传热学实际现象应用

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，20℃的室温感到舒适，而冬天同样20℃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。因此冬季墙壁表面温度低于夏季。人体在室内主要是与周围的空气发生对流换热，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，若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）有热量导出和套管表面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，故选择不锈钢。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。而这部分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表面积来强化传热，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：非稳态导热、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=pcv/hA,由此可知玻璃体中的物质热容量越小玻璃体的表面换热条件越好，那么温度变化越快。由于水银的热容量比较大，那么在表面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pcv和增大表面换热条件hA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，达到稳态的时间越短。（8）“热得快”为什么要及时清除水垢？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，如果不及时清除水垢，要达到相同的加热效果（把水烧开）会使耗电量增加。(9)72℃的铁和600℃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120℃和400℃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120℃的铁板上的先气化，因为120℃铁板上的水珠在核态沸腾区换热强，400℃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凝结气体的成分增加。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tw-ts;另一方面蒸汽在抵达液膜表面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，若不将系统抽成真空，则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，使已经凝结的液体尽快从凝结表面凝结表面排泄，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qmax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，冷却水加热的核反应堆。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，凝结换热表面传热系数比较大，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1000℃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）水膜外表面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表面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）水膜外表面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，气体的表面传热系数很小，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，以热水在管内流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？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表面传热系数较小，占整个传热过程中热阻的主要部分，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，对于总热阻则减小很少，强化效果不明显。（13）为了强化一台冷油器的传热，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，对流传热表面传热系数较小，占整个传热过程热阻的主要部分，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20℃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，而动力黏度则相差不多，在相同的特征尺度下，雷诺数为Re=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=hl/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，表面传热系数会减小。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，流体脱离百叶窗式肋片后产生分离状扰动，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部分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表面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贡献不大。（18）摩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