传热学第二章答案.doc

1、第二章思考题1 试写出导热傅里叶定律的一般形式，并说明其中各个符号的意义。答：傅立叶定律的一般形式为：nxtgradtq ，其中： gradt为空间某点的温度梯度； n是通过该点的等温线上的法向单位矢量，指向温度升高的方向； q为该处的热流密度矢量。2 已知导热物体中某点在 x,y,z 三个方向上的热流密度分别为 yx,及 z，如何获得该点的 热密度矢量？答： kqjiqzyx，其中 kji,分别为三个方向的单位矢量量。3 试说明得出导热微分方程所依据的基本定律。答：导热微分方程式所依据的基本定律有：傅立叶定律和能量守恒定律。4 试分别用数学语言将传热学术语说明导热问题三种类型的边界条件。答：

2、 第一类边界条件： )(01ftw时 ， 第二类边界条件： 2x时 第三类边界条件：)()(fwtht5 试说明串联热阻叠加原则的内容及其使用条件。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。使用条件是对于各个传热环节的传热面积必须相等。7.通过圆筒壁的导热量仅与内、外半径之比有关而与半径的绝对值无关，而通过球壳的导热量计算式却与半径的绝对值有关，怎样理解？答：因为通过圆筒壁的导热热阻仅和圆筒壁的内外半径比值有关，而通过球壳的导热热阻却和球壳的绝对直径有关，所以绝对半径不同时，导热量不一样。6 发生在一个短圆柱中的导热问题，在下列

3、哪些情形下可以按一维问题来处理？答：当采用圆柱坐标系，沿半径方向的导热就可以按一维问题来处理。8 扩展表面中的导热问题可以按一维问题来处理的条件是什么？有人认为，只要扩展表面细长，就可按一维问题来处理，你同意这种观点吗？答：只要满足等截面的直肋，就可按一维问题来处理。不同意，因为当扩展表面的截面不均时，不同截面上的热流密度不均匀，不可看作一维问题。9 肋片高度增加引起两种效果：肋效率下降及散热表面积增加。因而有人认为，随着肋片高度的增加会出现一个临界高度，超过这个高度后，肋片导热热数流量反而会下降。试分析这一观点的正确性。答：错误，因为当肋片高度达到一定值时，通过该处截面的热流密度为零。通过肋

4、片的热流已达到最大值，不会因为高度的增加而发生变化。10 在式（2-57）所给出的分析解中，不出现导热物体的导热系数，请你提供理论依据。答：由于式（2-57）所描述的问题为稳态导热，且物体的导热系数沿 x 方向和 y 方向的数值相等并为常数。11 有人对二维矩形物体中的稳态无内热源常物性的导热问题进行了数值计算。矩形的一个边绝热，其余三个边均与温度为 ft的流体发生对流换热。你能预测他所得的温度场的解吗？答：能，因为在一边绝热其余三边为相同边界条件时，矩形物体内部的温度分布应为关于绝热边的中心线对称分布。习题平板2-1 用平底锅烧开水，与水相接触的锅底温度为 111，热流密度为 42400 2

5、/mW。使用一段时间后，锅底结了一层平均厚度为 3mm 的水垢。假设此时与水相接触的水垢的表面温度及热流密度分别等于原来的值，试计算水垢与金属锅底接触面的温度。水垢的导热系数取为 1W/(m.K)。解：由题意得42013.wtqw/m2所以 t=238.22-2 一冷藏室的墙由钢皮矿渣棉及石棉板三层叠合构成，各层的厚度依次为0.794mm.,152mm 及 9.5mm，导热系数分别为 45 )./(KmW,0. 07 )./(KmW及 0.1)./(KmW。冷藏室的有效换热面积为 37.2 2，室内外气温分别为-2 及 30，室内外壁面的表面传热系数可分别按 1.5 )./(及 2.5 ./2

6、计算。为维持冷藏室温度恒定，试确定冷藏室内的冷却排管每小时需带走的热量。解：由题意得32121htA2.371.0957.24509.215. )(3357.14W357.1436001285.6KJ2-3 有一厚为 20mm 的平板墙，导热系数为 1.3 )./(KmW。为使每平方米墙的热损失不超过 1500W,在外表面上覆盖了一层导热系数为 0.12 的保温材料。已知复合壁两侧的温度分别为 750及 55，试确定此时保温层的厚度。解：依据题意，有 1502.3.107521tq，解得： m0537.22-4 一烘箱的炉门由两种保温材料 A 及 B 组成，且 BA2(见附图) 。已知)./(

7、.KmWA, )./(6.KmB,烘箱内空气温度 41ft，内壁面的总表面传热系数 /501h。为安全起见，希望烘箱炉门的 外表面温度不得高于 50。设可把炉门导热作为一维问题处理，试决定所需保温材料的厚度。环境温度 2ft25，外表面总传热系数 )./(.922。解：热损失为211 ffBAfwf thttq又 50fwt； BA 联立得 m039.;78.2-5 对于无限大平板内的一维导热问题，试说明在三类边界条件中，两侧边界条件的哪些组合可以使平板中的温度场获得确定的解？解：两侧面的第一类边界条件；一侧面的第一类边界条件和第二类边界条件；一侧面的第一类边界条件和另一侧面的第三类边界条件；

8、一侧面的第一类边界条件和另一侧面的第三类边界条件。平壁导热2-6 一火箭发动机燃烧室是直径为 130mm 的圆筒体，厚 2.1mm，导热系数为 23.2W/(mK)。圆筒壁外用液体冷却，外壁温度为 240。测得圆筒体的热流密度为 4.8106W/，其材料的最高允许温度为 700。试判断该燃烧室壁面是否工作于安全温度范围内？解：2-7 如附图所示的不锈钢平底锅置于电器灶具上被加热，灶具的功率为 1000W，其中 85用于加热平底锅。锅底厚 =3，平底部分直径 d=200，不锈刚的导热系数=18W/（mK） ，锅内汤料与锅底的对流传热表面传热系数为 2500W/（K） ，流体平均温度 tf=95。

9、试列出锅底导热的数学描写，并计算锅底两表面的温度。解：2-8 一种用比较法测定导热系数装置的原理示于附图中。将导热系数已知的标准材料与被测材料做成相同直径的圆柱，且标准材料的两段圆柱分别压紧置于被测材料的两端。在三段试样上分别布置三对测定相等间距两点间温差的热电偶。试样的四周绝热良好（图中未示出） 。已知试样两端的温度分别为 th=400、t c=300、t r=2.49，t t,1=3.56、t t,2=3.60，试确定被测材料的导热系数，并讨论哪些因素会影响 t t,1 与 t t,2 不相等？解：2-9 双层玻璃窗系由两层厚为 6mm 的玻璃及其间的空气隙所组成，空气隙厚度为 8mm。假

10、设面向室内的玻璃表面温度与室外的玻璃表面温度各为 20及-20，试确定该双层玻璃窗的热损失。如果采用单层玻璃窗，其他条件不变，其热损失是双层玻璃的多少倍？玻璃窗的尺寸为 cm60。不考虑空气间隙中的自然对流。玻璃的导热系数为 0.78)./(KmW。解： 321tq116.53W/ 2mwtq/5201AQ95.4所以 6.01q2-10 某些寒冷地区采用三层玻璃的窗户，如附图所示。已知玻璃厚 g=3，空气夹层宽 air=6，玻璃的导热系数 g=0.8W/（m K） 。玻璃面向室内的表面温度 ti=15，面向室外的表面温度 to=-10，试计算通过三层玻璃窗导热的热流密度。解：2-11 提高燃

11、气进口温度是提高航空发动机效率的有效方法。为了是发动机的叶片能承受更高的温度而不至于损坏，叶片均用耐高温的合金制成，同时还提出了在叶片与高温燃气接触的表面上涂以陶瓷材料薄层的方法，如附图所示，叶片内部通道则由从压气机来的空气予以冷却。陶瓷层的导热系数为 1.3W/（mK） ，耐高温合金能承受的最高温度为1250K，其导热系数为 25W/(mK)。在耐高温合金与陶瓷层之间有一薄层粘结材料，其造成的接触热阻为 10-4K/W。如果燃气的平均温度为 1700K，与陶瓷层的表面传热系数为 1000W/( K)，冷却空气的平均温度为 400K，与内壁间的表面传热系数为500W/(K)，试分析此时耐高温合

12、金是否可以安全地工作？解：2-12 在某一产品的制造过程中，厚为 1.0mm 的基板上紧贴了一层透明的薄膜，其厚度为0.2mm。薄膜表面上有一股冷却气流流过，其温度为 20 ，对流换热表面传热系数为 40)./(2KmW。同时，有一股辐射能透过薄膜投射到薄膜与基板的结合面上，如附图所示。基板的另一面维持在温度 301t。生成工艺要求薄膜与基板结合面的温度 60t，试确定辐射热流密度 q 应为多大？薄膜的导热系数 )./(02.KmWf,基板的导热系数)./(06.s。投射到结合面上的辐射热流全部为结合面所吸收。薄膜对 60的热辐射是不透明的。解：根据公式 tKq得 2/180360.1mW23

13、/8.402.42q /89Z2-13 在附图所示的平板导热系数测定装置中，试件厚度 远小于直径 d。由于安装制造不好，试件与冷热表面之间平均存在着一层厚为 m1.0的空气隙。设热表面温度180t，冷表面温度 302t，空气隙的导热系数可分别按 21,t查取。试计算空气隙的存在给导热系数测定带来的误差。通过空气隙的辐射换热可以略而不计。解：查附表 8 得 1t， );./(7.21KW32， .6.2无空气时430821dAtff 2.02935.ff有空气隙时 Atf21得 98.43f所以相对误差为%1.28f圆筒体2-14 外径为 100mm 的蒸气管道，覆盖密度为 20 3/mkg的超

14、细玻璃棉毡保温。已知蒸气管道外壁温度为 400，希望保温层外表面温度不超过 50。且每米长管道上散热量小于163W，试确定所需的保温层厚度。解：保温材料的平均温度为t=2504由附录 7 查得导热系数为 )./(08475.23.0. KmWt2121lntld代入数据得到 0.314mm所以 m07122-15 外径为 50mm 的蒸气管道外，包覆有厚为 40mm 平均导热系数为 0.11 )./(KmW的煤灰泡沫砖。绝热层外表面温度为 50，试检查矿棉渣与煤灰泡沫砖交界面处的温度是否超过允许值？又。增加煤灰泡沫砖的厚度对热损失及交界面处的温度有什么影响？蒸气管道的表面温度取为 400。解：

15、由题意多层蒸气管总热流量 231212/ln/lnddtZ代入数据得到 WZ5.68由附录知粉煤灰泡沫砖材料最高允许温度为 300由此设在 300时dtl3.72/n2111Wtl9.58/232因为 z21所以不会超过允许温度。当增加煤灰泡沫砖的厚度会使热损失增加，从而边界面处温度下降。2-16 一根直径为 3mm 的铜导线，每米长的电阻为 2.22 310。导线外包有厚为 1mm 导热系数为 0.15 )./(KmW的绝缘层。限定绝缘层的最高温度为 65，最低温度为 0。试确定在这种条件下导线中允许通过的最大电流。解：根据题意有：WrtlqlQ8.195./2ln6)/n(212 RI28

16、6.19解得： AI32-17 一蒸汽锅炉炉膛中的蒸发受热面管壁受到温度为 1000的烟气加热，管内沸水温度为 200，烟气与受热面管子外壁间的复合换热表面传热系数为 100 )./(2Km，沸水与内壁间的表面传热系数为 5000 )./(2KmW，管壁厚 6mm，管壁 42 ，外径为52mm。试计算下列三种情况下受热面单位长度上的热负荷：（1） 换热表面是干净的；（2） 外表面结了一层厚为 1mm 的烟灰，其 0.08 )./(W；（3） 内表面上有一层厚为 2mm 的水垢，其 1 。解： Wrhrhtl 98.125306.420/5ln.051)/n(1212 Wrhrrhtl 94.5

17、821027.40/5ln08.2/l502.11)/()/ln(222001 Wrhrrrhtl ii 06.527.0136/40ln2/5l08./4ln1.501/l)/n()/l( 21120201 2-18 在一根外径为 100mm 的热力管道外拟包覆两层绝热材料，一种材料的导热系数为0.06 )./(KmW，另一种为 0.12 )/(KmW，两种材料的厚度都取为 75mm，试比较把导热系数小的材料紧贴管壁，及把导热系数大的材料紧贴管壁这两种方法对保温效果的影响，这种影响影响对于平壁的情形是否存在？假设在两种做法中，绝热层内外表面的总温差保持不变。解：将导热系数小的材料紧贴壁管 1

18、9.22750ln2507ln 2121 tllt 将导热系数大的材料紧贴壁管则 47.56.ln.l112tt故导热系数大的材料紧贴管壁其保温效果好。若为平壁，则平壁 21tq由于 21所以不存在此问题。2-19 一直径为 30mm，壁温为 100的管子向温度为 20的环境放热，热损失率为100W/m。为把热损失减少到 50W/m，有两种材料可以同时被应用。材料 A 的导热系数为0.5 )./(KmW，可利用度为 3.14 m/03；材料 B 的导热系数为 0.1 )./(KmW，可利用度为 4.0 /03。试分析如何敷设这两种材料才能达到上述要求。假设敷设这两种材料后，外表面与环境间的表面

19、传热系数与原来一样。解：根据题意有：10)2(1.)(221 htrlh ，解得 h13.2696按题意有：将导热系数大的放在内侧， 3104.05.(mr5.1，3214)(r049.2rm解方程组得：1.76049.213.05/49ln5.01/3ln21/l/l 20121 hrrt 32214).(rmr871，3)(r09 72.4309.26135.087/49ln1.05/387ln21/l/l211 hrt2-20 一直径为 d 长为 l 的圆杆，两端分别与温度为 t及 的表面接触，杆的导热系数 为常数。试对下列两种情形列出杆中温度的微分方程式及边界条件，并求解之：杆的侧面是

20、绝热的；杆的侧面与四周流体间有稳定的对流换热，平均表面传热系数为 h，流体温度 ft小于 1及2t。解： 421dxt， 4)(2dxt，在侧面绝热时，有 21得微分方程为：02，边界条件为： 21,0tlt解微分方程得： 12txlt )(3fdxh，根据条件有： 321得微分方程为：0)(42ftt，边界条件为： 21,0tlxtx解微分方程得：dhxdhf eCet )2()2(1代入边界条件得： xdhldhldhfflxdhldhldhlfff eettettt 22212221 )()()()( 2-21 一直径为 20mm,长 300mm 的钢柱体，两端分别与温度为 250及 6

21、0的两个热源相接。柱体表面向温度为 30的环境散热，表面传热系数为 10 )./(KmW。试计算该钢柱体在单位时间内从两个热源所获得的热量。钢柱体的 40 。解：根据上题结果得：)( 2112 mxlmlfflmxlmllff eettettxt 其中： dh07.2.412.mlm 12.21.12.22.0 )306()50()35()06(7| eeext1549.1 WddtQ46.9).4(420 | 2112 mllmlfflmllmlfflx eettett 12.12.21.12.22. )306()50()305()60(7.| el =-162.89 WQlx .4d)89

22、.1(4球壳2-22 一个储液氨的容器近似的看成为内径为 300mm 的圆球。球外包有厚为 30mm 的多层结构的隔热材料。隔热材料沿半径方向的当量导热系数为 )./(108.4KmW，球内液氨的温度为-195.6，室温为 25，液氨的相变热为 199.6kJ/kg。试估算在上述条件下液氨每天的蒸发量。解：2.04165.0.).9(218.4 Kgm36.902-23 有一批置于室外的液化石油气储罐，直径为 2m，通过使制冷剂流经罐外厚为 1cm 的夹层来维持罐内的温度为-40。夹层外厚为 30cm 的保温层，保温材料的导热系数为 0.1 )./(KW。在夏天的恶劣条件下，环境温度为 40，

23、保温层外表面与环境间的复合换热表面传热系数可达 30 )./(2m。试确定为维持液化气-40 的温度，对 10 个球罐所必须配备的制冷设备的容量。罐及夹层钢板的壁厚可略略而不计。解：一个球罐热流量为R21t1785.043).10(.4)(4122 rhrRW68.785.0)所以 10 个球罐热流量为 68.102-24 颗粒状散料的表面导热系数常用圆球导热仪来测定。如附图所示内球内安置有一电加热器，被测材料安装在内外球壳间的夹套中，外球外有一水夹层，其中通以进口温度恒定的 冷却水。用热电偶测定内球外壁及外球内壁的平均温度。在一次实验中测得以下数据： 2,5.;1.00ti md， 40t，

24、电加热功率 P=56.5W。试确定此颗粒材料的表观导热系数。如果由于偶然的事故，测定外球内壁的热电偶线路遭到破坏，但又急于要获得该颗粒表观导热系数的近似值，试设想一个无需修复热电偶线路又可以获得近似值的测试方法。球壳内用铝制成，其厚度约为 34mm。解：根据题意：W5.6425.01. 解得： )/(07.KmW如果电偶损坏，可近似测量水的出入口温度，取其平均值代替球外壳温度计算。2-25 内外径各为 0.5m 及 0.6m 的球罐，其中装满了具有一定放射性的化学废料，其容积发热率为 35/1。该罐被置于水流中冷却，表面传热系数 h=1000 )./(2Km,流体温度 2ft。试：（1）确定球

25、罐的外表面温度；（2）确定球罐的内表面温度。球罐用铬镍钢钢板制成。解：球罐的体积为：06541.2.14343rV总发热热流为： W765065.球的外表温度： .)2(th解得：t30.78 解 得 62.53t.413.0125.78.1t2-26 附图所示储罐用厚为 20mm 的塑料制成，其导热系数 1.5 )./(Km，储罐内装满工业用油，油中安置了一电热器，使罐的内表面温度维持在 400K。该储罐置于 25的空气中，表面传热系数为 10 )./(2KmW。 lr0.2,5.0。试确定所需的电加热功率。2-27 人的眼睛在完成生物功能过程中生成的热量要 通过角膜散到周围环境中，其散热条

26、件与是否带有隐性眼镜片有关，如附图所示，设角膜及隐性镜片均呈球状，且两者间接触良好，无接触热阻。角膜及镜片所张的中心角占了三分之一的球体。试确定在下列条件下不戴镜片及戴镜片时通过角膜的散热量： 1r=10mm， 2r=12.5mm， 3r=16.3mm， fit3720ft， ih12W/(m2.K) ， 0h6W/(m2.K)， 10.35 W/(m.K)， 20.8 W/(m.K)。解：不戴镜片2141rARoi所以Wto09.有效热量 o36.1戴镜片时3221144rrAhRoi 所以to108.即散热量为Wo036.12-28 一储存液态气体的球形罐由薄金属板制成，直径为 1.22m

27、，其外包覆有厚为 0.45m，导热系数为 0.043 )./(Km的软木保温层。液态气体温度为-62.2，与金属壳体间换热的表面传热系数为 212。由于软木保温层的密闭性不好，大气中的水蒸气浸入软木层，并在一定深度范围内冻结成了冰。假设软木保温层的导热系数不受水蒸气及所形成的冰层的影响，试确定软木保温层中冰层的深度。球形罐金属壳体的热阻可不计。在 实际运行中，因保温层的密闭性不好而在软木保温层中出现的水和冰，对球形罐的保温性能有何影响？2-29 在一电子器件中有一晶体管可视为半径为 0.1mm 的半球热源，如附图所示。该晶体管被置于一块很大的硅基板中。硅基板一侧绝热，其余各面的温度均为 t。硅

28、基板导热系数 120)./(KmW。试导出硅基板中温度分布的表达式，并计算当晶体管发热量为4W 时晶体管表面的温度值。提示：相对于 0.1mm 这样小的半径，硅基板的外表面可以视为半径趋于无穷大的球壳表面。变截面变导热系数问题2-30 一高为 30cm 的铝制圆台形锥台，顶面直径为 8.2cm，底面直径为 13cm.。底面及顶面温度各自均匀，并分别为 520及 20，锥台侧面绝热。试确定通过该锥形台的导热量。铝的导热系数为 100 )./(Km。解：根据傅利叶导热公式得 dxtA(因为： 5.6301.40x得 23.1xrd得 dxrx08.4代入数据积分得 W972-31 试比较附图所示的三种一维导热问题的热流量大小：凸面锥台，圆柱，凹面锥台。比较的条件是 21,td及导热系数均相同。三种形状物体的直径与 x 轴的关系可统一为nax，其中 a 及 n 值如下：凸面锥台 柱体 凹面锥台a 0.506 2/1m 0.08m 20.24 2/1mn 0.5 0.0 1.5xx5,221。解：对于变截面导热 21xAdt凸面锥台 21xXd22304821 manx柱体 21x125.1dx凹面锥台 21xXAd 243.6061 xx由上分析得 23