上海理工大学研究生考试《传热学》复习题

上海理工大学研究生考试《传热学》复习题

一．导热

1.（06年一.3/05年一.3）热电偶的时间常数问题。 ①影响因素：热电偶的几何参数（V/A），物理性质（ρ、c），换热条件（h）。

②对换热条件的要求：尽可能减小体面比V/A，同时在满足集中参数法条件（Bi≦0.1）下尽可能强化对流换热（增大h）。

2.（03年一.5）对非稳态导热而言，导热微分方程中只出现热扩散系数a。那是否可以认为，非稳态导热只与热扩散系数a有关，而与导热系数λ无关？

答：由于描述一个导热问题的完整数学描写不仅包括控制方程，还包括定解条件。所以虽然非稳态导热的控制方程只与热扩散系数a有关，但边界条件中却有可能包括导热系数λ（如第二或第三边界条件）。因此上述观点不对。

二．对流

1.（10年一.7）有人说对流换热的强度从本质上决定于导热过程，请解释这种说法是否正确，并从对流换热强化方法上至少举出两种强化方法来佐证你的看法。 答：这种说法是对的，因为对流传热是由流体宏观运动所造成的热量转移以及贴壁处流体中分子导热所产生的热量传递联合作用的结果，对流传热量就等于贴壁流体层的导热量（不考虑辐射）。比如对于单相对流传热，通过减薄边界层来强化换热就是为了减小流体的导热热阻。对于相变对流传热，通过减薄或破坏液膜也是为了减小液膜的导热热阻。

2.（06年一.7）影响外掠管束对流换热表面传热系数h的因素。

答：①管子排数n。②管间距s1/d,s2/d。③管束排列方式（叉排还是顺排）。④流体流动方向与管束轴向夹角θ。⑤流体的物性。⑥流体的流速u。

3.（04年一.10）在稳定膜态沸腾过程中，为什么换热系数随Δt增加而迅速上升？

答：因为此时Δt>200℃，在加热表面上形成了稳定的蒸汽膜层，产生的蒸汽有规则地排离膜层，再加上此时壁面温度远高于液体饱和温度，汽膜内有不能忽略的辐射传热，所以换热强度又进一步提高，换热系数随Δt增加而迅速上升。

4.（03年一.3）两滴完全相同的水滴在大气压下分别滴在表面温度为120℃和400℃的铁板上，试问滴在哪块板上的水滴先被烧干，为什么？

答：在大气压下发生沸腾传热时，上述两水滴的过热度分别是Δt=tw－ts=20℃和300℃，由大容器饱和沸腾曲线知，前者表面发生的是核态沸腾，后者发生的是膜态沸腾。虽然前者传热温差小，但其表面传热系数大，从而表面热流反而大于后者。所以水滴滴在120℃的铁板上先干。

5.（04年一.9）试说明为什么一根管子水平放置时自然对流传热一般大于竖直放置时的自然对流传热？

答：因为管子竖直放置时，相当于竖直平板，流体热边界层较厚，而水平放置时热边界层较

薄，且存在由于边界层分离而产生的旋涡，增加了流体的扰动，因而自然对流传热更强。

6. Nu数与Bi数。

Nu数：Nu=hl/λ，λ为流体的导热系数，h一般未知，因而Nu数是待定特征数。

Bi数：Bi=hl/λ，λ为固体的导热系数，h一般情况下已知，因而Bi数是已定特征数。

7. 对管内强制对流传热，采用短管和弯管（或螺旋管）强化换热的机理。

答：采用短管，是利用流体在管内换热处于入口段热边界层较薄，因而换热强的热点，即入口效应，从而强化换热。对于弯管（或螺旋管），流体在向前运动的过程中连续地改变方向，由于离心力的作用，在横截面上会产生二次环流，增加了扰动，从而强化了换热。

8. 在进行外掠圆柱体的层流强制对流换热实验研究时，为了测量平均表面传热系数，需要布置测量外壁温度的热电偶，试问热电偶应布置在圆柱体周向方向的何处？ 答：在0°~180°内表面传热系数的平均值hm与曲线有两个交点（80°前、后），布置热电偶时，应该布置在圆柱体周向对应于这两个角度处，由于对称性，在圆柱体的下半周还有两个点可以布置。

9. 管内流动时（计及入口效应）的入口效应修正系数大于1，而流体横掠管束时的总管排修正系数却小于1，为什么？

答：对管内流动，由于入口效应，人口段热边界层较薄，局部表面传热系数较高，因而要乘以大于1的修正系数。而对流体横掠管束的流动，管子排数越少，后排管束的扰动减小，因而要乘以小于1的修正系数。

10. 空气横掠管束时，沿流动方向管子排数越多，换热越强，而蒸气在水平管束外凝结时，沿液膜流动方向管子排数越多，换热强度越低。试对上述现象作出解释。

答：空气横掠管束时，沿流动方向管子排数越多，气流扰动增加，换热越强。而蒸气在管束外凝结时，沿液膜流动方向管排数越多，凝结液膜越来越厚，凝结传热热阻越来越大，因而换热强度越低。

11. 试从沸腾过程分析，为什么用电加热器加热时当加热功率q>qmax时易发生壁面被烧毁的现象，而采用蒸气加热则不会？

答：因为用电加热时，加热方式是控制表面的热流密度，而采用蒸气加热则是壁面温度可控的情形。由大容器饱和沸腾曲线可知，当加热功率q稍超过qmax值时，工况将沿qmax虚线跳至稳定膜态沸腾，使壁面过热度猛升，易导致设备的烧毁。

三．辐射

1.（10年一.6）太阳能集热器上加装透明的玻璃或塑料薄膜是减小热损失的有效途径，试分析其原因。

答：一方面，玻璃或塑料薄膜对太阳能的吸收具有强烈的选择性，大部分太阳辐射能穿过玻璃或塑料薄膜进入有吸热面的腔内，而吸热面发出的常温下的长波辐射却被玻璃或塑料薄膜阻隔在腔内，从而阻止了辐射能向外界的散失，即所谓温室效应；另一方面，覆盖的玻璃或塑料薄膜也减少了表面的对流散热损失。

2.地球的温室效应。

答：大量对红外波段的辐射具有一定吸收率的气体（如CO2），聚集在地球的外围，好像给地球罩了一层玻璃窗：以可见光为主的太阳能可以到达地球表面，而地球上一般温度下的物体所发出的红外波段范围内的热辐射却大量被这些气体吸收，无法散发到宇宙空间中，使得地球表面的温度逐渐升高。

3.北方深秋季节的清晨，树叶叶面上常常结霜。试问树叶上、下表面的哪一面结霜？为什么？ 答：霜会结在树叶的上表面。因为清晨，树叶上表面朝向太空，下表面朝向地面，而太空表面的温度低于0℃，地球表面的温度一般在0℃以上，由于相对树叶下表面来说，其上表面需要向太空辐射更多的能量，所以树叶上表面温度比下表面低，且可能低于零度，因而容易结霜。

4.选择太阳能集热器的表面涂层时，该涂料表面光谱吸收比随波长的变化最佳曲线是什么？有人认为取暖用的辐射采暖片也需要涂上这种材料，你认为合适吗？ 答：最佳的曲线应是在短波部分（如λ<3μm）光谱吸收比α(λ)=1，而在长波部分α(λ)=0，这样吸收太阳能最多，向外辐射散热最少。对于辐射采暖器，其表面温度不高，大部分辐射位于长波范围，此时α(λ)=0，由基尔霍夫定律知ε(λ)=0，反而阻碍其散热，因而涂上这种材料不合适。

5在两漫灰同心圆球壳之间插入一同心辐射遮热球壳，试问遮热球壳靠近外求壳还是内球壳时，两球壳间的辐射散热量更大？

答：插入辐射遮热球壳后，画出该辐射换热系统的辐射网络图可知，R1，R2，R5，R6在遮热球壳直径发生变化时保持不变，但R3=R4=1-ε3/ε3A3随遮热球壳半径的增加而减小。因此，遮热球壳靠近外球壳即半径越大时辐射散热量更大。

四．传热过程分析

1.（09年一.5/07年一.3）有一台采暖用的散热器，用管内的热水来加热管外的空气。为了提高散热器的散热效果，有人建议采用内螺纹管，并且在管外加装肋片，试从传热角度来评价这个方案。

答：该散热器管内为热水的对流换热，管外为空气的对流换热。就气体与液体而言，气体侧的热阻常常是最主要的，所以该散热器传热过程的主要热阻在管外空气侧，在管外加装肋片可强化换热，而采用内螺纹管虽然可以强化管内对流换热，但管内水侧的热阻不是主要热阻，因而无需采用内螺纹管。

2.（07年一.1/05年一.10）讨论换热器顺流布置与逆流布置的优缺点。什么情况下没有差别？ 答：在各种流动型式中，相同的进、出口温度条件下，逆流的平均温差最大，顺流的平均温差最小，因而逆流布置时换热器的换热效果最好。但逆流布置也有缺点，即热流体和冷流体的最高温度集中在换热器的同一侧，使得该处的壁温特别高，顺流则可以避免。当换热器一侧流体温度恒定不变时，无所谓顺流和逆流。

3.（03年一.6）热水在两根相同的管内以相同流速流动，管外分别采用空气和水进行冷却。经过一段时间后，两管内产生相同厚度的水垢。试问水垢的产生对哪根管道的传热系数影响更大？为什么？

答：管外采用水冷却时，管道内外均为换热较强的水，两侧的换热热阻较小，因而水垢的产生在传热过程总热阻中所占的比例较大。而采用空气冷却时，空气侧热阻较大，这时水垢的产生对总热阻影响不大。故水垢的产生对采用水冷却的管道的传热系数影响较大。

4.传热的强化问题总结。

⑴要强化一个传热过程，必须首先比较各个环节的热阻，找出分热阻最大的环节，并采用强化传热技术减小其热阻值，才能收到效果。 ⑵就气体与液体而言，气体侧的热阻常常是最主要的；就有相变与无相变的两种换热情形而言，无相变时的热阻常常比较大。 ⑶强化的手段。

①增加壁面粗糙度：粗糙表面可以增强流体中的扰动与混合。

②采用肋片：既增加了换热面积，又增加了流体中的扰动、切断边界层的发展。

肋片（翅片）的另一个重要作用：能使壁面温度更接近同侧流体的温度，当该侧流体是换热器中的低温流体时，可有效地降低金属表面温度，如蒸汽再热器的内肋片管。 ③采用内外螺纹管：增加换热面积与流体的扰动。 ④增加流速。