《自动控制原理》学习指南

工程传热学学习指南
一、应掌握的基本概念和基本理论
1．三种基本的传热方式：热传导、热对流、热辐射的定义与特点
2．导热系数、热扩散系数、表面传热系数（对流换热系数）、发射率（黑度）3．温度场、等温面、等温线、温度梯度。

4．热流密度、热阻的概念。

5．傅里叶导热定律、牛顿冷却定律
6．导热微分方程式；定解条件；三类边界条件。

7．非稳态导热中的非正规状况阶段和正规状况阶段。

8．集总参数系统；集总参数法；毕渥数；傅里叶数。

9．半无限大物体的概念。

10．导热问题数值求解的基本思想和基本步骤。

11．热平衡法建立节点离散方程。

12．代数方程组迭代求解的基本过程。

13．非稳态导热数值求解中显示差分格式和隐式差分格式及其优缺点。

14．对流换热的机理、影响对流换热的因素和研究对流换热的方法。

15．对流换热的数学描述需要哪些微分方程式?为什么需要这些方程? 16．流动和热边界层的概念，边界层概念的引入对理论求解对流换热问题带来了哪些方便之处。

17．边界层积分方程求解的基本思想。

18．比拟理论求解对流换热的思想。

19．相似原理在指导对流换热实验方面的应用。

20．特征尺寸、特征速度、定性温度。

21．欧拉数、雷诺数、普朗特数、斯坦顿数、努赛尔数的物理涵义。

22．在对流换热实验关联式中常见的一些修正系数意义。

23．大空间和有限空间自然对流换热的概念；
24．格拉晓夫数的涵义。

25．自然对流换热实验中自模化的概念。

26．凝结换热的分类，影响膜状凝结换热主要因素。

27．努塞尔对纯净蒸气层流膜状凝结分析的主要简化。

28．沸腾换热的分类，大容器饱和沸腾曲线及各阶段的换热特性，临界热流密度。

29．汽化核心的概念。

30．热辐射线的波长范围，辐射换热的特点。

31．黑体、灰体、漫射体的概念。

32．辐射力、光谱辐射力、方向辐射力、定向辐射强度。

33．黑体和实际物体辐射的基本定律。

34．固体和液体表面的辐射和吸收情况。

35．气体辐射的特点。

36．投入辐射、有效辐射。

37．角系数、表面辐射热阻、空间辐射热阻。

38．辐射屏（遮热屏）。

39．传热过程、传热系数。

40．临界热绝缘直径的概念和应用。

41．对数平均温差、传热单元数。

42．换热器中污垢热阻的概念和确定。

43．强化传热的基本原则和常见手段。

二、应掌握的计算问题
1．通单层平壁或圆筒壁的稳态导热计算。

2．应用热阻概念对通过多层平壁或圆筒壁的导热问题和传热过程的分析计算。

3．对于一维非稳态导热，采用海斯勒图的计算。

4．对于所有的对流换热问题，若给出准则关联式的计算。

5．黑体辐射力、波段辐射力（给出黑体辐射函数表）的计算。

6．对于两个漫灰表面组成封闭系统的辐射换热计算
7．采用热阻概念对多表面系统辐射换热的分析和计算。

8．换热器设计和校核的传热计算。

9．对较复杂传热问题（含导热、对流、辐射多种形式的情况）的分析和计算。

三、思考题
1. 冬天，经过在白天太阳底下晒过的棉被，晚上盖起来感到很暖和，并且经过
拍打以后，效果更加明显。

试解释原因。

2. 夏季在维持20℃的室内工作，穿单衣感到舒适，而冬季在保持22℃的室内工
作时，却必须穿绒衣才觉得舒服。

试从传热的观点分析原因。

3. 在深秋晴朗无风的夜晚，气温高于0 ℃，但清晨却看见草地披上一层白霜，
但如果阴天或有风，在同样的气温下草地却不会出现白霜，试解释这种现象。

4. 从传热的角度出发说明暖气片和家用空调机放在室中什么位置合适。

5. 试说明暖水瓶的散热过程与保温机理。

6. 为什么导电性能好的金属导热性能也好？
7.
8.利用同一冰箱储存相同的物质时，试问结霜的冰箱耗电量大还是未结霜的冰箱耗电量大?
9. 导热系数与热扩散系数的定义与区别？
10. 写出傅里叶定律的一般表达式，并说明式中各量和符号的物理意义。

11. 平壁与圆管壁材料相同，厚度相同，在两侧表面温度相同条件下，圆管内表面积等于平壁表面积，如图所示，试问哪种情况下导热量大？
12. 有人说，对于非稳态导热问题，当1.0<Bi 时用集总参数分析法求解，当
1.0>Bi 时用诺莫图求解，你对这种说法有什么看法。

13. 边界层中温度变化率的绝对值何处最大？对于一定换热温差的同一流体，为何能用
0=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂y y t 绝对值的大小来判断表面传热系数的大小？ 14. 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？
15. 流体沿平板作层流流动，热边界层是否越来越厚？其局部表面传热系数值是否越来越小？
16. 高黏度的油类流体，沿平板做低速流动，该情况下边界层理论是否仍然适用？
17. 同一种流体流过直径不同的两根管道。

A 管内径是B 管内径的2倍，B 管中流体的流量是A 管中流量的2倍。

试问两管中的流动现象是否相识？若不相似，应该如何调整流量才能使之相似？
18. 紊流强制对流换热时，在其他条件相同的情况下，粗糙管的表面传热系数要大于光滑管的表面传热系数，为什么？
19. 管内强制对流换热的强化机理和手段。

20. 试简述强化凝结换热的原则和途径。

21. 对流动现象而言，外掠单管的流动与管道内的流动有什么不同？
22. 对于外掠管束的换热，整个管束的平均表面传热系数只有在流动方向管排必大于一定值后方与排数无关，试分析其原因。

23. 如果把一块温度低于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像。

24. 在大容器沸腾曲线中，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？
25. 影响沸腾换热的因素有哪些？
26. 在努赛尔特关于膜状凝结理论分析的多条假定中，最主要的简化假定是哪两条？
27. 有人说，在其他条件相同的情况下，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？
28. 空气横掠管束时，沿流动方向管排数越多，换热越强，而蒸气在水平管束外凝结时，沿液膜流动方向管束排数越多，换热强度降低。

试对上述现象做出解释。

29. 试述角系数的定义。

“角系数是一个纯几何因子”的结论是在什么前提下提出的？
30. 什么是辐射表面热阻？什么是辐射空间热阻？网络法的实际作用你是怎样认识的？
31. 保温瓶的夹层玻璃表面为什么要镀一层反射比很高的材料？
32. 用辐射换热的计算公式说明增强辐射换热应从哪些方面入手？
33. 加遮热板为什么可以减少辐射换热？
34. 圆筒壁包上保温材料，有时反而使热流量增加。

平壁外包保温材料会有这种现象吗，为什么？ 35. 对于2211p p c m c m >、2211p p c m c m <和2211p p c m c m =三种情况，分别画出顺流和逆流时的流体温度曲线。

36. 为强化一台冷油器的传热，有人用提高冷却水流速的办法，但发现效果并不显著，试分析原因。

37. 热水在两根相同的管内以相同流速流动，管外分别采用空气和水进行冷却。

经过一段时间后，两管内产生相同厚度的水垢。

试问水垢的产生对采用空冷还是水冷的管道的传热系数影响较大?为什么?
38. 有一台钢管换热器，热水在管内流动，空气在管束间作多次折流横向冲刷管束以冷却管内热水。

有人提出，为提高冷却效果，采用管外加装肋片并将钢管换成铜管。

请你评价这一方案的合理性。

四、计算题
1. 导热系数分别为1λ＝0.08W ／(m·K)，2λ＝0.03W ／(m·K)的材料，其厚度分别为2mm 和1mm ，中间紧夹有一层厚度可以不计的加热膜．加热膜温度维持在60℃。

材料1一侧维持在1t ＝30℃的温度，材料2的一侧的温度f t ＝20℃，表面传热系数h ＝50W ／(m 2·K)的气流相通，如图所示。

假定过程为稳态，试确定加热膜所施加的热流密度大小。

图1 题1示意图
2. 夏天，—置于室外的球形液氦罐，罐内液体温度保持在-196℃。

球罐外直径为2m ，其外包有厚为30 cm 的保温层。

由于某种原因，该保温材料的保温性能变差，其平均导热系数为0.6W ／(m·K)。

环境气温高达40℃，罐外空气与保温层间的表面传热系数为5W/(m 2·K)。

试计算通过保温层的热损失并判断保温层外是否结霜？假定球罐外壁温与罐内液体温度相等。

图2 题2示意图
3. 一厚度为10cm 的无限大平壁，导热系数为15W/(m·K)。

平壁两侧置于温度为20℃，表面传热系数为50W/(m 2·K)的流体中，平壁内有均匀的内热源•Φ＝4x104W/m 3。

试确定平壁内的最高温度及平壁表面温度。

图3 题3示意图
4. 如图所示的墙壁，其导热系数为50 W/(m·K)，厚度为50mm ，在稳态情况下的墙壁内一维温度分布为：22000200x t -=，式中t 的单位为℃，x 的单位为m 。

试求：
(1) 墙壁两侧表面的热流密度；
(2) 壁内单位体积的内热源生成热。

图5 题4示意图
5.对于一有限大物体在第三类边界条件下发生的非稳态导热过程，试分别叙述：
在Bi0
Bi及Bi为中等大小三种情况下，哪一侧热阻对过程起控制
→
→，∞
作用？温度分布差异主要发生在哪一侧？
6.图给出极坐标系中二维、常物性、无内热源的非稳态导热体。

试利用热平衡
法列出节点（i，j）的离散方程式。

网格划分如图所示。

图6 题6示意图
7.如图所示为圆截面直肋的一维稳态、无内热源、常物性导热问题，试分别列
出内节点m和端部节点M的离散方程式。

已知圆截面直径为d。

图7 题7示意图
8.如图所示，一等截面直肋，高为H＝45mm，厚δ＝10mm，助根温度t o＝100℃，
流体温度t f ＝20℃，表面传热系数h ＝50w ／(m 2·K)，肋片导热系数λ＝50W ／(m·K)，设肋端绝热。

将它分成四个节点。

试列出节点2、3、4的离散方程式，并计算其温度。

图8 题8示意图
9. 如图所示，对横掠正方形截面棒的强制对流换热进行实验测定，测得的结果如下：当u 1=20 m ／s 时，h 1=50 W ／(m 2·K)；当u 2=15 m ／s 时，h 2=40 W ／(m 2·K)
假定换热规律遵循如下函数形式：n r m e u P CR N =，其中C ，m ，n 为常数。

正
方形截而对角线长为l=0.5m 。

试确定：
(1)形状仍为正方形但l ＝1m 的柱体，当空气流速为15m ／s 和30m ／s 时的平均表面传热系数；
(2)如果用正方形杆的边长而不是对角线长度来作为特征长度，上述结果是
否一样。

假定上述各情形下的定性温度之值均相同。

图9 题9示意图
10. 一套管式换热器，饱和蒸汽在内管中凝结，使内管外壁温度保持在100℃，初温为25℃，质量流量为0.8kg/s 的水从套管换热器的环形空间中流过，换热器外壳绝热良好。

环形夹层内管外径为40mm ，外管内径为60mm ，试确定把水加热到55℃时所需的套管长度，及管子出口截面处的局部热流密度。

不考虑温差修正。

（温度为40℃时，水的物性参数：)/(635.0K m W •=λ，s Pa •⨯=-6103.653η，)/(4174K kg J c p •=，31.4Pr =）
11. 温度为50℃，压力为1.01325×105Pa 的空气，平行掠过一块表面温度为100℃的平板上表面，平板下表面绝热。

平板沿流动方向长度为0.2m ，宽度为0.1m 。

按平板长度计算的Re 数为4×l04。

温度为75℃时，空气的物性参数为
λ=0.0299W/(m·
K)，Pr=0.70。

试确定平板表面与空气间的表面传热系数和传热量。

12. 已知太阳可视为温度Ts=5800K 的黑体。

某选择性表面的光谱吸收比随波长λ变化的持性如图所示。

当太阳的投入辐射Gs=800W ／m 2时，试计算该表面对太阳辐射的总吸收比及单位面积上所吸收的太阳能量。

其中，当K m T ⋅=μλ8000时，()λ-0b F =0.8564；当K m T ⋅=μλ8500时，()λ-0b F =0.8747
图10 题12示意图
13. 如图所示为某一温度下漫射表面发射辐射的光谱分布。

试确定：
(1)该表面的总辐射力；
(2)该表面在法线方向及与法向构成60°角的方向上发射的定向辐射强度。

图11 题13示意图
14. —建筑商需要从两种漫射不透明涂层中选择一种作为屋顶覆盖层的材料。

两种涂层的光谱吸收比()λα与波长λ之间的关系如图所示。

试问：
(1)哪种涂层使屋顶温度较低？
(2)夏季和冬季分别宜选用哪种涂层？
图12 题14示意图
15.两个直径为04. m的平行同轴圆盘相距01. m，两盘置于墙壁温度T
3
300
= K大
房间内，一圆盘表面温度T
1
500
= K、发射率ε
1
06
=.，另一圆盘绝热。

若两
圆盘的背面均不参与换热，求绝热盘表面的温度。

已知两同轴圆盘之间的角
系数X
12062
,
.
=（要求画出网络图）。

16.有一房间长3m，宽3m，高2.5m，地板温度为25℃，天花板温度为13℃，
四面墙壁都是绝热的。

房间所有表面的发射率为0.5。

地板对天花板的角系数为0.25，试求地板的净辐射热量，以及墙壁的平衡温度。

(要求画辐射换热的网络图)
17.有如图所示的几何体，顶部半球表面3为绝热漫灰表面；底面圆盘（直径
d=0.2m）分为大小相等的两半圆，其中表面1为漫灰表面，温度T1=500K，黑度ε1=0.4，表面2为黑体，温度T2=300K。

（1）画出三个表面辐射换热的网络图；
（2）计算表面1的辐射热损失；
（3）计算表面3的温度。

图13 题17示意图
18.一种工业流体在顺流换热器中被油从300℃冷却到140℃，而此时油的进、出
口温度分别为44℃和124℃。

试确定：(1)在传热面积足够大的情况下，该流体在顺流换热器中所能冷却到的最低温度；(2)传热面积足够大时，该流体在逆流换热器中所能冷却到的最低温度；(3)在相同的流体进口、出口温度下顺流和逆流换热器传热面积之比。

假定两种情形的传热系数和传热量均相同。

19.质量流量为2.25kg/s、比热容为2000J/(kg·K)的油进入冷油器时温度为80℃。

冷油器中冷却剂为水，与油呈逆流布置，其传热系数为560W/(m2·K)，传热面积为8m2。

水的入口温度为12℃，油的出口温度为40℃。

试确定水的质量流量。

20.某厂用—台面积为1m2的旧换热器来冷却质量流量为300kg/h的油。

油的比
热容和进口温度分别为2200J/(kg·K)和110℃。

水的进口温度为15℃，最大可用水体积流量为1.44m3/h，传热系数为450W/(m2·K)。

试确定在顺流和逆流时所能达到的最低出口油温。