高等传热学考试范围答案

1.强迫流动换热如何受热物性影响？

答：强迫对流换热与Re和Pr有关；加热与对流的粘性系数发生变化。

2.强化传热是否意味着增加换热量？工程上强化传热的收益和代价通常是指什么？

答：不一定，强化传热是指在一定条件（如一定的温差、体积、重量或泵功等）下增加所传递的热量。工程上的收益是减小换热器的体积节省材料和重量；提高现有换热器的换热量；减少换热器的阻力，以降低换热器的动力消耗等。代价是耗电，并因增大流速而耗功。

3.传热学和热力学中的热平衡概念有何区别？

答：工程热力学是温度相同时，达到热平衡，而传热学微元体获得的能量等于热源和进出微元体热量之和，热源散热是有温差的。

4.表面辐射和气体辐射各有什么特点? 为什么对辐射板供冷房间，无需考虑气体辐射的影响，而发动机缸传热

气体辐射却成了主角？

答：表面辐射具有方向性和选择性。气体辐射的特点：1.气体的辐射和吸收具有明显的选择性。2. 气体的辐射和吸收在整个气体容器中进行，强度逐渐减弱。空气，氢，氧，氮等分子结构称的双原子分子，并无发射和吸收辐射能的能力，可认为是热辐射的透明体。但是二氧化碳，水蒸气，二氧化硫，氯氟烃和含氯氟烃的三原子、多原子以及不对称的双原子气体（一氧化碳）却具有相当大的辐射本领。房间是自然对流，气体主要是空气。由于燃油，燃煤及然气的燃烧产物常包含有一定浓度的二氧化碳和水蒸气，所以发动机缸要考虑。

5.有人在学完传热学后认为，换热量和热流密度两个概念实质容并无差别，你的观点是？

答：有差别。热流密度是指通过单位面积的热流量。而换热量跟面积有关。

6.管层流换热强化和湍流换热强化有何实质性差异？为什么?

答：层流边界层是强化管中间近90%的部分，层流入口段的热边界层比较薄，局部表面传热系数比充分发展段高，且沿着主流方向逐渐降低。如果边界层出现湍流，则因湍流的扰动与混合作用又会使局部表面传热系数有所提高，再逐渐向于一个定值。而湍流是因为其推动力与梯度变化和温差有关，减薄粘性底层，所以强化壁面。

7.以强迫对流换热和自然对流换热为例，试谈谈你对传热、流动形态、结构三者之间的关联

答：对流换热按流体流动原因分为强制对流换热和自然对流换热。一般地说，强制对流的流速较自然对流高，因而对流换热系数也高。例如空气自然对流换热系数约为5～25 W/（m2?℃），强制对流换热的结构影响了流体的流态、流速分布和温度分布，从而影响了对流换热的效果。流体在管强制流动与管外强制流动，由于换热表面不同，流体流动产生的边界层也不同，其换热规律和对流换热系数也不相同。在自然对流中，流体的流动与换热表面之间的相对位置，对对流换热的影响较大，平板表面加热空气自然对流时，热面朝上气流扰动比较激烈，换热强度大；热面朝下时流动比较平静，换热强度较小。

8.我们经常用Q=hA·Δt.计算强迫对流换热、自然对流换热、沸腾和凝结换热，试问在各种情况下换热系数与

温差的关联？

答：强迫对流的换热系数与Re,Pr有关但与温差无关，自然对流与Gr的0.25次方有关联，即与温差有关，凝结换热换热系数是温差的-0.25次方。

9.试简述基尔霍夫定理的基本思想

答：一、基尔霍夫第一定律：汇于节点的各支路电流的代数和等于零，用公式表示为：

∑I=0

又被称作基尔霍夫电流定律（KCL）。

二、基尔霍夫第二定律：沿任意回路环绕一周回到出发点，电动势的代数和等于回路各支路电阻（包括电

源的阻在）和支路电流的乘积（即电压的代数和）。用公式表示为：

∑E=∑RI

又被称作基尔霍夫电压定律(KVL)。

10.简述沸腾换热与汽泡动力学、汽化核心、过热度这些概念的关联

答：沸腾是指在液体部以产生气泡的形式进行的气化过程，就流体运动的动力而言，沸腾过程又有大容器沸腾，大容器沸腾时流体的运动是由于温差和气泡的扰动所引起的，沸腾换热会依次出现自然对流区、核态沸腾区、

过度沸腾区和膜态沸腾区。当温度较低时（C t 0

4

II.传热学与实际应用

1.利用同一冰箱储存相同的物质时，试问结霜的冰箱耗电量大还是未结霜的冰箱耗电量大？

答：当其它条件相同时，冰箱的结霜相当于在冰箱蒸发器和冰箱冷冻室（或冷藏室）之间增加了一个附加热阻，

因此，要达到相同的制冷室温度，必然要求蒸发器处于更低的温度。所以，结霜的冰箱耗电量更大。

2. 在深秋晴朗无风的夜晚，草地会披上一身白霜，可是气象台的天气报告却说清晨最低温度为2摄氏度，试解

释这种现象。

答：可从辐射换热以及热平衡温度的角度来分析，由于存在大气窗口（红外辐射能量透过大气层时透过率较高的

光谱段称为大气窗口），因此地面可与温度很低的外太空可进行辐射热交换，这样就有可能使地面的热平衡温度低于空气温度

3．请说明在换热设备中，水垢、灰垢的存在对传热过程会产生什么影响，如何防止。当你设计一台换热器，如

果预先考虑结垢的影响，换热器面积将会比理想情况大还是小?

答：从传热系数或传热热阻角度分析。在换热设备中，水垢、灰垢的存在将使系统中导热热阻大大增

加，减小了传热系数，使换热性能恶化，同时还使换热面易于发生腐蚀，并减小了流体的流通截面，较厚的污垢将使流动阻力也增大。此外，热流体侧壁面结垢，会使壁面温度降低，使换热效率下降，而冷流体侧壁面结垢，会导致壁温升高，对于换热管道，甚至造成爆管事故。防止结垢的手段有定期排污、清洗、清灰，加强水处理，保证水质，采用除尘、吹灰设备等。

4. 一碗水放在空气中散热，其温度随时间的变化估计是何种趋势？为什么？

答 ：一碗水放在空气中，将会与大气进行自然对流换热和辐射对流换热，开始温度下降较快，而后逐渐变慢，

最后趋于环境温度。

5．为强化一台冷油器的传热，有人用提高冷却水流速的办法，但发现效果并不显著，试分析原因。

答：冷油器中由于油的粘度较大，对流换热表面传热系数较小，占整个传热过程中热阻的主要部分，而冷却水的

对流换热热阻较小，不占主导地位，因而用提高水速的方法，只能减小不占主导地位的水侧热阻，故效果不显著。

6．有一台钢制换热器，热水在管流动，加热管外空气。有人提出，为提高加热效果，采用管外加装肋片并将钢

管换成铜管。请你评价这一方案的合理性。

答：该换热器管为水的对流换热，管外为空气的对流换热，主要热阻在管外空气侧，因而在管外加装肋片可强化

传热。注意到钢的导热系数虽然小于铜的，但该换热器中管壁导热热阻不是传热过程的主要热阻，因而无需将钢管换成铜管。

7．干燥物料有很多种方式：比如热风干燥、微波干燥、红外干燥等，目前常用的是热风干燥，但热风干燥的缺

点是耗能大、表面易起皮和开裂，试从传热传质的角度来分析这一现象

答：热量从高温热源以各种方式传递给湿物料，使物料表面湿分汽化并逸散到外部空间，从而在物料表面和部出

现湿含量的差别。但是为了使部湿量逐步往外走，就要加大能耗，使的表面温度更高，变干。

8. 有人存在这样的观点：由于工质冷凝和沸腾换热系数很高，因此无需进行沸腾和冷凝换热强化

答：随着工业的发展，特别是高热负荷的出现，相变传热（沸腾和凝结）的强化日益受到重视并在工业上得到越

来越多的应用。一般认为凝结换热系数很高，可以不必采用强化措施。但对氟里昂蒸汽或有机蒸汽而言，氟利昂是低沸点工质，潜热很小，沸腾换热系数和它们的凝结换热系数比水蒸气小的多。

9. 太阳能集热器吸热表面选用具有什么性质的材料为宜? 为什么?

答：太阳能集热器是用来吸收太阳辐射能的，因而其表面应能最大限度地吸收投射来的太阳辐射能，同时又保证

得到的热量尽少地散失，即表面尽可能少的向外辐射能。但太阳辐射是高温辐射，辐射能量主要集中于短波光谱(如可见光)，集热器本身是低温辐射，辐射能量主要集中于长波光谱围(如红外线)。所以集热器表面应选择具备对短波吸收率很高，而对长波发射(吸收)率极低这样性质的材料。

10.为什么锅炉中高温过热器一般采用顺流式和逆流式混合布置的方式？

答:因为在一定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，即采用逆流方式有利于设备

的经济运行。 但逆流式换热器也有缺点，其热流体和冷流体的最高温度集中在换热器的同一端，使得该处的壁温较高，即这一端金属材料要承受的温度高于顺流型换热器，不利于设备的安全运行。所以高温过热器一般采用顺流式和逆流式混合布置的方式，即在烟温较高区域采用顺流布置，在烟温较低区域采用逆流布置。

1. 有一台1-2型管壳式换热器（壳侧1程，管侧2程）用来冷却11号润滑油。冷却水在管流动，t C t C 222050'",,=?=?流量为3kg/s ；可认为管壳式换热器是一种交叉流换热，热油的进出口温度为：

C m W k C t C t ?=?=?=2"1 1/350,60,100。

试计算：

①油的流量；

②所传递的热量；

③所需的传热面积。

解: (1) 油的流量:

查得润滑油及水的比热分别为：c1=2148 J/kg ℃；c2=4174 J/kg ℃

则:

G G c t c t kg s 122211341745020214810060437==??-?-=??()().(/)

(2) 所传递的热量: )(66.375)2050(41743222kW t c G =-??=?=Φ (3) 所需的传热面积:

t t t C l =-=-=?12602040"' t t t C r =-=-=?121005050'" ?t t t t t C m l r l r =-=-=?l n l n .40504050448

由图10-23： P t t t t R t t t t PR R =--=--==--=--==?===22121122502010020037510060502013331333037505

111333075"'''

'""'

.....//..

查得： ψ=0.9

?tm=44.8×0.9=40.32 ℃

2. 压力为1.5×105Pa 的无油饱和水蒸汽在卧式壳管式冷凝器的壳侧凝结。经过处理的循环水在外径为20mm 、厚为1mm 的黄铜管流过，流速为1.4m/s ，其温度由进口出处的56℃升高到出口处的94℃。黄铜管成叉排布置，在每一竖直排上平均布置9根。冷却水在管的流动为两个流程，管已积水垢。试确定所需的管长、管子数及冷却水量。Φ=1.2×107W 。

解：(1)平均传热温差：

由附录10查得饱和蒸汽温度为111.32℃，则：

?t m =

---=945611132561113294

3272ln ... (℃) (2)管外凝结换热系数：

设管外壁温度t w =105℃，则tm=(111.32+105)/2=108.2 ℃

由附录查得凝结水物性参数： )/(2235)

/(102.263)

/(685.0)/(3.95263kg kJ r s m kg C m W m kg l l =??=?==-ηλρ

由公式6-4：

4/163234/1329)10532.111(02.0102.263685.03.9521022358.9729.0)(729.0???????-??????=??

?????-=-n t t d gr h w s l l l o ηλρ

=8809 (W/m 2℃)

(3)管换热系数：

t f =(56+94)/2=75 ℃

由附录查得水物性参数: )

/(855238.21039.0018.04.1018.0671.0023.0Pr Re 023.038.2Pr );

/(1039.0);

/(671.024.08.064

.08.0

26C m W d

h s m C m W f i ?=???? ?????=??==?=?=--λνλ

(4) 热阻：

蒸汽侧污垢热阻：r 0=0.0001 ;

水侧污垢热阻： r i =0.0002

管壁热阻：(黄铜 λ=131 W/m ℃)

d d d 221

6200221310020018810λl n .l n ..=?=?- (5)

传热系数： ???

? ??++++=i i r h d d d d d r h k 1ln 211

1212200λ

()C m W ?=??

? ??++?++=-26/17430002.08552118201080001.0880911 由传热方程：q 1=k ?t m =1743×32.72=57030 (W/m 2℃)

由凝结换热: q 2=h 0?t=8809×(111.32-105)=55673 (W/m 2℃)

q 1与q 2仅相差 2% ; ∴上述计算有效。 (6)

传热面积： ()27210

72.321743/102.1)/(m t k A m =??=?Φ=

(7) 冷却水量：（查附录10：c p =4191 J/kgK ） ()()()s kg t t c G p /35.7556944191102.17

2"2=-?='-Φ=

(8) 流动截面：（查附录10：ρ=974.8 kg/m 3）

f G u =?=?=?-ρ7535974814

552102.... 单程管数：n f d =?=???=≈-4455210314160018216921722

2

π.... (根) 两个流程共需管子434根。

管子长度：7.702.01416.3434210=??=?=

d n A l π (m) 3 一蒸汽管道的保温层外包了油毛毡, 表面温度为330K ，外径为0.22m 。该管道水平地穿过室温为22℃的房间，在房长度为6m 。试计算蒸汽管道在该房间的总散热量。 解：空气定性温度392

2257f =+=

t ℃，选取空气的物性参数， 61095.17-?=ν，699.0Pr =，)/(10*76.22K m W ?=-λ，

36272980)1095.17(22.0)2257()5.39373/(18.9g =Gr 63

23r =??-?+?=-ναtd ? Nu=0.48（GrPr ）1/4=0.48×（36272980×0.699）1/4=34.06

h= Nu ?d/ λ=34.06×0.22/0.0276=271.5)/(K m W ?)

φ=Ah t ?=3.14×0.22×6×271.5×(57-22)=39386W

4. 对于如图所示的结构，试计算下列情形下从小孔向外辐射的能量：

（1）所有表面均是500K 的黑体；

（2）所有表面均是ε=0.6的漫射体，温度均为500K 。

解：设小孔面积

)032.004.0(4

114.34104.004.014.304.014.341)d -d (41d d 41=A 22221222221-??+??+??=++πππH π= 242m 1004.8032.014.34

1-?=??

212d 41=A ππ= 242m 1004.8032.014.34

1-?=?? X 12=1, A 1X 12=A 2X 21，X 12=1194.010

732.611025.8X A 361212=???=--A φ12=22221211142410111])100()100[(

A X A A T T C εεεε-++-- (1) ε=1，φ12=2.85w;

(2) ε1=0.6，ε2=1,φ12=2.64W

5．白天，投射到—大的水平屋顶上的太阳照度G x ＝1100W/m 2，室外空气温度t 1＝27℃，有风吹过时空气与屋顶的表面传热系数为h ＝25W/(m 2·K)，屋顶下表面绝热，上表面发射率ε＝0.2，且对太阳辐射的吸收比 αs ＝0.6。求稳定状态下屋顶的热平衡温度。设太空温度为绝对零度。

如图所示，

稳态时屋顶的热平衡：

对流散热量: 辐射散热量:

太阳辐射热量:

代入(1)中得:

采用试凑法，解得 s s G αr q c q w T