戴锅生思考题导热部分

《传热学》戴锅生（二）思考题11第一章绪论1-2被子散热可视为无限大平壁导热，晒被子使被子变的蓬松，含有更多的空气，而空气热导率较小，使被子的表观热导率变小，另外，被子晒后厚度增加。总之，被子晒后其导热热阻变大，人体热量不易向外散失，睡在被子里感到暖和。（被子储热不必考虑，·被子储热不多·上午晒被子，晚上睡觉时被子储热早已散光）1-3左边一种，这种装置热面向上，冷面在下，使流体对流传热减少到零，用这种装置测得的导热系数不受对流传热的影响。如采用右边的装置，由于对流传热的影响而使测量值偏大。1-4热面和冷面间的传热热流量tAerdc，由1-3知，左边的装置虽然减少了对流传热的影响，但如温差较大，辐射传热量对测量气体热导率的影响却不能忽略，会影响测量的准确性。1-5采暖器和冷风机主要通过对流传热的方式使周围空气变热和变冷，使人生活在合适的温度范围中，空气对流是在密度差的推动下流动，热空气向下，冷空气向上。采暖器放低，冷风机放高。1-6从表1-1可以看出：1)空气的对流传热系数小于水的对流传热系数；2)同一种流体，强迫对流传热系数大于自然对流传热系数；3)同一种流体，有相变时的对流传热系数大于没有相变的对流传热系数；4)水相变时对流传热系数大于有机介质相变的对流传热系数。1-7由于系统处于高真空，导热和对流传热的作用减少到很小，多层铝箔间用热导率很小的玻璃纤维纸、玻璃布、尼龙网隔开，导热作用较小，铝箔的遮热作用使辐射传热也很少（详见第八章）。这样，这个系统使三种传热方式传递的热流量都大大减少，所以其表现热导率就很小。1-8深秋草已枯萎，其热导率很小，草与地面可近似认为绝热。草接受空气的对流传热量，又以辐射的方式向天空传递热量，其热阻串联情况见右图，所以，草表面温度tgr介于大气温度tf和天空温度tsk之间，天暗时，草直接向天空辐射热量，辐射热阻R2较小，使tgr向tsk接近，披上“白霜”，如有风，hc增加，对流传热热阻R1减小，使tgr向tf靠近，即tgr升高，无霜，阴天，天空有云层，由于云层的遮热作用，使草对天空的辐射热阻R2增加，tgr向tf靠近，无霜（或，阴天，草直接对云层辐射，由于天空温度较低可低达－40℃，而云层温度较高可达10℃左右，即tsk在阴天较高，tgr上升，不会结霜）。1-9人体在房间里以对流传热和辐射传热的方式散式热量，有空调时室内温度tfi不变，冬天和夏天人在室内对流散热不变，由于夏天室外温度tfo和比室内温度tfi高，冬天tfo比tfi低，墙壁内温度分布不同，墙壁内表面温度在冬天和夏天不一样。显然，t墙夏大于t墙冬，这样，人体与墙壁内表面间的辐射传热量，冬天比夏天多，在室温20℃的房间的，冬天人体向外散热比夏天多而感到冷，加强保温可使人体散热量减少，如夏天《传热学》戴锅生（二）思考题12只穿衬衣，冬天加毛线衣，人就不会感到冷。1-101-11蒸汽凝结对流传热系数很大，热阻很小，金属管道热导率较大，而其厚度较小，导热热阻也很小。管道保温时，管道散热量很小，管壁外表面温度1-12由于稳态导热热流量不变，（1）的温度梯度大于（2）的，所以（1）的导热系数小于（2）的，热阻大于（2）的。1-131-14稀饭放在水中冷却时，热量由稀饭经碗壁传给碗外盆中水，由经验判断，水侧表面对流传热系数要大于稀饭侧表面对流传热系数，即稀饭侧热阻大于水侧热阻，用汤勺搅动会使表面对流传热系数hc增加即减少对流传热热阻，减少最大热阻效果最佳，所以用汤勺搅动稀饭时冷却效果较好。1-15a中水管接受太阳能后，直接向周围物体（天空等）辐射散热，又向周围空气对流散热。b中不管接受太阳能后，直接向玻璃管辐射散热。玻璃管的温度要比天空温度高得多，使辐射散热减少，水管向夹层中空气对流散热，夹层中空气比外界空气温度高，而且封闭的夹层也使对流传热系数减小，对流散热也减少。c中水管接受太阳能后，直接向玻璃管辐射散热，情况同b，由于夹层中真空，没有空气，使对流散热为零。所以，由a至c散热量逐渐减少，效率逐步提高。1-16屋顶有霜，表示屋顶外表面温度Two较低，而屋顶散热量较小，（对流传热系数变化大）即屋顶的导热量也小，这表明有霜的屋顶保温性能好。为便于观察，将屋顶转至垂直位置，其传热过程温度分布曲线还在右图，有霜屋顶wifitt和wofott都小，表明散热。无霜屋顶保温性能不好有两种可能性：（1）屋顶较薄；（2）屋顶材料热导率较高，这两种可能都会使Two提高而无霜。1-17利用热阻并，串联规律求总热阻，再模仿电路欧姆定律求出热流量，必须符合下列条件：（1）稳态导热；（2）一维；《传热学》戴锅生（二）思考题13（3）无内热源。当λBλC时，ABCD中均不是一维稳态导热，按上法计算偏差较大，当λB和λC相差不显著时，ABCD中为近似一维稳态导热，按上法计算偏差不大。1-18由于4只晶体管温度相同，114131211ttttt，在图中用虚线相连，i1是各只晶体管功耗产生的热流量，i1经各自内部导热热阻iR1到外壳和支架上，由于支架和外壳热阻可以忽略，支架温度相同，224232221ttttt，4个点用实线相连，管壳和支架成为一体，部分热量由它们向外界对流散热和辐射散热，表面热阻分别为zrzcRR和，还有部分热量通过支架与隔板连接处的接触热阻23R流入隔板，由隔板表面向外界进行对流散热和辐射散热，其表面热阻分别为rcRR33和。显然表面对流热阻cR和表面辐射热阻rR均为并联。1-19热力学：（1）某时刻杯中水含有的热量（热焓）；（2）一段时间内水的平均冷却速度，传热学：（1）水的瞬时冷却速度。（2）散热的形式及其分数（份额）；（3）如何强化或削弱冷却。（4）冷却过程中水的温度分布和平均温度。第二章导热的基本定律和稳态导热2-1热流线垂于等温线，不同温度的等温线不能相交，热流线也不能相交。如热流线不垂直于等温线，则等温线上必有一定热流分量。而等温线上无温差，只有热流线垂直于等温线才能使等温线上的分热流为零。2-2稳态无内热源时不变。由傅里叶定律dxdtA，平壁A为常数，由图从左向右变大，这表明热导率从左向右减小，而温度自左向右减少，故热导率随温度t的增加而增加。2-3（1）选择热导率小的材料，最好其密度在最佳密度附近，使其具有最佳保温性能；（2）进行保温计算时必须考虑温度对保温材料热导率的影响；（3）保温材料保温性能受水分的影响，必须采取防水措施，对加保护层，如材料中已加憎水剂，不易含水分，不受水的影响，应首选该种材料；（4）为防止保温材料（或绝热材料）层结冰，要采取防措施，不让外界水分渗入，无法防止时，可适当加厚，以弥补结冰使材料中性能下降；（5）采用各向异性材料时要注意导热方向对热导率的影响。2-4发泡材料的热导率是因体骨架和孔隙中气体导热对流传热和辐射传热综合的当量热导率，发泡金属以金属为骨架，但其横截面尺寸很小，而孔隙中气体的热导率较小，各孔隙中气体被封闭在各个小孔中，对流传热作用较小。多孔结构对辐射换热有遮档作用，使其大大削弱。因此，发泡金属的当量热导率较小，比密度金属要小得多，可以作保温材料。《传热学》戴锅生（二）思考题142-5冰箱隔热材料为用氟里昂作发泡剂的聚氨脂泡沫塑料，其热导率要比一般保温材料小，这是由于孔中氟里昂气体热导率较低，使用时间较长，气孔中氟里昂逐步逸出，环境中的空气取而代之，由于空气的热导率是氟里昂的2－3倍，进入空气的隔热材料热导率大大提高，使其保冷性能下降。2-6冰箱中的致冷剂在冷冻室隔热材料内侧（见右图）蒸发管中蒸发，吸收冷冻室的热量，使冷冻室降低到指定的温度后，压缩机停止工作，冷冻室内结霜后，使蒸发管和冷冻室增加一层热阻，而霜由颗粒状的水组成，中间夹杂着不流动的空气，使其当量热导率比夹的冰小得多，热阻较大，要使冷冻室达到特定温度必须增加压缩机工作热阻，耗量增加。2-8由傅里定律dxdtA，绝热边界0，而热导率和导热面积不为零。所以0dxdt，即绝热边界程度变化中为零，温度分布曲线垂直于绝热边界。2-9不同意，因为导热问题的完整教学陈述包括导热微分方程和定解条件，无内热源稳态导热问题，虽然导热微分方程中不含有热导率，但第二类边界条件和第三类边界条件都含有热导率，即边界条件为第二类或第三类的无内热源稳态导热与热导率有关，只有第一类边界条件下的无内热源稳态导热物体的温度分布与热导率无关，详见例题4-1，题中未给定热导率，其温度分布与无关。2-10不能用，因串联各环节Φ不相同，违背了式（2-17）和（2-21）推导的条件。2-11由傅里定律drdtA，rA2，稳态且无内热源时Φ是常数，r↑，A↑，drdt，温度分布曲线变得平一些，由此得右图。2-12一维稳态导热只有一个方向上有热流，而在其他方向上无热流。等截面延伸体稳态导热不但沿高度方向上有导热，而且在垂直于高度方向上也有热流。如果一般研究Biv很小且有一定高度，（低肋除外）的延伸体，这时热流主要沿高度方向流动，在垂直于高度方向上的热流密度不大。人们常称为准一维稳态导热。一维稳态热时各个导热面上热流量相等，而准一维稳态导热各个导热面上热流量不等，沿着导热方向逐渐减小。另外等截面一维稳态导热（热导中为常数且无内热源）沿导热方向温度分布为一直线，而等截面唯一维稳态导热在同样的条件下沿导热方向的温度分布为一曲线，沿导热方向曲线变得越来越平。2-132-14由例2-13可以得到启发，当传热壁一侧Bi0.2时，该侧加助。当传热壁两侧Bi都小于0.2，则两则侧都可加助，加助时还应遵循这样的原则，壁面两侧表面传热，热阻《传热学》戴锅生（二）思考题15应尽量相近，强化效果最佳，当壁面两侧Bi都小于0.2，但一侧表面传热阻显著大于另一侧表面传热阻时，在热阻大的一侧加助效果较好。2-15由)(0cHmHch，tt00，式中t为被测流体温度，此刻它低于周围环境温度0t，测低温度体时00，所以0H，即ttH，测值比流体温度偏高这与测高温液体（蒸汽、热水、热空气）温度正好相反。2-16测温套管导热主要沿长度方向，而题中所述热流量很少，是次要方面。不锈钢改成紫铜后，热导率大增，套管轴向导热热阻大大减少，其端部温度与根部温度差别减小，即更接近于环境温度，测温误差将增加。2-17对流换热系数小的一侧热阻大，它在总热阻中起的作用大，减小这样的热阻，热流量增加的效果好，如肋片使表面热阻减小，用热导率大的材料做肋片，做肋片本身的附加热阻不大，不会因此而使总热阻增加。或：热导率λ增加，参量2321)(cVHAh，肋片效率ηf↑，使肋壁效率η0↑，热阻0001Ah，由2.02h加肋对传热有利（见例题２－１３）也可以看出，肋片应在h小的一侧，肋片材料热导率λ应较大，否则会使2.02h，加肋对传热不利。2-18（１）如有可能的话，降低接触面的硬度，使加压后形变增加，接触面增大，且间隙度小，都使接触部分均热阻减小；（２）增加接蟹面的压力，形变增加，热阻减小；（３）增加接触面光洁度和平行度，使接触面增加，间隙度小，热阻小；（４）间隙处加软金属或导热脂，使间隙的热导率增加，而使接触热阻减小。第三章非稳态导热３－１温度场随时间变化的导热叫非稳态导热，在物体内取两个厚度为dx的微元体。1111)(xtA，Φ1与Φ2之差用来增加微元件1和２之间物全的热焓，右图物体被加热，Φ1Φ2（物体被冷却时为该部分物体热焓的减少）常物性物体λ相等，平壁面积相等，所以21)()(xtxt，温度分布曲线离表面越近，斜得越厉害。３－２等温线垂直于绝热边界（等温线上无热流），非稳态导热物体表面温度梯度大，所以等温线里疏外密，掌握这两个原则画出右图中虚线。《传热学》戴锅生（二）思考题16３－３画这些曲线应符合以下规律：（１）温度分布曲线垂直于绝热边界；（２）时间=0时，热流密度为0，物体内温度不变，（３）毕渥数是物体内部热阻／表面热阻，毕渥数趋于无穷大，表面热阻《物体内部热阻，表面温度降为零