傳熱學第四版課后習題答案(楊世銘-陶文銓)]

1、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)移還伴有能量形式的轉(zhuǎn)換。2以熱流密

2、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)當熟記的傳熱學公式。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：dxdtq???，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：)(fwtthq??，其中，q－熱流密度；h－表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；wt－固體表面溫度；ft－流體的溫度。③斯忒藩－玻耳茲曼定律：4Tq??，其中，q－熱流

3、密度；?－斯忒藩－玻耳茲曼常數(shù)；T－輻射物體的熱力學溫度。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)，其它均與過程有關(guān)。4當熱量從壁面一側(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

4、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用鋁制的水壺燒開水時，盡管爐火很旺，但水壺仍然安然無恙。而一旦壺內(nèi)的水燒干后，水壺很快就燒壞。試從傳熱學的觀點分析這一現(xiàn)象。答：答：當壺內(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

5、快傳走而不至于溫度升得很高；當沒有水時，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。試分析其原因。答：答：當沒有攪拌時，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

6、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

7、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11夏天的早晨，一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，于是早上離開時緊閉門窗，并打開了一個功率為15W的電風扇，該房間

8、的長、寬、高分別為5m、3m、2.5m。如果該大學生10h以后回來，試估算房間的平均溫度是多少？3解：保溫作用的原因：內(nèi)膽外壁外膽內(nèi)壁涂了反射率很低的銀，則通過內(nèi)外膽向外輻射的熱量很少，抽真空是為了減少內(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19一磚墻的表面積為122m，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

9、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：WtA9.207626.05)(25125.1???????????110一爐子的爐墻厚13cm，總面積為202m，平均導(dǎo)熱系數(shù)為1.04wm.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2.09104kJkg，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KWtAQ2.7513.0)50520(20

10、04.1?????????每天用煤dKg9.3101009.22.753600244????111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15Wm2。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：??tq??，).(06.0304004.015KmWtq????????112在一次測定空氣橫向流過單根圓管的對流換熱實驗中，得到下列數(shù)據(jù)：管壁平均溫

11、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??fwttrlhq???2所以??fwttdqh???＝49.33W(m2.k)113對置于水中的不銹鋼束采用電加熱的方法進行壓力為1.013Pa510?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，

12、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tAh???2.4423?????tAhW(m2.K)114一長寬各為10mm的等溫集成電路芯片安裝在一塊地板上，溫度為20℃的空氣在風扇作用下冷卻芯片。芯片最高允許溫度為85℃，芯片與冷卻氣流間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為175W(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

13、.001.0401.001.0.1752maxKmWthA(85℃20℃)＝1.5925W115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3500W2m；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????rlh