传热学第五版答案.doc

1 传热学习题解答传热学习题解答 与中国建筑工业出版社教材与中国建筑工业出版社教材 传热学配套传热学配套 中原工学院中原工学院 2 能环学院能环学院 2006.5.302006.5.30 绪论绪论 1.1.冰雹落地后，即慢慢融化，试分析一冰雹落地后，即慢慢融化，试分析一下，它融化所需的热量是由哪些途径下，它融化所需的热量是由哪些途径得到的？得到的？答：冰雹融化所需热量主要由三种途答：冰雹融化所需热量主要由三种途径得到：径得到：a a、地面向冰雹导热所得热量；、地面向冰雹导热所得热量；b b、冰、冰雹与周围的空气对流换热所得到的热雹与周围的空气对流换热所得到的热量；量；c c、冰雹周围的物体对冰雹辐射所、冰雹周围的物体对冰雹辐射所得的热量。得的热量。2.2.秋天地上草叶在夜间向外界放出热秋天地上草叶在夜间向外界放出热量，温度降低，叶面有露珠生成，请量，温度降低，叶面有露珠生成，请 3 分析这部分热量是通过什么途径放出分析这部分热量是通过什么途径放出的？放到哪里去了？到了白天，叶面的？放到哪里去了？到了白天，叶面的露水又会慢慢的露水又会慢慢蒸发掉，试分析蒸发蒸发掉，试分析蒸发所需的热量又是通过哪些途径获得所需的热量又是通过哪些途径获得的？的？答：通过对流换热，草叶把热量散发答：通过对流换热，草叶把热量散发到空气中；通过辐射，草叶把热量散到空气中；通过辐射，草叶把热量散发到周围的物体上白天，通过辐射，发到周围的物体上。白天，通过辐射，太阳和草叶周围的物体把热量传给露太阳和草叶周围的物体把热量传给露水；通过对流换热，空气把热量传给水；通过对流换热，空气把热量传给露水。露水。3.3.现在冬季室内供暖可以采用多种方现在冬季室内供暖可以采用多种方法。就你所知试分析每一种供暖方法法。就你所知试分析每一种供暖方法为人们提供热量的主要传热方式是什为人们提供热量的主要传热方式是什么？填写在各箭头上。么？填写在各箭头上。4 答：暖气片内的蒸汽或热水答：暖气片内的蒸汽或热水对流换热对流换热暖气暖气片内壁片内壁导热导热暖气片外壁暖气片外壁对流换热和辐射对流换热和辐射室内室内空气空气对流换热和辐射对流换热和辐射人体；暖气片外壁人体；暖气片外壁辐射辐射墙壁墙壁辐射辐射人体人体 电热暖气片：电加热后的油电热暖气片：电加热后的油对流换热对流换热暖气暖气片内壁片内壁导热导热暖气片外壁暖气片外壁对流换热和辐射对流换热和辐射室内室内空气空气对流换热和辐射对流换热和辐射人体人体 红外电热器：红外电热元件红外电热器：红外电热元件辐射辐射人体；人体；红外电热元件红外电热元件辐射辐射墙壁墙壁辐射辐射人体人体 电热暖机：电加热器电热暖机：电加热器对流换热和辐射对流换热和辐射加热风加热风对流换热和辐射对流换热和辐射人体人体 冷暖两用空调机（供热时）：加热风冷暖两用空调机（供热时）：加热风对对流换热和辐射流换热和辐射人体人体 太阳照射：阳光太阳照射：阳光辐射辐射人体人体 4 4 自然界和日常生活中存在大量传热 自然界和日常生活中存在大量传热 5 现象，如加热、冷却、冷凝、沸腾、现象，如加热、冷却、冷凝、沸腾、升华、凝固、融熔等，试各举一例说升华、凝固、融熔等，试各举一例说明这些现象中热量的传递方式？明这些现象中热量的传递方式？答：加热：用炭火对锅进行加热答：加热：用炭火对锅进行加热辐射换热辐射换热 冷却：烙铁在水中冷却冷却：烙铁在水中冷却对流换对流换热和辐射换热热和辐射换热 凝固：冬天湖水结冰凝固：冬天湖水结冰对流换热对流换热和辐射换热和辐射换热 沸沸腾：水在容器中沸腾腾：水在容器中沸腾对流换对流换热和辐射换热热和辐射换热 升华：结冰的衣物变干升华：结冰的衣物变干对流换对流换热和辐射换热热和辐射换热 冷凝：制冷剂在冷凝器中冷凝冷凝：制冷剂在冷凝器中冷凝对流换热和导热对流换热和导热 6 融熔：冰在空气中熔化融熔：冰在空气中熔化对流换对流换热和辐射换热热和辐射换热 5.5.夏季在维持夏季在维持 2 20 0的室内，穿单衣感的室内，穿单衣感到舒服，而冬季在保持同样温度的室到舒服，而冬季在保持同样温度的室内却必须穿绒衣，试从传热的观点分内却必须穿绒衣，试从传热的观点分析其原因？冬季挂上窗帘布后顿觉暖析其原因？冬季挂上窗帘布后顿觉暖和，原因又何在？和，原因又何在？答：夏季室内温度低，室外温度高，答：夏季室内温度低，室外温度高，室外物体向室内辐射热量，故在室外物体向室内辐射热量，故在 2020的环境中穿单衣感到舒服；而冬季室的环境中穿单衣感到舒服；而冬季室外温度低于室内，室内向室外辐射散外温度低于室内，室内向室外辐射散热，所以需要穿绒衣。挂上窗帘布后，热，所以需要穿绒衣。挂上窗帘布后，辐射减弱，所以感觉暖和辐射减弱，所以感觉暖和。6.6.“热对流”和“对流换热”是否同一现“热对流”和“对流换热”是否同一现象？试以实例说明。对流换热是否为象？试以实例说明。对流换热是否为 7 基本传热方式？基本传热方式？答：热对流和对流换热不是同一现象。答：热对流和对流换热不是同一现象。流体与固体壁直接接触时的换热过程流体与固体壁直接接触时的换热过程为对流换热，两种温度不同的流体相为对流换热，两种温度不同的流体相混合的换热过程为热对流，对流换热混合的换热过程为热对流，对流换热不是基本传热方式，因为其中既有热不是基本传热方式，因为其中既有热对流，亦有导热过程。对流，亦有导热过程。7.7.一般保温瓶胆为真空玻璃夹层，夹层一般保温瓶胆为真空玻璃夹层，夹层内两侧镀银，为什么它能较长时间地内两侧镀银，为什么它能较长时间地保持热水的温度？并分析热水的热量保持热水的温度？并分析热水的热量是如何通过胆壁传到外界的？什么情是如何通过胆壁传到外界的？什么情况下保温性能会变得很差？况下保温性能会变得很差？答：镀银减弱了水与内壁的辐射换热，答：镀银减弱了水与内壁的辐射换热，而真空夹层阻止了空气与壁之间的对而真空夹层阻止了空气与壁之间的对流换热，两层玻流换热，两层玻璃之间只有辐射换热，璃之间只有辐射换热，8 外层的镀银则减弱了外壁与外界之间外层的镀银则减弱了外壁与外界之间的辐射作用。如果真空中渗入空气，的辐射作用。如果真空中渗入空气，则保温性能将变得很差。则保温性能将变得很差。热水热水对流换热对流换热内壁内壁辐射辐射外壁外壁对流换热对流换热外界空外界空气气 8.8.面积为面积为 12m12m2 2的壁的总导热热阻与的壁的总导热热阻与它单位面积上的份上热阻它单位面积上的份上热阻 R R 之比为多之比为多少？少答：答：R=RR=R/12/12 9.9.利用式（利用式（0 0-1 1）分析，在什么条件下）分析，在什么条件下图图 0 0-2 2 中平壁内的温度呈直线关系变中平壁内的温度呈直线关系变化？什么条件下将呈曲线关系变化？化？什么条件下将呈曲线关系变化？答：当答：当与温度无关时，平壁中的温度与温度无关时，平壁中的温度呈直线关系变化；当与温度有关时，呈直线关系变化；当与温度有关时，平壁中的温度呈曲线变化。平壁中的温度呈曲线变化。9 10.10.一燃气加热炉，炉子内壁为耐火一燃气加热炉，炉子内壁为耐火砖，外壁为普通红砖，两种砖之间有砖，外壁为普通红砖，两种砖之间有的填充保温材料，而有的则为空气夹的填充保温材料，而有的则为空气夹层，试分析这两种情况下由炉内到炉层，试分析这两种情况下由炉内到炉外环境的散热过程？如果是空气夹外环境的散热过程？如果是空气夹层，空气层的厚度对炉壁的保温性能层，空气层的厚度对炉壁的保温性能是否会有影响？是否会有影响？答：中间为保温材料的过程：两壁与答：中间为保温材料的过程：两壁与外界环境之间为对流和辐射换热，两外界环境之间为对流和辐射换热，两壁与保温材料之间均为导热；如果是壁与保温材料之间均为导热；如果是空气夹层，则夹层中为对流换热，空空气夹层，则夹层中为对流换热，空气层的厚度与保温性能无关，因为对气层的厚度与保温性能无关，因为对流换热与厚度无关。流换热与厚度无关。第一章第一章 导热理论基础导热理论基础 1.1.按按 2020时，铜、碳钢（时，铜、碳钢（1.5%C1.5%C）、铝）、铝 10 和黄铜导热系数的大小，排列它们的和黄铜导热系数的大小，排列它们的顺序；隔热保温材料导热系数的数值顺序；隔热保温材料导热系数的数值最大为多少？列举膨胀珍珠岩散料、最大为多少？列举膨胀珍珠岩散料、矿渣棉和软泡沫塑料导热系数的数矿渣棉和软泡沫塑料导热系数的数值。值。答：铜答：铜 铝铝 黄铜黄铜 碳钢；碳钢；隔热保温材料导热系数最大值为隔热保温材料导热系数最大值为0.12W/0.12W/（mm K K）膨 胀 珍 珠 岩 散 料：膨 胀 珍 珠 岩 散 料：2525 6060-300Kg/m300Kg/m3 3 0.0210.021-0.062 W/0.062 W/（mm K K）矿渣棉：矿渣棉：3030 207 Kg/m207 Kg/m3 3 0.058 W/0.058 W/（mm K K）软泡沫塑料：软泡沫塑料：3030 4141-162 162 Kg/mKg/m3 3 0.0430.043-0.056 W/0.056 W/（mm K K）11 2.2.推导导热微分方程式的已知前提条推导导热微分方程式的已知前提条件是什么？件是什么？答：导热物体为各向同性材料。答：导热物体为各向同性材料。3 3(1)(1)mkxt/2000 ,q=,q=-2 2 10105 5(w/m(w/m2 2).).(2)(2)mkxt/2000,q=,q=2 2 10105 5(w/m(w/m2 2).).4.(1)4.(1),00 xq 3109xqw/mw/m2 2 (2)(2)5108.1q w/mw/m3 3 5.5.已知物体的热物性参数是、和已知物体的热物性参数是、和 c c，无内热源，试推导圆柱坐标系的导热无内热源，试推导圆柱坐标系的导热微分方程式。微分方程式。答：答：2222211()ttttarr rrrz 6.6.已知物体的热物性参数是、和已知物体的热物性参数是、和 c c，无内热源，试推导球无内热源，试推导球坐标系的导热微坐标系的导热微分方程式。分方程式。12 答：答：2222222111()(sin)sinsinttttarrrrrr 7.7.一半径为的实心球，初始温度均匀一半径为的实心球，初始温度均匀并等于并等于 t t0 0，突然将其放入一温度恒定，突然将其放入一温度恒定并等于并等于 t tf f的液体槽内冷却。已知球的的液体槽内冷却。已知球的热物性参数是、和热物性参数是、和 c c，球壁表面的表，球壁表面的表面传热系数为面传热系数为 h h，试写出描写球体冷却，试写出描写球体冷却过程的完整数学描述。过程的完整数学描述。答：答：2201(),0,00,0,0,()fr Rr RttrrRc rrrrR tttrRh ttr 0,0dtrdr 8.8.从宇宙飞船伸出一根细长散热棒，以从宇宙飞船伸出一根细长散热棒，以辐射换热将热量散发到外部空间去，辐射换热将热量散发到外部空间去，已知棒的发射率（黑度）为，导热系已知棒的发射率（黑度）为，导热系数为，棒的长度为数为，棒的长度为 l l，横截面面积为，横截面面积为 f f，13 截面周长为，棒根部温度为截面周长为，棒根部温度为0 0。外。外部空间是绝对零度的黑体，试写出描部空间是绝对零度的黑体，试写出描写棒温度分布的导热微分方程式和相写棒温度分布的导热微分方程式和相应的边界条件。应的边界条件。答：答：0)273(422fUtbxt x=0,t+273=Tx=0,t+273=T0 0 41)273(,txtxbx 第二章第二章 稳态导热稳态导热 14 1.1.为什么多层平壁中温度分布曲线不为什么多层平壁中温度分布曲线不是一条连续的直线而是一条折线？是一条连续的直线而是一条折线？答：因为不同材料的平壁导热系数不答：因为不同材料的平壁导热系数不同。同。2.2.导热系数为常数的无内热源的平壁导热系数为常数的无内热源的平壁稳态导热过程，若平壁两侧都给定第稳态导热过程，若平壁两侧都给定第二类边界条件，问能否惟一地确定平二类边界条件，问能否惟一地确定平壁中的温度分壁中的温度分布？为什么？布？为什么？答：不能。因为在导热系数为常数的答：不能。因为在导热系数为常数的无内热源的平壁稳态导热中无内热源的平壁稳态导热中tx为常数，为常数，q q 为定值，由为定值，由tqx 求解得求解得qtxc 常数常数 c c无法确定，所以不能惟一地确定平壁无法确定，所以不能惟一地确定平壁中的温度分布。中的温度分布。3.3.导热系数为常数的无内热源的平壁导热系数为常数的无内热源的平壁稳态导热过程，试问（稳态导热过程，试问（1 1）若平壁两侧）若平壁两侧 15 给定第一类边界条件给定第一类边界条件 t tw1w1和和 t tw2w2，为什，为什么这一导热过程的温度分布与平壁的么这一导热过程的温度分布与平壁的材料无关？为什么？（材料无关？为什么？（2 2）相同的平壁）相同的平壁厚度，不同的平壁材料，仍给定厚度，不同的平壁材料，仍给定第一第一类边界条件，热流密度是否相同。类边界条件，热流密度是否相同。答：（答：（1 1）因为在该导热过程中）因为在该导热过程中12wwttdtcdx （2 2）不相同。因为）不相同。因为tqx，tx为定值，为定值，而而不同，则不同，则 q q 随之而变。随之而变。4.4.如果圆筒壁外表面温度较内表面温如果圆筒壁外表面温度较内表面温度高，这时壁内温度分布曲线的情形度高，这时壁内温度分布曲线的情形如何？如何？答：圆筒壁内的温度分布曲线为答：圆筒壁内的温度分布曲线为11121221ln()()lnwwwwwddttttttdd 5.5.参看图参看图 2 2-1919，已知球壁导热系数，已知球壁导热系数为为 16 常数，内外表面分别保持常数，内外表面分别保持 t tw1w1和和 t tw2w2，度推导空心球壁导热量计算公式和球度推导空心球壁导热量计算公式和球壁的导热热阻。壁的导热热阻。答：球体的答：球体的22222222211()(2)020ttttrrrrrrrrrttrrr 当当 r=rr=r1 1时，时，t=tt=tw1w1 当当 r=rr=r2 2时，时，t=tt=tw2w2 对 上 式 进 行 求 解 得对 上 式 进 行 求 解 得212111dtdrc rtcc r 121 1221 211wwtcc rtcc r 22111212211111wwwwwrrcttttctrr 所 以 球 体 的 温 度 分 布 为所 以 球 体 的 温 度 分 布 为2212121111wwwwwttttttrrrrrr 17 球体的导热量计算公式为球体的导热量计算公式为 Q=Aq=4 Q=Aq=4 r r2 2q,q,且且2122221121212211121214()14.411111()4wwwwwwttdtqrrdrc rrrttttQrc rcrrrr 空心球壁的导热量为空心球壁的导热量为1212111()4wwttrr，导热热，导热热阻为阻为12111()4rr 6.6.同上题，若已知边界条件改为第三类同上题，若已知边界条件改为第三类边界条件，即已知边界条件，即已知 t tf1f1,h,h1 1和和 t tf2f2,h,h2 2试推试推导通过空心球壁传热量的计算公式和导通过空心球壁传热量的计算公式和球壁的传热热阻。球壁的传热热阻。答：答：2111112222222212112212124()4()11111()4111()4wfffwfwwQr h ttttQr h ttQrrr hr httQrr 18 传热热阻为传热热阻为2212112211111()4rrr hr h 7 7答：通过砖墙总散热：答：通过砖墙总散热：=672=672（WW）8 8答：内表面温度答：内表面温度 t tw1w1=1.5=1.5 9 9 答：加 贴 泡 沫 层 厚 度 答：加 贴 泡 沫 层 厚 度=0.091(m)=0.091(m)=91(mm)=91(mm)10.10.答：保温层厚度答：保温层厚度147.0（mm）=147(mm)=147(mm)11.11.答：红砖层厚度应改为答：红砖层厚度应改为 500500（mmmm）12.12.答：该双层玻璃窗的热损失答：该双层玻璃窗的热损失 41.6641.66（WW）单层玻璃单层玻璃;其它条件不变时其它条件不变时热热损失损失 2682.682682.68（WW）1313答：第一层占总热阻答：第一层占总热阻比比：22.2%22.2%第二层占总热阻第二层占总热阻比比：51.951.9%第第三三层占总热阻层占总热阻比比：2 25.95.9%19 1414答：表面传热系数答：表面传热系数 K=30.23 W/K=30.23 W/（mm2 2 K K）热流通量热流通量 q=568q=5687 7.2.2 W/mW/m2 2 15.15.方案（方案（1 1）K=29.96 W/K=29.96 W/（mm2 2 K K）方案（方案（2 2）K=29.99 W/K=29.99 W/（mm2 2 K K）方案（方案（3 3）K=37.4 W/K=37.4 W/（mm2 2 K K）1616答：取修正系数答：取修正系数96.0 单位面积导热阻：单位面积导热阻：0.2040.204（mm2 2 K K）/W/W 1717答答:(1):(1)单位单位长度管壁中：长度管壁中：第一层材料导热阻：第一层材料导热阻：Wm（kR/)1066.1241 第二层材料导热阻：第二层材料导热阻：WmkR/517.022 第三层材料导热阻：第三层材料导热阻：WmkR/2796.023 (2)(2)每 米 蒸 汽 管 热 损 失每 米 蒸 汽 管 热 损 失 q q1 1=314.0(W/m)=314.0(W/m)(3)t(3)tw2w2=299.95=299.95 20 t tw3w3=137.61=137.61 18.18.解：调换解：调换比比调换前调换前减少减少 13.4113.41%1919电流是电流是 6.9356.935（A A）2020解：保温层材料厚度解：保温层材料厚度 71.5mm71.5mm 2121解：取保温材料外表面温度为室解：取保温材料外表面温度为室温温 2525时，蒸发量时，蒸发量 m=1.85m=1.85 kg/hkg/h 2 22.2.解：有，解：有，224hdc 2323根据现有知识，试对肋壁可以使根据现有知识，试对肋壁可以使传热增强的道理作一初步分析。传热增强的道理作一初步分析。答：肋壁加大了表面积，降低了对流答：肋壁加大了表面积，降低了对流换热的热阻，直到了增强传热的作用。换热的热阻，直到了增强传热的作用。24.24.一直径为一直径为 d d，长度为，长度为 l l 的细长圆杆，的细长圆杆，两端分别与温度为两端分别与温度为 t t1 1和和 t t2 2的表面紧密的表面紧密接触，杆的侧面与周围流体间有对流接触，杆的侧面与周围流体间有对流 21 换热，已知流体的温度为换热，已知流体的温度为 t tf f，而，而 t tf ftt1 1或或 t t2 2，杆侧面与流体间的表面传热系，杆侧面与流体间的表面传热系数为数为 h h，杆材料的导热系数为，杆材料的导热系数为，试写，试写出表示细长杆内温度场的完整数学描出表示细长杆内温度场的完整数学描述，并求解其温度分布。述，并求解其温度分布。答：把细长圆杆看作肋片来对待，那答：把细长圆杆看作肋片来对待，那么单位时间单么单位时间单位体积的对流散热量就位体积的对流散热量就是内热源强度。是内热源强度。2()4()()2ffvh ttddxh ttqdddx 224()0fd thttdxd 0 xl0 xl x=0 t=tx=0 t=t1 1 x=l t=tx=l t=t2 2 令令4hmd，则，则224()0fd thttdxd可化为可化为222()fd tm ttdx 肋的过余温度为肋的过余温度为=t=t-t tf f，则，则 1 1=t=t1 1-t tf f，2 2=t=t2 2-t tf f，222dmdx 12exp()exp()cmxcmx 22 根据边界条件，求得：根据边界条件，求得：211exp()exp()exp()mlcmlml 122exp()exp()exp()mlcmlml 所以该杆长的温度分布为：所以该杆长的温度分布为：2112exp()exp()exp()exp()exp()exp()exp()exp()mlmlmxmxmlmlmlml 25.25.解：温度解：温度xch9.18472.088.44 散热量散热量=321.33(W)321.33(W)2626解解:t:tf f=100=100 测温误差：测温误差：t=16t=16 2 27 7.解：材料改变后，测出解：材料改变后，测出 t tL L=99.85%=99.85%误差：误差：100100-99.85=0.1599.85=0.15 2828答：（答：（1 1）铝材料）铝材料961.0f (2)(2)钢材钢材853.0f 2929答：总散热量包括肋表面管壁面答：总散热量包括肋表面管壁面散热之和：散热之和：11.885kW11.885kW 23 31.31.答：散热量：答：散热量：484.29484.29（W/mW/m）32.32.答：答：3H，W21.154 34.34.答：接触面上答：接触面上温温差差 51.451.4 24 第三章第三章 非稳态导热非稳态导热 1.1.何谓正常情况阶段，这一阶段的特点何谓正常情况阶段，这一阶段的特点是什么？是什么？答：正常情况阶段：物体内各处温度答：正常情况阶段：物体内各处温度随时间的变化率具有一定的规律，该随时间的变化率具有一定的规律，该阶段为物体加热或冷却过程中温度分阶段为物体加热或冷却过程中温度分布变化的第二阶段。布变化的第二阶段。2.2.何谓集总参数分析，应用这种方法的何谓集总参数分析，应用这种方法的条件是什么？应怎样选择定型尺寸？条件是什么？应怎样选择定型尺寸？答：当答：当 Bi0.1Bi 区域内的流动及换热的机区域内的流动及换热的机制制。答：答：13Pr,Pr1,tt由公式，36 此时在边界层内热量扩散强度远大于此时在边界层内热量扩散强度远大于动量扩散。动量扩散。1212m31047.1 1313mt41078.9 14.14.局 部 表 面 传 热 系 数：局 部 表 面 传 热 系 数：2.22731.0mxh w/(mw/(m2 2 k)k)2.16082.0mxh w/(mw/(m2 2 k)k)13123.0mxh w/(mw/(m2 2 k)k)2.107145.0mxh w/(mw/(m2 2 k)k)平均表面平均表面 h=2142.4 w/(mh=2142.4 w/(m2 2 k)k)15.15.m3max1054.2 16.16.3422.0376.0 xyxyu 注：注：ux64.4 37 17.17.3max103.1m/sm/s 18.x18.xc c=0.923 m=0.923 m 全 板 长 为 层 流：全 板 长 为 层 流：h=13.9 h=13.9 W/(mW/(m2 2.k).k)(556 W 19.x19.xc c=0.026 m=0.026 m 紊紊流换流换热热系数关联式：系数关联式：h=24289 h=24289 W/(mW/(m2 2 k)k)(971577 W 20.x20.xc c=8.265m,=8.265m,全板长流动层流全板长流动层流 h=325.5 W/h=325.5 W/（mm2 2 K K），），W13020 2121Ux46.3 22.22.315402872.0reUxPRN 23.23.wfWdtbhtdytt 5 5-24 24 由边界层能量微分方程式直接由边界层能量微分方程式直接 38 导出能量积分方程式。导出能量积分方程式。解：常物性不可压缩流体，忽略粘性解：常物性不可压缩流体，忽略粘性耗散，二维的边界层能量微分方程表耗散，二维的边界层能量微分方程表示为：示为：222200000,tttttyytttuaxyytttudydyaxyydututdytdyttdyadxxyyuudyyxxduutdytdytdxxdddddddddduuuuuu=抖?+=抖?抖?+=抖?抖?-+-=-抖?抖?=-=-抖?抖-蝌?蝌?ttttt00000同样，上式在y方向上对整个温度边界层厚度积分，得进一步可写为由连续性方程知，代入上式得：0000),)tyywyuutdytdyaxxydtu tt dyadxyttdudyadxydddddqqqq=?抖+=-抖?-=-=蝌?tttt0000整理得（取过余温度上式变为:（即此为边界层能量积分方程。39 2 22 25.5.2020222nfwNbratt 2626.Q=120.5w.Q=120.5w 27.27.h=10h=104 4 W/(mW/(m2 2 k)k)28.h28.h2 2=8.24 W/(m=8.24 W/(m2 2 k)k)29.29.W8.296 30.30.使使2211GddG 31.h=31.4 W/(m31.h=31.4 W/(m2 2 k)k)40 第六章第六章 单相流体对流换热及准则关单相流体对流换热及准则关联式联式 41 1.1.试定性分析下列问题：试定性分析下列问题：（1 1）夏季与冬季顶棚内壁的表面传）夏季与冬季顶棚内壁的表面传热系数是否一样？热系数是否一样？（2 2）夏季与冬季房屋外墙外表面的）夏季与冬季房屋外墙外表面的表面传热系数是否相同？表面传热系数是否相同？（3 3）普通热水或蒸汽散热器片型高）普通热水或蒸汽散热器片型高或矮对其外或矮对其外壁的表面传热系数是否有壁的表面传热系数是否有影响？影响？（4 4）从传热观点看，为什么散热器）从传热观点看，为什么散热器一般都放在窗户的下面？一般都放在窗户的下面？（5 5）相同流速或者相同的流量情况）相同流速或者相同的流量情况下，大管和小管（管内或管外）的表下，大管和小管（管内或管外）的表面传热系数会有什么变化？面传热系数会有什么变化？答：（答：（1 1）夏季与冬季顶棚内壁的表面）夏季与冬季顶棚内壁的表面传热系数是不一样的。因为夏季与冬传热系数是不一样的。因为夏季与冬 42 季顶棚内壁与室内的空气温度的温差季顶棚内壁与室内的空气温度的温差是不一样的。是不一样的。（2 2）同（）同（1 1）夏季与冬季房屋外）夏季与冬季房屋外墙外表面的表面传热系数也是不一样墙外表面的表面传热系数也是不一样的。的。（3 3）普通热水或蒸汽散热器片型）普通热水或蒸汽散热器片型高或矮对其外壁的表面传热系数是有高或矮对其外壁的表面传热系数是有影响的。因为他们的定性尺寸是不一影响的。因为他们的定性尺寸是不一样的。样的。（4 4）因为窗户附近负荷大，散热）因为窗户附近负荷大，散热器放在窗户的下面可以在窗器放在窗户的下面可以在窗户附近形户附近形成一热幕，使冷负荷尽可能少的进入成一热幕，使冷负荷尽可能少的进入房间。这样使室内温度更均匀。房间。这样使室内温度更均匀。（5 5）相同流速或者相同的流量情）相同流速或者相同的流量情况下，大管的对流传热系数小，小管况下，大管的对流传热系数小，小管 43 的对流传热系数较大些。的对流传热系数较大些。2.2.传热学通常把“管内流动”称为内部传热学通常把“管内流动”称为内部流动，将“外掠平板，外掠圆管”等称为流动，将“外掠平板，外掠圆管”等称为外部流动，请说明它们的流动机制有外部流动，请说明它们的流动机制有什么差别。这些对流换热问题的数学什么差别。这些对流换热问题的数学描写有什么不同？描写有什么不同？答：管内流动对流换热的热阻主要在答：管内流动对流换热的热阻主要在边 界 层。边 界 层。Re410为 旺 盛 湍 流 区，为 旺 盛 湍 流 区，Re=2300=2300410为过度区。无论层流还是湍为过度区。无论层流还是湍流，都存在入口段，且入口段的换热流，都存在入口段，且入口段的换热很强。管内充分发展的流动与换热，很强。管内充分发展的流动与换热，表面传热系数表面传热系数 h h 为常数。管内流动的为常数。管内流动的换热边界条件有两种，即恒壁温及恒换热边界条件有两种，即恒壁温及恒热流条件。对层流和低热流条件。对层流和低uN数介质的流数介质的流动，两种边界条件结果不同。但队湍动，两种边界条件结果不同。但队湍 44 流和高流和高rp数介质的换热，两种边界条数介质的换热，两种边界条件的影响可以忽略不计，即换热的件的影响可以忽略不计，即换热的uN是是一样的。管内流动与外部流动其边界一样的。管内流动与外部流动其边界层也是不同的。内部湍流数学描写层也是不同的。内部湍流数学描写 0.80.023Re0.40.3ffnufrNPnn=加热流体冷却流体外 掠 单 管 关 联 式 为外 掠 单 管 关 联 式 为1/3ReReffnufrfNcP=c、n值根据来确定。5.5.答：第一种散热器进出口方法是最不答：第一种散热器进出口方法是最不利的，热水根本就不进入管内。第二利的，热水根本就不进入管内。第二种比较可靠，稳定。其要是受迫对流种比较可靠，稳定。其要是受迫对流是更可靠和稳定。第三种只能是受迫是更可靠和稳定。第三种只能是受迫对流，其可靠性和稳定性不及第二种对流，其可靠性和稳定性不及第二种的受迫对流。的受迫对流。6 6-12 12 答：（答：（1 1）.先计算管内流体的出口先计算管内流体的出口温度温度ft。()pffq dlMcttp=-。45（2 2）由于管壁为常热流边界条件。根）由于管壁为常热流边界条件。根据管内流体进出口温度的算术平均值据管内流体进出口温度的算术平均值计算出管内流体平均温度计算出管内流体平均温度2fffttt+=。（3.3.）由）由ft查表得流体的热物性参数值查表得流体的热物性参数值fffrflplnmr、。（4.4.）根据质量流量）根据质量流量 MM 及管子断面积，及管子断面积，求出管内流体速度求出管内流体速度24/()lMuMAdrrp=（5.5.）计算雷诺数）计算雷诺数eR，并判断流动状，并判断流动状态态并根据常热流的边界条件，选择相应并根据常热流的边界条件，选择相应的换热关联式。计算的换热关联式。计算uN （6.6由）由uN数，可计算出数，可计算出 h h。（7.7.）由常热流的边界条件，在热充分）由常热流的边界条件，在热充分发展段，流体与壁面间的温度差沿管发展段，流体与壁面间的温度差沿管长保持不变。长保持不变。46 6 6-13 13 关于管内对流换热的热进口段关于管内对流换热的热进口段的长度有几种表达方式，它们各适应的长度有几种表达方式，它们各适应什么条件？（什么条件？（1 1）从管子入口到热边界）从管子入口到热边界层在管中心闭合前的一段长度；（层在管中心闭合前的一段长度；（2 2）当当0.rhconstPxq=e和前的一段长度；（3）l/d=0.05R 答：对第一种表达方式，为热进口段答：对第一种表达方式，为热进口段长度的定义。适用于粘性流体在管内长度的定义。适用于粘性流体在管内进行对流换热的任何情形。对第二种进行对流换热的任何情形。对第二种表达方式，适用于常物性流体，在管表达方式，适用于常物性流体，在管内的流动状态为层流，且边界条件为内的流动状态为层流，且边界条件为常壁温的情形。常壁温的情形。6 6-1414 答：对外掠平板，随层流边界层答：对外掠平板，随层流边界层增厚，局部表面传热系数有较快的降增厚，局部表面传热系数有较快的降低。当层流想紊流转变后，低。当层流想紊流转变后，xh因紊流传因紊流传递作用而一迅速增大，并且明显高于递作用而一迅速增大，并且明显高于 47 层流，随后，由于紊流边界层厚度增层流，随后，由于紊流边界层厚度增加。加。xh再呈缓慢下降之势。对紊流情况再呈缓慢下降之势。对紊流情况下的管内受迫流动，在进口段，随着下的管内受迫流动，在进口段，随着边界层厚度的增加。局部表面传热系边界层厚度的增加。局部表面传热系数数xh沿主流方向逐渐降低。在进口处，沿主流方向逐渐降低。在进口处，边界层最厚，边界层最厚，xh具有最高值，当边界层具有最高值，当边界层转变为紊流后，因湍流的扰动与混合转变为紊流后，因湍流的扰动与混合作用又会使作用又会使xh有所提高，但只有少量回有所提高，但只有少量回升，其升，其xh仍小于层流。少量回升。仍小于层流。少量回升。xh再再逐渐降低并趋向于一个定值，该定值逐渐降低并趋向于一个定值，该定值为热充分发展段的为热充分发展段的xh。6 6-1515解：令解：令1h为管内流动气体与不锈为管内流动气体与不锈钢管内壁之间的对流表面传热系数。钢管内壁之间的对流表面传热系数。2h为室内空气与不锈钢管外壁之间的对为室内空气与不锈钢管外壁之间的对流表面传热系数。室内温度为流表面传热系数。室内温度为ft，微元，微元 48 段处不锈钢管壁温度为段处不锈钢管壁温度为1wt，管内微元段，管内微元段处流体的平均温度为处流体的平均温度为fxt，管径，管径为为 d.d.则则热平均式为热平均式为 21121()()wfxwfxh d ttdxhd ttdxI Rpp-1717h=9541.4 W/(mh=9541.4 W/(m2 2 k)k)18.d=114mm,L=23.1m18.d=114mm,L=23.1m 19.19.出口水流出口水流 t tf f=67=67 20.20.出口出口ctf097 2121.h=3328.2 w/(m.h=3328.2 w/(m2 2 k)k)t tmm=10.9=10.9 22.22.5.83 ft 10565.4 WW 23.23.24.24.类比定律类比定律;h=7051 w/(m;h=7051 w/(m2 2 k)k)光滑管：西得光滑管：西得一塔特公式一塔特公式 8026 8026 w/(mw/(m2 2 k)k)49 迪迪图斯图斯贝贝尔特式尔特式 7033 7033 w/(mw/(m2 2 k)k)2525H=5.2 w/(mH=5.2 w/(m2 2 k)k)26.h=16.3 w/(m26.h=16.3 w/(m2 2 k)k)27.h=227.h=20 0513 w/(m513 w/(m2 2 k)k)28.t28.tw w=65.24=65.24 h=31.42 w/(mh=31.42 w/(m2 2 k)k)W484 2929相差百分比：相差百分比：18.7%18.7%31.t31.tw w=158.5=158.5 32.p32.pmaxmax=50.463(kw)=50.463(kw)33.h=131.7 w/(m33.h=131.7 w/(m2 2 k)k)34.h=157.2 w/(m34.h=157.2 w/(m2 2 k)k)35.h=2035.h=20157 w/(m157 w/(m2 2 k)k)36.h=70.4 w/(m36.h=70.4 w/(m2 2 k)hk)h顺顺=69.5=69.5 w/(mw/(m2 2 k)k)50 373727 ft h=73.7 w/(mh=73.7 w/(m2 2 k)k)38.N=79.42(W)q=6559.3 38.N=79.42(W)q=6559.3 w/(mw/(m2 2 k)k)功耗比功耗比 82.6826 3939 比例比例 0.85 0.95 1 0.85 0.95 1 1.05 1.25 1.5 1.05 1.25 1.5 功耗功耗 50.87 70.02 80.09 50.87 70.02 80.09 90.21 133.18 190.6490.21 133.18 190.64 4040换热量换热量 W510809.1 N N 功耗功耗=65.5=65.5（WW）4242h=5.16 w/(mh=5.16 w/(m2 2 k)k)4343.W3154 51 44.44.mWq/132 45.45.W1016 h=4.233 w/(mh=4.233 w/(m2 2 k)k)46.46.