2-1 冬天，经过在白天太阳下晒过的棉被，晚上盖起来感到很暖和，并且经过拍打后，效果更加明显。试解释原因。

解：棉被经过晾晒以后，可使棉花的空隙里进入更多的空气。而且空气在狭小的棉絮空间里的热量传递方式主要是导热，由于空气的导热系数较小（20℃，1.01325×10Pa 时，空气导热系数为0.0259W/（m·K）），具有良好的保温性能。经过拍打的棉被可以让更多的空气进入，因而效果更加明显。

2-2 冬天，在相同的室外温度条件下，为什么有风比无风时感到更冷些？

解：假定人体表面温度相同时，人体的散热在有风时相当于强制对流换热，而在无风时属自然对流换热（不考虑热辐射或假定辐射换热量相同时）。而空气的强制对流换热强度要比自然对流强烈。因而在有风时从人体带走的热量更多，所以感到更冷一些。

2-3 试分析室内暖气片的散热过程，各环节有哪些热量传递方式?以暖气片管内走热水为例。

解:有以下换热环节及热传递方式：

（1）由热水到暖气片管道内壁，热传递方式是对流换热；

（2）由暖气片管道内壁至外壁，热传递方式为导热；

（3）由暖气片外壁至室内环境和空气，热传递方式有辐射换热和对流换热。

2-4 一双层玻璃窗，宽1.1m，高1.2m，厚3mm，导热系数为1.05W/（m·K）；中间空气层厚5mm，设空气隙仅起导热作用，导热系数为2.60×10-2W/（m·K）；室内空气温度为25℃。表面传热系数为20W/（㎡·K）；室外空气温度为-10℃，表面传热系数为15W/（㎡·K）。试计算通过双层玻璃窗的散热量，并与单层玻璃窗想比较。假定在两种情况下室内、外空气温度及表面传热系数相同。

解：

（1） 双层玻璃窗情形，由传热过程计算式：

=

（2） 单层玻璃窗情形：

显然，单层玻璃窗的散热量是双层玻璃窗的2.6倍。因此，北方的冬天常常采用双层玻璃窗，使室内保温。

2-5 一外径为0.3m ,壁厚为5mm的圆管，长为5m，外表面平均温度为80℃ 。200℃ 的空气在管外横向掠过，表面传热系数为80W/（㎡·K ）。入口温度为20 ℃ 的水以0.1m/s的平均速度在管内流动。如果过程处于稳态，试确定水的出口温度。水的比定压热容为4184J/(kg·K)，密度为680Kg/m3。

解：

（1）管外空气与管子之间的对流换热量：

（2）由于过程处于稳态，管外空气所加的热量由管内水带走，因此，

其中为管内流通截面积， =。故出口温度为

=℃

2-6 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，试问哪种情况下导热量大？

解：由题意，平壁导热量

圆管壁导热量

故换热量之比：

显然，，所以圆管壁的导热量大。

2-7 在严寒的北方地区，建房用砖采用实心砖还是多孔的空心砖好？为什么？

解：在其他条件相同时，实心砖材料如红砖的导热系数约为0.5W/（m·K ）（35℃），而多孔空心砖中充满着不动的空气，空气在纯导热（即忽略自然对流）时，其导热系数很低，是很好的绝热材料。因而用多孔空心砖好。

2-8 厚度为σ的单层平壁，两侧温度分别维持在t1及t2，平板材料导热系数呈直线变化，即（其中a,b为常数），试就b>0,b=0,b<0画出平板中的温度分布曲线，并写出平板某处当地热流量的表达式。

解：由题意，沿平板厚度方向，热流量为常数，即

由于A不变，故有=常数。

设t1>t2，当b>0时，显然(t1)> (t2),所以，故温度分布曲线如图2-2（a）所示。同理，b=0,b<0时的温度分布曲线如图2-2（b），（c）所示。

某处热流密度表达式：

讨论：利用傅里叶定律表达式来判断温度分布曲线凹向是一种很重要的方法。

2-9 电影《泰坦尼克号》里，男主人公杰克在海水里被冻死而女主人公罗丝却因躺在筏上而幸存下来。试从传热学的观点解释这一现象。

解：杰克在海水里其身体与海水间由于自然对流交换热量，而罗丝在筏上其身体与空气之间产生自然对流。在其他条件相同时，水的自然对流强度要远大于空气，因此杰克身体由于自然对流散失能量的速度比罗丝快得多。因此杰克被冻死而罗丝却幸免于难。

2-10 用热线风速仪测定气流速度的实验中，将直径为0.1mm的电热丝与来流方向垂直放置，来流温度为25℃，电热丝温度为55℃，测得电加热功率为20W/m。假定除对流外其他热损失可忽略不计。试确定此时的来流速度。

解：本题为空气外掠圆柱体强制对流换热问题。

由题意， ,由牛顿冷却公式

定性温度 ℃

空气的物性值：,pr=0.699

由此得

假设数值范围在40-4000，有

，，

既

得 =233.12 符合上述假设范围。

故

2-11 水以2kg/s的质量流量流过直径为40㎜，长为4m的圆管，管壁温度保持在90℃，水的进口温度为30℃。求水的出口温度和管子对水的散热量。水的物性按40℃查取。不考虑由温差引起的修正。

解：本题属于水在管内的强制对流换热。40℃水的物性参数如下

=0.635W/（m·k）, =4174J/(kg·k),

则

属湍流，考虑到水被加热，取公式

由题意，l/d=4/0.04=100>60,Cl=1,且不考虑温差修正，Ct=1。

出口水温度为:

=90-（90-30）exp（-）

=49.7℃

管子对水的散热量

=

2-12 一套管式换热器，饱和蒸汽在管内中凝结，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型空间中流过，换热器外客绝热良好。环形夹层内管外径为40㎜，外管内径为60㎜，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。不考虑由温差引起的修正。

解：由定性温度 ℃，得水的物性参数

当量直径

水被加热

假设换热达充分发展Cl=1

/(㎡·K)

换热量

所以

m

故不考虑管长修正。

管子出口处的热流密度按下式计算

㎡

2-13 人造卫星在返回地球表面时为何容易被烧毁？

解 卫星在太空中正常运行时，其表面的热量传递方式主要依靠与太空及太阳等星体的辐射。而在返回地面的过程中，由于与大气层之间的摩擦，产生大量的热量，无法及时散热，因而易被烧毁。

2-14 一直径为0.8m的薄壁球形液氧储存容器，被另一个直径为1.2m的同心薄壁容器包围。两容器表面为不透明漫灰表面，发射率均为0.05，两容器表面之间是真空的，如果外表的温度为300K，内表面温度为95K，试求由于蒸发使液氧损失的质量流量。液氧的蒸发潜热为2.13×105J/kg

解：本题属两表面组成封闭系的辐射换热问题，其辐射网络如图2-3所示。

其中

㎡

故

=

=

故由于蒸发而导致液氧损失的质量流量

kg/s

2-15 某炉墙内层为粘土砖，外层为硅藻土砖，它们的厚度分别为S1=460mm；S2=230mm，导热系数分别为 ， 。炉墙两侧表面温度各为t1=1400；t3=100，求稳态时通过炉墙的导热通量和两层砖交界处的温度。

解：按试算法，假定交界面温度t2=900，计算每层砖的导热系数

根据式（13-10）计算通过炉墙的热通量

再按式（13-12）计算界面温度

将求出的t2与原假设的t2相比较，若两者相差不大（工程上一般小于4%），则计算结束，否则重复上述计算，直到满足要求为止。现在两者相差甚大，需重新计算。重设t2=1120

2-16 热介质在外径为d2=25mm的管内流动，为减少热损失，在管外敷设绝热层，试问下列两种绝热材料中选用哪一种合适;(1)石棉制品，；（2）矿渣棉，。假定绝热层外表面与周围空气之间的给热系数。

解：据式（13-38），计算临界绝热层直径。

对于石棉制品

m

对于矿渣棉

m

可见，在所给条件下，用石棉制品作绝热层时，因为敷设绝热层，热损失将增加，故不合适。而用矿渣棉作绝热层时，所以是合适的。

2-17 平均温度为30的水以0.4㎏/s的流量流过一直径为2.5㎝，长6m的直管，测得压力降为3kN/㎡.热通量保持为常数，平均壁温为50，试求水的出口温度。

解：以水的平均温度作定性温度，由附录二查得：

；

边界层平均温度为

以此温度查得：

由

得

根据

得

因水的，应按柯尔朋类比计算，即

则

于是给热系数

管壁对水的热流量为

又

故水的温升为

即

因

将上二式联立求解，得出口水温为

2-18 用内径d=12.7×10-3m的钢管作吹氧管向钢液中吹氧。氧气的质量流量G=145.3kg/h，入口温度t'f=27，吹氧管插入熔池1.22m。若不考虑电子端部逐渐熔化，并认为管壁温度近似等于钢液温度1470，试求给热系数和氧气离开吹氧管时的温度。

解：因吹氧管出口处的氧气温度待求，液体平均温度不能直接算出，即定性温度不能确定，所以采用试算法。

先假定氧气的出口温度为，则

由附录二查得氧气在303.5时的物性参数：

属于湍流，可应用公式（14-36）。估计氧气与管壁间温差较大，故应修正。当氧气被加热时

所以

因吹氧管内氧气温度逐渐升高，而管壁温度基本不变，所以给热量沿流动方向逐渐减少，为计算整个管长的给热，应沿管长积分。对于微元管段dL，流体的热量平衡方程可表示为

式中 ——氧气的秒流量，kg/s。

假定和均为常数，将上式沿管长积分

得 或

因此

与原假设相差较大，须重新计算。再设

相应的物性参数为

因此

计算值与假设值相差不多，仅2.5%，故计算可告结束，最终结果为

2-19 有一水放置止的钢坯，长为1.5m，宽为0.5m，黑度为0.6，周围环境的温度为。试比较钢坯温度在和时，钢坯上表面由于辐射和对流造成的单位面积的热损失。

解：钢坯上表面每单位面积的辐射热损失，可根据式（15-19）求得，在时

在时

钢坯上表面的对流热损失按式（14-1a）计算，对流给热系数可根据表14-3热面朝上的水平壁计算。

定型尺寸

在时

定性温度

由附录二 查得空气的物性参数为：

属于湍流，所以

对流热损失

在时

定性温度

由附录二 查得空气的物性参数为：

属于湍流，所以

对流热损失

由该例可以看到，钢坯温度为时对流热损失与辐射热损失数量级相当；而在时，对流热损失仅为辐射热损失的十分之一，因此在高温下，热辐射起着重要的作用，温度越高，热辐射的作用越显著。

2-20 4的空气以1m/s的速度流过一块宽1m，长1.5m饿平板，试求为使平板均匀保持50所需提供的热量。

解：空气的定性温度为

根据此温度由附表二查得空气在27时， 。

首先计算雷诺数以判断流动状态

因小于临界雷诺数，故全板长的边界层均为层流。利用式（14-17）可求得平均给热系数

由于平板两个侧面均以对流方式散热，因此，供给平板的热量应为

2-1 冬天，经过在白天太阳下晒过的棉被，晚上盖起来感到很暖和，并且