傳熱學(xué)第四版課后習(xí)題答案(楊世銘)

1、第一章 第一章思考題 思考題 1． 試用簡練的語言說明導(dǎo)熱、對流換熱及輻射換熱三種熱傳遞方式之間的聯(lián)系和區(qū)別。答： 答：導(dǎo)熱和對流的區(qū)別在于：物體內(nèi)部依靠微觀粒子的熱運動而產(chǎn)生的熱量傳遞現(xiàn)象，稱為導(dǎo)熱；對流 則是流體各部分之間發(fā)生宏觀相對位移及冷熱流體的相互摻混。聯(lián)系是：在發(fā)生對流換熱的同時必然伴 生有導(dǎo)熱。 導(dǎo)熱、對流這兩種熱量傳遞方式，只有在物質(zhì)存在的條件下才能實現(xiàn)，而輻射可以在真空中傳播，輻射 換熱時不僅有能 量的轉(zhuǎn)移還伴有能量形

2、式的轉(zhuǎn)換。2． 以熱流密度表示的傅立葉定律、牛頓冷卻公式及斯忒藩－玻耳茲曼定律是應(yīng)當(dāng)熟記的傳熱學(xué)公式。試寫 出這三個公式并說明其中每一個符號及其意義。答： 答：① 傅立葉定律： dxdt q ? ? ?，其中， q －熱流密度；? －導(dǎo)熱系數(shù)； dxdt－沿 x 方向的溫度變化 率， “－”表示熱量傳遞的方向是沿著溫度降低的方向。② 牛頓冷卻公式： ) ( f w t t h q ? ? ，其中， q －熱流密度；h －表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

3、； w t －固體表面溫度； f t －流體的溫度。③ 斯忒藩－玻耳茲曼定律：4 T q ? ? ，其中， q －熱流密度；? －斯忒藩－玻耳茲曼常數(shù)；T － 輻射物體的熱力學(xué)溫度。3． 導(dǎo)熱系數(shù)、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)及傳熱系數(shù)的單位各是什么？哪些是物性參數(shù)，哪些與過程有關(guān)？答： 答：① 導(dǎo)熱系數(shù)的單位是：W/(m.K)；② 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的單位是：W/(m2.K)；③ 傳熱系數(shù)的單位是： W/(m2.K)。這三個參數(shù)中，只有導(dǎo)熱系數(shù)是物性參數(shù)

4、，其它均與過程有關(guān)。4． 當(dāng)熱量從壁面一側(cè)的流體穿過壁面?zhèn)鹘o另一側(cè)的流體時，冷、熱流體之間的換熱量可以通過其中任何一 個環(huán)節(jié)來計算（過程是穩(wěn)態(tài)的） ，但本章中又引入了傳熱方程式，并說它是“換熱器熱工計算的基本公 式” 。試分析引入傳熱方程式的工程實用意義。答： 答：因為在許多工業(yè)換熱設(shè)備中，進行熱量交換的冷、熱流體也常處于固體壁面的兩側(cè)，是工程技術(shù)中 經(jīng)常遇到的一種典型熱量傳遞過程。5． 用鋁制的水壺?zé)_水時，盡管爐火很旺，但水壺仍然安

5、然無恙。而一旦壺內(nèi)的水燒干后，水壺很快就燒 壞。試從傳熱學(xué)的觀點分析這一現(xiàn)象。 答： 答：當(dāng)壺內(nèi)有水時，可以對壺底進行很好的冷卻（水對壺底的對流換熱系數(shù)大） ，壺底的熱量被很快傳 走而不至于溫度升得很高；當(dāng)沒有水時，和壺底發(fā)生對流換熱的是氣體，因為氣體發(fā)生對流換熱的表面 換熱系數(shù)小，壺底的熱量不能很快被傳走，故此壺底升溫很快，容易被燒壞。6． 用一只手握住盛有熱水的杯子，另一只手用筷子快速攪拌熱水，握杯子的手會顯著地感到熱。試分析其 原

6、因。 答： 答：當(dāng)沒有攪拌時，杯內(nèi)的水的流速幾乎為零，杯內(nèi)的水和杯壁之間為自然對流換熱，自熱對流換熱的 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)小，當(dāng)快速攪拌時，杯內(nèi)的水和杯壁之間為強制對流換熱，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大，熱水有更多 的熱量被傳遞到杯壁的外側(cè)，因此會顯著地感覺到熱。7． 什么是串聯(lián)熱阻疊加原則，它在什么前提下成立？以固體中的導(dǎo)熱為例，試討論有哪些情況可能使熱量 傳遞方向上不同截面的熱流量不相等。 答： 答：在一個串聯(lián)的熱量傳遞過程中，如果通過每個環(huán)節(jié)的熱流量

7、都相同，則各串聯(lián)環(huán)節(jié)的總熱阻等于各 串聯(lián)環(huán)節(jié)熱阻的和。例如：三塊無限大平板疊加構(gòu)成的平壁。例如通過圓筒壁，對于各個傳熱環(huán)節(jié)的傳 熱面積不相等，可能造成熱量傳遞方向上不同截面的熱流量不相等。8.有兩個外形相同的保溫杯 A 與 B，注入同樣溫度、同樣體積的熱水后不久，A 杯的外表面就可以感覺到 熱，而 B 杯的外表面則感覺不到溫度的變化，試問哪個保溫杯的質(zhì)量較好？答：Ｂ：杯子的保溫質(zhì)量好。因為保溫好的杯子熱量從杯子內(nèi)部傳出的熱量少，經(jīng)外部散

8、熱以后，溫度 變化很小，因此幾乎感覺不到熱。 能量平衡分析 能量平衡分析 1-1 夏天的早晨，一個大學(xué)生離開宿舍時的溫度為 20℃。他希望晚上回到房間時的溫度能夠低一些，于是早 上離開時緊閉門窗，并打開了一個功率為 15W 的電風(fēng)扇，該房間的長、寬、高分別為 5m、3m、2.5m。如 果該大學(xué)生 10h 以后回來，試估算房間的平均溫度是多少？是為了減少內(nèi)外膽之間的氣體介質(zhì)，以減少其對流換熱的作用。如果密閉性破壞，空氣進入兩層夾縫中形成

9、了內(nèi)外膽之間的對流傳熱，從而保溫瓶的保溫效果降低。 導(dǎo)熱 導(dǎo)熱1-9 一磚墻的表面積為 122 m ，厚為 260mm，平均導(dǎo)熱系數(shù)為 1.5W/（m.K） 。設(shè)面向室內(nèi)的表面溫度為 25 ℃，而外表面溫度為-5℃，試確定次磚墻向外界散失的熱量。 解： 解：根據(jù)傅立葉定律有：W t A 9 . 2076 26 . 05 ) ( 25 12 5 . 1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?1-10 一爐子的爐墻厚 13cm，總面

10、積為 202 m ，平均導(dǎo)熱系數(shù)為 1.04w/m.k，內(nèi)外壁溫分別是 520℃及 50 ℃。試計算通過爐墻的熱損失。如果所燃用的煤的發(fā)熱量是 2.09×104kJ/kg，問每天因熱損失要用掉多少千 克煤？ 解： 解：根據(jù)傅利葉公式KW t A Q 2 . 75 13 . 0) 50 520 ( 20 04 . 1 ? ? ? ? ? ? ? ??每天用煤d Kg / 9 . 310 10 09 . 22 . 75 3600

11、244 ? ?? ?1-11 夏天，陽光照耀在一厚度為 40mm 的用層壓板制成的木門外表面上，用熱流計測得木門內(nèi)表面熱流密 度為 15W/m2。外變面溫度為 40℃，內(nèi)表面溫度為 30℃。試估算此木門在厚度方向上的導(dǎo)熱系數(shù)。解： 解： ? ? t q ? ?，) . /( 06 . 0 30 4004 . 0 15 K m W tq ? ?? ? ? ? ? ?1-12 在一次測定空氣橫向流過單根圓管的對流換熱實驗中，得到下列

12、數(shù)據(jù)：管壁平均溫度 tw=69℃，空氣溫 度 tf=20℃，管子外徑 d=14mm，加熱段長 80mm，輸入加熱段的功率 8.5w，如果全部熱量通過對流換熱傳 給空氣，試問此時的對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)多大？ 解： 解：根據(jù)牛頓冷卻公式? ? f w t t rlh q ? ? ? 2所以 ? ? f w t t dq h ? ? ? ＝49.33W/(m2 .k)1-13 對置于水中的不銹鋼束采用電加熱的方法進行壓力為 1

13、.013 Pa 5 10 ? 的飽和水沸騰換熱實驗。測得加熱 功率為 50W，不銹鋼管束外徑為 4mm，加熱段長 10mm，表面平均溫度為 109℃。試計算此時沸騰換熱的表 面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。解： 解：根據(jù)牛頓冷卻公式有 t Ah? ? ?2 . 4423 ? ? ? ? ? t A h W/(m2 .K)1-14 一長寬各為 10mm 的等溫集成電路芯片安裝在一塊地板上，溫度為 20℃的空氣在風(fēng)扇作用下冷卻芯片。芯片最高允許溫度為

14、85℃，芯片與冷卻氣流間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為 175 W/(m2 .K)。試確定在不考慮輻射 時芯片最大允許功率時多少？芯片頂面高出底板的高度為 1mm。解： 解： ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 001 . 0 01 . 0 4 01 . 0 01 . 0 . / 175 2max K m W t hA (85℃-20℃)＝1.5925W1-15 用均勻的繞在圓管外表面上的電阻帶作加熱元件，以進行管內(nèi)流體對

15、流換熱的實驗，如附圖所示。用功率表測得外表面加熱的熱流密度為 3500W/2 m ；用熱電偶測得某一截面上的空氣溫度為 45℃，內(nèi)管壁溫 度為 80℃。設(shè)熱量沿徑向傳遞，外表面絕熱良好，試計算所討論截面上的局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。圓管的外徑 為 36mm，壁厚為 2mm。解： 解：由題意 3500W/ ? ? ? ? rl h Rl m ? ? 2 2 2 （80℃-45℃）又 r= ? ? R =(18-2)mm=16mm5 . 1