传热学试题

一．简答题（每小题6分，共36分） 1． 写出傅立叶导热定律的数学表达式，式中没有出现时间变量, 为什么同样可以分析非稳态导热问题？

2． 在对实际传热问题的分析计算中，采用合理的假设可以使问题得到很大的简化，请举两个导热问题的例子给以说明。

3． 写出基尔霍夫定律的不同数学表达式，并给出其适用的条件。 4． 沸腾换热过程的临界热流密度是如何定义的？对电加热沸腾换热的设备，控制临界热流密度有何意义? 5． 分析室内暖气片的散热过程，各个环节有哪些热量传递方式？在热水温度一定的情况下，你能提出一些提高暖气片散热量的措施吗？ 6． 影响自然对流换热的因素有哪些？

二．[12分] 一个功率为 的电烙铁，其形状可近似看作一个半径很小的短圆柱，初始放在室内，然后瞬间通电加热。（1）分析并列出加热过程中烙铁温度随时间变化的微分方程式（注明式中符号的名称）；（2）给出最终稳定后确定烙铁温度的关系式。

三．[15分] 在一对流换热的实验中，10℃的水以1.6m/s的速度流入内径为28mm、外径为31mm、长1.5m的管子。管子外表面均匀地绕着电阻带作为加热器，其外还包有保温层。加热器的总功率为42.05KW，通过保温层的散热损失为2%，试确定： （1） 管子出口处的平均水温； （2） 管子内表面的传热系数； （3） 管子外表面的平均壁温。

[水的物性参数如下：???????kg/m?，cp=4.187 kJ/(kg?℃)，??????? W/（m?℃），ν????×?????m2/s， ；管材的导热系数为18 W/(m?℃)；管内对流换热的实验关联式：层流：Nu=3.66，紊流：Nu=0.027Re0.8Pr0.33，不需考虑入口效应]

四．[12分] 直径为0.5m的球内表面，被一水平面划分成相等的上、下两部分，上、下部分的结合处完全绝热。上半球温度为450K，发射率为0.8；下半球温度为350K，发射率为0.6。球面为漫射灰体。试确定上、下两球表面的辐射换热量？

五．[15分] 考察一同心套管式换热器, 该换热器的特点是具有均匀的总传热系数, 并在下列条件下工作:

质量流量qm (kg/s) 比热容 cp(J/kg?K) 进口温度 t＇℃ 出口温度 t” ℃

冷流体 0.125 4200 40 95 热流体 0.125 2100 210 求：

(1) 热流体出口温度， (2) 换热器的效能是多少，

(3) 对于最小的尺寸和重量要求, 换热器应以顺流式还是逆流式工作? 对于这两种流动条件所需的面积比是多少? 六．[10分] 一锅炉省煤器的管子尺寸为外径32mm、壁厚4mm，管材的导热系数为52 W/（m?℃），若烟气侧的总换热系数（包括对流和辐射）为81 W/（m2?℃），管内水侧换热系数为5012 W/（m2?℃）。试：

（1） 计算省煤器的传热系数K（传热面积以管外表面为基准）， （2） 分析管壁热阻及两侧换热热阻对传热系数K的影响， （3） 长时间运行后传热过程会发生什么变化？

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2006年

考试科目： 传热学 卷别：A

一、选择和填空（每小题5分，共50分）

1．为了对一电厂省煤器的换热进行强化，提高 的表面传热系数效果会会最明显。 (A) 管内水侧 (B) 管外烟气侧 (C) 一样 2．在圆筒壁稳态导热问题中, 当内壁温度 小于外壁温度 时, 其壁内温度分布应为附图中的 （A；B；C）。 3．一个肋片，测得其肋基处温度为50℃，周围气体温度为20℃，表面传热系数取15 W/(m2?K)，肋片表面积为0.2 m2，查得该肋片的效率为0.5，则该肋片的实际散热量为 W。 4．壁面绝热的情况属于 边界条件。

(A) 第一类 (B) 第二类 (C) 第三类

5．在努塞尔关于膜状凝结理论分析的假定中，最主要的是下面那一条 （A）常物性 （B）膜内温度分布是线性的 （C）蒸汽是静止的 （D）液膜的过冷度可以忽略

6．自然对流换热实验的自模化是指表面传热系数与 无关的现象。 （A）特征尺度 （B）定性温度 （C）表面几何形状 （D）壁面换热条件

7．大容器饱和沸腾曲线可分为自然对流、 、过渡沸腾 和 四个阶段。

8．下面材料中表面的法向发射率最大的是 。 （A）镀锌的铁皮 （B）磨光的黄铜 （C）各种颜色的油漆 （D）磨光的铬

9．工程上主要的辐射性气体包括 、 、二氧化硫、甲烷、氟里昂和一氧化碳等，气体辐射具有_ __和 _ _的特点。

10．附图中表面1对表面2的角系数 为 。[图中各表面在垂直纸面的方向位无限长]

二．分析和简答题（每小题8分，共48分）

1． 一个常物性、含均匀内热源的二维稳态导热问题，在直角坐标系中利用有限差分

的数值方法进行求解，试列出任意内部节点的差分方程（ ）。 2． 煤粉颗粒在进入炉膛的加热升温过程可以当作一个集总体来分析，试列出在着火之前描述其温度变化微分方程式，并注明式中各符号的名称。

3． 对于一个处于湍流流动的管内对流换热，示意画出局部表面传热系数hx随管长的变化，并解释其原因。

4． 解释不凝结气体存在对膜状凝结过程的影响。

5． 在夏天的室外，人们感觉穿浅颜色的衣服会比深颜色衣服凉爽，在钢厂的高温车间，工人穿浅颜色或深颜色衣服是否会有区别？并解释。

6． 画出附图中三个表面辐射换热的网络图，并标出各个热阻的表达式。[已知半球表面3是一个绝热表面]

三、计算题（第1、2小题各18分，第3小题16分，共52分）

1． 一火车车窗尺寸宽为0.8m，高0.6m，玻璃的厚度是5mm，假如在冬天，室内和室外的温度分别为和20℃和-20℃，内侧的表面传热传热系数为6 W/(m2?K)，外侧的表面传热传热系数为100 W/(m2?K)。玻璃的导热系数为0.78 W/(m?K)，不考虑内外侧与环境的辐射换热。（1）计算通过此车窗的散热量；（2）若采用中间真空的双层玻璃窗，在其它条件不变的情况下，列出计算车窗的散热量的关系式。[只列出关系式，不需要计算，玻璃的表面发射率为 ]

2．在一台逆流式换热器中，107℃的油被水冷却到30℃，油的比热容为1840 J/(kg?K)，水的质量流量为1.4kg/s, 比热容为4174 J/(kg?K)。水的进出口温度分别为 20℃和 60℃。 （1） 换热器的总传热系数为450 W/(m2?K)，计算此换热器的面积。 （2） 油的质量流量为多少？

（3） 若换热器的管壁很薄，可以近似看成是通过平壁的传热过程，且测得油侧的表面传热系数为650 W/(m2?K)，水侧的表面传热系数为3500 W/(m2?K)，计算换热器的总污垢热阻。

3. 温度为20℃的空气以10m/s的速度横向掠过直径为5cm的圆管，管壁表面温度保持在70℃，试计算表面传热系数和每米管长的换热量。 已知：确定平均表面传热系数的准则式为：

式中：C及n的值见附表1；定性温度为 ；特征尺度为管子外径；特征速度为来流速度。空气的物性参数见附表2

附表1

C n

4~40 0.911 0.335 40~4000 0.683 0.466 4000~40000 0.193 0.618

附表2:空气的物性参数

t

℃ ρ kg/m3 cp

kJ/(kg?K) λ×102 W/(m?K) ×106 m2/s ν×106 m2/s Pr

20 1.205 1.005 2.59 21.4 15.6 0.703 30 1.165 1.005 2.67 22.9 16 0.701 40 1.128 1.005 2.76 24.3 16.96 0.699 50 1.093 1.005 2.83 25.7 17.95 0.698 60 1.06 1.005 2.9 27.2 18.97 0.696 70 1.029 1.009 2.96 28.6 20.02 0.694

2005年

考试科目： 传热学 卷别：A

一、选择和填空（每小题5分，共50分）

1．下列物质在常温下导热系数最小的是（ ）。

(A) 水 (B) 空气 (C) 玻璃 (D) 岩棉板

2．对于等截面的直肋片，沿着肋片的高度方向，肋片横截面上导热的热流量逐渐（ ）。 (A) 变大 (B) 变小 (C) 不变 (D) 不确定

3．在横掠管束的对流换热中，平均的表面对流换热系数随管排数的增加（在前几排）而（ ）。

(A) 增加 (B) 不变 (C) 变小 (D) 不确定 4．对于等温线而言，以下不正确的描述是（ ）。

(A) 不同温度的等温线可以相交 (B) 等温线可以封闭 (C) 等温线可以终止于边界

5．工程上主要的辐射性气体包括 、 、二氧化硫、甲烷、氟里昂和一氧化碳等，气体辐射具有_ __和 _ _的特点。

6．努塞尔在对纯净蒸气层流膜状凝结换热进行理论分析求解时，忽略了液膜流动过程中的（ ）。

(A) 重力 (B) 粘性力 (C) 惯性力 7．附图1中表面1对表面2的角系数 为 。[已知 ， ]

8．对于粘度很小的液态金属，当进行外掠平板的对流换热时，在同一位置，其流动边界层厚度 和温度边界层厚度 的关系是（ ）。 (A) (B) (C)

9．描述黑体辐射能量在空间方向分布规律的是（ ）。 (A) 普朗克定律 (B) 兰贝特定律

(C) 维恩位移定律 (D) 斯忒藩—波尔兹曼定律

10．一个可近似认为是漫射灰体的表面，其温度为300K，表面的发射率为0.7，测得该平板得到的投入辐射为800 W/m2，此时该平板的有效辐射为 W/m2。 二．分析和问答题（每小题8分，共40分）

7． 一个常物性、含均匀内热源的二维稳态导热问题，在直角坐标系中利用有限差分的数值方法进行求解，试列出任意内部节点的差分方程（ ）。

8． 什么是黑体、灰体？它们和黑颜色物体、灰颜色物体有何区别？

9． 画出大容器饱和沸腾曲线，并注明各个区域的名称，解释临界热流密度的概念。 10． 试说明 数的物理意义， 和 各代表什么样的换热条件？有人认为 代表绝热工况，你是否赞同这一观点，为什么？

11． 影响自然对流换热的因素有哪些？大空间和有限空间的自然对流换热是如何划分的？

三、计算题（每小题15分，共60分）

2． 一厚为10cm的金属大平板，一侧绝热，另一侧暴露于温度为30℃的空气中，表面与空气之间的表面传热系数为450 W/(m2?K)，通电后平板内相当于有 0.3×106 W/m3的均匀内热源，平板的导热系数为18 W/(m?K)。

（1） 写出描述该问题的数学描述（导热微分方程和边界条件）； （2） 确定平板中的最高温度及其位置。

3． 有一暖水瓶胆，可近似看成直径为100mm，高为260mm的圆柱体，瓶胆夹层（很薄）抽成真空，其表面发射率（黑度）均为0.05，盛满开水的初始瞬间，夹层两壁温度可近似取为100℃ 和20℃。

（1） 试求此时通过瓶胆散热的热流量？

（2） 计算此时暖瓶内水温的平均下降速度（℃/s）？[水的物性参数见附录。] 4． 要选择一台采用逆流布置的管壳式水—水换热器，要求的条件是：管内为热水，进出口温度分别为 100℃和 80℃；管外为冷水，进出口温度分别为 20℃和 70℃；总换热量为350KW。

（1） 若近似选定的换热器总传热系数为1100 W/(m2?K)，计算换热器的面积应不小于多少？

（2） 满足该换热条件下，要求的热水质量流量为多少？[水的物性参数见附录] 5． 在上一计算题中，若换热器内的管束采用的是内径16mm、壁厚为1mm的钢管，管子的总数为53根。

（1） 计算管内的表面传热系数为多少？[若没有求出上题的结果，可假定热水流量为5kg/s，推荐的实验关联式及流体的物性参数见附录。] （2） 管材的导热系数为40 W/(m?K)，管外流体的总表面传热系数为1500 W / (m2?K)，管子内外清洁，计算总传热系数。

附录：1 推荐的管内对流换热实验关联式为： （1）层流 （2）湍流

式中定性温度为流体的平均温度，特征长度取管子内径。

2 饱和水的热物理性质： t

℃ ρ kg/m3 cp

kJ/(kg?K) λ×102 W/(m?K) a×108 m2/s ν×106 m2/s Pr

20 998.2 4.183 59.9 14.3 1.006 7.02 30 995.7 4.174 61.8 14.9 0.805 5.42 40 992.2 4.174 63.5 15.3 0.659 4.31 50 988.1 4.174 .8 15.7 0.556 3.54 60 983.1 4.179 65.9 16.0 0.478 2.99 70 977.8 4.187 66.8 16.3 0.415 2.55 80 971.8 4.195 67.4 16.6 0.365 2.21 90 965.3 4.208 68.0 16.8 0.326 1.95 100 958.4 4.220 68.3 16.9 0.295 1.75

2004年

一． 选择和填空（每小题5分，共50分） 1．下列材料在常温下导热系数最大的是 。

(a). 纯铜；(b). 纯铁；(c). 黄铜；(d). 不锈钢

2．通过单层圆筒壁导热的热阻表达式为 。

3．一个含有内热源的大平板，其导热系数为50 W/(m?K)，测得在稳定情况下，其内部温度分布为： ，则平板内的内热源生成率为 。

4．大空间饱和沸腾曲线可分为自然对流 、 、 和 四个阶段。

5．对于管内湍流换热的实验关联式，当管长较短时，需要进行入口效应修正，其修正系数是一个 （a. 大于1；b. 小于1）的值。

6．毕渥准则数 的表达式为 ，傅里叶准则数 的表达式为 。 7．附图1中表面1对表面2的角系数 为 。[已知 ， ]

8．对于粘度很大的油，当进行外掠平板的对流换热时，在同一位置，其流动边界层厚度 和温度边界层厚度 的关系是： （a. ；b. ；c. ）。 9．一个肋片，测得其肋基处温度为80℃，周围气体温度为30℃，表面传热系数取20 W/(m2?K)，肋片表面积为0.2 m2，查得该肋片的效率为0.6，则该肋片的实际散热量为 W。 10．一个可近似认为是漫射灰体的表面，其温度为500K，表面的发射率为0.5，测得该平板得到的投入辐射为800 W/m2，此时该平板的有效辐射为 W/m2。 二．简答题（每小题8分，共40分）

12． 解释定向辐射强度和辐射力，对于黑体，给出二者的关系式。

13． 以外掠平板的对流换热为例，对流换热问题的数学描述包括哪些方程（只需要文字叙述即可）？ 理论上如何求得表面传热系数？

14． 为强化一台冷油器的传热，有人采用提高冷却水流速的方法，但发现效果并不显著。试分析原因。

15． 为什么少量的不凝结气体存在就会使凝结换热大大恶化？

16． 太阳能集热器的结构通常是将一组集热管放在一个密封的箱体内，上面是透明的玻璃板。解释为何采用这样的结构，对集热管表面的涂层有什么样的要求？ 三、分析求解（各7分，共14分）

1． 如附图2所示一个常物性、无内热源的二维稳态导热问题，列出图中角部节点A的差分方程式。

2． 一块大平板，一侧被电加热器均匀加热，另一侧为第三类边界条件，通电前平板处于环境温度 ，电热器给出恒定的热流密度 [W/m2]。现突然合上开关。画出初始状态和最后稳定以及中间两个时刻平板内的温度分布曲线。 四、计算题（共46分）

1. （11分）储存液氮的钢瓶采用中间抽真空的双层结构。若刚装入液氮后，内筒壁的温度为-196℃，外筒壁的温度为30℃，内、外筒壁的面积分别近似为0.03 m2和0.035 m2，内、外筒表面的发射率均为0.45。

（1） 计算此时单位时间钢瓶的散热量？

（2） 为进一步减少散热损失，可采用哪些方法？

2. （15分）一台逆流式换热器刚投入工作时，测得的运行参数如下：热流体的进出口温度分别为 360℃和 300℃，冷流体的进出口温度分别为 30℃和 200℃，热流体的热容量 =2500 W/K，换热器的面积为0.2 m2。

（1） 计算该换热器在刚投入工作时的传热系数；

（2） 若运行一年后，在冷、热流体的进口温度（ ）及热容量（ ， ）保持不变的情况下，测得冷流体只能被加热到162℃，计算此时该换热器的传热系数；

（3） 一年后换热器的污垢热阻为多少？

3. （20分）有一块铝合金板，表面温度被均匀加热到227℃，然后垂直地悬挂在一房间内进行冷却，室内环境空气温度和周围墙壁温度分别为21℃和17℃。已知板的面积是 ，厚度为15mm，表面发射率（黑度）为0.25。

（1） 假定在冷却过程中任何时刻，板的内部温度均匀，建立一个表示板的温度随时间而变化的关系式。

（2） 计算在冷却的最初时刻，表面换热系数 为多少？

（3） 计算在冷却的最初时刻，它的冷却速率（K/s）为多少？ 附（1）铝合金板的密度取2660 kg/m3，比热取871J/(kg?K)；

（2）推荐的自然对流换热的实验关联式： ，对于符合理想气体性质的气体，格拉晓夫准则数中的体积膨胀系数 ，定性温度取边界层的算术平均温度，式中 由下表确定：

加热面形状与位置 流动情况示意 流态 系数C 系数n Gr适用范围 竖平板

或竖圆柱

层流 0.59 1/4 104~3×109

过渡 0.0292 0.39 3×109~2×1010 湍流 0.11 1/3 >2×1010

（3）干空气的热物理性质如下： /℃

/（kg/m3） /[kJ/(kg?.K)]

×102/ [W/(m?K)] ×106/ (m2/s)

100 0.946 1.009 3.21 23.13 0.688 120 0.8 1.009 3.34 25.45 0.686 140 0.854 1.013 3.49 27.8 0.684

2003年

二． 选择和填空（每小题5分，共50分）

1．为了强化换热器的换热效果，应主要降低表面传热系数 （大；小）的一侧的热阻。 2．国家标准规定，凡平均温度不高于350℃时导热系数不大于 W/(m?K)的材料称为保温材料。

3．若炉膛内的火焰温度在1400℃，则炉膛火焰中最大光谱辐射能量所对应的波长约为 。 4．在圆筒壁稳态导热问题中, 当内壁温度 小于外壁温度 时, 其壁内温度分布应为下图中的 （a；b；c）。

5．研究对流换热的一种方法是比拟法，它是指通过研究_______传递和______传递之间的共性，以建立表面传热系数与阻力系数相互关系的方法。

6．蒸气与低于饱和温度的壁面接触时有两种不同的凝结方式，它们分别是______ 和___ ___。

7．一长圆管被置于方形通道的正中间，如本题附图所示 则角系数 为 。

8．在常温下下列工质的 数最小的是 （a.水；b.空气；c.水银；d.11号润滑油）。 9．一无内热源的无限大平板中的温度分布可以表示成 的形式，其中 、 和 为已知的常数，导热系数为 。此时刻在 的表面处的热流密度为 。

10．自然对流换热的格拉晓夫数 表示 （a.惯性力与粘性力；b.浮升力与粘性力；c. 浮升力与惯性力）之比的一种度量。 二．问答题（每小题10分，共60分）

17． 一个常物性、无内热源的二维非稳态导热问题，在直角坐标系中利用数值方法进行求解，试列出内部节点的显示格式差分方程（ ）。

18． 利用遮热板可以减少两个辐射表面之间的辐射量。若保持两侧平板温度不变，所放遮热板的位置对减弱辐射换热量的效果有无影响？若遮热板两侧的发射率（黑度）不同，正向与反向放置对减弱辐射换热量又有无区别？遮热板的温度有无区别？ 19． 如本题附图中所示放置于大容器内的小容器中的水能否发生沸腾现象？并解释。 20． 试说明 数的物理意义， 和 各代表什么样的换热条件？有人认为 代表绝热工况，你是否赞同这一观点，为什么？

21． 解释螺旋管、短管和小管径管强化传热的原理。

22． 由三个表面组成了一个封闭的系统，其中表面3为重辐射面，画出该系统辐射换热的网络图，注明各热阻的表达式。

三、计算题（每小题20分，共40分）

4. 在考虑一建筑物冬天的采暖设计中，需要确定墙壁的散热情况，已知墙壁的厚度为40cm，墙壁材料的导热系数为0.25 W/(m?K)，要求室内的空气温度在18℃，墙壁外侧和

内侧的表面传热系数分别为34 W/(m2?K)和8 W/(m2?K)，计算下面两种情况下通过墙壁的热流密度为多少？

（1） 在白天，室外空气的平均温度为-5℃，该墙壁外侧实际吸收环境的总辐射能为80 W/m2；

（2） 在夜晚，室外空气的平均温度为-10℃，天空的有效辐射温度为-30℃，墙壁的发射率为0.85。

5. 某220 t/h高压锅炉的低温省煤器采用叉排、逆流布置，管子为25×3 mm，横向节距 70mm，纵向节距 30mm，总的受热面积为570m2，已知烟气的入口温度为384℃，通过省煤器的实际烟气流量为142 m3/s，烟气平均流速（最小截面处）为8.5m/s，给水的入口温度为215℃，给水流量为59.6kg/s。管材的导热系数为30 W/(m?K)，壁面的灰污热阻取0.002 (m2?K) / W，忽略烟气侧辐射换热的影响和管内侧对流换热热阻。 （1） 计算烟气侧的表面传热系数；

（2） 计算受热面的总传热系数，为何忽略管内侧对流换热热阻？ （3） 该受热面积能否将给水温度加热到245℃？

附注：

(1) 推荐的外掠叉排管束对流换热实验关联式为： ， （3-1）

， （3-2）

式中定性温度为管束进出口流体的平均温度， 按管束的平均壁温计算，特征速度为最小截面处的平均流速，特征尺度取管子外径。 （2）烟气和水的物性参数：

烟气在平均温度下的热物理性质如下： /（kg/m3） /[kJ/(kg?.K)] ×102/[W/(m?K)] ×106/(m2/s)

0.57 1.135 5.25 52 0.5

水的定压比热 近似取4.68 kJ/(kg?.K)

03年答案 仅供参考

一、1、小 2、 0.12 3、1.73微米 4、a

5、动量 热量 6、膜状 珠状 7、πd/4a 8、c 9、q=-c２λ 10\\b