传热学(第四版)(杨世铭、陶文铨)课后习题答案【第1-10章】

3.0 文小白 2023-09-15 999+ 5 7.39MB 246 页 10文币
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第一章 绪论
思考题
1． 试用简练的语言说明导热、对流换热及辐射换热三种热传递方式之间的联系和区别。
答：导热和对流的区别在于：物体内部依靠微观粒子的热运动而产生的热量传递现象，称为导热；对流
则是流体各部分之间发生宏观相对位移及冷热流体的相互掺混。联系是：在发生对流换热的同时必然伴
生有导热。
导热、对流这两种热量传递方式，只有在物质存在的条件下才能实现，而辐射可以在真空中传播，辐射
换热时不仅有能
量的转移还伴有能量形式的转换。
2． 以热流密度表示的傅立叶定律、牛顿冷却公式及斯忒藩－玻耳兹曼定律是应当熟记的传热学公式。试写出
这三个公式并说明其中每一个符号及其意义。
答：① 傅立叶定律：
dx
dt
q
，其中，
q
－热流密度；
－导热系数；
dx
dt
－沿 x方向的温度变化率，
“－”表示热量传递的方向是沿着温度降低的方向。
② 牛顿冷却公式：
)(
fw
tthq
，其中，
q
－热流密度；
h
－表面传热系数；
w
t
－固体表面温度；
f
t
－流体的温度。
③ 斯忒藩－玻耳兹曼定律：
，其中，
q
－热流密度；
－斯忒藩－玻耳兹曼常数；
T
－
辐射物体的热力学温度。
3． 导热系数、表面传热系数及传热系数的单位各是什么？哪些是物性参数，哪些与过程有关？
答：① 导热系数的单位是：W/(m.K)；② 表面传热系数的单位是：W/(m2.K)；③ 传热系数的单位是：
W/(m2.K)。这三个参数中，只有导热系数是物性参数，其它均与过程有关。
4． 当热量从壁面一侧的流体穿过壁面传给另一侧的流体时，冷、热流体之间的换热量可以通过其中任何一
个环节来计算（过程是稳态的），但本章中又引入了传热方程式，并说它是“换热器热工计算的基本公
式”。试分析引入传热方程式的工程实用意义。
答：因为在许多工业换热设备中，进行热量交换的冷、热流体也常处于固体壁面的两侧，是工程技术中
经常遇到的一种典型热量传递过程。
5． 用铝制的水壶烧开水时，尽管炉火很旺，但水壶仍然安然无恙。而一旦壶内的水烧干后，水壶很快就烧
坏。试从传热学的观点分析这一现象。
答：当壶内有水时，可以对壶底进行很好的冷却（水对壶底的对流换热系数大），壶底的热量被很快传
走而不至于温度升得很高；当没有水时，和壶底发生对流换热的是气体，因为气体发生对流换热的表面
换热系数小，壶底的热量不能很快被传走，故此壶底升温很快，容易被烧坏。
6． 用一只手握住盛有热水的杯子，另一只手用筷子快速搅拌热水，握杯子的手会显著地感到热。试分析其
原因。
答：当没有搅拌时，杯内的水的流速几乎为零，杯内的水和杯壁之间为自然对流换热，自热对流换热的
表面传热系数小，当快速搅拌时，杯内的水和杯壁之间为强制对流换热，表面传热系数大，热水有更多
的热量被传递到杯壁的外侧，因此会显著地感觉到热。
7． 什么是串联热阻叠加原则，它在什么前提下成立？以固体中的导热为例，试讨论有哪些情况可能使热量
传递方向上不同截面的热流量不相等。
答：在一个串联的热量传递过程中，如果通过每个环节的热流量都相同，则各串联环节的总热阻等于各
串联环节热阻的和。例如：三块无限大平板叠加构成的平壁。例如通过圆筒壁，对于各个传热环节的传热
面积不相等，可能造成热量传递方向上不同截面的热流量不相等。
8.有两个外形相同的保温杯A与B，注入同样温度、同样体积的热水后不久，A杯的外表面就可以感觉到热，
而B杯的外表面则感觉不到温度的变化，试问哪个保温杯的质量较好？
　　答：Ｂ：杯子的保温质量好。因为保温好的杯子热量从杯子内部传出的热量少，经外部散热以后，温度
变化很小，因此几乎感觉不到热。
能量平衡分析
1-1 夏天的早晨，一个大学生离开宿舍时的温度为 20℃。他希望晚上回到房间时的温度能够低一些，于是早
上离开时紧闭门窗，并打开了一个功率为 15W 的电风扇，该房间的长、宽、高分别为 5m、3m、2.5m。如果该大
学生 10h 以后回来，试估算房间的平均温度是多少？
解：因关闭门窗户后，相当于隔绝了房间内外的热交换，但是电风扇要在房间内做工产生热量：为
J54000036001015 ＝
全部被房间的空气吸收而升温，空气在20℃时的比热为：1.005KJ/Kg.K,密度为
1.205Kg/m3,所以
89.11
005.1205.15.235
10540000
3
t
　　　当他回来时房间的温度近似为32℃。
1-2 理发吹 风 器 的 结 构 示 意 图 如 附 图 所 示 ， 风 道 的 流 通 面 积
2
260cmA
， 进 入 吹 风 器 的 空 气 压 力
kPap 100
，温度
25
1
t
℃。要求吹风器出口的空气温度
47
2
t
℃，试确定流过吹风器的空气的质量流
量以及吹风器出口的空气平均速度。电加热器的功率为 1500W。
解：
1-3 淋浴器的喷头正常工作时的供水量一般为每分钟
3
1000cm
。冷水通过电热器从 15℃被加热到 43℃。试问
电热器的加热功率是多少？为了节省能源，有人提出可以将用过后的热水（温度为 38℃）送入一个换热器
去加热进入淋浴器的冷水。如果该换热器能将冷水加热到 27℃，试计算采用余热回收换热器后洗澡 15min 可
以节省多少能源？
解：电热器的加热功率：
15 分钟可节省的能量：
1-4 对于附图所示的两种水平夹层，试分析冷、热表面间热量交换的方式有何不同？如果要通过实验来测定夹
层中流体的导热系数，应采用哪一种布置？
解：（a）中热量交换的方式主要为热传导。
（b）热量交换的方式主要有热传导和自然对流。
所以如果要通过实验来测定夹层中流体的导热系数，应采用（a）布置。
1-5 一个内部发热的圆球悬挂于室内，对于附图所示的三种情况，试分析：（ 1）圆球表面散热的方式；
（2）圆球表面与空气之间的换热方式。
解：（2）圆球为表面传热方式散热。
（1）换热方式：（a）自然对流换热；（b）自然对流与强制对流换热相当的过渡流传热；（c）强制对流换
热；
1-6 一宇宙飞船的外形示于附图中，其中外遮光罩是凸出于飞船体之外的一个光学窗口，其表面的温度状态
直接影响到飞船的光学遥感器。船体表面各部分的表面温度与遮光罩的表面温度不同。试分析，飞船在太空
中飞行时与遮光罩表面发生热交换的对象可能有哪些？换热的方式是什么？
解：一遮光罩与外界发生辐射换热及遮光罩外表与船体外表进行辐射。传热方式为（辐射）
1-7 热电偶常用来测量气流温度。如附图所示，用热电偶来测量管道中高温气流的温度 Tf
,壁管温度
fw
TT
。试分析热电偶结点的换热方式。
解：具有管道内流体对节点的对流换热，沿偶丝到节点的导热和管道内壁到节点的热辐射。
1-8 热水瓶胆剖面的示意图如附图所示。瓶胆的两层玻璃之间抽成真空，内胆外壁及外胆内壁涂了反射率很
低的银。试分析热水瓶具有保温作用的原因。如果不小心破坏了瓶胆上抽气口处的密闭性，这会影响保温效
果吗？
解：保温作用的原因：内胆外壁外胆内壁涂了反射率很低的银，则通过内外胆向外辐射的热量很少，抽真空
是为了减少内外胆之间的气体介质，以减少其对流换热的作用。如果密闭性破坏，空气进入两层夹缝中形成
了内外胆之间的对流传热，从而保温瓶的保温效果降低。
导热
1-9 一砖墙的表面积为12
2
m
，厚为260mm，平均导热系数为 1.5W/（m.K）。设面向室内的表面温度为
25℃，而外表面温度为-5℃，试确定次砖墙向外界散失的热量。
解：根据傅立叶定律有：
W
t
A9.2076
26.0
5)(25
125.1
1-10 一炉子的炉墙厚 13cm，总面积为20
2
m
，平均导热系数为 1.04w/m.k，内外壁温分别是 520℃及50℃。
试计算通过炉墙的热损失。如果所燃用的煤的发热量是 2.09×104kJ/kg，问每天因热损失要用掉多少千克煤？
解：根据傅利叶公式
KW
tA
Q2.75
13.0
)50520(2004.1
每天用煤
dKg /9.310
1009.2
2.75360024
4
1-11 夏天，阳光照耀在一厚度为 40mm 的用层压板制成的木门外表面上，用热流计测得木门内表面热流密度
为15W/m2。外变面温度为 40℃，内表面温度为 30℃。试估算此木门在厚度方向上的导热系数。
解：
t
q
，
)./(06.0
3040
04.015 KmW
t
q
1-12 在一次测定空气横向流过单根圆管的对流换热实验中，得到下列数据：管壁平均温度 tw=69℃，空气温
度tf=20℃，管子外径 d=14mm，加热段长 80mm，输入加热段的功率8.5w，如果全部热量通过对流换热传给
空气，试问此时的对流换热表面传热系数多大？
解：根据牛顿冷却公式
 
fw
ttrlhq
2
所以
 
fw
ttd
q
h
＝49.33W/(m
2
.k)
1-13 对置于水中的不锈钢束采用电加热的方法进行压力为 1.013
的饱和水沸腾换热实验。测得加热功
率为 50W，不锈钢管束外径为4mm，加热段长 10mm，表面平均温度为 109℃。试计算此时沸腾换热的表面
传热系数。
解：根据牛顿冷却公式有
tAh
2.4423
tA
h
W/(m
2
.K)
1-14 一长宽各为 10mm 的等温集成电路芯片安装在一块地板上，温度为 20℃的空气在风扇作用下冷却芯片。
芯片最高允许温度为 85℃，芯片与冷却气流间的表面传热系数为 175 W/(m
2
.K)。试确定在不考虑辐射时芯
片最大允许功率时多少？芯片顶面高出底板的高度为 1mm。
解：
 
 
 
001.001.0401.001.0./175
2
max
KmWthA
(85℃-20℃)
＝1.5925W
1-15 用均匀的绕在圆管外表面上的电阻带作加热元件，以进行管内流体对流换热的实验，如附图所示。用功
率表测得外表面加热的热流密度为 3500W/
2
m
；用热电偶测得某一截面上的空气温度为 45℃，内管壁温度
为80℃。设热量沿径向传递，外表面绝热良好，试计算所讨论截面上的局部表面传热系数。圆管的外径为
36mm，壁厚为2mm。
解：由题意 3500W/
rlhRlm
22
2
（80℃-45℃）
又 r=
R
=(18-2)mm=16mm
5.112h
W/(m
2
.K)
1-16 为了说明冬天空气的温度以及风速对人体冷暖感觉的影响，欧美国家的天气预报中普遍采用风冷温度的
概念（wind-chill temperature）。风冷温度是一个当量的环境温度，当人处于静止空气的风冷温度下时其散热
量与人处于实际气温、实际风速下的散热量相同。从散热计算的角度可以将人体简化为直径为25cm、高
175cm、表面温度为 30℃的圆柱体，试计算当表面传热系数为
 
KmW 2
/15
时人体在温度为 20℃的静止空气
中的散热量。如果在一个有风的日子，表面传热系数增加到
 
KmW
2
/50
，人体的散热量又是多少？此时风
冷温度是多少？
辐射
1-17 有两块无限靠近的黑体平行平板，温度分别为
21
,TT
。试按黑体的性质及斯藩-玻尔兹曼定律导出单位面
积上辐射换热量的计算式。（提示：无限靠近意味着每一块板发出的辐射能全部落到另一块板上。）
解：由题意
4
11 Tq f
;
4
22
Tq
f
;
两板的换热量为
)(
4
2
4
1
TTq
1-18 宇宙空间可近似地看成为0K 的真空空间。一航天器在太空中飞行，其外表面平均温度为 250℃，表面发
射率为 0.7，试计算航天器单位表面上的换热量。
解：
4
Tq

=0.7
155250)./(1067.5
4428
KmW
W/
2
m
1-19 在1-14 题目中，如果把芯片及底板置于一个封闭的机壳内，机壳的平均温度为 20℃，芯片的表面黑度
为0.9，其余条件不变，试确定芯片的最大允许功率。
解：
 
00014.0])27320()27385[(1067.59.0
448
4
2
4
1
＝
辐射
TTA
P
辐射对流
＋
＝1.657W
1-20 半径为0.5 m 的球状航天器在太空中飞行，其表面发射率为 0.8。航天器内电子元件的散热总共为175W。
假设航天器没有从宇宙空间接受任何辐射能量，试估算其表面的平均温度。
解：电子原件的发热量＝航天器的辐射散热量即：
4
TQ

摘要：

第一章绪论思考题1．试用简练的语言说明导热、对流换热及辐射换热三种热传递方式之间的联系和区别。答：导热和对流的区别在于：物体内部依靠微观粒子的热运动而产生的热量传递现象，称为导热；对流则是流体各部分之间发生宏观相对位移及冷热流体的相互掺混。联系是：在发生对流换热的同时必然伴生有导热。导热、对流这两种热量传递方式，只有在物质存在的条件下才能实现，而辐射可以在真空中传播，辐射换热时不仅有能量的转移还伴有能量形式的转换。2．以热流密度表示的傅立叶定律、牛顿冷却公式及斯忒藩－玻耳兹曼定律是应当熟记的传热学公式。试写出这三个公式并说明其中每一个符号及其意义。答：①傅立叶定律：dxdtq，其中，q－...

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