上海海洋大学答案
姓名： 学号： 专业班名：
一．问答题 （共36分，每题6分。请将每题的答案写在相应题目的空白处。）
1．厚度为L，导热系数为λ，初始温度均匀为t0的无限大平壁，两侧突然置于温度为tf的流体中，对流换热表面传热系数为h。试定性画出当Bi→∞时的平壁内部温度和流体层温度随时间的变化。 答：
2．蒸气中含有不凝结性气体，对膜状凝结换热有何影响？为什么？
答：蒸气中含有不凝结性气体，会使得膜状凝结换热表面传热系数大大减小。
原因――蒸气中含有不凝结性气体，在靠近液膜表面的蒸气侧，随着蒸气的凝结，蒸气分压力减小而不凝结气体的分压力增加，蒸气抵达液膜表面进行凝结前，必须以扩散方式穿过聚集在界面附近的不凝结气体层，不凝结气体层的存在增加了传递过程的阻力；同时蒸气分压力的下降，使相应的饱和温度下降，减小了凝结的动力∆t＝ts-tw，也使得凝结过程削弱。
3．何为过冷沸腾和饱和沸腾？大容器饱和沸腾曲线可以分为哪几个区域？
答：过冷沸腾——大容器沸腾中流体主要部分的温度低于相应压力下的饱和温度，则这种沸腾称
为过冷沸腾。
饱和沸腾——大容器沸腾中流体主要部分的温度等于相应压力下的饱和温度，则这种沸腾称
为过冷沸腾。
大容器饱和沸腾曲线分为：核态沸腾区、过渡沸腾区和膜态沸腾区。
第1页 共5页
4．半径为R的半球形容器的内表面为绝热面3，温度为T3，顶部平面的一半为灰表面2，温度为T2，另一半为黑表面1，温度为T1（T1>T2）。试求角系数X1,2,X2,1,X3,1,X3,2,X3,3。
12
X1,2=0X1,3=1⇒
答：
X2,1=0X3,1=1
4
111-=442
A1
X1,3A3
12πR
1==4 2πR2
同理，X3,2=
⇒X3,3=1-X3,1-X3,2=1-
5．试画出冷凝器和蒸发器中，两种流体温度随换热面积（沿程）的变化关系。 答：
6．为强化一台冷油器的传热，有人用提高冷却水流速的办法，但发现效果并不明显，试分析原因。
答：冷油器中由于油的粘度较大，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，而冷却水的对流热阻较小，不占主导地位，因而用提高水速的方法，只能减小不占主导地位的水侧热阻，效果不明显。
二．计算题 （共64分，每题16分。请将每题的答案写在相应题目的空白处。）
1．厚度为10cm 的大平板，通过电流时发热功率为3⨯104 W/m3，平板的一个表面绝热，另一个表面暴露于25︒C的空气中。若空气与平板表面间的对流换热系数为50 W/(m2⋅︒C)，平板的导热系数为3 W/(m⋅︒C)，试确定平板中的最高温度。 解：
（1）该题的数学描写为：
d2tΦ+=02
λdx⎧dt
=0⎪dxx=0⎪
B.C.⎨
⎪-λdt=h(tx=δ-tf)⎪⎩dxx=δ
第2页 共5页
（2）该问题的解为
δΦΦ22
t=(δ-x)++tf
2λh
（3）平板中的最高温度
据题意，平板的最高温度出现在x＝0处，于是有
2Φ δΦ
tmax=δ++tf
2λh3⨯1043⨯104⨯(10/100)2=⨯(10/100)++25
2⨯350=135︒C
2．热电偶的接结点近似为是直径为0.5mm的球体，热电偶材料的ρ＝8500kg/m3，cP＝400 J/(kg⋅K)，
λ＝20 W/（m⋅K）。热电偶初始温度为25︒C，突然将其放入100︒C的气流中，热电偶表面与气流间的
表面传热系数h=95W/（m2⋅K）,试求热电偶指示温度为50︒C时所需时间。 解：（1）判断能否用集中参数法
4
h(πR3/4πR2)
h(V/A)hR/3hd/695⨯(0.5⨯10-3)/6BiV=====
λλλλ20
1
=3.958⨯10-4
3
可用集中参数法求解。 （2）所需时间
t-t∞hA6h
=exp(-τ)=exp(-τ)t0-t∞ρcVρcd50-1006⨯95
=exp(-τ) -3
25-008500⨯400⨯0.5⨯10τ=1.21s
3．某换热器，冷却水以2m/s的速度流过内径d=20mm的长铜管，已知：管内壁平均温度为80℃。欲将水从进口处的20℃加热到出口处的50℃，试计算水与管内壁之间的对流换热表面传热系数。
μf
0.80.4⎛ 准则关联式为：Nuf=0.023RefPrf
⎝μw
⎫⎪⎪⎭
0.11
(Ref≥104) ⎫⎪⎪⎭
0.14
⎛μf
Nuf=1.86(RefPrfd/L) μ
⎝w
水的物性简表：
(Ref
第3页 共5页
解：
（1）水的平均温度
tf=
t'f+t'f'2
=
20+50
=35︒C 2
查水物性表有：
tf=35︒C⇒
λf=0.6265W/(m⋅︒C)νf=0.7545⨯10-6m2/sμf=727.15⨯10Pas
Prf=4.865
tw=80︒C⇒μw=355.1⨯10-6Pas
（2）计算雷诺数
-6
Ref=
ud
νf
2⨯(20⨯10-3)
==5.30⨯104>104 -6
0.7545⨯10
⎫⎪⎪⎭
0.11
（3）计算努塞尔数
⎛μf
Nuf=0.023Re0f.8Prf0.4 μ
⎝w
=0.023⨯(5.3⨯10)=281.98
（4）计算表面传热系数
40.8
727.15⨯10-60.11
⨯4.865⨯()
355.1⨯10-6
0.4
hf=
λf
d
Nuf=
0.6265
⨯281.98=8833.02W/(m2⋅K) -3
20⨯10
'＝100℃被冷却至t1''＝60℃，水由t2'＝20℃加热到t2''＝50℃，4．某一逆流套管换热器，其中油从t1
水的流量为720kg/h。油的比热容为cp1＝2.131kJ/（kg⋅K），水的比热容为cp2＝4.174kJ/（kg⋅K）。按逆流布置，其传热系数为K=350W/(m2⋅℃)，计算油的质量流量及该换热器的面积。
解：
（1）油的质量流量及换热器的换热量
第4页 共5页
'-t1'')=qm2cp2(t2''-t2')Φ=qm1cp1(t1
=qm1⨯2.131⨯(100-60)=Φ=25.044kWqm1=1057.7kg/h
orqm1=0.294kg/s
（2）逆流布置时的对数平均温差
720
⨯4.174⨯(50-20)
3600
∆tm=
'-t2''-(t1''-t2')100-50-(60-20)t1
==44.81︒C
-t2t1100-50
lnln
'''60-20t1-t2
（3）换热器的面积
Φ25.044⨯103
A===1.60m2
K∆tm350⨯44.81
第5页 共5页
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姓名： 学号： 专业班名：
一．问答题 （共36分，每题6分。请将每题的答案写在相应题目的空白处。）
1．厚度为L，导热系数为λ，初始温度均匀为t0的无限大平壁，两侧突然置于温度为tf的流体中，对流换热表面传热系数为h。试定性画出当Bi→∞时的平壁内部温度和流体层温度随时间的变化。 答：
2．蒸气中含有不凝结性气体，对膜状凝结换热有何影响？为什么？
答：蒸气中含有不凝结性气体，会使得膜状凝结换热表面传热系数大大减小。
原因――蒸气中含有不凝结性气体，在靠近液膜表面的蒸气侧，随着蒸气的凝结，蒸气分压力减小而不凝结气体的分压力增加，蒸气抵达液膜表面进行凝结前，必须以扩散方式穿过聚集在界面附近的不凝结气体层，不凝结气体层的存在增加了传递过程的阻力；同时蒸气分压力的下降，使相应的饱和温度下降，减小了凝结的动力∆t＝ts-tw，也使得凝结过程削弱。
3．何为过冷沸腾和饱和沸腾？大容器饱和沸腾曲线可以分为哪几个区域？
答：过冷沸腾——大容器沸腾中流体主要部分的温度低于相应压力下的饱和温度，则这种沸腾称
为过冷沸腾。
饱和沸腾——大容器沸腾中流体主要部分的温度等于相应压力下的饱和温度，则这种沸腾称
为过冷沸腾。
大容器饱和沸腾曲线分为：核态沸腾区、过渡沸腾区和膜态沸腾区。
第1页 共5页
4．半径为R的半球形容器的内表面为绝热面3，温度为T3，顶部平面的一半为灰表面2，温度为T2，另一半为黑表面1，温度为T1（T1>T2）。试求角系数X1,2,X2,1,X3,1,X3,2,X3,3。
12
X1,2=0X1,3=1⇒
答：
X2,1=0X3,1=1
4
111-=442
A1
X1,3A3
12πR
1==4 2πR2
同理，X3,2=
⇒X3,3=1-X3,1-X3,2=1-
5．试画出冷凝器和蒸发器中，两种流体温度随换热面积（沿程）的变化关系。 答：
6．为强化一台冷油器的传热，有人用提高冷却水流速的办法，但发现效果并不明显，试分析原因。
答：冷油器中由于油的粘度较大，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，而冷却水的对流热阻较小，不占主导地位，因而用提高水速的方法，只能减小不占主导地位的水侧热阻，效果不明显。
二．计算题 （共64分，每题16分。请将每题的答案写在相应题目的空白处。）
1．厚度为10cm 的大平板，通过电流时发热功率为3⨯104 W/m3，平板的一个表面绝热，另一个表面暴露于25︒C的空气中。若空气与平板表面间的对流换热系数为50 W/(m2⋅︒C)，平板的导热系数为3 W/(m⋅︒C)，试确定平板中的最高温度。 解：
（1）该题的数学描写为：
d2tΦ+=02
λdx⎧dt
=0⎪dxx=0⎪
B.C.⎨
⎪-λdt=h(tx=δ-tf)⎪⎩dxx=δ
第2页 共5页
（2）该问题的解为
δΦΦ22
t=(δ-x)++tf
2λh
（3）平板中的最高温度
据题意，平板的最高温度出现在x＝0处，于是有
2Φ δΦ
tmax=δ++tf
2λh3⨯1043⨯104⨯(10/100)2=⨯(10/100)++25
2⨯350=135︒C
2．热电偶的接结点近似为是直径为0.5mm的球体，热电偶材料的ρ＝8500kg/m3，cP＝400 J/(kg⋅K)，
λ＝20 W/（m⋅K）。热电偶初始温度为25︒C，突然将其放入100︒C的气流中，热电偶表面与气流间的
表面传热系数h=95W/（m2⋅K）,试求热电偶指示温度为50︒C时所需时间。 解：（1）判断能否用集中参数法
4
h(πR3/4πR2)
h(V/A)hR/3hd/695⨯(0.5⨯10-3)/6BiV=====
λλλλ20
1
=3.958⨯10-4
3
可用集中参数法求解。 （2）所需时间
t-t∞hA6h
=exp(-τ)=exp(-τ)t0-t∞ρcVρcd50-1006⨯95
=exp(-τ) -3
25-008500⨯400⨯0.5⨯10τ=1.21s
3．某换热器，冷却水以2m/s的速度流过内径d=20mm的长铜管，已知：管内壁平均温度为80℃。欲将水从进口处的20℃加热到出口处的50℃，试计算水与管内壁之间的对流换热表面传热系数。
μf
0.80.4⎛ 准则关联式为：Nuf=0.023RefPrf
⎝μw
⎫⎪⎪⎭
0.11
(Ref≥104) ⎫⎪⎪⎭
0.14
⎛μf
Nuf=1.86(RefPrfd/L) μ
⎝w
水的物性简表：
(Ref
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解：
（1）水的平均温度
tf=
t'f+t'f'2
=
20+50
=35︒C 2
查水物性表有：
tf=35︒C⇒
λf=0.6265W/(m⋅︒C)νf=0.7545⨯10-6m2/sμf=727.15⨯10Pas
Prf=4.865
tw=80︒C⇒μw=355.1⨯10-6Pas
（2）计算雷诺数
-6
Ref=
ud
νf
2⨯(20⨯10-3)
==5.30⨯104>104 -6
0.7545⨯10
⎫⎪⎪⎭
0.11
（3）计算努塞尔数
⎛μf
Nuf=0.023Re0f.8Prf0.4 μ
⎝w
=0.023⨯(5.3⨯10)=281.98
（4）计算表面传热系数
40.8
727.15⨯10-60.11
⨯4.865⨯()
355.1⨯10-6
0.4
hf=
λf
d
Nuf=
0.6265
⨯281.98=8833.02W/(m2⋅K) -3
20⨯10
'＝100℃被冷却至t1''＝60℃，水由t2'＝20℃加热到t2''＝50℃，4．某一逆流套管换热器，其中油从t1
水的流量为720kg/h。油的比热容为cp1＝2.131kJ/（kg⋅K），水的比热容为cp2＝4.174kJ/（kg⋅K）。按逆流布置，其传热系数为K=350W/(m2⋅℃)，计算油的质量流量及该换热器的面积。
解：
（1）油的质量流量及换热器的换热量
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'-t1'')=qm2cp2(t2''-t2')Φ=qm1cp1(t1
=qm1⨯2.131⨯(100-60)=Φ=25.044kWqm1=1057.7kg/h
orqm1=0.294kg/s
（2）逆流布置时的对数平均温差
720
⨯4.174⨯(50-20)
3600
∆tm=
'-t2''-(t1''-t2')100-50-(60-20)t1
==44.81︒C
-t2t1100-50
lnln
'''60-20t1-t2
（3）换热器的面积
Φ25.044⨯103
A===1.60m2
K∆tm350⨯44.81
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