传热学实际现象应用

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1、传热学实际现象应用1.热传导(1) 为什么冬天晒过的棉被盖上去暖和，拍打后效果更好。要点：导热系数小保温材料答：棉被经过晾晒后，可使棉花空隙中进入更多的空气，而空气在狭小的棉絮空 间里热量的传递方式主要是导热，由于空气的导热系数小，具有良好的保温性能， 拍打后让更多的空气进入，效果明显。(2) 在夏天，20C的室温感到舒适，而冬天同样20C的室温感到冷。要点：热传导，辐射换热，对流换热答：冬夏最大的区别就是室外温度不同。夏季室外温度高，因此通过墙壁的传热 方向是室外传到室内，而冬季室外气温比室内低，通过墙壁热量传递的方向是室 内到室外。因此冬季墙壁外表温度低于夏季。人体在室内主要是与周围的空气

2、发 生对流换热，和墙壁发生辐射换热，人在冬季通过辐射换热与墙壁的散热比夏季 高得多，因此冬季感觉到冷。(3) 用套管式温度计测量管道中流体的温度，为减小测量误差，假 设有铜和不锈钢两种材料，哪一种做套管较好？套管温度计安装在那 个位置好？要点：套筒式温度计答：1.选择不锈钢。温度计套管产生误差的主要原因是由于沿肋高即套管长度 方向有热量导出和套管外表与流体之间存在换热热阻。因而要减小温度计套管 的误差，要选择导热系数小的材料，增加导热热阻，应选择不锈钢。2.安装在拐角处位置好，因为拐角处由于离心力的作用，在横截面上产生了 二次环流，增加了扰动，从而强化了换热，对应的换热系数增加，从而使测温误差

3、减小。（4）试解释冰箱结霜后耗电量增加。要点：传热热阻答：冰箱工作是先吸入处于低压常温下的制冷剂，并压缩到高温高压的蒸汽；然 后制冷剂通过蛇形管冷凝器，向外界散热，制冷剂从气体变为液体；最后制冷剂 通过更细的蛇形管蒸发器，由于节流作用，从液体变为气体，这个过程需要吸热。 而这局部热量来自于冰箱中的食物。当冰箱结霜后，蒸发器与冷藏室中增加了传 热热阻，那么如果希望冷藏室的温度保持初始温度，需要冰箱中的食物向制冷剂 传递更多的能量，这就要求制冷剂的温度能够降得更低，这就要求增加压缩机的 功率，增加了耗电量。（5）何为肋效率？在设计肋片时，是否肋片越长越好？要点：肋效率答:肋片效率指的是肋片的实际散

4、热量与假设整个肋片温度都与肋根温度相同时 的理想散热量之比。设计的肋片越长当然能通过增加外表积来强化传热，但是同 时增加了固体导热热阻，降低了肋效率。（6）为什么玻璃测温计测温必须在测温点放置一定的时间？如果设计体温计，有哪些方法可以缩短测温的放置时间？要点：非穗态导热、热容量越小、时间常数越小反映温度变化越快答:1.对于玻璃测温计的分析可以简化为分析玻璃体中水银的非稳态导热问题， 由于玻璃体中水银较少，所以可以用集中参数法。根据集中参数法的分析，时间 参数为：时间参数=? c v/h A,由此可知玻璃体中的物质热容量越小玻璃体的外 表换热条件越好，那么温度变化越快。由于水银的热容量比较大，那

5、么在外表换 热条件一定的条件下，温度变化较慢，时间常数较大，所以玻璃温度计测量体温 必须在测温点放置一段时间。2. 根据时间参数的定义可知，要缩短测温的放置时间必须从减小物质的热容量 p c v和增大外表换热条件h A以缩短测温的放置时间。（7）解释什么叫做热电偶的热惯性？要点：时间常数答：热电偶是一种感温元件，是一种仪表。它直接测量温度，并把温度信号转变 成热电动势信号，通过电气仪表（二次仪表）转换成被测介质的温度。由于热接点 的温度变化，在时间上总是滞后于被测介质的温度变化，热电偶这种现象称为热 惯性。热电偶的时间常数越小表示热惯性越小，到达稳态的时间越短。（8）“热得快“为什么要及时去除

6、水垢？要点：热阻答：水垢的存在相当于在传热过程中串联了一个热阻，如果不及时去除水垢，要 到达相同的加热效果把水烧开会使耗电量增加。（9）72C的铁和600C的木头摸上去的感觉是一样的，为什么？要求：导温系数a答：人手感觉到的冷暖实质是热量传递的快慢，铁的导温系数远大于木头的。(10)为什么住新房子感觉冷？要点：导热系数大，散热量多。答：由于水的导热系数远远大于空气，新房子的墙壁含水较多，所以住新房子感 觉冷。2.对流换热(1) 两地完全相同的水珠分别落在120C和400C的铁板上，那一滴 先气化掉？为什么？要点：沸腾曲线、核态沸腾区温压小换热强、膜态沸腾区答：落在120C的铁板上的先气化，因为

7、120C铁板上的水珠在核态沸腾区换热 强，400C铁板上的水珠在稳定的膜态沸腾区，热量必须要经过热阻较大的气膜， 换热系数非常小，换热强度小。(2) 在烧开水的某个阶段，在锅底形成的气泡在上升过程中会逐渐消失，试解释其原因。要点：降温冷却热胀冷缩答：气泡在上升过程中，逐渐降温、冷却、热胀冷缩，并有气泡携带的水蒸气在 低于沸点时凝结为水，气泡就会越来越小，逐渐消失。3一台氟利昂冷凝器试验台再充氟利昂前没有抽成真空，试问对于冷凝器运行的传热性能有什么影响为什么？要点：不凝结气体对于膜状凝结换热的影响答：氟利昂在冷凝器中进行膜态凝结换热，在冲入氟利昂前没有抽成真空会使不 供学习参考凝结气体的成分增加

8、。一方面降低了气液界面蒸汽的分压力，即降低了蒸汽的饱 和温度，从而减小了凝结换热的驱动力t w - t s ;另一方面蒸汽在抵达液膜外 表凝结前需要通过扩散的方式才能穿过不凝结气体，从而增加了传热热阻，使传 热性能降低。（4）安装空调时在充灌制冷剂之前，往往要对系统抽成真空，简述理由？要点：不凝结气体对于膜状凝结换热的影响答：制冷剂在空调内部要进行凝结换热，凝结传热的效果会受到不凝结气体的影 响，假设不将系统抽成真空，那么会降低凝结传热的效果，影响空调正常工作。5为了强化竖管外凝结传热，在竖管外可以隔一段距离布置一些凝结液泄出罩，试简述理由。要点：强化凝结换热答：采用泄出罩可以减薄凝结液膜，使

9、已经凝结的液体尽快从凝结外表凝结外表 排泄，从而减小凝结热阻强化了传热。（6）就控制热流和控制壁温两种加热方式，说明确定临界热流密度的意义和实例。要点：临界热流密度q m a x答：1.对于控制热流密度的加热方式，当热流密度超过临界热流密度时，工况将 沿着虚线跳至稳定的膜态沸腾线，过热度飞升，壁面温度迅速上升，导致设备烧 毁。控制加热的热流密度使其不至于烧毁。实例：电加热器，冷却水加热的核 反响堆。2.对于控制壁温的加热方式，当热流密度超过临界热流密度时，可能导致膜 态沸腾使相同壁温下传热量大大减小。控制壁温导致传热效率不会下降。实例： 蒸发冷凝器。(7) 为什么电厂凝汽器中水蒸气与管壁之间的

10、换热可以不考虑辐射换热，而锅炉的炉膛内烟气与水冷壁之间的换热必须考虑辐射换热？要点：相变凝结换热凝结换热、辐射传热与温差有关答：水蒸气与管壁之间的换热可以不考虑辐射换热，因为水蒸气与管壁之间的对 流传热是伴随有相变的凝结换热，凝结换热外表传热系数比较大，而水蒸气与管 壁之间的温差比较小，两者间的辐射传热量少，所以水蒸气与管壁之间的换热可 以不考虑辐射换热。炉膛内烟气与水冷壁之间的换热，由于火焰温度高达1000C以上，辐射换热 量很大，而炉膛烟气流速小，对流换热量相对较小，所以必须考虑辐射换热。(8) 游泳者刚从游泳池上来，皮肤上有一层水，这事是阴天而且有 风，分析皮肤上所有的传热过程；用传热学

11、知识解释为什么此时要比 皮肤完全干时冷的多？如果此时太阳出来了，发生在他身上的传热过 程又会怎样？要点：分析各种传热方式，考虑周到。答：1.游泳者出泳池后，皮肤发生的所有传热过程包括：1皮肤与水膜之间 伴随有相变的对流传热2水膜内部的导热3水膜外外表与空气之间的对流 换热4皮肤与环境的辐射换热。2. 伴随有相变的对流传热外表传热系数的数量级为104,皮肤与空气的对流换热 系数数量级为102,所以皮肤有水膜时对流换热强烈，所以感到冷的多。3. 太阳出来后，1皮肤与水膜间伴随有相变的对流传热2水膜内部的导 热3水膜外外表与空气之间的对流传热4皮肤与太阳的辐射换热。因为太 阳温度较高，所以辐射传热吸

12、收的热量抵消了相变换热放出的热量，所以感觉温 暖。（9）铝壶烧水时炉火很旺，水安然无恙，水烧干后水壶很快被烧坏:要点：对流换热系数答：当壶内有水时，水与壶底发生对流换热，水侧沸腾对流换热系数大，可以对 壶底进行很好的冷却，壶底的温度能够很快被传走，不至于温度升得很高；当没 有水时，和壶底发生对流传热的是气体，气体的外表传热系数很小，壶底的热量 无法被很快得传走，因此壶底温度升高得很快，铝壶被烧坏。（10）为什么暖气片一般都放置在窗户的下面？要点：温差大对流传热强度高答：1.可以提高换热效率，在室内，靠近窗户处的空气温度较低，假设暖气片的 温度一定，当暖气片放在窗户下面时，暖气片于周围空气温度的

13、温差最大，从而 使换热量增加，传热效率提高。2.可以使室内温度分布均匀，靠近窗户处的温度较低，暖气片放在窗户下可以 使室内的温度均匀。（11）用空气冷却高温设备的内通道壁，为了提高冷却效果，在通道 内紧插一块沿轴向放置的金属平板，能否使同道内壁的冷却加强壁温下降？要点：肋片散热、辐射换热、破坏了边界层减小了传热热阻。答：可以使设备内通道壁的冷却加强。相当于增加了肋片强化了散热。同时也增 加了辐射换热；加上平板后，也增加了流体的扰动，破坏了边界层，减小了对流 传热热阻，强化了对流传热。（12）一台冷油器，管内的油被管外的冷却水冷却，为了强化传热，管内加装一个细的螺旋状金属丝。另有一台暖风器，以热

14、水在管内流供学习参考动来加热管外的空气，同样在管内加装一细的螺旋状金属丝，比较这 两种方案强化换热的效果，为什么？china, m ake pofo. c om要点：强化对流换热系数以强化对流传热、加金属丝破坏边界层强化对流传热答：1对于冷油器。由于油的粘度较大对流换热外表传热系数较小，占整个传热 过程中热阻的主要局部，在管内加装一细化螺旋金属丝，可以破坏边界层，减小 油侧热阻，从而强化传热效果明显。2.对于暖风机，空气的对流换热系数比热水要小，占整个传热过程中热阻的主 要部份，但管内是水，管内加装金属丝，只能强化热水侧换热，对于总热阻那么 减小很少，强化效果不明显。（13）为了强化一台冷油器

15、的传热，有人用提高冷却水流速的方法但发现效果不明显，试分析原因？要点：冷油器主要热阻在内部的油 答：冷油器由于油的粘度大，对流传热外表传热系数较小，占整个传热过程热阻 的主要局部，而冷却水的对流传热热阻较小，不占主导地位，因而采用提高水速 的方法，只能减小不占主导地位的水侧热阻，效果不明显。应该试图减小内部油 的热阻，如加装一根细化螺旋金属丝破坏油的边界层。14温度同为20C的空气和水，假设流动速度相同，当你把两只手分别放倒水和空气中，为什么感觉却不一样？要点：密度不同-雷诺数不同-努塞尔数不同+导热系数不同=h不同答：尽管空气和水的流速和温度相同，但是由于水的密度约为空气的1000倍， 而动

16、力黏度那么相差不多，在相同的特征尺度下，雷诺数为R e=u*l/v，所以将 手放入水中的雷诺数要远远大于放入空气中的雷诺数，因此放入水中的努塞尔数 大；另一方面，又由于水的导热系数大于空气的导热系数，Nu=h l/入，所以将 手放入水中时的对流换热系数远远大于放入空气中的对流换热系数，所以感觉不 同。15空调和制冷器用的冷却器其管外装的肋片往往制成百叶窗式的肋片，试问肋片做成这样的意义？要点：百叶窗，破坏边界层强化传热。答：空气通过平直肋片时，随着流程的增长，边界层会增厚，传热热阻增大，外 表传热系数会减小。将其做成百叶窗式，可以使流体流经肋片的边界层破坏，使 边界层减薄。同时，流体脱离百叶窗

17、式肋片后产生别离状扰动，这些均能强化传 热。(16) 地面上按自然对流设计的换热装置，在太空中还能正常工作吗？为什么？要点：自然对流换热答：不能。因为自然对流换热是由于流体各局部温度不均匀而形成密度差，从而 在重力场作用下产生浮升力所引起的对流换热现象。因此到了太空中完全处于失 重状态，因而该装置在太空中无法正常工作。(17) 改变暖气中的水的流速是否可以显著地增强换热？要点：暖气水侧、气侧内外热阻的比较答：不能。因为暖气里的水是强制对流换热，而外部是空气的自然对流散热，由 于空气侧对流换热外表传热系数远小于水侧，因此改变水的流速以进一步减小水 的热阻对于传热量奉献不大。供学习参考(18) 摩

18、托车手的膝盖为什么需要特别的保温?要点：热边界层很薄，换热强。答：因为膝盖处的热边界层很薄，换热能力较强，该处与空气的热交换量较大， 因此要特别保温。(19) 为什么只可以烧开水？要点：对流传热的热阻答：水侧的热阻远远小于加热侧的热阻，纸的温度更接近与水的温度，所以不会 到达纸的着火点.3.辐射换热（1）简述玻璃温室保温的原理？要点：选择透过性。答:保温室里的温度明显高于外界温度，玻璃对太阳辐射具有强烈的选择性吸收， 它对可见光为主的太阳光透射率大，但对室内物体红外范围内的长波辐射热 辐射透射率低，所以产生温室效应。（2）金属工件在炉内加热时外表颜色随温度升高而变化做出解释？要点：热辐射光谱具

19、有选择性。答：金属工件在炉内加热时，其热辐射光谱具有选择性，不同温度时选择辐射的 光谱不同，所以呈现不同的颜色。金属在不同温度下呈现的各种颜色说明随着温 度升高热辐射中可见光中短波的比例不断增加。（3）指出热射线主要由哪两种射线组成？为什么钢锭在炉中加热时随着温度升高颜色会依次出现黑红橙白的变化？要点：实际物体的光谱辐射力随着波长做不规那么变化。答：热射线主要由红外线波长0.76-20微米和可见光波长0.38-0.76微米 组成。 随着温度升高，钢锭辐射能量中重要局部的能量向波长较小的方向移 动，所以钢锭的颜色会依次出现黑红橙白的变化。（4）何为灰体？这种物体外表现实中不存在，为什么可以用于实

20、际外表间的辐射换热计算？要点：灰体答：灰体是物体的光谱吸收比为常数物体。光谱辐射特性不随着波长而变化的假 想物体。 灰体是对实际物体的吸收比进行抽象简化后的理想模型，只要在所研 究的辐射能覆盖的波长范围内光谱吸收比为常数即可，不必要求对所有波长都严 格成立。工业上遇到的热辐射，其主要波长区段位于红外线范围内，把大多数工 程材料当作灰体处理引起的误差是允许的，给辐射传热的计算带来了很大的方 便。（5）常温下树叶为什么呈现绿色？常温下呈绿色的树叶其对绿光的 光谱发射率较对其他颜色的可见光红，黄的光谱发射率是大是小？要点:反射、发射率=吸收比、基尔霍夫定律：反射率+吸收比=1答：树叶呈现绿色是由于物

21、体对可见光中的绿色反射较多的缘故，而几乎全部吸 收了其他可见光。也就是说该物体在常温下绿色光比其他单色光的吸收比低，根 据基尔霍夫定律，在热平衡条件下任意物体对黑体投入辐射的吸收比等于同温度 下该物体的发射率，因此实际上该物体在常温下绿色光的光谱发射率较其他单色 光的光谱发射率低。（6）深秋以及初冬季节的清晨常常会看到层面结霜，分析：1为什么霜出现的早晨一定是晴天？或者说为什么阴天不容易结霜而晴天容易结霜？要点：辐射换热、云层反射。答：屋面结霜的一个重要原因是，在晴天无云的条件下屋面能与太空进行辐射换 热，由于太空温度较低，使得屋面上的水汽失去了大量的热，温度降低，低 于冰点形成霜。所以有霜出

22、现必然是晴天。当阴天地面发出去的热量有一局部 会被空中的云层给反射回来，这在一定程度上降低了地面热量的减少，使地面温 度不会太低。因此冬天阴天不易结霜而晴天容易结霜。2室外温度是否一定要低于0C？要点：辐射传热，电磁波答：不是一定要低于0C,因为结霜的主要原因是由于屋面与太空之间的辐射传 热，辐射传热是通过电磁波来传递能量，并不是借助于物质传递能量。3结霜屋面与不结霜屋面谁的保温效果好？答：结霜屋面的保温效果好。因为如果保温效果不好，那么屋面温度受到室内温 度的影响较大，这样很难到达较低温度形成结霜的条件。(7) 在深秋晴朗无风的夜晚，草地也会结霜，可气象台说清晨的最低温度为2C,解释此现象。

23、假设草地与地面绝热要点：草地与空气对流换热、草地与太空辐射答：因为草地与地面近似于绝热，所以草地接受空气的对流换热量等于他对太空 的辐射。hT空-T草=5.67*10-8T草四次方-T天四次方所以T天草 空。晴天草地直接向天空热辐射，辐射换热量增加，T草与T空的差值增加， 结霜。2并且无风导致对流传热系数h减小，T草与T空的差值增大，所以结霜。(8) 何为漫-灰外表？将实际外表视为漫-灰外表有何实际意义？要点：漫-灰外表答：漫射外表是指服从兰贝特定律的定向辐射强度与方向无关的外表灰体外表是指光谱吸收比是常数与波长无关的物体外表漫-灰外表是一种理想的外表，可以直接应用基尔霍夫定律(发射率等于吸收

24、 比)；兰贝特定律辐射力等于定向辐射力的n倍；这种简化处理给辐射换热 的分析与计算带来了很大的方便。(9) 太阳能集热器采用选择性外表涂层对太阳辐射的吸收比为0.9本身的发射率为0.3这一现象是否违背了基尔霍夫定律？为什么？要点：基尔霍夫定律的适用条件答：基尔霍夫定律是指热平衡时，任意物体对黑体投入辐射的吸收比等于同温度 下该物体的发射率。对于漫灰体，不管投入辐射是否来自黑体，也不管是否处于 热平衡条件，其吸收比恒等于同温度下的发射率。太阳能集热器的吸收板外表具 有对太阳辐射的高吸收比，而又希望减少涂层本身的发射率以减少散热损失。太 阳能集热器的吸收板外表覆盖的选择性涂层，他所吸收的阳光来源与

25、太阳，他对 供学习参考阳光的吸收比是针对于太阳而言的，而他本身的发射率是针对其自身的温度。太 阳的温度与太阳能集热器的吸收板外表的温度不同，温度不同使阳光与太阳能集 热器吸收版外表自身辐射的光谱分布也不同，所以选择性涂层能使外表吸收阳光 的能力与自身辐射的能力不一样，与基尔霍夫定律不矛盾。（10）为什么在研究物体外表对太阳能的吸收时不能把物体当作灰体？为什么夏天人们爱穿浅颜色的衣服？要点：可见光、选择性、吸收比答：太阳辐射中可见光占了近一半，大多数物体对可见光的吸收表现出强烈的选 择性。 白衣服对太阳光的吸收比仅为0.1-0.2,而黑衣服的吸收比在0.9以上。 黑色会吸收更多的能量，让人感到热

26、。（11）温室效应要点：选择性吸收答：玻璃对太阳能具有强烈的选择性吸收，大局部的太阳能能够穿过玻璃进入有 吸热面的腔内，而吸热面发出的常温的长波辐射却被阻隔在腔内，从而产生了所 谓温室效应工业开展排放了大量的对红外波段的辐射具有一定吸收率的气体， 如CO2,CFC制冷剂，聚集在地球外围，一方面好似给地球罩上了一层玻璃窗，以 可见光为主的太阳能可以到达地球外表，无法散发到宇宙中，使得气球外表温度 升高；另一方面，CFC分解出来的氯气对于臭氧层有严重的破坏，太阳对地表的 辐射增强。导致了温室效应。（12）气体辐射的特点答：1.气体辐射对波长具有强烈的选择性，他只在某些波长区段内具有辐射能 力，相应

27、的也只在同样的波长区段内才具有吸收能力。因此气体一定不是灰体。2.气体的辐射和吸收是在整个容积中进行的，而固体和液体的辐射和吸收都是 在外表上进行的。出其他条件外，还必须说明气体所处的容积形状和容积大小。(13) 海水为什么总是蓝色？要点:反射答：海水对不同波长的可见光吸收率不同，对蓝色波长辐射的射线吸收少，反射 多，所以呈现蓝色。吸收比+反射比二1吸收比等于发射率(14) 室温下呈黑色的铁棒在炉中加热时，颜色渐呈暗红、红、橙黄、为什么？要点：答：随着铁棒加热，温度升高，其辐射能量最大的波长向短波方向移动，即经历 由远红外线、近红外线到可见光的区域，因而会呈现上述颜色变化。(15) 北方，深秋或者初冬季节的清晨，为什么树叶总是在朝向太空的一面结霜？要点：辐射换热答：因为与背向太空的一面相比，树叶向着太空的一面须向温度很低的太空辐射 更多的热量，使其外表温度更低，所以更容易结霜。