一、简答题1. 为什么太阳灶的受热表面要做成粗糙的黑色表面,而辐射采暖板不需要做黑色?
(1)太阳灶受热表面做成粗糙黑色表面的原因
①太阳灶要求吸收太阳辐射的能量要多,而太阳辐射射线的能量主要位于短波范围,最佳的太阳灶受热面应是部分光谱全部吸收,α(λ)=1(如λ<3μm),黑色表面有利于吸收可见光(属于短波辐射);
②另一方面太阳灶要求本身辐射出去的能量要尽量少,而太阳灶本身辐射出去的能量因温度不是太高主要位于长波部分,粗糙表面能使长波辐射投射到自身而减少辐射热损失。
两方面综合,粗糙的黑色表面吸收太阳能最多,损失的长波辐射最少。把太阳灶的受热面做成粗糙的黑色表面能基本满足上述要求,因此,太阳灶的受热表面要做成粗糙的黑色表面。
(2)辐射采暖板不用做成黑色的原因
对于辐射采暖板,其表面温度不高,大部分辐射射线的能量位于长波范围。此时,采用粗糙的黑色表面,α(λ)≈0。由基尔霍夫定律,ε(λ)≈0,反而阻碍其散热,因此辐射采暖板不需要做成黑色。
2. 为什么白天从远处看房屋的窗孔有黑洞洞的感觉?
白天从远处看房屋的窗孔有黑洞洞感觉的原因:因为房屋尺寸比窗口尺寸大得多,外界通过窗口投射到房屋的能量,经房屋内壁多次吸收和反射,再经窗口射出的能量就比较小了,所以白天从远处看房屋窗孔就有黑洞洞的感觉。如果窗口足够小,就是人工黑体模型。
3. 从泡态沸腾机理分析,为什么大容器核态沸腾时,沸腾液体具有一定的过热度?
沸腾液体具有一定的过热度的原因:气泡处于既不长大,又不缩小的平衡状态时,必须满足的力平衡条件和热平衡条件分别为

当忽略液柱静压差时,p
1=p
s,与p
0对应的饱和温度为t
s,与p
0对应的蒸气饱和温度为t
v。由于p
v>p
0,t
v>t
s,由热平衡条件可知,t
v=t
1>t
s。令δ
t=t
1-t
s,可以看出,沸腾液体总是具有一定的过热度δ
t。
4. 长度为直径10倍的圆管外壁的膜状冷凝传热,管子如何放置传热速率最大?是水平还是垂直?
管子水平放置时传热速率最大。
(1)垂直壁层流膜状凝结的平均表面传热系数

(2)水平圆管外壁凝结的平均表面传热系数

比较以上两式,除系数不同外,主要是定型尺寸,对垂直壁为长度l,对水平管则为外径d。因此,只要不是很短的管子,横放时管外的凝结表面传热系数将高于竖放。例如,在相同条件下,当长径比l/d=50时,水平管的平均表面传热系数是垂直管的2倍多(按层流分析),故冷凝器设计中,通常多采用水平布置。
5. 建立如下图所示气泡生成的条件。
气泡生成的条件:在液体沸腾过程中一个球形汽泡存在的条件是液体必须有一定的过热度。
(1)这是因为从汽泡的力平衡条件得出

,只要汽泡半径不是无穷大,蒸汽压力就大于液体压力,它们各自对应的饱和温度就不同有

;
(2)又由汽泡热平衡条件有

,而汽泡存在必须保持其饱和温度,那么液体温度

,即大于其对应的饱和温度,也就是液体必须过热。
6. 什么是非稳态导热问题的乘积解法,该解法使用条件是什么?
(1)对于二维或三维非稳态导热问题的解等于对应几个一维问题解的乘积,其解的形式是无量纲过余温度,这种解法称为非稳态导热问题的乘积解法。
(2)非稳态导热问题的乘积解法使用条件是恒温介质,第三类边界条件或边界温度为定值、初始温度为常数。
7. 用铝制的水壶烧开水时,尽管炉火很旺,但水壶仍安然无恙。而一旦壶内的水烧干后,水壶很快就被烧坏。试用传热学的观点分析这一现象。
(1)用铝制的水壶烧开水时,由于壶内水与壶内表面之间的对流换热系数远远大于壶外空气与壶外表面间的对流换热系数,根据传热过程的特点,水壶的温度近似等于壶内水的温度,而壶内水的温度不超过100℃,因此水壶不会被烧坏;
(2)而一旦壶内的水烧干后,壶内壁面与空气发生自然对流传热,表面传热系数较小,此时水壶壁面温度接近于火焰的温度,而火焰的温度非常高,高于铝的温度极限,水壶很快就被烧坏。
8. 夏季在维持20℃的空调教室内听课,穿单衣感觉很舒适,而冬季在同样温度的同一教室内听课却必须穿绒衣。假设湿度不是影响的因素,试从传热的观点分析这种反常的“舒适温度”现象。
夏季人体的散热量为

冬季人体的散热量为

式中:

,

分别为夏季和冬季人体的总散热量;

,

分别为夏季人体的对流换热量与辐射换热量;

,

分别为冬季人体的对流换热量与辐射换热量。
这种反常的“舒适温度”现象是由于冬夏两季室内的风速变化不大,因此对流换热量

;但由于人体与围护结构内壁面的温差冬季远大于夏季,辐射换热量

,所以在室温相同时,

,说明人体冬季散热量更多,为维持热舒适,冬季应多穿或者穿厚一些的衣物。
二、计算题1. 有人对一阶导数

提出了以下表示式

您能否判断这一表达式是否正确,为什么?
这一表达式不正确。

的实质是求解函数一阶导数的三点公式。由泰勒级数可导得一阶导数的近似公式

代入上式得

正确的表达式应是

2. 热空气以流量M=0.05kg/s,通过一直径为0.15m,长为5m的钢皮风道,热空气的进、出口温度分别为103℃及75℃,求风道的散热损失及风道内壁的平均温度。空气在90℃时的物性为:c
p=1009J/(kg·K);λ=0.0313W/(m·K);μ=21.5×10
-6kg/(m·s);Pr=0.69。管内流动换热常用的经验关系式有

先通过雷诺数判断流体流动的流态。根据雷诺数的定义可知

根据流量的定义可知

整理以上两式可得

由此可以判断该流态为湍流。
所以,采用如下实验关联式

根据努塞尔数的定义可知,对流换热系数为

根据能量守恒可得

其中,

为流体的平均温度

把

、

、

、

、

、

、

代入上式可得

,

。
综上,风道的散热损失为

,风道内壁的平均温度

。
3. 下面为两个第三类边界条件的表达式

你认为哪一个式子是正确的?
如下图所示给出了热流密度和温度梯度的方向示意,温度梯度的方向与热量传递方向相反。
因此

正确。
模型示意
4. 长5m,高3m,厚250mm的普通黏土砖墙,在冬季供暖的情况下,如果室内外表面温度分别为15℃和-5℃,黏土砖的导热系数为0.81W/(m·℃),试求:通过该砖墙的热损失;如已知墙外壁与大气间的表面传热系数为10W/(m
2·℃),求大气温度。
由于室温高于室外气温,热量由室内传递到室外,墙体以导热方式传递的热量为

因

,故

5. 写出无限长的长方柱体(0≤x≤a,0≤y≤b)二维稳态导热问题完整的数学描述。长方柱体的导热系数为常数;内热源强度为

;在x=0处的表面绝热,x=a处表面吸收外界温度为t
f的流体的热量,y=0处的表面保持恒定温度t
0,y=b处的表面对温度为0的流体放出热量。
由题意知,该问题的导热微分方程为

边界条件

6. 一太阳能集热器的玻璃盖板面对太阳,测出太阳对该板的总辐射照度为G=800W/m
2,环境温度为t
f=25℃,不考虑对流换热。已知玻璃表面的发射率为ε=0.90,而玻璃对太阳辐射的吸收率为α
1=0.12,试计算该板的辐射平衡温度;如考虑对流换热,且已知表面对流换热系数h=10W/(m
2·K),试计算此时板表面的平衡温度。
(1)依据热平衡原理,玻璃吸收来自太阳的能量等于平板对周围环境辐射的热量

(2)当考虑对流换热时,玻璃吸收来自太阳的能量一玻璃与周围环境的辐射热量+玻
璃与空气之间对流换热量之和

通过迭代求解可得

。
7. 炉子的炉墙厚13cm,总面积为20m
2,平均导热系数为1.04W/(m·℃),内外壁温分别为520℃和50℃。试计算通过炉墙的热损失。如果燃煤的发热值为2.09×10
4kJ/kg,问每天因热损失要多用掉多少煤?

即每天因热损失要多用掉煤310kg。
8. 某商场的防排烟系统设置有火灾报警系统,其报警系统方式为导线熔断报警,已知该导线的熔点温度等于t
r=500℃,导热系数λ=210W/(m·K),密度ρ=7200kg/m
3,比热c
p=420J/(kg·K),初始温度t
0=25℃,h=12W/(m
2·K)。若要求该报警系统的导线在突然受到600℃烟气加热情况下,1分钟内需发出报警信号,导线直径最大为多少?
假设该问题可以采用集总参数法求解。则

代入

,解得

则R=2.7×10
-4m。
校核

因此,假设成立。
直径

故导线直径最大为0.54mm。
9. 一厚为20cm的平壁,一侧绝热,另一侧暴露于温度为30℃的流体中,内热源:

W/m
3。对流换热表面传热系数为450W/(m
2·K),平壁的导热系数为30W/(m·K)。试确定平壁中的最高温度及其位置。
由题意知该问题是具有内热源的一维导热问题,其导热微分方程为

边界条件

解微分方程得该平壁内的温度场

温度最高处

10. 如图1所示,有一环形空间,其内充满发射率和透射率分别为0.3和0.7的气体。环形空间的内、外直径分别是30cm和60cm,表面发射率分别为0.5和0.3。内表面的温度为760℃,外表面温度为370℃。计算从热表面到冷表面,每单位长度的净辐射换热量及气体的温度各为多少(忽略对流的影响)?
图1
本题中气体不流动,又无内热源。在整个系统达到热稳定状态后,气体吸收的能量必然等于它所发射出去的能量,即气体为一种重辐射介质。这时的热网络图如图1所示。
由题可得

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

则

表面热阻

环形空间的内、外表面1和2之间,因有辐射气体存在,所以单位管长的辐射换热量为

所以,空间热阻为

同理,内外表面与气体间的空间热阻分别为

热表面到冷表面每单位长度的净辐射换热量为

因为

解得

,

又

解得

。
故

。
一蒸汽锅炉炉膛中的蒸发受热面管壁受到温度为1000℃的烟气加热,管内沸水温度为200℃,烟气与受热面管子外壁间的复合换热表面传热系数为100W/(m2·K),沸水与内壁间的表面传热系数为5000W/(m2·K),管子外径为52mm,壁厚6mm,管壁导热系数λ=42W/(m·K)。试计算下列3种情况下受热面单位长度上的热负荷和管壁平均温度:12. 外表面结了一层厚为1mm的烟灰,其λ=0.08W/(m·K);
13. 内表面上有一层厚为1mm的水垢,其λ=1W/(m·K)。
内表面上有一层厚为1mm的水垢时,热负荷

管壁平均温度

可见,不论结水垢还是灰垢都会使热负荷下降,而结水垢还会使管壁温度上升,造成安全隐患。