2012-2013-2 - 传热学B期末试题及答案

试题A：

一、简答题（每题4分，共40分）

1．黑体的单色辐射率最大位置随温度升高是向长波方向还是向短波方向移动？这种移动的

规律是由哪个定律确定的？

答：向短波方向移动，维恩位移定律

2．对于过热器中：高温烟气→外壁→内壁→过热蒸汽的传热过程次序为什么？

答：复合换热、导热、对流换热

3．绝热边界是第几类边界条件？边界上的温度梯度是多少？

答：第二类边界条件，边界上的温度梯度为零。

4．半径为R的长圆柱，水平放置在空气中冷却，已知空气的表面传热系数为h，导热系数为

?1，圆柱体的导热系数为?2。请写出此时的毕渥数与努塞尔数。

hRhR答：Bi? Nu?

?1?2

5．有一表面为灰体的物体放在一个大房间中，房间可看做黑体。试画出由该两个表面构成的

封闭空间的辐射换热网络图。（房间面积与物体表面积相比可以认为无限大）

6．暖气片的肋片加在空气侧，请解释原因？

答：空气侧对流热阻比水侧对流热阻以及管壁的导热热阻大很多，所以肋片加在空气侧，可以减小总热阻，明显增大传热系数。

7．Bi数满足什么条件，就可以使非稳态导热问题按第三类边界条件所求解的结果转化为第

一类边界条件的解？为什么？

答：假设Bi数为无穷大，此时表面温度与周围流体温度相等，为第一类边界条件。

8．已知某黑体向外发出的定向辐射强度为Ib?10000W/(m2?sr)，求该黑体的温度为多少？

9．肋效率是不是越高越好？当肋效率?f?1时，肋高是多少？

答：肋效率不是越高越好。肋片高度分别为0时肋效率?f?1。

10．有两块平行放置的大平壁，其中之一是黑体，另一块是灰体。若两者温度相等。试问黑

体与灰体中哪个辐射力大？黑体与灰体之中哪个有效辐射大？为什么？ 答：黑体的辐射力大。有效辐射两者相等，因为处于热平衡，J＝Eb。

二、实验题（10分）

1

Eb?Ib?Ｔ＝863Ｋ

写出水自然对流换热实验的数据整理成的公式形式，实验中如何实现自然对流换热？实验装置中的冷却管和辅助加热管有什么作用？ 答：Nu?C(Gr?Pr)n 4分

为实现自然对流换热应使测试管与水的温差足够小。 3分

实验装置中的冷却管和辅助加热管可以使容器中的水温各处均匀一致。 3分

三、计算题（共50分）

1、（10分）在一台1-2型壳管式冷却器中，管内冷却水从16℃升高到35℃，管外空气从119℃下降到45℃。空气流量为19.6kg/min，温差修正系数??0.92，换热器的总传热系数为

k=84W/(m2.K)。试计算所需的传热面积。已知水cp?4.2kJ/(kg.K)，空气

cp?1.009kJ/(kg.K)

解：根据已知条件

qm1?19.6/60?0.327kg/s t1'?119℃ t1\?45℃

\t2'?16℃ t2?35℃ k=84W/(m2.K)

根据热平衡方程 ??qm1cp1(t1'?t1\)=0.327×1.009×（119-45）=24.42 kW 3分

m逆逆流时对数平均温差?t(t1'?t2\)?(t1\?t2')(119?35)?(45?16)???51.72℃ '\119?35t1?t2lnln\'45?16t1?t22分

温差修正系数?根据传热方程

?0.92，则平均温差?tm???tm逆?0.92?51.72?47.58℃ 2分

A???6.1m2 k?tm 4分

2、（10分）已知一漫射表面，其光谱吸收比与波长的关系可表示为：λ≤3μm时，α（λ）=0.4；λ=3～6μm时，α（λ）=0.8；λ>6μm时，α（λ）=0。光谱投入辐射Gλ按波长分布的关系为：λ

≤8μm时，Gλ=4000W/m2.μm；λ>8μm时，Gλ=0。在某一瞬间，测得表面温度为1100K。试计算：

（1）单位表面积所吸收的辐射能； （2）该表面的发射率及辐射力；

（3）设物体内无内热源，无其它形式热量传递，确定在此条件下物体表面的温度随时间如何

2

变化。

黑体辐射函数表

?T/?m.K Fb(0??) ?T/?m.K 3000 3100 3200 3300 3400 3500

解：（1）

0.273 0.296 0.318 0.340 0.362 0.383 6400 6500 6600 6700 6800 6900 Fb(0??) 0.769 0.776 0.783 0.789 0.796 0.802 G??0?(?)G?d???3?(?)G?d???6?(?)G?d???8?(?)G?d?6?0.4?4000??3?0.8?4000???0?003368?4分

?4800?9600?14400W/m2（2）?1T1?3?1100?3300?m.K，Fb(0??1)?0.340

?2T1?6?1100?6600?m.K，Fb(0??2)?0.783

漫射表面，?(?)??(?)

???(?1)Fb(0??1)??(?2)Fb(?1??2)?0.4?0.340?0.8?(0.783?0.340) 2分 ?0.49E???T4?0.49?5.67?10?8?11004?40677W/m2 2分

（3）该表面发出的辐射能已超过全部投入辐射能，因此表面温度随时间降低。 2分

3、（10分）一钢板初始温度为500℃，将其置于20℃的空气中。已知钢板厚δ=20mm，λ=45W/m.K，a=1.37×10-5m2/s，h=35 W/m2.K。求：使钢板冷却到与空气相差10℃所需的时间。

Vh()A?35?0.01?7.78?10?3 < 0.1 可以用集中参数法 3分 解： BiV??45???0e?Bi.FoVV 3分

其中θ=10℃ θ0=500-20=480℃

3

a?1.37?10?5?FoV???0.137? 2分 22(V/A)(0.01)10480解得 ????363s2 2分 ?30.137?7.78?10ln4、（10分）一根d=50mm、长度l=8m的钢管，被置于横断面为0.2×0.2m的砖槽道内。若钢管温度和发射率分别为t1=250℃、ε1=0.79，砖槽壁面温度和发射率分别为t2=27℃、ε2=0.93，试计算该钢管的辐射热损失。

解：根据已知条件，钢管为凸表面，且其X1,2=1 2分

??A1(Eb1?Eb2)?1A1?1????1??1A2??2?? 4分

3.14?0.05?8?5.67?10?8?[(250?273)4?(27?273)4]??3.71kW13.14?0.05?1?????1?0.794?0.2?0.93? 4分 5、（10分）温度为30℃的空气以0.5m/s的速度平行掠过长250mm、温度为50℃的平板，试求出整个平板的平均表面传热系数以及空气与单位宽度平板的换热量。

大气压力下干空气热物理性质表

解：空气定性温度 tm?1?tw?t???40?C 2

查得40℃的空气物性参数分别为

v=16.96×10-6m2/s , λ=2.76×102W/m.K, Pr=0.699 2分 在离平板前沿250mm处， Rel?ul??0.5?0.2553<5×10 2分 ?7.37?10?616.96?101/2即空气流动为层流，外掠等温平板

Nu?0.664RelPr1/3?0.664??7.37?103??0.6991/3?50.6 2分

1/2 4