傳熱學習題集
第一章思考題
1． 試用簡練的語言說明導熱、對流換熱及輻射換熱三種熱傳遞方式之間的聯絡和區別。
答：導熱和對流的區別在於：物體內部依靠微觀粒子的熱運動而產生的熱量傳遞現象，稱為導熱；對流則是流體各部分之間發生巨集觀相對位移及冷熱流體的相互摻混。
聯絡是：在發生對流換熱的同時必然伴生有導熱。
導熱、對流這兩種熱量傳遞方式，只有在物質存在的條件下才能實現，而輻射可以在真空中傳播，輻射換熱時不僅有能
量的轉移還伴有能量形式的轉換。
2． 以熱流密度表示的傅利葉定律、牛頓冷卻公式及斯忒藩－玻耳茲曼定律是應當熟記的傳熱學公式。試寫出這三個公式並說明其中每乙個符號及其意義。
答：① 傅利葉定律：，其中，－熱流密度；－導熱係數；－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：，其中，－熱流密度；－表面傳熱系數；－固體表面溫度；－流體的溫度。
③ 斯忒藩－玻耳茲曼定律：，其中，－熱流密度；－斯忒藩－玻耳茲曼常數；－輻射物體的熱力學溫度。
3． 導熱係數、表面傳熱系數及傳熱系數的單位各是什麼？哪些是物性引數，哪些與過程有關？
答：① 導熱係數的單位是：w/( 表面傳熱系數的單位是：w/( 傳熱系數的單位是：w/(這三個引數中，只有導熱係數是物性引數，其它均與過程有關。
4． 當熱量從壁面一側的流體穿過壁面傳給另一側的流體時，冷、熱流體之間的換熱量可以通過其中任何乙個環節來計算（過程是穩態的），但本章中又引入了傳熱方程式，並說它是「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：因為在許多任務業換熱裝置中，進行熱量交換的冷、熱流體也常處於固體壁面的兩側，是工程技術中經常遇到的一種典型熱量傳遞過程。
5． 用鋁製的水壺燒開水時，儘管爐火很旺，但水壺仍然安然無恙。而一旦壺內的水燒乾後，水壺很快就燒壞。試從傳熱學的觀點分析這一現象。
答：當壺內有水時，可以對壺底進行很好的冷卻（水對壺底的對流換熱係數大），壺底的熱量被很快傳走而不至於溫度公升得很高；當沒有水時，和壺底發生對流換熱的是氣體，因為氣體發生對流換熱的表面換熱係數小，壺底的熱量不能很快被傳走，故此壺底公升溫很快，容易被燒壞。
6． 用乙隻手握住盛有熱水的杯子，另乙隻手用筷子快速攪拌熱水，握杯子的手會顯著地感到熱。試分析其原因。
答：當沒有攪拌時，杯內的水的流速幾乎為零，杯內的水和杯壁之間為自然對流換熱，自熱對流換熱的表面傳熱系數小，當快速攪拌時，杯內的水和杯壁之間為強制對流換熱，表面傳熱系數大，熱水有更多的熱量被傳遞到杯壁的外側，因此會顯著地感覺到熱。
7． 什麼是串聯熱阻疊加原則，它在什麼前提下成立？以固體中的導熱為例，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：在乙個串聯的熱量傳遞過程中，如果通過每個環節的熱流量都相同，則各串聯環節的總熱阻等於各串聯環節熱阻的和。例如：
三塊無限大平板疊加構成的平壁。例如通過圓筒壁，對於各個傳熱環節的傳熱面積不相等，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、同樣體積的熱水後不久，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量較好？
答：ｂ：杯子的保溫***。因為保溫好的杯子熱量從杯子內部傳出的熱量少，經外部散熱以後，溫度變化很小，因此幾乎感覺不到熱。
能量平衡分析
1-1夏天的早晨，乙個大學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，於是早上離開時緊閉門窗，並開啟了乙個功率為15w的電風扇，該房間的長、寬、高分別為5m、3m、2.5m。
如果該大學生10h以後回來，試估算房間的平均溫度是多少？
解：因關閉門窗戶後，相當於隔絕了房間內外的熱交換，但是電風扇要在房間內做工產生熱量：為全部被房間的空氣吸收而公升溫，空氣在20℃時的比熱為：
1.005kj/密度為1.205kg/m3,所以
當他回來時房間的溫度近似為32℃。
1-2理髮吹風器的結構示意圖如附圖所示，風道的流通面積，進入吹風器的空氣壓力，溫度℃。要求吹風器出口的空氣溫度℃，試確定流過吹風器的空氣的質量流量以及吹風器出口的空氣平均速度。電加熱器的功率為1500w。
解：1-3淋浴器的噴頭正常工作時的供水量一般為每分鐘。冷水通過電熱器從15℃被加熱到43℃。
試問電熱器的加熱功率是多少？為了節省能源，有人提出可以將用過後的熱水（溫度為38℃）送入乙個換熱器去加熱進入淋浴器的冷水。如果該換熱器能將冷水加熱到27℃，試計算採用餘熱**換熱器後洗澡15min可以節省多少能源？
解：1-4對於附圖所示的兩種水平夾層，試分析冷、熱表面間熱量交換的方式有何不同？如果要通過實驗來測定夾層中流體的導熱係數，應採用哪一種布置？
解：（a）中熱量交換的方式主要為熱傳導。
（b）熱量交換的方式主要有熱傳導和自然對流。
所以如果要通過實驗來測定夾層中流體的導熱係數，應採用（a）布置。
1-5 乙個內部發熱的圓球懸掛於室內，對於附圖所示的三種情況，試分析：（1）圓球表面散熱的方式；（2）圓球表面與空氣之間的換熱方式。
解：（2）圓球為表面傳熱方式散熱。
（1）換熱方式：（a）自然對流換熱；（b）自然對流與強制對流換熱相當的過渡流傳熱；（c）強制對流換熱；
1-6 一宇宙飛船的外形示於附圖中，其中外遮光罩是凸出於飛船體之外的乙個光學視窗，其表面的溫度狀態直接影響到飛船的光學遙感器。船體表面各部分的表面溫度與遮光罩的表面溫度不同。試分析，飛船在太空中飛行時與遮光罩表面發生熱交換的物件可能有哪些？
換熱的方式是什麼？
解：一遮光罩與外界發生輻射換熱及遮光罩外表與船體外表進行輻射。傳熱方式為（輻射）
1-7 熱電偶常用來測量氣流溫度。如附圖所示，用熱電偶來測量管道中高溫氣流的溫度tf
,壁管溫度。試分析熱電偶結點的換熱方式。
解：具有管道內流體對節點的對流換熱，沿偶絲到節點的導熱和管道內壁到節點的熱輻射。
1-8 熱水瓶膽剖面的示意圖如附圖所示。瓶膽的兩層玻璃之間抽成真空，內膽外壁及外膽內壁塗了反射率很低的銀。試分析熱水瓶具有保溫作用的原因。
如果不小心破壞了瓶膽上抽氣口處的密閉性，這會影響保溫效果嗎？
解：保溫作用的原因：內膽外壁外膽內壁塗了反射率很低的銀，則通過內外膽向外輻射的熱量很少，抽真空是為了減少內外膽之間的氣體介質，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了內外膽之間的對流傳熱，從而保溫瓶的保溫效果降低。
導熱1-9 一磚牆的表面積為12，厚為260mm，平均導熱係數為1.5w/（設面向室內的表面溫度為25℃，而外表面溫度為-5℃，試確定次磚牆向外界散失的熱量。
解：根據傅利葉定律有：
1-10 一爐子的爐牆厚13cm，總面積為20，平均導熱係數為1.04w/內外壁溫分別是520℃及50℃。試計算通過爐牆的熱損失。
如果所燃用的煤的發熱量是2.09×104kj/kg，問每天因熱損失要用掉多少千克煤？
解：根據傅利葉公式
每天用煤
1-11 夏天，陽光照耀在一厚度為40mm的用層壓板製成的木門外表面上，用熱流計測得木門內表面熱流密度為15w/m2。外變面溫度為40℃，內表面溫度為30℃。試估算此木門在厚度方向上的導熱係數。
解： ，
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，得到下列資料：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傳熱系數多大？
解：根據牛頓冷卻公式
所以 ＝49.33w/(
1-13 對置於水中的不鏽鋼束採用電加熱的方法進行壓力為1.013的飽和水沸騰換熱實驗。測得加熱功率為50w，不鏽鋼管束外徑為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傳熱系數。
解：根據牛頓冷卻公式有
w/(1-14 一長寬各為10mm的等溫積體電路晶元安裝在一塊地板上，溫度為20℃的空氣在風扇作用下冷卻晶元。晶元最高允許溫度為85℃，晶元與冷卻氣流間的表面傳熱系數為175 w/(試確定在不考慮輻射時晶元最大允許功率時多少？晶元頂面高出底板的高度為1mm。
解：(85℃-20℃)
1.5925w
1-15 用均勻的繞在圓管外表面上的電阻帶作加熱元件，以進行管內流體對流換熱的實驗，如附圖所示。用功率表測得外表面加熱的熱流密度為3500w/；用熱電偶測得某一截面上的空氣溫度為45℃，內管壁溫度為80℃。設熱量沿徑向傳遞，外表面絕熱良好，試計算所討論截面上的區域性表面傳熱系數。
圓管的外徑為36mm，壁厚為2mm。
解：由題意 3500w/（80℃-45℃）
又 r==(18-2)mm=16mm
w/(1-16為了說明冬天空氣的溫度以及風速對人體冷暖感覺的影響，歐美國家的天氣預報中普遍採用風冷溫度的概念（wind-chill temperature）。風冷溫度是乙個當量的環境溫度，當人處於靜止空氣的風冷溫度下時其散熱量與人處於實際氣溫、實際風速下的散熱量相同。從散熱計算的角度可以將人體簡化為直徑為25cm、高175cm、表面溫度為30℃的圓柱體，試計算當表面傳熱系數為時人體在溫度為20℃的靜止空氣中的散熱量。
如果在乙個有風的日子，表面傳熱系數增加到，人體的散熱量又是多少？此時風冷溫度是多少？
輻射1-17 有兩塊無限靠近的黑體平行平板，溫度分別為。試按黑體的性質及斯藩-玻爾茲曼定律匯出單位面積上輻射換熱量的計算式。（提示：
無限靠近意味著每一塊板發出的輻射能全部落到另一塊板上。）
解：由題意 ; ;
兩板的換熱量為
1-18 宇宙空間可近似地看成為0k的真空空間。一太空飛行器在太空中飛行，其外表面平均溫度為250℃，表面發射率為0.7，試計算太空飛行器單位表面上的換熱量。
解：=0.7w/
1-19 在1-14題目中，如果把晶元及底板置於乙個封閉的機殼內，機殼的平均溫度為20℃，晶元的表面黑度為0.9，其餘條件不變，試確定晶元的最大允許功率。
解： p＝1.657w
1-20 半徑為0.5 m的球狀太空飛行器在太空中飛行，其表面發射率為0.8。
太空飛行器內電子元件的散熱總共為175w。假設太空飛行器沒有從宇宙空間接受任何輻射能量，試估算其表面的平均溫度。
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