传热学典型例题讲解
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28、对流换热过程微分方程式与导热过程的第三类边界条 件表达式有什么不同之处？
答：对流换热过程微分方程式与导热过程的第三类边界条 t 件表达式都可以用下式表示 h ，但是，前
x
(t w t f ) x y w , x
者的导热系数 为流体的导热系数，而且表面传热系数h 是未知的；后者的导热系数 为固体的导热系数，而且表 面传热系数h 是已知的。
1、简答题 (Brief answers) 2、分析题 (Analysis)或作图题(Drawings) 3、计算题 (Calculations)
1
简答题 (Brief answers)
1、试分析室内暖气片的散热过程，各个环节有哪些 热量传递方式？以暖气片管内走热水为例。 Analyze the heat transfer process of a room heater. How many heat transfer modes(方式) are there? Suppose that warm water flows in inner tube of the heater. 答：有以下换热环节及传热方式： (1) 由热水到暖气片管道内壁，热传递方式为强制对流 换热； (2) 由暖气片管道内壁到外壁，热传递方式为固体导热； (3) 由暖气片管道外壁到室内空气，热传递方式有自然 对流换热和辐射换热。
答：热扩散率 a ，与导热系数一样都是物性参数， c
它是表征物体被加热或冷却时，物体内各部分温度趋向均 匀一致的能力。热扩散率取决于导热系数 和 c 的综合 影响；而导热系数λ是反映物体的导热能力大小的物性参数 。 一般情况下，稳态导热的温度分布取决于物体的导热系数 ，但非稳态导热的温度分布不仅取决于物体的导热系数， 还取决于物体的导温系数。
Nu f (Re, Pr, Gr ) 描述的是无相变的强迫对流换热，且自 答： 然对流不可忽略； Nu f (Re, Pr) 描述的是自然对流可忽略的无相变的强 迫对流换热； Nu f (Pr, Gr ) 描述的是自然对流换热。
13
20、什么是角系数？ 答：角系数表示表面发射出的辐射能中直接落到另一表 面上的百分数。 21、什么是表面辐射热阻？ 答：当物体表面不是黑体时，该表面不能全部吸收外来投 射的辐射能量，这相当于表面存在热阻，该热阻称为表面 辐射热阻，常以 1 来表示。
答：圆管临界热绝缘直径 ，它不仅取决于保温层 材料的导热系数 ins ，还取决于表面传热系数h2。
dc
2ins h2
9
12、为什么珠状凝结表面换热系数比膜状凝结表面换热系 数大？ 答：膜状凝结换热时沿整个壁面形成一层液膜，并且在重 力的作用下流动，凝结放出的汽化潜热必须通过液膜，因 此，液膜厚度直接影响了热量传递。 珠状凝结换热时，凝结液体不能很好的浸润壁面，仅 在壁面上形成许多小液珠，此时壁面的部分表面与蒸汽直 接接触，因此，换热速率远大于膜状凝结换热。 13、增强凝结换热的关键是什么？ 答：增强凝结换热的关键是设法减薄凝液膜层的厚度， 加 速它的排泄，以及促成珠状凝结。
答：集总参数法的适用条件是 Bi<0.1，其特点是当物体内 部导热热阻远小于外部对流换热热阻时，物体内部在同一 时刻均处于同一温度，物体内部的温度仅是时间的函数， 而与位置无关。
5
5、什么是灰体？ What is gray body?
答：如果某物体的光谱发射率 不随波长发生变化, 这种物 体称为灰体。或光谱吸收率与波长无关的物体。
10
14、不凝结气体对表面凝结换热强弱有何影响？
答：不凝结气体的存在，一方面使凝结表面附近蒸汽的分 压力降低，从而蒸汽饱和温度降低，使得传热驱动力即温 差 (t s t w ) 减小；另一方面，凝结蒸汽穿过不凝结气体层 到达壁面依靠的是扩散，从而增加了阻力。因此，上述两 方面原因导致凝结换热时的表面传热系数降低。 15、空气横掠垂直管束时，沿流动方向管排数越多，换热 越强，而蒸汽在水平管束外凝结时，沿液膜流动方向管排 数越多，换热强度降低，为什么？ 答：空气横掠垂直管束时，沿流动方向管排数越多，气流 扰动越强，换热越强，而蒸汽在水平管束外凝结时，沿液 膜流动方向管排数越多，凝结液膜越厚，凝结换热热阻越 大，换热强度降低。
16
25、北方深秋季节的清晨，树叶叶面上常常结霜。试问树叶 上、下表面的哪一面上容易结霜？为什么？
答：霜会容易结在树叶的上表面，因为树叶上表面朝向太空 ，而太空表面的温度会低于摄氏零度；下表面朝向地面，而 地球表面的温度一般在零度以上。相对于下表面来说，树叶 上表面向外辐射热量较多，温度下降的快，一旦低于零度时 便会结霜。
2
2 、写出 Nu、Re、Pr、Bi、Fo 数的表达式，并说明其物理意 义。
Write the expressions of Nusselt number Nu、Reynolds number Re、Prandtl number Pr、Biot number Bi and Fo number, and indicate their physical meanings.
Βιβλιοθήκη Baidu19
29 、用热电偶监测气流温度随时间变化规律时，应如何选 择热电偶节点的大小？
答：在其它条件相同时，热电偶节点越大，它的温度变化 一定幅度所需要吸收（或放出）的热量越多，此时虽然节 点换热表面积也有所增大，但其增大的幅度小于体积增大 的幅度。故综合地讲，节点大的热电偶在相同的时间内吸 收热量所产生的温升要小一些。由 c cV 定义知，
17
26 、什么是物体的发射率和吸收率？二者在什么条件下相 等？
答：实际物体的辐射力与同温度下黑体的辐射力之比称为 该物体的发射率；投射到物体表面的总能量中被吸收的能 量所占的份额是物体的吸收率。由基尔霍夫定律可知：当 物体表面为漫灰表面时，二者相等。 27 、窗玻璃对红外线几乎是不透过的，但为什么隔着玻璃 晒太阳却使人感到暖和？ 答：窗玻璃对红外线几乎不透过，但对可见光则是可透过 的，当隔着玻璃晒太阳时，太阳光可以穿过玻璃进入室内 ，而室内物体发出的红外线却被阻隔在室内，因房间内温 度越来越高，从而感到暖和。
答：（1）努谢尔特数，Nu ，它表示壁面法向无量纲过余 温度梯度的大小，或反映对流换热的强弱。 （2）雷诺数， Re ul ，它表示流体流动时惯性力与粘性力 的相对大小。 （3）普朗特数，Pr a ，它反映了流体的动量传递能力与热量 传递能力的相对大小。 （4）毕渥数， ，它表示物体内部导热热阻与物体表面 对流换热热阻的比值。 a Fo （5）傅立叶数， ，是非稳态导热过程的无量纲时间, 它表示非稳态导热过程进行的深度。
hA
V / A f (r )，r 为节点的半径，显然，节点半径越小，时间常
数越小，热电偶的相应速度越快。
20
30、由对流换微分方程 h
可知，该式中没有出现 流速，有人因此认为表面传热系数与流体速度场无关。你 认为对吗？
t y
t
答：这种说法不正确，因为在描述流动的能量方程中，对 流项含有流体速度，要获得流体的温度场，必须先获得流 体的速度场，在对流换热中流动与换热是密不可分的。因 此，对流换热的表面传热系数与流体速度有关。
6、什么是漫射表面？ What is diffuse(漫射) surface? 答：通常把服从兰贝特定律的表面称为漫射表面，即该表 面的定向辐射强度与方向无关。或物体发射的辐射强度与 方向无关的性质叫漫辐射，具有这样性质的表面称为漫射 表面。
6
7、什么是肋片效率？ What is fin efficiency? 答：在肋片表面平均温度下，肋片的实际散热量与假定整 个肋片表面都处在肋基温度时的理想散热量的比值称为肋 片效率。 8、影响强制对流换热的表面换热系数的因素有哪些？ 答：影响强制对流换热的表面换热系数的因素有流态、流 体的物性、换热表面的几何因素等，用函数表示为：
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24 、对管壳式换热器来说，两种工质在下列哪种情况下， 何种工质走管内，何种工质走管外？
(1) 清洁的和不清洁的工质 (2)腐蚀性大与小的工质 (3)高温 与低温的工质 答：（1）不清洁流体应在管内，因为壳侧清洗比较困难， 而管内可以拆开端盖进行清洗； （2）腐蚀性大的流体走管内，因为更换管束的代价比更换 壳体要低，且如将腐蚀性大的流体走壳程，被腐蚀的不仅 是壳体，还有管子外侧。 （3）温度低的流体置于壳侧，这样可以减小换热器的散热 损失。
h f (u, t w , t f , , c p , , , , l )
7
9、沸腾换热的临界热流密度的含义是什么？ 答：在泡态沸腾阶段时，液体温度与壁面温度之差 t 若进 一步增大，汽泡在表面上生成、长大，随后引因浮力作用 而离开表面。沸腾的液体主体温度这时有一定的过热度， 故汽泡通过液体层时还会继续被加热、膨胀，直到逸出液 面，由于气泡的大量迅速生成和它的剧烈运动，换热强度 剧增，热流密度随 t 的提高而急剧增大，直到达到热流密 度的峰值，此时的热流密度称为临界热流密度。当 t 进一 步增大时，热流密度又开始下降。
A
14
22、什么是有效辐射？ 答：单位时间内离开单位面积的总辐射能为该表面的有效 辐射J，它包括辐射表面的自身的辐射E和该表面对投射辐 射G的反射辐射 G ，即 J E G 。 23、在寒冷的北方地区，建房用砖采用实心砖还是多孔的空 心砖好？为什么？ 答：采用空心砖较好，因为空心砖内部充满着空气，而空气 的导热系数相对较小，热阻较大，空心砖导热性较之实心砖 差，同一条件下空心砖的房间的散热量小保温性好。
12
18、其它条件相同时，同一根管子横向冲刷与纵向冲刷相 比，哪个的表面换热系数大？为什么？
答：同一根管子横向冲刷比纵向冲刷相比的表面换热系数 大。因为纵向冲刷时相当于外掠平板的流动，热边界层较 厚，热阻较大；而横向冲刷时热边界层较薄且在边界层由 于分离而产生的旋涡，增加了流体扰动，因而换热增强。 19、下列三种关联式描述的是那种对流换热？ Nu f (Re, Pr, Gr ) ，Nu f (Re, Pr) ，Nu f (Pr, Gr )
4
4 、集总参数法的适用条件是什么？满足集总参数法的物 体，其内部温度分布有何特点？ What are the conditions necessary for a lumpedcapacity method(集总参数法) to apply? What is the characteristics of the solid used lumped-capacity method?
2
hl
Bi
hl
3
3、热扩散系数是表征什么的物理量？它与导热系数的区别 是什么？ What is the meaning of thermal diffusivity(扩散率) a? What is the difference of thermal diffusivity and thermal conductivity λ?
11
16、写出时间常数的表达式，时间常数是从什么导热问题中 定义出来的？它与哪些因素有关？
答：时间常数的表达式为
cV
hA
，
是从非稳态导热问题中定义出来的，它不仅取决于几何参数 V / A 物性参数 c ，还取决于换热条件h。 17、何谓遮热板（罩）？ 答：插入两个辐射换热表面之间的用于削弱两个表面之间 辐射换热的薄板或罩。
8
10、利用同一冰箱储存相同的物质时，试问结霜的冰箱耗 电量大还是未结霜冰箱耗电量大？为什么？
答：在其它条件相同时，冰箱的结霜相当于在冰箱的蒸发 器和冰箱的冷冻室（或冷藏室）之间增加了一个附加的热 阻，因此，冷冻室（或冷藏室）要达到相同的温度，必须 要求蒸发器处于更低的温度。所以，结霜的冰箱的耗电量 要大。 11、圆管临界热绝缘直径与哪些因素有关？
21
分析题 (Analysis)
28、对流换热过程微分方程式与导热过程的第三类边界条 件表达式有什么不同之处？
答：对流换热过程微分方程式与导热过程的第三类边界条 t 件表达式都可以用下式表示 h ，但是，前
x
(t w t f ) x y w , x
者的导热系数 为流体的导热系数，而且表面传热系数h 是未知的；后者的导热系数 为固体的导热系数，而且表 面传热系数h 是已知的。
1、简答题 (Brief answers) 2、分析题 (Analysis)或作图题(Drawings) 3、计算题 (Calculations)
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简答题 (Brief answers)
1、试分析室内暖气片的散热过程，各个环节有哪些 热量传递方式？以暖气片管内走热水为例。 Analyze the heat transfer process of a room heater. How many heat transfer modes(方式) are there? Suppose that warm water flows in inner tube of the heater. 答：有以下换热环节及传热方式： (1) 由热水到暖气片管道内壁，热传递方式为强制对流 换热； (2) 由暖气片管道内壁到外壁，热传递方式为固体导热； (3) 由暖气片管道外壁到室内空气，热传递方式有自然 对流换热和辐射换热。
答：热扩散率 a ，与导热系数一样都是物性参数， c
它是表征物体被加热或冷却时，物体内各部分温度趋向均 匀一致的能力。热扩散率取决于导热系数 和 c 的综合 影响；而导热系数λ是反映物体的导热能力大小的物性参数 。 一般情况下，稳态导热的温度分布取决于物体的导热系数 ，但非稳态导热的温度分布不仅取决于物体的导热系数， 还取决于物体的导温系数。
Nu f (Re, Pr, Gr ) 描述的是无相变的强迫对流换热，且自 答： 然对流不可忽略； Nu f (Re, Pr) 描述的是自然对流可忽略的无相变的强 迫对流换热； Nu f (Pr, Gr ) 描述的是自然对流换热。
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20、什么是角系数？ 答：角系数表示表面发射出的辐射能中直接落到另一表 面上的百分数。 21、什么是表面辐射热阻？ 答：当物体表面不是黑体时，该表面不能全部吸收外来投 射的辐射能量，这相当于表面存在热阻，该热阻称为表面 辐射热阻，常以 1 来表示。
答：圆管临界热绝缘直径 ，它不仅取决于保温层 材料的导热系数 ins ，还取决于表面传热系数h2。
dc
2ins h2
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12、为什么珠状凝结表面换热系数比膜状凝结表面换热系 数大？ 答：膜状凝结换热时沿整个壁面形成一层液膜，并且在重 力的作用下流动，凝结放出的汽化潜热必须通过液膜，因 此，液膜厚度直接影响了热量传递。 珠状凝结换热时，凝结液体不能很好的浸润壁面，仅 在壁面上形成许多小液珠，此时壁面的部分表面与蒸汽直 接接触，因此，换热速率远大于膜状凝结换热。 13、增强凝结换热的关键是什么？ 答：增强凝结换热的关键是设法减薄凝液膜层的厚度， 加 速它的排泄，以及促成珠状凝结。
答：集总参数法的适用条件是 Bi<0.1，其特点是当物体内 部导热热阻远小于外部对流换热热阻时，物体内部在同一 时刻均处于同一温度，物体内部的温度仅是时间的函数， 而与位置无关。
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5、什么是灰体？ What is gray body?
答：如果某物体的光谱发射率 不随波长发生变化, 这种物 体称为灰体。或光谱吸收率与波长无关的物体。
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14、不凝结气体对表面凝结换热强弱有何影响？
答：不凝结气体的存在，一方面使凝结表面附近蒸汽的分 压力降低，从而蒸汽饱和温度降低，使得传热驱动力即温 差 (t s t w ) 减小；另一方面，凝结蒸汽穿过不凝结气体层 到达壁面依靠的是扩散，从而增加了阻力。因此，上述两 方面原因导致凝结换热时的表面传热系数降低。 15、空气横掠垂直管束时，沿流动方向管排数越多，换热 越强，而蒸汽在水平管束外凝结时，沿液膜流动方向管排 数越多，换热强度降低，为什么？ 答：空气横掠垂直管束时，沿流动方向管排数越多，气流 扰动越强，换热越强，而蒸汽在水平管束外凝结时，沿液 膜流动方向管排数越多，凝结液膜越厚，凝结换热热阻越 大，换热强度降低。
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25、北方深秋季节的清晨，树叶叶面上常常结霜。试问树叶 上、下表面的哪一面上容易结霜？为什么？
答：霜会容易结在树叶的上表面，因为树叶上表面朝向太空 ，而太空表面的温度会低于摄氏零度；下表面朝向地面，而 地球表面的温度一般在零度以上。相对于下表面来说，树叶 上表面向外辐射热量较多，温度下降的快，一旦低于零度时 便会结霜。
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2 、写出 Nu、Re、Pr、Bi、Fo 数的表达式，并说明其物理意 义。
Write the expressions of Nusselt number Nu、Reynolds number Re、Prandtl number Pr、Biot number Bi and Fo number, and indicate their physical meanings.
Βιβλιοθήκη Baidu19
29 、用热电偶监测气流温度随时间变化规律时，应如何选 择热电偶节点的大小？
答：在其它条件相同时，热电偶节点越大，它的温度变化 一定幅度所需要吸收（或放出）的热量越多，此时虽然节 点换热表面积也有所增大，但其增大的幅度小于体积增大 的幅度。故综合地讲，节点大的热电偶在相同的时间内吸 收热量所产生的温升要小一些。由 c cV 定义知，
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26 、什么是物体的发射率和吸收率？二者在什么条件下相 等？
答：实际物体的辐射力与同温度下黑体的辐射力之比称为 该物体的发射率；投射到物体表面的总能量中被吸收的能 量所占的份额是物体的吸收率。由基尔霍夫定律可知：当 物体表面为漫灰表面时，二者相等。 27 、窗玻璃对红外线几乎是不透过的，但为什么隔着玻璃 晒太阳却使人感到暖和？ 答：窗玻璃对红外线几乎不透过，但对可见光则是可透过 的，当隔着玻璃晒太阳时，太阳光可以穿过玻璃进入室内 ，而室内物体发出的红外线却被阻隔在室内，因房间内温 度越来越高，从而感到暖和。
答：（1）努谢尔特数，Nu ，它表示壁面法向无量纲过余 温度梯度的大小，或反映对流换热的强弱。 （2）雷诺数， Re ul ，它表示流体流动时惯性力与粘性力 的相对大小。 （3）普朗特数，Pr a ，它反映了流体的动量传递能力与热量 传递能力的相对大小。 （4）毕渥数， ，它表示物体内部导热热阻与物体表面 对流换热热阻的比值。 a Fo （5）傅立叶数， ，是非稳态导热过程的无量纲时间, 它表示非稳态导热过程进行的深度。
hA
V / A f (r )，r 为节点的半径，显然，节点半径越小，时间常
数越小，热电偶的相应速度越快。
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30、由对流换微分方程 h
可知，该式中没有出现 流速，有人因此认为表面传热系数与流体速度场无关。你 认为对吗？
t y
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答：这种说法不正确，因为在描述流动的能量方程中，对 流项含有流体速度，要获得流体的温度场，必须先获得流 体的速度场，在对流换热中流动与换热是密不可分的。因 此，对流换热的表面传热系数与流体速度有关。
6、什么是漫射表面？ What is diffuse(漫射) surface? 答：通常把服从兰贝特定律的表面称为漫射表面，即该表 面的定向辐射强度与方向无关。或物体发射的辐射强度与 方向无关的性质叫漫辐射，具有这样性质的表面称为漫射 表面。
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7、什么是肋片效率？ What is fin efficiency? 答：在肋片表面平均温度下，肋片的实际散热量与假定整 个肋片表面都处在肋基温度时的理想散热量的比值称为肋 片效率。 8、影响强制对流换热的表面换热系数的因素有哪些？ 答：影响强制对流换热的表面换热系数的因素有流态、流 体的物性、换热表面的几何因素等，用函数表示为：
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24 、对管壳式换热器来说，两种工质在下列哪种情况下， 何种工质走管内，何种工质走管外？
(1) 清洁的和不清洁的工质 (2)腐蚀性大与小的工质 (3)高温 与低温的工质 答：（1）不清洁流体应在管内，因为壳侧清洗比较困难， 而管内可以拆开端盖进行清洗； （2）腐蚀性大的流体走管内，因为更换管束的代价比更换 壳体要低，且如将腐蚀性大的流体走壳程，被腐蚀的不仅 是壳体，还有管子外侧。 （3）温度低的流体置于壳侧，这样可以减小换热器的散热 损失。
h f (u, t w , t f , , c p , , , , l )
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9、沸腾换热的临界热流密度的含义是什么？ 答：在泡态沸腾阶段时，液体温度与壁面温度之差 t 若进 一步增大，汽泡在表面上生成、长大，随后引因浮力作用 而离开表面。沸腾的液体主体温度这时有一定的过热度， 故汽泡通过液体层时还会继续被加热、膨胀，直到逸出液 面，由于气泡的大量迅速生成和它的剧烈运动，换热强度 剧增，热流密度随 t 的提高而急剧增大，直到达到热流密 度的峰值，此时的热流密度称为临界热流密度。当 t 进一 步增大时，热流密度又开始下降。
A
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22、什么是有效辐射？ 答：单位时间内离开单位面积的总辐射能为该表面的有效 辐射J，它包括辐射表面的自身的辐射E和该表面对投射辐 射G的反射辐射 G ，即 J E G 。 23、在寒冷的北方地区，建房用砖采用实心砖还是多孔的空 心砖好？为什么？ 答：采用空心砖较好，因为空心砖内部充满着空气，而空气 的导热系数相对较小，热阻较大，空心砖导热性较之实心砖 差，同一条件下空心砖的房间的散热量小保温性好。
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18、其它条件相同时，同一根管子横向冲刷与纵向冲刷相 比，哪个的表面换热系数大？为什么？
答：同一根管子横向冲刷比纵向冲刷相比的表面换热系数 大。因为纵向冲刷时相当于外掠平板的流动，热边界层较 厚，热阻较大；而横向冲刷时热边界层较薄且在边界层由 于分离而产生的旋涡，增加了流体扰动，因而换热增强。 19、下列三种关联式描述的是那种对流换热？ Nu f (Re, Pr, Gr ) ，Nu f (Re, Pr) ，Nu f (Pr, Gr )
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4 、集总参数法的适用条件是什么？满足集总参数法的物 体，其内部温度分布有何特点？ What are the conditions necessary for a lumpedcapacity method(集总参数法) to apply? What is the characteristics of the solid used lumped-capacity method?
2
hl
Bi
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3、热扩散系数是表征什么的物理量？它与导热系数的区别 是什么？ What is the meaning of thermal diffusivity(扩散率) a? What is the difference of thermal diffusivity and thermal conductivity λ?
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16、写出时间常数的表达式，时间常数是从什么导热问题中 定义出来的？它与哪些因素有关？
答：时间常数的表达式为
cV
hA
，
是从非稳态导热问题中定义出来的，它不仅取决于几何参数 V / A 物性参数 c ，还取决于换热条件h。 17、何谓遮热板（罩）？ 答：插入两个辐射换热表面之间的用于削弱两个表面之间 辐射换热的薄板或罩。
8
10、利用同一冰箱储存相同的物质时，试问结霜的冰箱耗 电量大还是未结霜冰箱耗电量大？为什么？
答：在其它条件相同时，冰箱的结霜相当于在冰箱的蒸发 器和冰箱的冷冻室（或冷藏室）之间增加了一个附加的热 阻，因此，冷冻室（或冷藏室）要达到相同的温度，必须 要求蒸发器处于更低的温度。所以，结霜的冰箱的耗电量 要大。 11、圆管临界热绝缘直径与哪些因素有关？
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分析题 (Analysis)