传热第3次作业

- 1 - 2011-9-21

作业答案（第三次）

习题P52-53

习题24.一铝制等截面直肋，肋高为25mm ，肋厚为3mm ，铝材的导热系数为140W/m.℃，周围空气与肋表面的对流换热系数为75W/m.℃。已知肋基温度为80℃和空气温度为30℃，假定肋端的散热可以忽略不计，试计算肋片内的温度分布和每片肋片的散热量。

解：显然()[]()

℃ml ch x l m ch ?=0θθ

所以肋片内的温度分布为()x ch t 90.184725.090.4430?+=，

025.00≤≤x 每片肋片的散热量0|=?=Φx L dx

d A θλ=()ml th m L 0θδλ，而()4402.0=ml th ，则： ()()7.1744725.0308090.18003.0140=?×××=Φth L W/m

测定储气罐空气温度的水银温度计测温套

，钢的导

℃，温度计示出套管端部的温度为

84已

知为

h

温度计套管可视作一个从储气罐筒体上伸出的

ml 应用等截面直肋导热理论解：()[]()

ml ch x l m ch ?=0θθ，

- 2 - 2011-9-21

当x=l 时，()ml ch l 0θθ=，即()ml ch t t t t f

f l ?=?0（t l 为温度计的读数）

则()()1.1001

725.340725.38410=??×=??=ml ch t ml ch t t l f ℃

1049.002.0243.502.010155.48203

=×=×××===?l h l A hU ml L λδλ 006.1)(=ml ch

()()2.80791006.140006.1841

0=??×=??=

ml ch t ml ch t t l f ℃，这种误差不可忍受！！！ 习题28.空气预热器的铸铁管外带有环形肋，肋基直径d l ＝77mm ，肋端直径d 2=140mm ．肋厚δ＝4nm ，相邻两肋的间距为25mm ；铸铁的导热系数λ＝50 W/m ℃，肋基温度t 0＝320℃。肋周围热空气的温度为75℃，肋表面的表面传热系数为60 W/m 2℃，试计算每米长肋片管的散热量。

解：如图所示。

r 1=77/2=38.5mm ，r 2=140/2=70mm ，

l c = l +δ/2=（r 2-r 1）+δ/2=(70-38.5)+ 4/2=33.5mm

r 2c = r 1+ l c =38.5+33.5=72mm ，

f=δ（r 2c - r 1）=0.004(0.072-0.0385)=1.34×10-4m 2

r 2c / r 1=72/38.5=1.87

由0335.022/12/3=????????f h l c λ82.01034.14.506022/142/3=??????×××?查教材P46图2-18知： ηf =0.78

则单片肋片理想散热量为：

()()()()W t t h r r f c 9.34175320600385.0072.022********=?×?=??=ππΦ 单片肋片实际散热量为：

W f f 7.2669.34178.00=×==ΦηΦ

- 3 - 2011-9-21 每米肋片管的肋片数为：48.344

251000=+=N ，取整N=35。 每米肋片管的总散热量等于35

和，即：

()()

()()W

t t h N d N f f 2.1239230585.93347532060004.0351077.07.26635101=+=?×××?××+×=??+=πδπΦΦ

数值计算大作业 一、用数值方法求解尺度为100mm×100mm 的二维矩形物体的稳态导热问题。物体的导热系数λ为1.0w/m·K。边界条件分别为： 1、上壁恒热流q=1000w/m2; 2、下壁温度t1=100℃； 3、右侧壁温度t2=0℃; 4、左侧壁与流体对流换热，流体温度tf=0℃，表面传热系数 h 分别为1w/m2·K、10 w/m2·K、100w/m2·K 和1000 w/m2·K; 要求： 1、写出问题的数学描述； 2、写出内部节点和边界节点的差分方程； 3、给出求解方法； 4、编写计算程序(自选程序语言)； 5、画出4个工况下的温度分布图及左、右、下三个边界的热流密度分布图； 6、就一个工况下（自选）对不同网格数下的计算结果进行讨论； 7、就一个工况下（自选）分别采用高斯迭代、高斯——赛德尔迭代及松弛法（亚松弛和超松弛）求解的收敛性（cpu 时间，迭代次数）进行讨论； 8、对4个不同表面传热系数的计算结果进行分析和讨论。 9、自选一种商业软件（fluent 、ansys 等）对问题进行分析，并与自己编程计算结果进行比较验证（一个工况）。（自选项） 1、写出问题的数学描述 设H=0.1m 微分方程 22220t t x y ??+=?? x=0，0

y=H ，0

2. 燃烧炉的内层为460mm 厚的耐火砖，外层为230mm 厚的绝缘砖。若炉的内表面温度t 1为1400℃，外表面温度t 3为100℃。试求导热的热通量及两砖间的界面温度。设两层砖接触良好，已知耐火砖的导热系数为λ1＝0.9+0.0007t ，绝缘砖的导热系数为λ2＝0.3+0.0003t 。两式中t 可分别取为各层材料的平均温度，单位为℃，λ单位为W ／(m ·℃)。 1、解：热通量q 及界面温度t 2 由：)(21111t t b m q q -==λ ) (32222t t b m q -==λ 又 t 00070901..+=λ t 00030302..+=λ 已知：14001=t ℃ 1002=t ℃ 460b 1=mm 2302=b mm 代入联立解之得： 9492=t ℃ 代入q 式得1689=q （Ｗ／ｍ２） 答： q ＝1689W ／㎡，t 2＝949℃ 4. 蒸汽管道外包扎有两层导热系数不同而厚度相同的绝热层，设外层的平均直径为内层的两倍。其导热系数也为内层的两倍。若将二层材料互换位置，假定其它条件不变，试问每米管长的热损失将改变多少?说明在本题情况下，哪一种材料包扎在内层较为适合? 解：δ相同：2123r r r r -=- 平均直径：232= 232r r = 121 22 3 2332r r r r x r r r r r ln )(ln -=-= ∵1223r r r r -=- ∴有 12232r r r r ln ln = 每米管长的热损失q ′ 231231ln 21ln 1)(π2r r r r t t L Q q λλ+-== 232331ln 21ln 2)(π2r r r r t t λλ+-= 更换材料以前，每米管长热损失q ′ 23 2331ln 1ln 21)(π2r r r r t t L Q q λλ+?-== ∴251.='q q 即： q ′=1.25q 故原保温好。 6. 在列管式换热器中用冷水冷却油。水在直径为φ19×2mm 的列管内流动。已知管内水侧对流传热系数为3490W ／(m 2·℃)，管外油侧对流传热系数为258W ／(m 2·℃)。换热器在使用一段时间后，管壁两侧均有污垢形成，水侧污垢热阻为0.000 26m 2·℃／W ，油侧污垢热阻为0.000 176m 2·℃／W 。管壁导热系数为45W ／(m ·℃)，试求： （1）基于管外表面积的总传热系数； （2）产生污垢后热阻增加的百分数。 解:1、基于管子外表面积的总传热系数K O ：

第6章传热 1、传热过程有哪三种基本方式？答：（1）间接换热，（2）直接换热，（3）蓄热式换热。 2、传热按机理分为哪几种？答：（1）热传导，（2）热对流，（3）热辐射。 3、物体的导热系数与哪些主要因素有关？答：与物体材料的组成、结构、温度、湿度、压强及聚集状态等因素有关。 4、流体流动对传热的贡献主要表现在哪儿？答：流体在垂直于传热方向上的流动，可以增加传热方向上的温度梯度，尤其是湍流时，使得传热方向上的温度梯度仅存在于流动边界层内，故温度梯度数值有很大的增加，根据傅立叶热传导定律可知，在温度梯度方向上的传热速率有了很大增加。流体在平行于传热方向上的同向流动对于传热的作用是明显的，流体的质点运动携带了热量，使得传热速率可有很大增加。 5、自然对流中的加热面与冷却面的位置应如何放才有利于充分传热？答：将加热面水平方向置于底部，加热面水平方向置于顶部，有利于自然环流。 6、液体沸腾的必要条件有哪两个？答：（1）达到一定的过热度，（2）有利于形成较多的气泡核心。 7、工业沸腾装置应在什么沸腾状态下操作？为什么？答：应在什么核状沸腾状态下操作，因为此状态下，对流传热系数大，操作状态安全稳定。 8、沸腾给热的强化可以从哪两方面着手？答：（1）加热表面，易于形成更多的汽化核心，（2）沸腾液体，在液体中加入少量的添加剂改变沸腾液体的表面张力。 9、蒸汽冷凝时为什么要定期排放不凝性气体？答：在冷凝液膜表面上的不凝性气体膜，导热系数很小，热阻值大，直接影响蒸汽冷凝传热速率，故应定期排放不凝性气体。 10、为什么低温时热辐射往往可以忽略，而高温时热辐射则往往成为主要的传热方式？答：根据斯蒂芬-波尔茨曼定律，物体对外辐射能量的总能力E与其绝对温度的4次方成正比，故在物体处于低温时热辐射往往可以忽略，而高温时热辐射则往往成为主要的传热方式。 11、影响辐射传热的主要因素有哪些？答：（1）高温物体绝对温度的4次方与低温物体绝对温度的4次方之差，（2）高温物体的黑度值及低温物体的黑度值，（3）高温物体与低温物体的位置关系。 12、为什么有相变时的对流给热系数大于无相变时的对流给热系数？答：（1）核状沸腾状态时，加热壁的温度t w已经达到了一定的过热度，与壁面相接触的液体很容易汽化，很多的气泡很自然容易上浮，这样刚与壁面相接触的液体又发生汽化。在壁面与相接触的液体之间的传热，热阻值很小，则表现为对流给热系数很大；（2）蒸汽冷凝时，蒸汽与被加热壁面之间的传热，热阻就是由冷凝液的膜中产生，膜很薄，故热阻值很小，则表现为对流给热系数很大。无相变时的对流传热热阻发生在层流底层中，由于在一般情况下层流底层比冷凝液的膜厚许多，故其热阻值大许多，对流给热系数小许多。 13、有两把外形相同的茶壶，一把为陶瓷的，一把为银制的。将刚烧开的水同时充满两壶，陶壶中水温下降比银壶中的快，为什么？答：因为两壶置于空气中，首先主要以热辐射的方式对外界空气散热。陶瓷材料的黑度数值大，银材料的黑度数值小，故在水温降低的初始阶段，陶瓷壶对外辐射传热速率更快，则水温降得更快。但是，在水温降低到较小的数值后，则会出现相反的状态，因为辐射传热速率均已经很小了，则应考虑通过壶壁材料的热传导速率了。银材料的导热系数较陶瓷材料的要大，而银壶的壁厚较陶瓷壶的要薄，故导热热阻小，热传导速率更快。 14、若串联传热过程中存在着某个控制步骤，其含义是什么？答：说明在这个步骤中热阻值最大，并且比其他步骤中的热阻值大许多。 15、传热基本方程式推导得出对数平均推动力的前提条件有哪些？答：（1）定常态换热，两种流体的热容流率不变，（2）逆流换热，（3）无热损失。 16、一列管换热器，油走管程并达到充分湍流。用133o C的饱和蒸汽可将油从40o C加热至80o C 。若欲增加50%的油处理量，有人建议采用并联或串联同样一台换热器的方法，以保持油的出口温度不低于80o C ，这个方案是否可行？答：（1）换热器中的总传热系数K约等于油侧的对流传热系数。若串联同样一台换热器，在每台换热器中的总传热系数K是原来的1.50.8倍，换热面积A是原来的2倍，若保持油的出口温度不低于80o C ，串联换热器的平均传热温度差与原来相同，故串联换热器的换热速率是原来的 ?倍。而流量增加后换热负荷是原来的1.5倍，故这个方案可行。（2）若并联同样一台换5.18.0= .2 766 2

传热学大作业报告二维稳态计算 院系：能源与环境学院 专业：核工程与核技术 姓名：杨予琪 学号：03311507

一、原始题目及要求 计算要求： 1. 写出各未知温度节点的代数方程 2. 分别给出G-S 迭代和Jacobi 迭代程序 3. 程序中给出两种自动判定收敛的方法 4. 考察三种不同初值时的收敛快慢 5. 上下边界的热流量（λ=1W/(m ℃）） 6. 绘出最终结果的等值线 报告要求： 1. 原始题目及要求 2. 各节点的离散化的代数方程 3. 源程序 4. 不同初值时的收敛快慢 5. 上下边界的热流量（λ=1W/(m ℃）） 6. 计算结果的等温线图 7. 计算小结 二、各节点的离散化的代数方程 左上角节点 )(21 1,22,11,1t t t +=

右上角节点 )(2 15,24,15,1t t t += 左下角节点 C t ?=1001,5 右下角节点 )2(211,24,55,5λ λ x h t t x h t ?++?+= 左边界节点 C t i ?=1001,，42≤≤i 上边界节点 C t j ?=200,1，42≤≤j 右边界节点 )2(415,15,14,5,+-++= i i i i t t t t ，42≤≤i 下边界节点 )42()2(211,51,5,4,5∞+-?+++?+=t x h t t t x h t j j j j λλ ，42≤≤j 内部节点 )(2 1,1,11,1,,j i j i j i j i j i t t t t t +-+-+++= ，4,2≤≤j i 三、源程序 1、G-S 迭代法 t=zeros(5,5); t0=zeros(5,5); dteps=0.0001; for i=2:5 %左边界节点 t(i,1)=100; end for j=2:4 %上边界节点 t(1,j)=200; end t(1,1)=(t(1,2)+t(2,1))/2; t for k=1:100 for i=2:4 %内部节点 for j=2:4 t(i,j)=(t(i-1,j)+t(i+1,j)+t(i,j-1)+t(i,j+1))/4; end end t(1,5)=(t(1,4)+t(2,5))/2;%右上角节点 for i=2:4;%右边界节点 t(i,5)=(2*t(i,4)+t(i-1,5)+t(i+1,5))/4; end for j=2:4; %下边界节点

硕士研究生《高等工程热力学与传热学》作业 查阅相关资料,回答以下问题： 1、一滴水滴到120度和400度的板上，哪个先干？试从传热学的角度分析？ 答：在大气压下发生沸腾换热时,上述两滴水的过热度分别是△ t=tw–ts=20℃和△t=300℃,由大容器饱和沸腾曲线,前者表面发生的是泡态沸腾,后者发生膜态沸腾。虽然前者传热温差小,但其表面传热系数大,从而表面热流反而大于后者。所以水滴滴在120℃的铁板上先被烧干。 2、锅铲、汤勺、漏勺、铝锅等炊具的柄用木料制成，为什么？ 答：是因为木料是热的不良导体,以便在烹任过程中不烫手。 3、滚烫的砂锅放在湿地上易破裂。为什么？ 答：这是因为砂锅是热的不良导体, 如果把烧得滚热的砂锅,突然放到潮湿或冷的地方,砂锅外壁的热就很快地被传掉，而壁的热又一下子传不出来，外壁冷却很快的收缩，壁却还很热，没什么收缩，加以瓷特别脆，所以往往裂开。 或者：烫砂锅放在湿地上时,砂锅外壁迅速放热收缩而壁温度降低慢,砂锅外收缩不均匀,故易破裂。 4、往保温瓶灌开水时，不灌满能更好地保温。为什么？ 答：因为未灌满时,瓶口有一层空气,是热的不良导体,能更好地防止热量散失。

5、煮熟后滚烫的鸡蛋放入冷水中浸一会儿，容易剥壳。为什么？ 答：因为滚烫的鸡蛋壳与蛋白遇冷会收缩,但它们收缩的程度不一样,从而使两者脱离。 6、用焊锡的铁壶烧水，壶烧不坏，若不装水，把它放在火上一会儿就烧坏了。为什么？ 答：这是因为水的沸点在1标准大气压下是100℃,锡的熔点是232℃,装水烧时,只要水不干,壶的温度不会明显超过100℃,达不到锡的熔点,更达不到铁的熔点,故壶烧不坏.若不装水在火上烧,不一会儿壶的温度就会达到锡的熔点,焊锡熔化,壶就烧坏了。 7、冬壶里的水烧开后，在离壶嘴一定距离才能看见“白气”，而紧靠壶嘴的地方看不见“白气”。这是因为紧靠壶嘴的地方温度高，壶嘴出来的水蒸气不能液化，而距壶嘴一定距离的地方温度低；壶嘴出来的水蒸气放热液化成小水滴，即“白气”。 答：这是因为紧靠壶嘴的地方温度高,壶嘴出来的水蒸气不能液化,而距壶嘴一定距离的地方温度低；壶嘴出来的水蒸气放热液化成小水滴,即“白气”。 8、某些表演者赤脚踩过炽热的木炭，从传热学角度解释为何不会烫伤？不会烫伤的基本条件是什么？ 答：因为热量的传递和温度的升高需要一个过程，而表演者赤脚接触炽热木炭的时间极短，因此在这个极短的时间传递的温度有限，不足以达到令人烫伤的温度，所以不会烫伤。 基本条件：表演者接触炽热木炭的时间必须极短，以至于在这段时间所传递的热量不至于达到灼伤人的温度

1-2理发吹风器的结构示意图如附图所示，风道的流通面积，进入吹风器的空气压力，温度℃。要求吹风器出口的空气温度℃，试确定流过吹风器的空气的质量流量以及吹风器出口的空气平均速度。电加热器的功率为1500W 。 解： 1-3淋浴器的喷头正常工作时的供水量一般为每分钟。冷水通过电热器从15℃被加热到43℃。试问电热器的加热功率是多少？为了节省能源，有人提出可以将用过后的热水（温度为38℃）送入一个换热器去加热进入淋浴器的冷水。如果该换热器能将冷水加热到27℃，试计算采用余热回收换热器后洗澡15min 可以节省多少能源？ 解：电热器的加热功率： kW W t cm Q P 95.16.195060 ) 1543(101000101018.4633==-?????=?==-ττ 15分钟可节省的能量： kJ J t cm Q 4.752752400)1527(15101000101018.46 33==-??????=?=- 1-10 一炉子的炉墙厚13cm ，总面积为20，平均导热系 数为，内外壁温分别是520℃及50℃。试计算通过炉墙 的热损失。如果所燃用的煤的发热量是×104kJ/kg ，问 每天因热损失要用掉多少千克煤？ 解：根据傅利叶公式 每天用煤 1-11 夏天，阳光照耀在一厚度为40mm 的用层压板制成 的木门外表面上，用热流计测得木门内表面热流密度为 15W/m 2。外变面温度为40℃，内表面温度为30℃。试估 算此木门在厚度方向上的导热系数。 解： ， 1-12 在一次测定空气横向流过单根圆管的对流换热实 验中，得到下列数据：管壁平均温度t w =69℃，空气温 度t f =20℃，管子外径 d=14mm ，加热段长 80mm ，输入 加热段的功率，如果全部热量通过对流换热传给空气， 试问此时的对流换热表面传热系数多大？ 解：根据牛顿冷却公式 所以 ＝ 1-18 宇宙空间可近似地看成为0K 的真空空间。一航天 器在太空中飞行，其外表面平均温度为250℃，表面发 射率为，试计算航天器单位表面上的换热量。 解：= 1-19 在1-14题目中，如果把芯片及底板置于一个封闭 的机壳内，机壳的平均温度为20℃，芯片的表面黑度为， 其余条件不变，试确定芯片的最大允许功率。 解： P ＝ 1-20 半径为 m 的球状航天器在太空中飞行，其表面发 射率为。航天器内电子元件的散热总共为175W 。假设航 天器没有从宇宙空间接受任何辐射能量，试估算其表面的平均温度。 解：电子原件的发热量＝航天器的辐射散热量即： =187K 热阻分析 1-21 有一台气体冷却器，气侧表面传热系数＝95W/，壁面厚＝，水侧表面传热系数W/。设传热壁可以看成平壁，试计算各个环节单位面积的热阻及从气到水的总传热系数。你能否指出，为了强化这一传热过程，应首先从哪一环节着手？ 解： 则＝，应强化气体侧表面传热。 1-34．一台R22的空调器的冷凝器如附图所示。温度为313K 的氟利昂22的饱和蒸气在管子内流动，温度为283K 的空气进入冷凝器冷却氟利昂蒸气使其凝结。该冷凝器的迎风面积为，迎面风速为。氟利昂蒸气的流量为，从凝结氟利昂蒸气到空气的总传热系数为,试确定该冷凝器所需的传热面积。提示：以空气进、出口温度的平 均值作为计算传热温差的空气温度。所谓迎风面积是指 空气进入冷凝器之前的流动面积。 2-11提高燃气进口温度是提高航空发动机效率的有效 方法。为了是发动机的叶片能承受更高的温度而不至于损坏，叶片均用耐高温的合金制成，同时还提出了在叶 片与高温燃气接触的表面上涂以陶瓷材料薄层的方法， 如附图所示，叶片内部通道则由从压气机来的空气予以 冷却。陶瓷层的导热系数为（m ·K ），耐高温合金能承 受的最高温度为1250K ，其导热系数为25W/(m ·K)。在 耐高温合金与陶瓷层之间有一薄层粘结材料，其造成的 接触热阻为10-4 ㎡·K/W 。如果燃气的平均温度为1700K ， 与陶瓷层的表面传热系数为1000W/(㎡·K)，冷却空气 的平均温度为400K ，与内壁间的表面传热系数为 500W/(㎡·K)，试分析此时耐高温合金是否可以安全地工作？ 2-13 在附图所示的平板导热系数测定装置中，试件厚度远小于直径d 。由于安装制造不好，试件与冷热表面之间平均存在着一层厚为的空气隙。设热表面温度℃，冷表面温度℃，空气隙的导热系数可分别按查取。试计算空气隙的存在给导热系数测定带来的误差。通过空气隙的辐射换热可以略而不计。 解：查附表8得℃， ℃， 无空气时 有空气隙时 得 所以相对误差为 圆筒体 2-16 一根直径为3mm 的铜导线，每米长的电阻为。导 线外包有厚为1mm 导热系数为的绝缘层。限定绝缘层的 最高温度为65℃，最低温度为0℃。试确定在这种条件 下导线中允许通过的最大电流。 解：根据题意有： 解得：

传热的三种基本方式 赵世强 08化工一班 0803021039 合肥学院 化学与材料工程系 合肥 230022 摘要：传热是自然界和工程技术领域中极普遍的一种传递过程。由于物体内或系统内的两部分之间的温度差而引起，净的热流方向总是由高温处向低温处流动。 关键词：传热，温度差，热传导，对流传热，辐射传热 引言 化学工业与传热的关系尤为密切，化工生产中的很多过程与单元操作都需要进行加热获冷却，而这些传热过程往往都是通过一定的换热设备来实现的。如何设计价格低廉、运行经济的换热设备以完成所要求的换热任务，是化学工程师经常遇到的问题。这就要求通晓热量传递的基本原理，又要求具有能够定量计算传递速率的能力。 1 热传导 热量从物体内部温度较高的部分传递到温度较低的部分或者传递到与之相接触的、温度较低的另一物体的过程称为热传导，简称导热。 特点：物质间没有宏观位移，只发生在静止物质内的一种传热方式。 1.1 傅立叶定律 描述导热现象的物理定律为傅里叶定律，其数学表达式为 dQ t q k n dS ?==-? 式中 Q ——传热速率单位时间传递的热量，/J s ； q ——热通量单位传热面积的传热速率，2/()J m s ?，矢量，方向为传热面的法线方向dQ q dS = ； S ——与导热方向垂直的传热面积； 负号表示q 与温度梯度方向相反； k ——导热系数, 单位为/()W m K ?。 物性之一：与物质种类、热力学状态（T 、P ）有关

物理含义：代表单位温度梯度下的热通量大小，故物质的k 越大，导热性能越好。 1.2 热导率（导热系数） 定义式：dQ dS k dt dn =- 单位温度梯度的热通量, /(K)W m ? k 表征物质导热能力的大小，是物质的物性之一。 k 金属非金属固体液气由实验测定，一般k k k k >>>金属非金属固体液体气体 1.2.1 气体的导热系数 a 随温度的升高而增大； b 气体k 很小，对导热不利，但有利于保温、绝热； c 混合物11131n i i i i m n i i i k y M k y M ===∑∑ 1.2.2 液体的导热系数 液态金属的k 比一般液体的要高大多数液态金属的k 随T 升高而减小。 在非金属液体中，水的最大。除水和甘油外，绝大多数液体的k 随T 升高而略有减少,k k >纯液体溶液溶液。 溶液的k ：0.9m i i k a k =∑ 或 m i i k a k =∑ 1.2.3 固体的导热系数 纯金属：k 随T 升高而减小，随纯度升高而增大 非金属：k 随ρ升高而增大，随T 升高而增大 对大多数匀质的固体，k 值与温度大致成线性关系，即 0(1)k k t β=+ 2 热对流（又称对流） 对流传热是指由于流体的宏观运动，流体各部分之间发生相对位移、冷热流体相互掺混所引起的热量传递过程。流体中质点发生相对位移而引起热交换。对流传热仅发生在流体中，因此它与流体的流动状态密切相关。在对流传热时，必然伴随着流体质点间的热传导。

传热部分习题答案 1-7 热电偶常用来测量气流温度。如附图所示，用热电偶来测量管道中高温气流的温度T f ,壁管温度f w T T <。试分析热电偶结点的换热方式。 解：具有管道内流体对节点的对流换热，沿偶丝到节点的导热和管道内壁到节点的热辐射 1-21 有一台气体冷却器，气侧表面传热系数1h ＝95W/(m 2 .K)，壁面厚δ＝2.5mm ， )./(5.46K m W =λ水侧表面传热系数58002=h W/(m 2.K)。设传热壁可以看成平壁，试计 算各个环节单位面积的热阻及从气到水的总传热系数。你能否指出，为了强化这一传热过程，应首先从哪一环节着手？ 解： ;010526.0111== h R ;10376.55.460025.052-?===λδR ; 10724.1580011423-?===h R 则λδ++= 21111 h h K ＝94.7 )./(2 K m W ，应强化气体侧表面传热。 1-22 在上题中，如果气侧结了一层厚为2mm 的灰，)./(116.0K m W =λ;水侧结了一层厚为1mm 的水垢)./(15.1K m W =λ。其他条件不变。试问此时的总传热系数为多少？ 解：由题意得 5800115.1001.05.460025.0116.0002.09511 111 2 3322111++++= ++++= h h K λδλδλδ ＝34.6)./(2 K m W 1-32 一玻璃窗，尺寸为60cm cm 30?，厚为4mm 。冬天，室内及室外温度分别为20℃及 -20℃，内表面的自然对流换热表面系数为W ，外表面强制对流换热表面系数为50)./(K m W 。玻璃的导热系数)./(78.0K m W =λ。试确定通过玻璃的热损失。 解： λδA Ah A h T + +?= Φ2111 ＝57.5W -2 一冷藏室的墙由钢皮矿渣棉及石棉板三层叠合构成，各层的厚度依次为0.794mm.,152mm 及9.5mm ，导热系数分别为45)./(K m W ,0. 07)./(K m W 及0.1)./(K m W 。冷藏室的有效换热面积为37.22 m ，室内外气温分别为-2℃及30℃，室内外壁面的表面传热系数可分别按 1.5)./(2K m W 及 2.5 )./(2 K m W 计算。为维持冷藏室温度恒定，试确定冷藏室内的冷却排管每小时需带走的热量。 解：由题意得 332211212 111λδλδλδ++++-? =Φh h t t A ＝2.371.00095.007.0152.045000794.05.215.11) 2(30?+ +++-- ＝357.14W 357.14×3600＝1285.6KJ

二维导热物体温度场的数值模拟

一、物理问题 有一个用砖砌成的长方形截面的冷空气通道，其截面尺寸如下图1-1所示，假设在垂直于纸面方向上用冷空气及砖墙的温度变化很小，可以近似地予以忽略。在下列两种情况下试计算： 砖墙横截面上的温度分布；垂直于纸面方向的每米长度上通过砖墙的导热量。 第一种情况：内外壁分别均匀维持在0℃及30℃； 第二种情况：内外壁均为第三类边界条件，且已知： K m K m W h C t K m W h C t ?=?=?=?=?=∞∞/35.0/93.3,10/35.10,302 22211λ砖墙导热系数 二、数学描写 由对称的界面必是绝热面，可取左上方的四分之一墙角为研究对象，该问题为二维、稳态、无内热源的导热问题。 控制方程： 02 222=??+??y t x t 边界条件： 第一种情况： 由对称性知边界1绝热： 0=w q ； 边界2为等温边界，满足第一类边界条件： C t w ?=0； 边界3为等温边界，满足第一类边界条件： C t w ?=30。 第一种情况： 由对称性知边界1绝热： 0=w q ； 边界2为对流边界，满足第三类边界条件： )()( 2f w w w t t h n t q -=??-=λ； 边界3为对流边界，满足第三类边界条件： )()(2f w w w t t h n t q -=??-=λ。 1 -1图2 -1图

三、方程离散 用一系列与坐标轴平行的间隔0.1m 的二维网格线将温度区域划分为若干子区域，如图1-3所示。 采用热平衡法，利用傅里叶导热定律和能量守恒定律，按照以导入元体（m,n ）方向的热流量为正，列写每个节点代表的元体的代数方程， 第一种情况： 边界点： 边界1（绝热边界）： 5~2)2(4 1 1,11,12,1,m =++= +-m t t t t m m m ， 11~8)2(4 1 1,161,16,15,16=++=+-n t t t t n n n n ， 边界2（等温内边界）： 7,16~7;7~1,6,0,=====n m n m t n m 边界3（等温外边界）： 12,16~2;12~1,1,30,=====n m n m t n m 内节点： 11 ~8,15~6;11~2,5~2)(41 1,1,,1,1,====+++= -+-+n m n m t t t t t n m n m n m n m n m 第二种情况 边界点： 边界1（绝热边界）： 5~2)2(4 1 1,11,12,1 ,m =++=+-m t t t t m m m ， 11~8)2(4 1 1,161,16,15,16=++=+-n t t t t n n n n ， 边界2（内对流边界）： 6~1) 2(2221 11,61,6,5,6=++++= ??-+n Bi t Bi t t t t n n n n ， 3 -1图

第五章练习 1、棉花保温性能好，主要是因为______。 （A）棉纤维素导热系数小； （B）棉花中含有相当数量的油脂； （C）棉花中含有大量空气，而空气的运动又受到极为严重的阻碍； （D）棉花白色，因而黑度小。 2、在房间中利用火炉进行取暖时，其传热方式为； （A）传导和对流 （B）传导和辐射 （C）传导、对流和辐射，但对流和辐射是主要的。 3、一定流量的液体在一φ25×2.5mm的直管内作湍流流动，其对流传热系数α＝1000w/m2.℃。如流量与物性都不变，改用一 φ19×2mm的直管，则其α值将变为_______w/m2.℃。 （A）1059 （B）1496 （C）1585 （D）1678 4、有一列管换热器，由38根φ25×2.5无缝钢管组成，某有机蒸汽在管外冷凝，管内通冷却水，水流速0.5m/s，相应的Re>104及对流传热膜系数为α，当水流量减为一半时，对流传热膜系数改变为α'＝_____。 （A）α'=（1/2）α（B）α'>（1/2）α （C）α'<（1/2）α（D）不一定 5、蒸汽冷凝时的热阻_______。 （A）决定于汽膜厚度（B）决定于液膜厚度 （C）决定于汽膜和液膜厚度（D）主要决定于液膜厚度，但汽膜厚度也有影响 6、沸腾传热的的过热度增大，其传热系数_________。 （A）增大（B）减小 （C）只在某范围变大（D）沸腾传热系数与过热度无关 7、在一列管式换热器中，用冷却水冷凝酒精蒸汽，冷却水应走_______。 （A）管程（B）壳程 （C）易于清洗侧（D）抗压性大的一侧 8、红砖的黑度为0.93，若温度为300℃，则红砖的辐射能力为______W/m2。 （A）6112.3 （B）5684 （C）916.8 （D）1000 9、已知当温度为T时，耐火砖的辐射能力大于铝板的辐射能力，则铝的黑度______耐火砖的黑度。 （A）大于（B）等于 （C）不能确定是否大于（D）小于

《传热学》上机大作业 二维导热物体温度场的数值模拟 学校：西安交通大学 姓名：张晓璐 学号:10031133 班级：能动A06

一．问题（4-23） 有一个用砖砌成的长方形截面的冷空气通道，形状和截面尺寸如下图所示，假设在垂直纸面方向冷空气和砖墙的温度变化很小，差别可以近似的予以忽略。在下列两种情况下计算：砖墙横截面上的温度分布；垂直于纸面方向上的每米长度上通过墙砖上的导热量。 第一种情况：内外壁分别维持在10C ?和30C ? 第二种情况：内外壁与流体发生对流传热，且有C t f ?=101， )/(2021k m W h ?=，C t f ?=302，)/(422k m W h ?=，K m W ?=/53.0λ

二．问题分析 1.控制方程 02222=??+??y t x t 2.边界条件 所研究物体关于横轴和纵轴对称，所以只研究四分之一即可，如下图： 对上图所示各边界： 边界1：由对称性可知：此边界绝热，0=w q 。 边界2：情况一：第一类边界条件 C t w ?=10 情况二：第三类边界条件

)()( 11f w w w t t h n t q -=??-=λ 边界3：情况一：第一类边界条件 C t w ?=30 情况二：第三类边界条件 )()( 22f w w w t t h n t q -=??-=λ 三：区域离散化及公式推导 如下图所示，用一系列和坐标抽平行的相互间隔cm 10的网格线将所示区域离散化，每个交点可以看做节点，该节点的温度近似看做节点所在区域的平均温度。利用热平衡法列出各个节点温度的代数方程。 第一种情况： 内部角点：

b i 460 mm b 2 230 mm 代入联立解之得： 12 949 C 代入q 式得q 1689 (W/m 答：q = 1689W /tf, t 2= 949 C 4.蒸汽管道外包扎有两层导热系数不同而厚度相同的绝热层，设外层的平均直径为内层的 两倍。其导热系数也为内层的两倍。若将二层材料互换位置，假定其它条件不变，试问每米 管长的热损失将改变多少 ？说明在本题情况下，哪一种材料包扎在内层较为适合 ？ 解：3 相同：「2 r 1 r 3 「2 「3 「2 c (「2 「1) 2x .「3 In - 「2 q 1.25 ? q 即: q ' =1.25 q 故原保温好。 6.在列管式换热器中用冷水冷却油。水在直径为$ 19X 2mm 的列管内流动。已知管内水侧 对流传热系数为3490V / (m 2 ?C )，管外油侧对流传热系数为 258V / (m 2 ?C )。换热器在使 用一段时间后，管壁两侧均有污垢形成，水侧污垢热阻为 0.000 26m 2 ?C/ W ,油侧污垢热 阻为0.000 176m 2 ?C/ W 管壁导热系数为 45W /(m ?C )，试求： (1) 基于管外表面积的总传热系数； (2) 产生污垢后热阻增加的百分数。 解:1、基于管子外表面积的总传热系数 K O ： 2.燃烧炉的内层为460mm 厚的耐火砖，外层为 230mm 厚的绝缘砖。若炉的内表面温度 1400 C,外表面温度t 3为100 C 。试求导热的热通量及两砖间的界面温度。设两层砖接触良 好，已知耐火砖的导热系数为 入1 = 0.9+0.0007 t , 两式中t 可分别取为各层材料的平均温度，单位为C, 1、解：热通量 绝缘砖的导热系数为 入2= 0.3+0.0003 t o 入单位为W (m ?C ) o q q i 由： q 及界面温度12 1(t 1 t 2) b 1 q 2 m 2 (t 2 t 3) b 2 1 0.9 0.0007t 0.3 0.0003t 已知: t 1 1400 C t 2 100 C 2 ) 平均直径: d 3 2d 2 「3 2「2 「1 ?/「3 「2 每米管长的热损失 Q q 丨 「2 「1 ???有 r 3 r 2 2|n - In - 「2 「1 q 2站 1 「 2 ■ -3 In — In — 「1 2 「2 更换材料以前，每米管长热损失 Q 2 稚1 t 3) q L 1 | 「3 1 | 「3 J3) 1 2说1 t 3) 2| 「3 1 | 「3 In In 「2

第一章 1-1 对于附图所示的两种水平夹层，试分析冷、热表面间热量交换的方式有何不同？如果要通过实验来测定夹层中流体的导热系数，应采用哪一种布置？ 解：（ a ）中热量交换的方式主要有热传导和热辐射。 （ b ）热量交换的方式主要有热传导，自然对流和热辐射。 所以如果要通过实验来测定夹层中流体的导热系数，应采用（ a ）布置。 1-7 一炉子的炉墙厚 13cm ，总面积为 20m 2 ，平均导热系数为 1.04w/m · k ，内外壁温分别是 520 ℃及 50 ℃。试计算通过炉墙的热损失。如果所燃用的煤的发热量是 2.09 × 10 4 kJ/kg ，问每天因热损失要用掉多少千克煤？ 解：根据傅利叶公式 每天用煤 1-9 在一次测定空气横向流过单根圆管的对流换热实验中，得到下列数据：管壁平均温度 t w = 69 ℃，空气温度 t f = 20 ℃，管子外径 d= 14mm ，加热段长 80mm ，输入加热段的功率 8.5w ，如果全部热量通过对流换热传给空气，试问此时的对流换热表面传热系数多大？ 解：根据牛顿冷却公式

1-14 宇宙空间可近似的看作 0K 的真空空间。一航天器在太空中飞行，其外表面平均温度为250K ，表面发射率为 0.7 ，试计算航天器单位表面上的换热量？ 解：航天器单位表面上的换热量 1-27 附图所示的空腔由两个平行黑体表面组成，孔腔内抽成真空，且空腔的厚度远小于其高度与宽度。其余已知条件如图。表面 2 是厚δ = 0.1m 的平板的一侧面，其另一侧表面 3 被高温流体加热，平板的平均导热系数λ =17.5w/m ? K ，试问在稳态工况下表面 3 的 t w3 温度为多少？ 解： 表面 1 到表面 2 的辐射换热量 = 表面 2 到表面 3 的导热量 第二章

课程编号：13SD02010340 课程名称：传热学 上课时间：2014年春季 电子元器件散热方法研究 姓名： 学号： 班级： 所在学院： 任课教师：

摘要：随着电子器件的高频、高速以及集成电路技术的迅速发展和技术的进步，电子元器件的总功率密度大幅度增长而物理尺寸却越来越小，热流密度也随之增加，所以高温的 温度环境势必会影响电子元器件的性能，这就要求对其进行更加高效的热控制。因此，有 效解决电子元器件的散热问题已成为当前电子元器件和电子设备制造的关键技术。本文针 对电子元器件的散热与冷却问题，综述了当前应用研究中不同的散热和冷却方法，并进行 了适当的分析。 关键词热管理; 冷却; 电子器件 近些年来,电子技术的快速发展。电子器件的高频、高速以及集成电路的密集和小型化,使得单位容积电子器件的总功率密度和发热量大幅度地增长,从而使电子器件的冷却问题 变得越来越突出。如: 大型计算机的芯片热流量已达到了60 W/ cm2,到2000 年已经超过了,目前最高已达到200 W/ cm2。特别是由于MEMS技术突飞猛进,使得电子元器件的尺寸越来越小,已经从微米量级进入到了亚微米量级。尽管随着器件或系统尺寸的减小, 消耗功率也会有所减小, 但为了完成一定的任务,可减小的余地非常有限,这使得为系统内的热流密度非 常大, 据报道可达, 远远高出航天飞行器回归地球与大气摩擦时产生的惊人的高热流密度。在微系统中可能出现的高热流密度对于电子器件是致命的, 然而使用传统的冷却技术要使 如此高的热流密度在短时间内散去几乎是不现实的; 另一方面, 电子器件工作的可靠性对 温度十分敏感, 器件温度在70～80 水平上每增加1, 可靠性就会下降5%。因而电子产品的 开发、研制中必须要充分考虑到良好的散热手段, 才能保证产品的可靠性和表观。由于电 子元器件的小型化、微型化和集成化,所采用的散热和冷却手段必须要求具有紧凑性、可靠性、灵活性、高散热效率等特点。 1 电子元器件的散热或冷却方法 电子元器件的高效散热问题与传热学、流体力学等原理的应用密切相关。电子器件散 热的目的是对电子设备的运行温度进行控制,以保证其工作的稳定性和可靠性。这其中涉及了与传热有关的散热或冷却方式、材料等多方面内容。从应用的角度看,常用的方法主要有: 自然散热或冷却、强制散热或冷却、液体冷却、制冷方式、疏导方式、热隔离方式和PCM 温度控制方法等。 1.1 自然散热或冷却方法 自然散热或冷却方法是指不使用任何外部辅助能量的情况下,实现局部发热器件向周 围环境散热达到温度控制的目的,这其中通常都包含了导热、对流和辐射三种主要传热方式, 其中对流以自然对流方式为主。自然散热或冷却往往适用对温度控制要求不高、器件发热 的热流密度不大的低功耗器件和部件,以及密封或密集组装的器件不宜采用其它冷却技术 的情况下。有时,在对散热能力要求不高时也常常利用电子器件自身特点增强与邻近热沉的导热或辐射、通过结构设计强化自然对流,在一定程度上提高系统向环境散热能力。

教材上的思考题 第8章 思考题 1．试说明热传导（导热）、热对流和热辐射三种热量传递基本方式之间的联系与区别。 区别：它们的传热机理不同。导热是由于分子、原子和电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递现象，其本质是介质的微观粒子行为。热对流是由于流体的宏观运动，致使不同温度的流体相对位移而产生的热量传递现象，其本质是微观粒子或微团的行为。辐射是由于物体内部微观粒子的热运动而使物体向外发射辐射能的现象，其本质是电磁波，不需要直接接触并涉及能量形式的转换。 联系：经常同时发生。 2．试说明热对流与对流换热之间的联系与区别。 热对流是由于流体的宏观运动，致使不同温度的流体相对位移而产生的热量传递现象。对流换热是流体与固体表面之间由热对流和导热两种传热方式共同作用导致的传热结果。 3. 从传热的角度出发，采暖散热器和冷风机应放在什么高度最合适？ 答：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，空气对流实在密度差的推动下流动，如采暖器放得太高，房间里上部空气被加热，但无法产生自然对流使下部空气也变热，这样人仍然生活在冷空气中。为使房间下部空气变热，使人感到舒适，应将采暖器放在下面，同样的道理，冷风机应放在略比人高的地方，天热时，人才能完全生活在冷空气中 4．在晴朗无风的夜晚，草地会披上一身白霜，可是气象台的天气报告却说清晨最低温度为2℃。试解释这种现象。但在阴天或有风的夜晚（其它条件不变），草地却不会披上白霜，为什么？ 答：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t gr 介于大气温度t f 和天空温度t sk 接近，t gr 较低，披上“白霜”。如有风，hc 增加，对流传热热阻R 1减小，使t gr 向t f 靠近，即t gr 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R 2增加，t gr 向t f 靠近，无霜（或阴天，草直接对云层辐射，由于天空温度低可低达-40℃），而云层温度较高可达10℃左右，即t sk 在阴天较高，t gr 上升，不会结霜）。 5．在一有空调的房间内，夏天和冬天的室温均控制在20℃，但冬天得穿毛线衣，而夏天只需穿衬衫。这是为什么？ 答：人体在房间里以对流传热和辐射传热的方式散失热量，有空调时室内t fi 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0f t 比室内温度fi t 高，冬天0f t 比fi t 低，墙 壁内温度分布不同，墙壁内表面温度wi t 在夏天和冬天不一样。显然，wi t 夏>wi t 冬 ，这样人体与 墙壁间的辐射传递的热量冬天比夏天多。在室温20℃的房间内，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，如夏天只穿衬衫，冬天加毛线衣，人就不会感到冷。 第十一章（基本概念较多，就交给你了！！） 第十二章 没找到现成的。。

第一章 §1-1 “三个W” §1-2 热量传递的三种基本方式 §1-3 传热过程和传热系数 要求：通过本章的学习，读者应对热量传递的三种基本方式、传热过程及热阻的概念有所了解，并能进行简单的计算，能对工程实际中简单的传热问题进行分析（有哪些热量传递方式和环节）。作为绪论，本章对全书的主要内容作了初步概括但没有深化，具体更深入的讨论在随后的章节中体现。 本章重点： 1.传热学研究的基本问题 物体内部温度分布的计算方法 热量的传递速率 增强或削弱热传递速率的方法 2.热量传递的三种基本方式 (1).导热：依靠微观粒子的热运动而产生的热量传递。传热学重点研究的是在宏观温差作用下所发生的热量传递。 傅立叶导热公式： (2).对流换热：当流体流过物体表面时所发生的热量传递过程。 牛顿冷却公式： (3).辐射换热：任何一个处于绝对零度以上的物体都具有发射热辐射和吸收热辐射的能力，辐射换热就是这两个过程共同作用的结果。由于电磁波只能直线传播，所以只有两个物体相互看得见的部分才能发生辐射换热。 黑体热辐射公式： 实际物体热辐射： 3.传热过程及传热系数：热量从固壁一侧的流体通过固壁传向另一侧流体的过程。 最简单的传热过程由三个环节串联组成。 4.传热学研究的基础 傅立叶定律 能量守恒定律+ 牛顿冷却公式+ 质量动量守恒定律 四次方定律 本章难点 1.对三种传热形式关系的理解 各种方式热量传递的机理不同，但却可以（串联或并联）同时存在于一个传热现象中。2.热阻概念的理解 严格讲热阻只适用于一维热量传递过程，且在传递过程中热量不能有任何形式的损耗。 思考题： 1.冬天经太阳晒过的棉被盖起来很暖和，经过拍打以后，效果更加明显。为什么？