，无霜（或阴天，草直接对云层辐射，由

4、于天空温度 低可低达 -40），而云层温度较高可达 10 左右，即 tsk 在阴天较高， tgr 上升，不会结霜） 。 5在一有空调的房间内，夏天和冬天的室温均控制在 20 ，但冬天得穿毛线衣，而夏天只需穿衬衫。这是为什么？ 答：人体在房间里以对流传热和辐射传热的方式散失热量，有空调时室内 tfi 不变，冬天和夏天人在室内对流散热不变。由于夏天室外温度 t f 0 比室内温度 t fi 高，冬天 t f 0 比 t fi 低，墙 壁内温度分布不同，墙壁内表面温度 twi 在夏天和冬天不一样。显然， tw夏i tw冬i ，这样人体与墙壁间的辐射传递的热量冬天比夏天多。在室温 20的房间内，冬天人

5、体向外散热比夏天多而感到冷，加强保温可使人体散热量减少， 如夏天只穿衬衫，冬天加毛线衣，人就不会感 到冷。第十一章（基本概念较多，就交给你了！ ！）第十二章 没找到现成的。 。找到的一些其他的思考题第八章1-1 试列举生活中热传导、对流传热核辐射传热的事例。1-2 冬天，上午晒被子，晚上睡觉为什么还感到暖和？答：被子散热可是为无限大平面导热。晒被子使被子变得蓬松，含有更多的空气， 而空气热 导率较小，使被子的表现电导率变小。另外，被子晒后厚度增加。总之，被子晒后，其导热 热阻 / A 变大，人体热量不易向外散失，睡在被子里感到暖和（被子蓄热不必考虑： 被子蓄热不多；上午晒被子，晚上蓄热早已散光

6、） 。1-3 通过实验测定夹层中流体的热导率时，应采用图 1-6 种哪个装置？为什么？ 答：左边一种。这种装置热面在上，冷面在下，使流体对流传热减少到零，由这种装置测得 的热导率不受对流传热的影响。 如果采用右边一种装置， 由于对流传热的影响而测得的热导 率偏大。1-4 在思考题 1-3 中，流体为空气时热导率可用式（ 1-1）计算，式中 t 为热、冷面的温 度差，为空气夹层的厚度，为通过空气夹层的热流量， A 为空气夹层的导热面积。实践 证明， t 不能太大，否则测得的热导率比真实热导率大。试分析其原因。答：热面和冷面的传热热流量 =c+d+ r= tA/ 。由思考题 1-3 可见，左边一种

7、装 置虽然减少了对流传热的影响，但如 t 较大，辐射传热量 r 对测量气体热导率的影响却 不能忽略， 会影响热导率测定的准确性。 这时， 热传导率实质上是以导热和辐射传热两种 方式传递热量形式的表现热导率 e。显然， e（其中为气体的真实热导率） 。由于辐 射传热量 r 正比于热面和冷面温度的四次方之差（ T14-T24），只有在热面和冷面温度之差（t 1-t2）较小时，辐射传热的影响才可忽略， d=。tA/ 1-5 从传热的角度出发，采暖散热器和冷风机应放在什么高度最合适？答：采暖器和冷风机主要通过对流传热的方式使周围空气变热和变冷， 使人生活在合适的温 度范围中， 空气对流实在密度差的推动

8、下流动， 如采暖器放得太高， 房间里上部空气被加热， 但无法产生自然对流使下部空气也变热， 这样人仍然生活在冷空气中。 为使房间下部空气变 热，使人感到舒适，应将采暖器放在下面，同样的道理，冷风机应放在略比人高的地方，天 热时，人才能完全生活在冷空气中。1-6 从表 1-1 对流传热系数的大致范围，你可以得出哪些规律性的结论？答：从表 1-1 可看出如下规律：空气的对流传热系数小于水的对流传热系数；同一种流 体，强迫对流传热系数大于自然对流传热系数； 同一种流体有变相时的对流传热系数大于 无变相识的对流传热系数；水变相时的对流传热系数大于有机介质相变对流传热系数。1-7 多层热绝热有铝箱和玻璃

9、纤维纸、玻璃布、尼龙网等依次包扎而成，并且整个系统处 在高真空下。在 20300K的温度下它的热导率可抵达（ 0.10.6） 10-4W/（ mK），试分析其 原因。答：由于系统处于高真空， 导热和对流传热的作用减少到很小， 多层铝箱间用热导率很小的 玻璃纤维纸、玻璃布、尼龙网隔开，导热作用较小；铝箱的玻璃作用使辐射传热也很小（详 见第八章）。这样，这个系统使三种传热方式传递的热流量都大大减少，所以其表现热导率 就很小。1-8 在晴朗无风的夜晚， 草地会披上一身白霜， 可是气象台的天气报告却说清晨最低温度 为 2。试解释这种现象。但在阴天或有风的夜晚（其它条件不变） ，草地却不会披上白霜，为什

10、么？答：深秋草已枯萎，其热导率很小，草与地面可近似认为绝热。草接受空气的对流传热量， 又以辐射的方式向天空传递热量，其热阻串联情况见右图。所以，草表面温度 tgr 介于大气温度 tf和天空温度 tsk接近， tgr较低，披上“白霜” 。如有风， hc 增加，对流传热热阻 R1减 小，使 tgr向 t f靠近，即 tgr 升高，无霜。阴天，天空有云层，由于云层的遮热作用，使草对 天空的辐射热阻 R2增加， t gr向 t f靠近，无霜（或阴天，草直接对云层辐射，由于天空温度 低可低达 -40 ），而云层温度较高可达 10 左右，即 tsk 在阴天较高， tgr 上升，不会结霜） 。1-9 在一有

11、空调的房间内，夏天和冬天的室温均控制在 20 ，但冬天得穿毛线衣，而夏天只需穿衬衫。这是为什么？（提示：参考图 1-8 ，先画出夏天和冬天墙壁传热的温度分布曲线，在解释这种现象。 ）答：人体在房间里以对流传热和辐射传热的方式散失热量，有空调时室内 tfi 不变，冬天和夏天人在室内对流散热不变。由于夏天室外温度 tf0比室内温度 tfi 高，冬天 tf0比tfi 低，墙夏冬 壁内温度分布不同，墙壁内表面温度 twi 在夏天和冬天不一样。显然， tw夏i tw冬i ，这样人体与 墙壁间的辐射传递的热量冬天比夏天多。在室温 20的房间内，冬天人体向外散热比夏天多而感到冷，加强保温可使人体散热量减少，

12、 如夏天只穿衬衫，冬天加毛线衣，人就不会感 到冷。1-10 饱和水蒸气管道外包保温材料，试分析三种传热方式怎样组成由水蒸气经管道壁和 保温层到空气的传递过程，并画出热阻串并联图。答：1-11 在思考题 1-10 中，管道外壁的温度近似等于饱和水蒸气的温度。试用热阻分析解释 这一现象。答：蒸汽凝结 hc 很大，热阻 R1c很小。金属管道热导率较大，而其厚度很小，导热热阻 R2d也很小。管道保湿时，管道散热量 很小，管壁外表面 tw2 tf1 X （R1c R2d） tf1。1-12 某双层壁中的温态温度分布如图 1-7 所示，问哪一层材料的热导率大？哪一层材料 的导热热阻大？二热阻串联，由Vt

13、， Vt1 Vt 2 ，所以 R1 R2。R 1 2 1 21-13 某传热过程的温度分布如图 1-8 所示，是分别画出其在下列情况下的温度分布曲线：1-14 一碗稀饭放在盛有自来水的面盆中冷却。为了使稀饭冷却得快一些，用汤勺搅动。 问用汤勺搅动稀饭时稀饭冷却得快，还是搅动自来水时稀饭冷却得快？为什么？答：稀饭放在冷水中冷却时，热量由稀饭经碗壁传给碗外盆中水。 由经验判断，水侧表面对 流传热系数要大于稀饭侧表面对流传热系数， 即稀饭侧热阻大于水侧热阻。 用汤勺搅动来使 表面对流传热系数 hc 增加即减少对流传热热阻，减少最大热阻效果最佳，所以用汤勺搅动 稀饭时冷却效果较好。1-15 图 1-9

14、 为三种太阳能热水器的元件：图 a 为充满水的金属管；图 b 为在图 a 的管外 加一玻璃罩， 玻璃罩和金属管间有空气； 图 c 为在管外加一玻璃罩， 但罩与金属管间抽真空。 试分析用框图表示三元件的传热过程，并论述其效率由图 a 向图 c逐步提高的原因。答：a 中水管接受太阳能后， 直接向周围物体 （天空等） 辐射散热， 又向周围空气对流散热。 b 中水管接受太阳能后，直接向玻璃管辐射散热。玻璃管的温度要比天空温度高得多，使辐 射散热减少。 水管向夹层中空气对流散热， 夹层中空气比外界空气温度高， 而且封闭的夹层 也使对流传热系数减少， 对流散热也减少。 C 中水管接受太阳能后， 直接向玻璃

15、管辐射散热， 情况用 b，由于夹层中真空， 没有空气， 使对流散热为零。 所以，由 a至 c散热量逐渐减少， 效率逐步提高。1-16 有两幢形状和大小相同的房屋， 室内保持相同的温度。 早晨发现一幢房屋屋顶有霜， 另一幢屋顶无霜。试分析哪一幢房屋屋顶隔热性能好。答： 屋顶有霜，表示屋顶外表面温度 tw0 较低，而屋顶散热系数较小（ h0 变化不大），即屋 顶的导热量也小，这表明有霜的屋顶保温性能好。为便于观察， 将屋顶转至垂直位置， 其传热过程温度分布曲线画在右图， 有霜屋顶 tfi twi 和 tw0 tf0 都小，表示散热小，无霜屋顶保温性能不好有两种可能性：屋顶较薄；屋顶材 料热导率较高

16、。这两种可能性都会使 tw0 提高而无霜。1-17 由 4种材料组成图 1-10 所示的复合壁， 界面接触良好， 左面维持均匀恒定的温度 t1，右面维持均匀恒定的温度 t2 。如 B比 C 大得多，能否用热阻并串联的方法求复合壁的总热 阻？为什么？答：利用热阻并、 串联规律求总热阻， 再模仿电路欧姆定律求出热流量， 必须符合下列条件： 稳态导热；一维；无内热源。当 B ? C时， ABCD中均不是一维稳态导热，按上法计算偏差较大。当 B 与 C 相差不显著时， ABCD中近似一维稳态导热，按上法计算偏差不 大。1-18 某电路板上有 4 只晶体管，其金属管壳与支架相连，支架与一隔板相连（如图

17、1-11 所示），晶体管产生的热量经管壳和支架传给隔板。假设： 4 只晶体管温度均匀且相同，本 身热阻 R1i 也相同；管壳与支架接触良好；支架为铝材，横断面足够大，使支架上几乎没有温度降；支架与隔板间连接处有热阻 R23 ；晶体管产生热量的一部分由管壳和支架散失，一 部分由隔板散失。试画出晶体管热量散失时热阻并串联情况。答：由于 4R 晶体管温度相同， t11 t12 t13 t14 t1 ，右图中用虚线相连， 1i 是各只晶体 管功耗产生的热流量。 1i经各自内部导热热阻 R1i 到外壳和支架上。 由于支架和外壳热阻可 以忽略，支架温度相同，即 t21 t22 t23 t24 t2，4 个

18、点用实线相连。管壳和支架成为一体，部分热量由它们向外界对流散热和辐射散热，表面热阻分别为 R2c 和 R2r ，还有部分热量通过支架与隔板连接处的接触电阻 R23流入隔板， 由隔板表面向外界进行对流散热和辐射散热，其表面热阻分别为 R3c 和 R3r 。显然，表面对流热阻 Rc和表面辐射热阻 Rr 均为并联。第九章2-1 不同温度的等温面（线）不能相交，热流线能相交吗？热流线为什么与等温线垂直？q=0，只有热流答： 热流线垂直于等温线，不同温度的等温线不能相交，热流线也不能相交。 如热流线不垂直等温线，则等温线上必有一热流分量。而等温线上无温差， 线垂直于等温线才能使等温线上的分热流为零。向右

19、变大， 这表明热导率 从左到右减小， 而温度自左向右减小， 故热导率 随温度 t 的增 加而增加。2-3 根据对热导率主要影响因素分析， 试说明在选择和安装保温隔热材料时要注意哪些问 题？ 答：选择热导率小的材料，最好其密度在最佳密度附近，使其具有最佳保温性能；进行 保温计算时必须考虑温度对保温材料热导率的影响； 保温材料保温性能受水分的影响， 必 须采取防水措施，外加保护层，如材料中已加憎水剂，不易含水分，不受水的影响，应首选 该种材料； 为防止保温材料 （或绝热材料） 层结冰， 要采取防冻措施， 不让外界水分渗入， 无法防止时， 可适当加厚， 以弥补结冰使材料性能下降； 采用各向异性材料时

20、要注意导热 方向对热导率的影响。2-4 金属材料的热导率很大，而发泡金属为什么又能做保温隔热材料？答 ：发泡材料的热导率是固体骨架和孔隙中气体导热， 对流传热和辐射传热综合的当量热导率，发泡金属以金属为骨架，但其横截面尺寸很小，而孔隙中气体导热率较小，各孔隙中气 体被封闭在各个小孔中， 对流传热作用较小。 多孔结构对辐射传热起着遮挡作用， 使其大大 削弱。由此，发泡金属的当量热导率较小，比密实金属要小得多，可以做保温材料。2-5 示：冰箱长期使用后外壳上易结露，这表明其隔热材料性能下降。你知道其道理吗？（提冰箱隔热材料用氟里昂发泡，长期使用后氟利昂会逸出，代之以空气。 ）答：冰箱隔热材料用氟里

21、昂作发泡剂的聚氨酯泡沫塑料， 其热导率要比一般保温材料小， 这是由于孔中氟里昂气体热导率较低， 使用时间较长， 气孔中氟里昂逐步逸出， 环境中的空气 取而代之， 由于空气的热导率是氟里昂的 23 倍，进入空气的隔热材料热导率大大提高， 使 其保冷性能下降。2-6 冰箱冷冻室内结霜使冰箱耗电量增加，试分析这是什么原因？ 答： 冰箱中的制冷剂在冷冻室隔热材料内侧（见右图）蒸发管中蒸发，吸收冷冻室的热量， 使冷冻室降低到指定的温度后， 压缩机停止工作。 冷冻室内结霜后， 使蒸发管和冷冻室间增 加一层热阻， 而霜有颗粒状的水组成， 中间夹杂着不流动的空气， 使其当量热导率比密实的 冰小得多，热阻较大，

22、要使冷冻室达到指定温度必须增加压缩机工作时间，耗电量增加。2-8 物体中的温度分布曲线与绝热边界的关系如何？答：由傅里叶定律 Adt / dx ，绝热边界 =0，而 和 A不为零，所以 dt/ dx =0，即绝热边界温度变化率为零，温度分布曲线垂直于绝热边界。2tzt2 0z式中没有热导率， 所以有人认为无内热源稳态导热物体的温度分布与热导率无关。 你同意这 种看法吗？答：不同意， 因为热导率问题的完整数学描述包括导热微分方程和定解条件。 无内热源稳态导热问题，虽然导热微分方程中不包含有热导率 ，但第二类边界条件和第三类边界条件 中都含有热导率，即边界条件为第二类或第三类的无内热源稳态导热与热

23、导率 有关，只 有第一类边界条件下无内热源稳态导热物体的温度分布才与热导率 无关，详见例题 4-1， 题中未给出定热导率 ，其温度分布与 无关。2-10 在多层壁导热中， 当某一层有内热源时式 （2-17）和式（ 2-21）仍能适用吗？为什么？ 答：不能用，因串联各环节 不相同，违背了式（ 2-17 ）和式（ 2-21）推导的条件。2-11 说明圆筒壁一维稳态导热的温度分布曲线为什么随半径增加而变得平坦？试画出无 内热源的单层圆筒壁在内壁面温度高于或低于外壁面温度时的温度分布曲线。凸的曲线。2-12 等截面延伸体稳态导热和一维稳态导热有何区别？答：一维稳态导热只有一个方向上有热流， 而在其它方

24、向无热流。 等截面延伸体稳态导热不但沿高度方向上有导热，而且在垂直于高度方向上也有热流，所以一般研究 Bi （ hl ）很s 小且有一定高度 （低肋除外）的延伸体， 这时热流主要沿高度方向上的热流密度不大。 人们 常称为准一维稳态导热， 一维稳态导热时各个导热面上热流量 相等， 而准一维稳态导热各 个导热面上热流量不等， 沿着导热方向逐渐减少。 另外， 等截面一维稳态导热 （热导率 为 常数且无内热源） 沿导热方向温度分布为一直线， 而等截面准一维稳态导热在同样的条件下 沿导热方向温度分布为一曲线，沿导热方向曲线变得越来越平。2-13 试用微元体热平衡法建立矩形直肋导热微分方程（ 2-27）。

25、答：由书中图 2-18，在x x处取微元体 Adx ，能量守恒方程 i e，即 x x dx c （a）2-14 工程上采用加肋片来强化传热。何时一侧加肋？何时两侧同时加肋？答：由例 2-13 可以得到启发，当传热壁一侧 Bi 0，即tH t ，测值 tH比流体温度 t 偏高，这与侧高温流体（蒸汽、热水、热空气）温度正好相反。2-16 当把测温套管由钢材改为紫铜后，材料导热性能变好，使热量由流体经套管传给温度计的热阻减少，测温误差应减少，但为什么实践证明适得其反呢？ 答：测温套管导热主要延长度方向， 而题中所述热流量很小， 是次要方面。 不锈钢改为紫铜 后， 大大增加，套管轴向导热热阻大大减少

26、， 其端部温度 tH 与根部温度 t0 差别减少，即t H更接近于 t0 ，测温误差将增加。2-17 从热阻角度分析，为什么在表面传热系数小的一侧加肋片效果较好？为什么用热导 率大的材料做肋片？减少这样的热阻使热流量增加的效果好，使肋片本身的附加热阻不大， 不会因此答：h 小的一侧热阻大， 它在总热阻中起的作用大， 加肋片使表面热阻减少， 用热导率大的材料做肋片， 而使总热阻增加。h料热导率 应较大，否则会使 2h 0.2，加肋对传热不利。2-18 减少接触热阻的主要方法有哪些？这些方法为什么能减少接触热阻？ 答：如有可能的话，降低接触面的硬度，使加压后形变增加，接触面增大，且间隙变小， 都使

27、接触部分的热阻减少；增加接触面的压力， 形变增加， 热阻减少；增加接触面的光 洁度和平行度，使接触面增加，间隙变小，热阻变小；间隙处加软金属或导热脂，使间隙 的热导率增加，使接触热阻减少。第十章5-1 为什么电厂发电机用氢气冷却比空气冷却效果好？为什么用水冷却比氢气冷却效果 更好？答：对流传热是贴壁层流体导热和边界层流体对流的综合影响， 流体热导率和携带热量能 力 和 c 影响着对流传热系数。空气、氢气和水的 、 、 c 详见下表冷却介质空气氢气水相对值空气氢气水热导率 /W/ （ m2.k）0.02780.19420.64316.9923.1密度 /kg/m 31.0930.07559881

28、1/14.5904由 和 、c 都可看出：水优于氢气，更优于空气。电机冷却情况证实了这一点。5-2 什么是流动边界层？什么是热边界层？为什么它们的厚度之比与普朗特数 Pr 有关？答： 流动边界层是由于流体粘度造成速度变化的区域，热边界层是由于流体的热扩散率 造成温度变化的区域。 它们的厚度之比应与形成流体边界层和边界层的流体黏度 和热扩散1率 a 之比有关，即与普朗特数 Pr 有关。理论上已证明 t 。r 3 Pr5-3 粘性油的 Pr数很大，液态金属的 Pr数很小。图 5-9 为这两种流体的边界层过余温度 场和速度场。试指出哪一幅图是粘性油的，哪一幅图是液态金属的？为什么？1答 ：图中 a

29、为粘性油的 u 和 分布。因粘性油 很大， Pr= 较大，而 t ，所以r a 3 Prt = ，即图 a 。5-4 试根据图 5-3 粗略地画出局部对流传热系数 hx 的沿程变化。答： 开始时，随着层流边界层厚度 t的增加，局部对流传热系数 hx下降。过渡区，由于 层流向湍流边界层过渡，扰动增加，虽然边界层厚度增加更快，但 hx 由于流体横向（垂直于壁面方向）掺合， hx反而增加。以后由于层流底层厚度和湍流边界厚度 t的增加， hx稍有下降，并逐步接近于恒定值 h5-5 边界层中温度变化率 t 的绝对值何处最大？对于一定表面传热温差的同一流体，为 y6-的大小？何能用（ t ）y=0 绝对值

30、得大小来判断对流传热系数 y热流传热温差的同一流体，可用 t 的大小来判断该处对流传热系数 hx 的大小。y y 05-6 从对对流传热过程的了解，解释物性值对对流传热系数 h 的影响。答： 对流传热是先通过贴壁层流体的导热，以后由流体将热量携带走，所以对流传热与 流动的热导率 以及流体携带热量的能力 、 c 有关。对流传热与流体流动情况有关，雷 诺数与黏度有关， 所以对流传热与黏度有关。 自然对流传热时， 同一温差下流体流动情况还 与体膨胀系数 v 有关。5-7 试论述固体导热微分方程与边界能量微分方程的关系。答： 它们都是能量微分方程，但边界层能量微分方程考虑了流体对流携带的热量，而固 体导热微分方程不考虑对流携带的热量。 如边界层内流体速度均为零， 则边界层能量微分方 程变成固体的导热微分方程。6-1 管内湍流强迫对流传热时，流速增加一倍，其它条件不变，对流传热系数 h 如何变 化？管径缩小一半、流速等其他条件不变时 h 如何变化6-3 湍流强迫对流传热时，在其他条件相同的情况下粗糙管的对流传热系数大于光滑管的 对流传热系数，为什么？答 ： 湍流时层流底层很薄，粗糙管突起物露出层流底层，使流体流过时产生扰动，强化了 传热，所以粗糙管湍流强迫对流传热系数与粗糙程度有关，且比光滑管大。7-4 由图 6-8 可见，横掠