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1、传热学习题课（对流换热部分）,课件制作：尹华杰,第五章 对流换热复习题,1. 试用简明的语言说明热边界层的概念。答：在对流换热情况下，在固体附近存在一薄流体层，在该层中流体温度沿垂直壁面方向从壁面处的温度等于壁温，急剧变化到流体主流温度，而在流体主流区的温度变化率可视为零。,第五章 对流换热复习题,2. 与完全的能量方程相比，边界层能量方程最重要的特点是什么？答：完全二维稳态无内热源情况下的能量方程： ；边界层能量方程： 。边界层能量方程的重要特点是：没有项 。,第五章 对流换热复习题,3. 式（5-4）与导热问题和第三类边界条件式 （2-17）有什么区别？答：式（5-4） ，式（2-17）为
2、： 。两者的区别是：两式中的导热系数不同，（5-4）式中的导热系数是流体的，而（2-17）式的导热系数是固体壁的；两者的温度梯度不同，（5-4）式中是流体边界层在壁面处的温度梯度，而（2-17）式中的温度梯度是固体在与流体接触壁面处的温度梯度。式（5-4）中的h未知，（2-17）式中的h已知。其它参数两者相同。,第五章 对流换热复习题,4. 式（5-4）表明，在边界上垂直于壁面的热量传递完全依靠导热，那么在对流换热过程中流体的流动起什么作用？答：流体的流动作用为：保持边界层的厚度，因为边界层的产生是由于流体粘性而产生的，流体的流动速度是决定边界层的厚度的主要因素之一；把经边界层以导热形式交换的
3、热量，通过流体流动传出或传入流动的流体，实现对流换热。,第五章 对流换热复习题,5. 对流换热问题完整的数学描写应包括什么内容？既然对大多数实际对流换热问题尚无法求得其精确解，那么建立对流换热问题的数学描写有什么意义？答：应包括：质量守恒方程式，即连续性方程；动量守恒方程式，即纳维斯托克斯方程；能量守恒方程式。,第五章 对流换热复习题,对流换热问题的数学描写的意义为：从分析求解方面，可以根据实际对流换热过程，数学公式中各参数及其导数的量级大小分析，简化方程，求得符合实际传热问题的近似解；从数学公式中，可看出动量方程与能量方程存在类似形式，可利用比拟方法，建立两者关系，利用阻力系数相对容易求解或
4、容易测定，求解传热关系式；从实验回归表面传热系数方面，通过控制方程和定解条件，运用相似原理及量纲分析，指导实验设计和数据回归。,第五章 对流换热习题,5-1对于流体外掠平板的流动，试利用数量级分析的方法，从动量方程引出厚度的如下变化关系式：解：在流动边界层中，y、v的量级是边界层厚度级，u、x的量级较大。在体积力和介质压力可忽略的情况下，稳态、二维、无内热源的动量方程为：,第五章 对流换热习题,等号左端第一项比第二项大很多，忽略第二项；等号右端括号内第一项比第二项小很多，忽略第一项，面对常见流体是2量级。,第五章 对流换热习题,5-2对于油、空气及液态金属。分别有Pr1、Pr1、Pr1。试就外
5、掠等温平板的层流边界层流动，画出三种流体边界层中速度分布与温度分布的大致图像（要能显示出与t的相对大小）解： 20的液态金属水银：=11.410-8m2/s，Pr=2.7210-2,第五章 对流换热习题,20的空气：=15.0610-6m2/s，Pr=0.703,第五章 对流换热习题,解：20的14#润滑油：=410.910-6m2/s，Pr=4846,第五章 对流换热习题,5-3流体在两平行平板间作层流充分发展的对流传热（见附图）。试画出下列三种情形下充分发展区域截面上的流体温度分布曲线：(1) qw1=qw2；(2) qw1=2qw2；(3) qw1=0。解： (1) qw1=qw2时，热
6、边界层相同，流体温度为抛物线分布,第五章 对流换热习题,(2) qw1=2qw2时，qw1侧热流量大，流体温度被加热的温度高，温度梯度大，形成的边界层薄，qw2侧热流量小，流体温度被加热的温度低，温度梯度小，形成的边界层厚(3) qw1=0时，qw1侧的热流量为0，温度梯度为0，qw2侧热流量一定，温度分布与正常相同，为抛物线分布,第五章 对流换热习题,5-4设某一电子器件的外壳可以简化成附图所示的形状，截面呈正方形，上、下表面绝热，而两侧竖壁分别维持在th及tc（thtc）。试定性地画出空腔截面上空气流动的图像。解：th及tc使近壁介质产生密度差，上下壁面绝热，无热量传递，高温侧上升的气体的
7、流速和温度高于低温侧上升的气体的流速和温度。从而形成如图所示的环流。,第五章 对流换热习题,5-7温度为80的平板置于来流温度为20的气流中。假设平板表面中某点在垂直于壁面方向的温度梯度为40/mm，试确定该处的热流密度。解：气体的定性温度为： 由于一般气体的导热系数与空气的非常接近，采用空气的导热系数：查附录5得，50时：=0.0283W/mK,第五章 对流换热习题,5-8取外掠平板边界层的流动由层流转变为湍流的临界雷诺数（Rec）5105，试计算25的空气、水及14号润滑油达到Rec数时所需的平板长度，取u=1m/s。解： 查附录8和10，25时：,第五章 对流换热习题,5-23对置于气流
8、中的一块很粗糙的表面进行传热试验，测得如下的局部换热特征性的结果：其中特征长度x为计算点离开平板前缘的距离。试计算当气流温度t=27、流速u=50m/s时离开平板前缘x=1.2m处的切应力。平壁温度tw=73。 解：由比拟理论，湍流时：,第五章 对流换热习题,5-10两无限大平板之间的流体，由于上板运动而引起的层流粘性流动，文献中常称库埃特流。若不计流体中由于粘性而引起的机械能的转换。试求解流体的速度与温度分布。上板温度为tw2，下板温度为tw1。,第五章 对流换热习题,解：由于为两无限大板间的流动，流速场与温度场与x、z坐标无关，在稳态情况下，仅是y坐标的函数，传热学基本方程：,第五章 对流
9、换热习题,在层流粘性流动条件下，y向速度v=0，x向速度u是y的函数，温度t是y的函数，传热学基本方程成为： 边界条件为：,第五章 对流换热习题,速度和温度分布 由于两板无限大，稳态情况下压力沿x方向的变化率为常数，积分简化动量方程可得： 代入上下面的速度边界条件得：,第五章 对流换热习题,速度和温度分布 积分简化能量方程可得： 代入上下面的温度边界条件得：,第五章 对流换热习题,5-14 实验测得一置于水中的平板某点的切应力为1.5Pa，如果水温与平板温度分别为15与60，试计算当地的局部热流密度。 解：定性温度为： 采用线性插值，查附录9得,第五章 对流换热习题,切应力与Re数的关系 局部
10、换热系数 局部热流密度,第五章 对流换热习题,5-21 夏天，常常将饮料容器置于冰水中来冷却饮料。为了加速冷却，有人提出了这样一个专利：将饮料壳体（例如易拉罐）绕其轴线在冰水中做转动。如果能实现饮料瓶或易拉罐绕其轴线的纯转动，试从对流传热基本方程出发，分析这样的方法能否加速饮料的冷却？,第五章 对流换热习题,答：能加速饮料的冷却。因为易拉罐中的饮料一般不灌满，当易拉罐水平放置时，上部有一气体空间。易拉罐转动起来后，由于饮料的粘性使饮料与罐体壁一起转动，饮料沿圆周方向发生层间相对运动，其运动速度大于静止时，使Re数增大，边界层减薄，表面传热系数增大，传热量加大，加速饮料的冷却,第六章 单相对流传
11、热的实验关联式复习题,1. 什么叫做两个同类的物理现象相似？相似的物理现象有什么共性？怎样才能做到两个物理现象相似？答：如果两个同类的物理现象，在相应时刻与相应地点上与现象有关的物理量一一对应成比例，则称此两物理现象彼此相似。共性：同名相似特征数相等，单值性条件相似。在两个同类物理现象的初始条件、边界条件、几何条件和物理条件相似时，可做到两个物理现象相似。,第六章 单相对流传热的实验关联式复习题,2.试举出工程技术中相似原理应用的两个例子。答：泵、风机和压缩机的流体过程非常复杂，在泵、风机和压缩机的设计时常采用相似原理来进行实验和设计。换热设备的设计也常采用相似原理进行实验和设计。,第六章 单
12、相对流传热的实验关联式复习题,3. 当一个由若干个有量纲的物理量所组成的实验数据换成数目较少的无量纲量后，这个实验数据的性质与地位起了什么变化？答：可以极大地减少实验次数，并且根据相似原理，个别试验所得出的结果已上升到代表整个相似组的地位，所得结果具有一定的通用性。,第六章 单相对流传热的实验关联式复习题,4-1. 什么是内部流动？什么是外部流动？答：内部流动：换热壁面上的流动边界层与热边界层可能受到邻近壁面存在的限制，流体被约束在周边封闭的壁面内的流动。外部流动：换热壁面上的流动边界层与热边界层自由发展，不会受到邻近壁面存在的限制的流动。,第六章 单相对流传热的实验关联式复习题,4-1. 对
13、流动现象而言，外掠单管的流动与管道内的流动有什么不同？答：管道内的流动具有流动边界层特征。外掠单管的流动除具有边界层特征外，还要发生绕流脱体、产生回流、旋涡和涡束。,第六章 单相对流传热的实验关联式复习题,4-3. 外掠单管与管内流动这两个流动现象在本质上有什么不同？答：外掠单管换热壁面上的流动边界层与热边界层能自由发展，而管道内流动边界层与热边界层受到通道壁面存在的限制。外部流动中存在着一个边界层外的区域，无论是速度梯度还是温度梯度都可以忽略,第六章 单相对流传热的实验关联式复习题,5. 外掠管束的平均表面传热系数只有当流动方向管排数大于一定数值后才与管排数无关，试分析其原因。答：流体外掠管
14、排时在管排的前几排流体从均匀流开始，流经每排后流动状态被从新分布，流体的湍动程度增高，由于流量和流动空间一定，流经几排后，湍动程度逐渐被稳定下来，使管束的平均表面传热系数与管排数表现为无关性。,第六章 单相对流传热的实验关联式复习题,6-1. 说明充分发展管内对流传热这一概念的含义。答：充分发展管内流动是指管内的流体状态不再发生变化，这时的边界层基本稳定，换热强度保持不变。,第六章 单相对流传热的实验关联式复习题,6-2. 试说明管槽内对流换热的入口效应并简释其原因。答：入口效应：流体从大空间进入管槽时，流体边界层厚度从零开始增长，靠近管槽中心的流动状态也逐渐从均匀状态向最终的层流或湍流状态发
15、展。从进口的均匀状态到最终的层流或湍流状态之间的区域称为入口段。入口段的热边界层较薄，局部表面传热系数比充分发展段高，随着边界层增厚，表面传热系数沿主流方向逐渐降低。如果边界层中出现湍流，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，再趋向一个定值。,第六章 单相对流传热的实验关联式复习题,7. 说明大空间自然对流换热与有限空间自然对流换热的区别，这与强制对流中的外部流动及内部流动有什么异同？答：在空间自然对流换热：流体的冷却过程与加热过程互不影响的自然对流换热。有限空间自然对流换热：流体的加热与冷却过程相互影响的自然对流换热。区别就是加热与冷却过程是否相互影响。,第六章 单相对流
16、传热的实验关联式复习题,不同点有：流动状态不同，大空间自然对流和有限空间自然对流是自然对流；而强制对流的外部流动及内部流动是强制对流。大空间自然对流的边界层不受干扰，而强制对流外部流动的边界层受主流体流动的干扰。有限空间自然对流的边界层受到干扰程度比管内强制对流边界层受到干扰的程度小。相同点有：大空间自然对流的边界层和强制对流外部流动的边界层，都不会受到邻近壁面存在的限制。有限空间自然对流和内部流动强制对流的传热均受到邻近壁面的限制。,第六章 单相对流传热的实验关联式复习题,8. 简述射流冲击传热时被冲击表面上局部表面传热系数的分布规律。答：当喷嘴表面离开被冲击物体的相对距离H/D比较大时，局
17、部表面传热系数从滞止点的最高值向四周单调地下降，随r的增加，下降趋势逐渐减缓，在同一r/D下，局部表面传热系数随ReD的升高而升高。,第六章 单相对流传热的实验关联式复习题,当H/D减少到1左右时，第二个峰值处的局部表面传热系数在ReD较高时已经与滞止点处的值接近。射流离开喷嘴后由于气流的卷吸作用而使流动中的湍流度急剧增加，同时气流到达壁面时，气流与壁面间的剧烈冲击作用也会使气流中的振动增加。这些因素综合作用的结果，导致在一定条件下局部表面传热系数的分布出现第二个峰值,第六章 单相对流传热的实验关联式复习题,当H/D减少到5左右时，随着ReD的增加，局部表面传热系数的分布开始出现第二个峰值，这
18、一趋势随着ReD的升高而日益明显,第六章 单相对流传热的实验关联式复习题,9. 简述Nu数、Pr数及Gr数的物理意义，Nu数与Bi数有什么区别？答：Nu数的物理意义：壁面上流体的无量纲温度梯度（注意为流体的导热系数）；Pr数的物理意义：动量扩散厚度与热量扩散厚度之比的一种度量； Gr数是浮升力/粘性力比值的一种度量。Nu数与Bi数的区别在于导热系数的不同，Nu数的为流体的导热系数，Bi数的为固体的导热系数。,第六章 单相对流传热的实验关联式复习题,10. 对于新遇到一种对流换热现象，在从参考资料中去寻找换热的特征方程时要注意什么？答：首先根据对流换热现象的特点，确定是强制对流换热，还是自然对流
19、换热，或者两者的混合换热问题。对强制对流换热： 。对自然对流换热： 。对混合换热：,。,第六章 单相对流传热的实验关联式复习题,11. 如果把一块温度低于环境温度的大平板竖直地置于空气中，试画出平板上流体流动及局部表面传热系数分布的图象。答：随着时间延长靠近平板的空气温度下降，密度逐渐增加，向下流动，在流动过程中传热继续进行，形成上薄下厚边界层，如果壁面足够高，下部可能形成湍流流动，如图所示。当边界层薄时表面传热系数大，边界层厚时表面传热系数小，局部表面传热系数分布如图所示。,h,第六章 单相对流传热的实验关联式复习题,12. 对于采用单个射流来冷却或加热物体表面的情形,是否喷嘴出口到物体表面
20、间的距离越近越好？答：不是。当喷嘴离物体表面过分近时，使喷嘴喷出的流体向平行于板面背离喷嘴中心方向流出时，由于流通面积很小，流速很高，壁面约束作用，使流体产生旋涡分离，向垂直壁面方向运动,第六章 单相对流传热的实验关联式复习题,的部分大量增加，形成溅射，这部分流体可能形成珠状体与空气换热从而损失热量，使传热效果变差。当距离不是过近时，流体不形成溅射，热损失大量降低，传热效果是随喷嘴距物体表面的距离减小，而传热效果越好。,第六章 单相对流传热的实验关联式复习题,13. 与已学习过的其他形式强制对流换热方式相比，射流冲击换热的复杂性表现在什么地方？答：复杂性表现在：（1）流体自喷嘴射出后，由于速度
21、很高与周围静止流体产生剪切，生成旋涡，卷吸周围流体；（2）高速流体垂直撞击物体表面，使流体流动方向发生急剧改变，而流体的上表面自由无约束，流体的流速场和温度场分布复杂。,第六章 单相对流传热的实验关联式习题,6-5. 有人曾经给出下列流体外掠正方形柱体（其一个面与来流方向垂直）的换热数据： Nu Re Pr 41 5 000 2.2 125 20 000 3.9 117 41 000 0.7 202 90 000 0.7采用Nu=CRenPrm的关系式来整理数据并取m=1/3，试确定其中的常数C与指数n。在上述Re及Pr的范围内，当方形柱体的截面对角线与来流方向平行时，可否用此式进行计算，为什
22、么？,第六章 单相对流传热的实验关联式习题,解：方程可写成：,第六章 单相对流传热的实验关联式习题,不能用此式计算方形柱体的截面对角线与来流方向平行时的情况。理由是这种情况与实验换热情况的定解条件不相似。,第六章 单相对流传热的实验关联式习题,6-8一常物性的流体同时流过温度与之不同的两根直管1与2，且d1=2d2。流动与换热均已处于湍动充分发展区域。试确定在下列两种情形下两管内平均表面传热系统的相对大小： （1）流体以同样的流速流过两管；（2）流体以同样的质量流量流过两管。 解：因常物性，Prf不变：,第六章 单相对流传热的实验关联式习题,6-24一块400mm的平板，平均壁温为40。常压下
23、20的空气以10m/s的速度纵向流过该板表面。试计算离平板前缘50mm、100mm、200mm、300mm、400mm处的热边界层厚度、局部表面传热系数及平均表面传热系数。 解：首先计算定性温度，然后查附录8，得到空气在定性温度时的物性：,第六章 单相对流传热的实验关联式习题,6-28 为保证微处理机的正常工作，采用一个小风机将气流平行地吹过集成电路块表面，如题图所示。试分析：（1）如果每个集成电路块的散热量相同，在气流方向上不同编号的集成电路块的表面温度是否一样，为什么？对温度要求较高的组件应当放在什么位置上？（2）哪些无量纲量影响对流换热？,第六章 单相对流传热的实验关联式习题,解：1.
24、不一样。因为在气流方向上，前面的集成电路块散热至气流中，使气流温度逐步升高。在气流方向上，后面的集成电路块与气体的传热推动力下降，沿气流方向集成电路块的表面温度逐步升高。 对温度要求较高的组件应当放在近气流进口的位置上。 2. Nu、Re、Pr、Gr,第六章 单相对流传热的实验关联式习题,6-32 直径为10mm的电加热圆柱置于气流中冷却，在Re=4000时每米长圆柱通过对流传热散失的热量为69W。若把圆柱直径改为20mm，其余条件不变（包括tw），问每米圆柱的散热量为多少？解：查表6-5，Re=4000时指数n=0.466；Re=8000时指数n=0.618,第六章 单相对流传热的实验关联式
25、习题,圆柱直径为20mm，每米圆柱的散热量为,第六章 单相对流传热的实验关联式习题,6-36. 某锅炉厂生产的220t/h高压锅炉，其低温段空气预热器的设计参数为：叉排布置，s1=76mm，s2=44mm，管子为40mm1.5mm；平均温度为150的空气横向冲刷管束，流动方向的总排数为44。在管排中心线截面上的空气流速（即最小截面上的流速）为6.03m/s。试确定管束与空气间的平均传热系数。管壁平均温度为185。 解：首先计算定性温度，然后查附录8，得到空气在定性温度时的物性：,第六章 单相对流传热的实验关联式习题,6-40将水平圆柱体外自然对流换热的准则式改写成为以下的方便形式： 。其中系数
26、C取决于流体种类及温度。对于空气及水，试分别计算tm=40、60、80的三种情形时上式中的系数C之值。 解：空气在各计算温度下的物性数据：,第六章 单相对流传热的实验关联式习题,第六章 单相对流传热的实验关联式习题,水在各计算温度下的物性数据：,第六章 单相对流传热的实验关联式习题,由（5-79）式 ，由表5-12，对横圆柱，n=1/4时，C1=0.48,第六章 单相对流传热的实验关联式习题,6-52 一水平封闭夹层，其上、下表面的间距=14mm，夹层内是压力为1.013105Pa的空气。设一个表面的温度为90，另一表面为了30，试计算当热表面在冷表面之上及在冷表面之下两种情形下，通过单位面积
27、夹层的传热量。,第六章 单相对流传热的实验关联式习题,解：a. 当热表面在冷表面之下时，问题属水平空气夹层自然对流换热问题：,第六章 单相对流传热的实验关联式习题,解：b. 当热表面在冷表面之上时，问题属水平空气夹层的导热问题：,第六章 单相对流传热的实验关联式习题,6-58 温度为20的空气从直径d=10mm的喷嘴以20m/s的速度射出，垂直地冲击tw=100的平板上。环境温度t=20。试对l/d=2、3、4、5、6五种情形，计算在r/d=2.57.5范围内的平均Nu数，由此可以得出什么结论？ 解：定性温度：60，Pr=0.696, =18.9710-6m2/s，=0.029W/mK,第六章
28、 单相对流传热的实验关联式习题,平均Nu数,第六章 单相对流传热的实验关联式习题,结论 随着离喷射中心的距离越远，表面换热系数越小；喷射口距平板越近，表面换热系数越大,第七章 凝结与沸腾换热复习题,1. 什么叫膜状凝结，什么叫珠状凝结？膜状凝结时热量传递过程的主要阻力在什么地方？答：膜状凝结：凝结液体能很好地润湿壁面，它在壁面上铺成膜的凝结形式。珠状凝结：凝结液体不能很好地润湿壁面，它在壁面上形成一个个的小液珠的凝结形式。膜状凝结时热量传递过程的主要阻力在液膜层。,第七章 凝结与沸腾换热复习题,2. 在努塞尔关于膜状凝结理论分析的8条假定中，最主要的简化假定是哪两条？答：最主要两条假定是：液膜
29、的惯性力可以忽略；膜内温度分布是线性的，即认为液膜内的热量转移只有导热，而无对流作用。上面的第个假定使动量方程的 项可忽略；第个假定使能量方程的 项可忽略。从而使边界动量和能量方程成为常微分方程。,第七章 凝结与沸腾换热复习题,3. 有人说，在其他条件不变的情况下，水平管外的凝结换热一定比竖直管强烈，这一说法一定成立吗？答：不一定。由水平管的表面传热系数与竖直壁表面传热系数的比值式： 可得到当(l/d)=2.8447时，(hH/hV)=1。当(l/d)2.8447时，水平管的凝结换热就低于竖直管的换热。,第七章 凝结与沸腾换热复习题,4. 为什么水平管外凝结换热只介绍层流的准则式？常压下的水蒸
30、气在 的水平管外凝结，如果要使液膜中出现湍流，试近似地估计一下水平管的直径要多大？答：因为横管直径较小，实践上均在层流范围，这可从下面的计算看出。,第七章 凝结与沸腾换热复习题,第七章 凝结与沸腾换热复习题,常压下查出物性常数：ts=100，tw=110，tm=(tw+ts)/2=105，=(958.4+950.9)/2=954.65kg/m3，=(0.683+0.685)/2=0.684W/mK，=(282.5+259)10-6/2 =270.7510-6kg/ms，r=(2256.6+2229.9)/2=2243.25kJ/kg代入上式得：,当d4.4041m后才出现湍流。,第七章 凝结与
31、沸腾换热复习题,5. 试说明大容器沸腾的qt曲线中各部分的换热机理。答：壁面过热度t4后在壁面的某些特定点上出现独立汽泡，并随过热度增加，汽化核心增加，汽泡互相影响，并会合成汽块或汽柱。这一区域为核态沸腾区，汽泡剧烈扰动，换热系数和热流密度都急剧增大。换热机理为相变换热和传热表面气液混合的湍流换热的综合。,第七章 凝结与沸腾换热复习题,随过热度进一步提高，核态沸腾的最终，使汽块或汽柱汇聚覆盖在加热面上，蒸汽的排除过程趋于恶化，这一区域为过渡沸腾区。使换热效果变差。换热机理为相变换热和传热表面不均匀气膜传热的综合。在过渡沸腾区的未端，热流密度达到最小。随着过热度的进一步增加，在加热壁面上形成稳定
32、的蒸汽膜层，产生的蒸汽有规则地排离膜层，壁面的辐射增强。热流密度随过热度增加而增大。这一区段为稳定膜态沸腾。换热机理为相变换热和传热表面的均匀气膜传热加上辐射传热。,第七章 凝结与沸腾换热复习题,6. 对于热流密度可控及壁面温度可控的两种换热情形，分别说明控制热流密度小于临界热流密度及温差小于临界温差的意义，并针对上述两种情形分别举出一个工程应用实例。答：对于依靠控制热流密度来改变工况的加热设备，一旦热流密度超过峰值，工况将沿qmax跳至稳定膜态沸腾，过热度将猛升至近1000，可能导致设备的烧毁，所以必须严格监视并控制热流密度，确保在安全工作范围之内。对于依靠控制壁面温度来改变工况的加热设备，
33、一旦过热度超过核态沸腾的转折点DNB，就有可能很快达到qmax，然后跳至稳定膜态沸腾，使换热量大大减少。热流密度可控的例子：电加热器；壁面温度可控的例子：蒸发器、冷凝器（受饱和温度控制）。,第七章 凝结与沸腾换热复习题,7. 试对比水平管外膜状凝结及水平管外膜态沸腾换热过程的异同。答：相同点：换热最大阻力都在贴附于壁面上的膜层中。不同点：膜态沸腾的膜层是气膜，膜状凝结的膜层是液膜。,第七章 凝结与沸腾换热复习题,8. 从传热表面的结构而言，强化凝结换热的基本思想是什么？强化沸腾换热的基本思想是什么？答：强化凝结换热的基本思想是：尽量减薄粘滞在换热表面上的液膜厚度。强化沸腾换热的基本思想是：尽量
34、增加沸腾换热表面的汽化核心，造出更多的微小凹坑。,第七章 凝结与沸腾换热复习题,9. 在你学习过的对流换热中，表面传热系数计算式中显含换热温差的有哪几种换热方式？其他换热方式中不显含温差是否意味着与温差没有任何关系？答：自然对流；凝结；沸腾。其他换热方式中虽不显含温差，但仍与温差有关。例如适用于中等以下温差的迪图斯贝尔特计算式，这里的温差指流体与壁面之间的温度差。,第七章 凝结与沸腾换热复习题,10. 在图7-14所示的沸腾曲线中，为什么稳定膜态沸腾部分的曲线会随t的增加而迅速上升？答：这是因为t越大，辐射越强，而辐射热流密度随绝对温度的4次幂增加，因此迅速上升。,第七章 凝结与沸腾换热复习题
35、,11. 热管中的热量传递过程所涉及到的传热环节都是我们以前所知道的，为什么一经把它们组合在热管内，热管就成为一种高效的传热元件？答：这是因为热管相对于金属棒的导热热阻，当把真空条件下有相变的蒸发、冷凝、管壁导热按构成热管的方式组合在一起时其换热热阻小很多，而表现为高效传热元件的。金属棒的导热是热量,第七章 凝结与沸腾换热复习题,从一端传到另一端。传热热阻与材料导热系数和棒横截面成反比，与长度成正比。而热管的导热为沿管子径向，从管子外壁传向内壁或相反，热量传递路径短，其导热热阻为： ，管长越长，热阻越小，壁厚越薄， 越小，热阻越小。对流热阻由于有相变传热，其表面传热系数非常高，对流换热热阻很小
36、。使沿热管长度方向导热热阻加上对流换热热阻，远小于金属棒的热阻。,第七章 凝结与沸腾换热复习题,12. 什么是重力热管，试述其优点及局限性。答：重力热管：依靠重力回流冷凝液的热管。优点：无吸液芯，制造成本低。局限性：只能竖直放置使用，并且必须保证蒸发段在下，冷凝段在上，不能反向。,第七章 凝结与沸腾换热复习题,13. 采用钢-水热管的换热器，其换热性能的优劣主要取决于什么环节？答：主要取决于工件液的蒸发和冷凝两个换热环节。因为工件液的蒸发和冷凝任何一个环节不正常，热端的热量传向冷端都要受阻，传热量极大地降低。,第七章 凝结与沸腾换热习题,7-2. 对于压力为0.1013MPa的水蒸气，试估算在
37、t=tw-ts=10的情况下雅各布数之值，并说明此特征数的意义以及可能要用到这一特征数的那些热传递现象。 解：查附录11和10，水蒸气的潜热和液膜的比热为：其雅各布数为：,第七章 凝结与沸腾换热习题,此特征数的意义是蒸气的潜热与液膜显热的比值。说明凝结过程中，换热量中潜热与显热所占比例。当其较大时，说明潜热占的比例大，显热占的比例小，冷凝的液体量所占比例不会较大，凝结膜中的流速会较小，可忽略液膜的惯性力。液膜放出的显热较少，可忽略液膜的过冷度。,第七章 凝结与沸腾换热习题,7-4当把一杯水倒在一块赤热的铁板上时，板面上立即会产生许多跳动着的小水滴，而且可以维持相当一段时间而不被汽化掉。试从传热
38、学的观点来解释这一现象常称为莱登佛罗特（Leidenfrost）现象，并从沸腾换热曲线上找出开始形成这一状态的点。,第七章 凝结与沸腾换热习题,解：因水的表面张力随温度升高，而减小，在一开始水的温度较低，表面应力大。赤热的铁板表面有一层气膜，由于壁面加热而产生自然对流。当水滴落在铁板上时，使处于自然对流的气膜受到干扰，产生波动，水受到气膜的波动力，而分离成小水滴。小水滴受到周围气膜的包围，气膜的传热系数小，使水滴在相当一段时间内才能达到饱和温度。 这一现象在沸腾换热曲线上处于过渡沸腾段。开始形成这一状态点是对应图6-11上qmin的点。因随过程进行壁面过热度减少，而向过渡沸腾段进行。,第七章
39、凝结与沸腾换热习题,7-5饱和水蒸气在高度l=1.5m的竖管外表面上作层流膜状凝结。水蒸气压力为p=2.5105Pa，管子表面温度为123。试利用努塞尔分析解计算离开管顶为0.1m、0.2m、0.4m、0.6m及1.0m处的液膜厚度和局部表面传热系数。 解：水蒸气压力为p=2.5105Pa时的物性为：,第七章 凝结与沸腾换热习题,第七章 凝结与沸腾换热习题,7-12. 压力为1.013105Pa的饱和水蒸气,用水平放置的壁温为90的铜管来凝结。有下列两种选择：用一根直径为10cm的铜管或用10根直径为1cm的铜管。试问：（1）这两种选择所产生的凝结水量是否相同？最多可以相差多少？（2）要使凝结
40、水量的差别最大，小管径系统应如何布置（不考虑容积的因素）。（3）上述结论与蒸汽压力、铜管壁温是否有关（保证两种布置的其他条件相同）？,第七章 凝结与沸腾换热习题,解：（1）单位长度的管子的平均传热量应与质量qm的相变热相等： 。而水平管的表面传热系数为：一根管子直径d1和n根管子直径d2的凝结水量比为：,第七章 凝结与沸腾换热习题,本例：凝结水量不同。10根直径为1cm的铜管的凝结水量多，最多可相差1.778倍。（2）从上向下在垂直面上10根细管排成一排可得到最大凝结量。这是因为上层的凝结水，落在下层管子上可产生飞溅，对液膜冲击扰动，加速传热和冷凝。（3）无关。因为蒸气压力和壁温影响物性数据、
41、饱和温度与壁温的差值。只要对粗管和细管两种系统它们两者一致，它们对表面传热系数的影响比例相同，并不影响两种选择的凝结量比值。,第七章 凝结与沸腾换热习题,7-19直径为6mm的合金钢元在98水中淬火时的冷却曲线如附图所示。钢元初温为800。试分析曲线各段所代表的换热过程的性质。,第七章 凝结与沸腾换热习题,解：直线的A段，钢元温度800到400左右，液体在淬火开始时，温度较低，逐渐温度升高，过热度很大，钢元表面有一层稳定的膜为膜状沸腾。 曲线的B段，钢元温度从400左右到低于200温度仍较高，但液体的温度也较高，过热度较大，钢元表面的气膜层由稳定转向不稳定，很快进入分离的气块或气柱，也有可能出
42、现孤独气泡。为短暂的过渡沸腾，很快进入核态沸腾区。 直线的C段，过热度减少，进入自然对流段。,第七章 凝结与沸腾换热习题,7-34如附图所示，在轧制钢板的过程中，当钢板离开最后一副轧滚后，用水（冷却介质）冲射到钢板上进行冷却，然后再卷板。由于钢板温度很高，水膜离开喷嘴不远即在其下形成汽膜。不考虑运动的影响，并把钢板看成直径为1.1m的圆柱表面，试估计每平方米钢板与水的贴壁射流间的换热量。钢板表面的温度为900K，发射率为0.50。,第七章 凝结与沸腾换热习题,第七章 凝结与沸腾换热习题,解：膜态沸腾：,第七章 凝结与沸腾换热习题,第七章 凝结与沸腾换热习题,7-49 有一铜水热管，外径do=2
43、5mm，内径di=21mm，蒸发段长度le=0.4m，外壁温度tw=200；冷凝段长度lc=0.4m，外壁温度te=199.5；绝热段长度为0.5m。设蒸发段与凝结段的管外表面传热系数均为90W/(m2K)。蒸发与凝结的管外表面传热系数分别为he=5000W/(m2K)，和hc=6000W/(m2K)。试计算该热管的内部热阻在传热过程总热阻中的比例。,第七章 凝结与沸腾换热习题,解：查附录2， tw=200时铜的导热系数=393W/（mK） 蒸发段外壁的换热热阻R1 蒸发段外壁到内壁的导热热阻R2,第七章 凝结与沸腾换热习题,蒸发段换热热阻R3 从蒸发段到冷凝段蒸汽流动的压降所引起的热阻R4蒸
44、汽的压降导致饱和温度下降，这等价于存在一个热阻。但实际上由于压降很小，因而所引起的相应的温差也很小，所以R40,第七章 凝结与沸腾换热习题,冷凝段换热热阻R5 冷凝段固体壁面导热热阻R6 冷凝段外管壁与冷流体间的换热热阻R7,第七章 凝结与沸腾换热习题,绝热段固体壁面导热热阻R8 热管的内部热阻在传热过程总热阻中的比例,第七章 凝结与沸腾换热习题,7-50 有一尺寸为10mm10mm、发热量为100W的大规模集成电路，其表面最高允许温度不能高于75，环境温度25。试设计一台能采用自然对流来冷却该电子元件的热管冷却器。 解：由于热管自身的热阻很小，保证集成电路的最高温度不超过75，可假定自然对流
45、冷却段的壁温等于70。热管蒸发段的热能来自集成电路的发热，其长度不由对流传热决定，由于冷却器冷却段的,第七章 凝结与沸腾换热习题,的结构及布置形式决定。考虑集成电路的尺寸为10mm10mm ，冷却段不宜太高，初步确定冷却段用直径10mm的多根竖管组成,高度取0.4m。定性温度为47.5。查附录5得空气的物性参数为，=0.0283W/（mK）, =17.9510-6m2/s,Pr=0.698查表6-10，C=0.59,n=1/4,第七章 凝结与沸腾换热习题,自然对流表面传热系数为: 取两管外表面间最小距离为a=11 mm,a/l=11/400=0.028可采用大空间的计算公式。采用正方形排列，每排6根，共36根，总传热量为满足要求,第七章 凝结与沸腾换热习题,7-51 一冷、热流体的流动布置如图所示，可以看成一种特殊的间壁式传热器。热液体从t1被冷却到t1，而冷却流体从t2被加热到t2，试分析计算冷、热流体间平均温差的方法,第七章 凝结与沸腾换热习题,解：相当于右图的逆流式传热，逆流时平均温差,第七章 凝结与沸腾换热习题,第七章 凝结与沸腾换热习题,