一、填空题1. 换热器效能的定义是______，其物理意义是______。
；换热器的实际换热效果与最大可能的换热效果之比
[解析] 换热器的效能
定义为：
。式中，分母为流体在换热器中可能发生的最大温差值，而分子则为冷流体或热流体在换热器中的实际温度差值中的大者。
3. 某一直径为0.1m、初始温度为300K的轴，其密度为7832kg/m
3，导热系数为
，比热为
。将该轴置于温度为1200K的加热炉中，其表面对流换热系数为
，则其时间常数为______；要使其中心温度达到800K，则放入加热炉内约需要加热______分钟(用集中参数法)。
3s；859.02s
[解析] 先检验是否可用集中参数法。
故可以采用集中参数法。
根据时间常数的定义可知
把
、
、
、d=0.1m代入上式，计算可得时间常数为：
。
根据集中参数法温度场的分析解，可得
把
、
、
、
代入上式，可得：
。
4. 自然对流传热是指______过程：强制对流传热是指______过程。
不依靠泵或风机等外力推动，由流体自身温度场的不均匀所引起的流动；由于泵、风机或其他外部动力源所造成的对流传热
5. 影响物体导热系数的因素是______、______。
物质的种类；温度
[解析] 金属的导热系数很高，气体的导热系数很小，液体的数值介于金属和气体之间；大多数材料的导热系数都容许采用线性近似关系，即
。
6. Bi数与物理量______、______成正比，与物理量______成反比，其物理意义为______。
表面传热系数；特征尺寸；导热系数；导热物体内部导热热阻与外部对流换热热阻的比值
[解析] 毕渥数Bi的表达式为
式中
为内部导热热阻，
为对流换热热阻。
三、简答题1. 写出牛顿冷却定律在外部流动、内部流动以及沸腾过程中的形式，并指出各温度的物理意义。
牛顿冷却定律在外部流动、内部流动以及沸腾过程的表达式分别为
，
，
其中，
为固体壁面表面温度，
为流体温度，
为流体在管道横截面上的平均温度，
为相应压力下液体的饱和温度。
2. 无内热源的大平壁稳态导热的温度场如下图所示，试分析它的导热系数l是随温度增加而增加还是随温度增加而减小?
大平壁稳态导热时，各截面热流密度都相等，即
图中
随x增加而增加，因而λ随x增加而减小，而温度t随x增加而增加，所以导热系数l随温度增加而减小。
3. 简述空气遇到竖壁时局部表面传热系数的变化。
空气遇到竖壁时，局部表面传热系数随不同流动状态而变化。
(1)层流时，换热热阻完全取决于薄层的厚度。从换热壁面下端开始，随着高度的增加，层流薄层的厚度也逐渐增加。与此相对应，局部表面传热系数h
x也随高度增加而减小；
(2)高度继续升高时，层流会进入过渡阶段，此时由于流动扰动和混合，局部对流换热系数增大；
(3)如果壁面足够高，流体的流动变为湍流，进入湍流时换热系数有所提高；
(4)旺盛湍流时的局部表而传热系数几乎是个常数。
如下图所示是局部换热系数h
x随高度的变化而变化的曲线。
4. 试分析棉花的保温原理。
棉花本身的导热系数较小外，主要还是因为棉絮间含有大量积存空气的细小空间，不流动的空气导热系数也很小，二者合在一起使整体的导热性能下降，提高了保温效果。
5. 什么是辐射换热角系数X
1，2?计算下面如下图所示中面1到面2的角系数。
表面1发出的辐射能落到表面2上的份额称为表面1对表面2的角系数。
(a)因为
(b)因为
(c)假设在球的顶面有另一块无限大平板存在，由对称性知
(d)依题意角系数
6. 大空间自然对流换热准则关系式
中不出现Re数，试问下述四种解释哪一种是正确的?
①不需考虑粘性力的影响；
②不需考虑惯性力的影响；
③Re是非定型(待定)准则；
④此时没有流速分布。
②是正确的。Gr是浮升力与粘性力之比的一种量度，Re是惯性力与粘性力之比的一种量度。而对于大空间自然对流问题，其主要作用的是浮升力与粘性力。
7. 蒸汽中含有不凝性气体将对膜状凝结换热会产生什么影响?分析产生影响的原因。
蒸汽中含有不可凝结的气体会使表面传热系数显著降低。
这是因为在靠近液膜表面的蒸汽侧，随着蒸汽的凝结，蒸汽分压力减小而不凝结气体的分压力增大。蒸汽在抵达液膜表面进行凝结前，必须以扩散方式穿过聚集在界面附近的不凝结气体层。不凝结气体层的存在增加了传递过程的阻力。同时蒸汽分压力的降低，使得相应的饱和温度下降，减小了凝结的动力
，也使得凝结过程削弱。
8. 一圆管外表面敷设热绝缘层，如果总的管外径小于临界绝缘直径，则与不敷设绝热层的圆管相比，每米管长的散热损失是否会降低。
因为当管外径小于临界热绝缘直径时，随着管外径的增加散热量将增大。所以圆管外面敷设热绝缘层与不敷设绝热层的圆管相比，每米管长的散热损失会增加。
四、计算题1. 在一次对流换热试验中，10℃的水以1.6m/s的流速流入内径为28mm、外径为32mm、长为1.5m的管子。管子外面均匀地缠绕着电阻带作为加热器，其外还包有绝热层。设加热器总功率的42.05kW，通过绝热层的散热损失为2%，管材的导热系数为18W/(m·K)。试确定：(1)管子出口处的水的平均温度；(2)管子外表面的平均壁温。已知管内对流换热的准则数方程为：Nu=0.023Re
0.8Pr
0.4，在平均温度下，水的物性参数如下：ρ=999kg/m
3，c=4187kg·K，λ=0.5865W/(m·K)，v=1.156×10
-6m
2/s，Pr=8.27。
水的质量流量
换热量
则
，故
所以
又
，则
而
，所以
根据一维无限长圆柱体的导热公式
则圆管外表面和内表面的温差为
管子外表面的平均壁温为
2. 将一初始温度为
的固体，突然置于壁面和空气温度均为
的大房间里。空气和固体间的对流表面传热系数为h，固体体积为V，表面积为A，密度为ρ，比热容为c，可认为是黑体，若假设固体内部温度分布均匀(集总参数)，考虑辐射、对流和非稳态导热，写出固体温度T随时间τ变化的微分方程。
设α为辐射和对流的复合表面换热系数，则τ时刻有
固体温度T随时间τ变化的微分方程为
3. 某小型电加热炉炉膛长宽都为0.5m，高为0.3m，底面为加热表面，温度维持在400℃，顶面温度维持在100℃，四周侧面绝热。假定所有表面的发射率都为0.8，试计算为维持炉子底面温度所需的加热功率(已知底面对顶面的角系数为0.38)。
把问题看作三表面封闭系统，设电加热炉的底面为表面1，顶面为表面2，四周侧面为表面3，则本问题的等效网络图如下图所示。
由题意可知底面等于顶面的面积，即
，又由底面对顶面的角系数为
，可知底面对四周侧面的角系数为
。
根据角系数的相对性可得
故可得顶面对四周侧面的角系数为
。
根据已知条件可得
根据能量守恒定律可知维持炉子底面温度所需的加热功率为
4. 假设把人体简化成为直径为275mm、高1.75m的等温竖直圆柱，其表面温度比人体体内的正常温度低2℃，试计算该模型位于静止空气中时的自然对流散热量，并与人体每天的平均摄入热量(5440kJ)相比较。圆柱两端面的散热可不予考虑，人体正常体温按37℃计算，环境温度为25℃。
假定可采用如下的竖直圆柱体外自然对流换热准则式：
。
空气的物性参数为
20℃：
，
，
。
40℃：
，
，
。
空气的定性温度为
经计算其物性参数为
，
，
其中
所以，自然对流表面换热系数为
散热量
每天的散热量
，表面发射率分别为
和
。为减少两板间的辐射热流，用一个两侧面发射率不同(分别为
和
，且
)的遮热板将两板隔开。问：5. 为使两板之间的辐射换热有最大的减少，遮热板应如何放置?即应该将该板发射率小的(
)还是大的(
)一面朝向温度为
的平板?
不管遮热板如何放置，其辐射网络图如下图所示。
角系数
，
，
，
系统的总辐射热阻
可见，无论遮热板如何放置，系统总热阻R与遮热板的放置无关，而辐射热流为
，因此，热流也与遮热板的放置位置无关。
6. 上述两种放置方式中，哪一种使遮热板温度更高?
假定遮热板辐射力为
，遮热板两侧面的表面热阻为
，
故
。
在总辐射热流不变时，若发射率小的一面朝向表面1，
与
之间的辐射热阻增大，则
更小，即温度
更低。
)制作内外直径分别为0.5m及0.6m的球罐，里面装满了具有放射性的化学废料，废料体积发热率为qV=120kW/m3。将该球罐置于30℃的水流中冷却，假设球罐表面传热系数
，试求在稳定工况条件下：7. 球罐外表面散热量；
球罐的容积为：
总发热热流为：
由牛顿冷却公式
可知
8. 球罐外表面温度；
球壳的外表温度：
9. 球罐的内表面温度。
球壳导热公式为
。
由球壳导热公式可知球壳内表面温度
数中，
表示______，
表示______。
深色：已答题 浅色：未答题