材料工程基礎(chǔ)第三、五、六章的答案課件

1解：根據(jù)題意，低溫空氣外掠圓管將熱量從圓管帶走。1解：根據(jù)題意，低溫空氣外掠圓管將熱量從圓管帶走。23-2

一外徑為0.3m，壁厚為5mm的圓管，長為5m，外表面平均溫度為80℃。200℃的空氣在管外橫向掠過，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h為80W／(m2·K)。入口溫度為20℃的水以0.1m/s的平均速度在管內(nèi)流動。如果過程處于穩(wěn)態(tài)，試確定水的出口溫度。水的比定壓熱容為4184J／(kg·K)，密度為980kg／m3。解：根據(jù)題意，高溫空氣外掠圓管將熱量傳遞給圓管內(nèi)通過的水。高溫空氣傳遞給圓管的熱量為：流體吸收圓管傳遞的熱量為：23-2一外徑為0.3m，壁厚為5mm的圓管，長為5m33-3

用平底鍋燒開水，與水相接觸的鍋底溫度為111℃，熱流密度為42400W/m2。使用一段時間后，鍋底結(jié)了一層平均厚度為3mm的水垢。假設(shè)此時與水相接觸的水垢的表面溫度及熱流密度分別等于原來的值，試計算水垢與金屬鍋底接觸面的溫度。水垢的導(dǎo)熱系數(shù)取為1W/(m·K)。解：根據(jù)題意，可以作為單層平壁導(dǎo)熱問題處理，即℃33-3用平底鍋燒開水，與水相接觸的鍋底溫度為111℃，44①通過單層平壁的導(dǎo)熱1)一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱已知:平壁的兩個表面分別維持均勻且恒定的溫度tw1和tw2，無內(nèi)熱源，壁厚為δ。

解：導(dǎo)熱系數(shù)k常數(shù)，無內(nèi)熱源、一維、穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程式t=C1x+C2

x=0時t=tw1x=δ時t=tw2

表面積為A

44①通過單層平壁的導(dǎo)熱1)一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱已知:平壁的兩個5②通過多層平壁的導(dǎo)熱已知：各層的厚度δ1、δ2、δ3，各層的導(dǎo)熱系數(shù)k1

、k2和k3及多層壁兩表面的溫度tw1和tw4。

解：求：各層間分界面上的溫度。5②通過多層平壁的導(dǎo)熱已知：各層的厚度δ1、δ2、δ3，667③通過圓筒壁的導(dǎo)熱已知：一個內(nèi)外半徑分別為r1

、r2的圓筒壁，其內(nèi)、外表面溫度分別維持均勻恒定的溫度t1和t2。

求：通過圓筒壁的導(dǎo)熱量及壁內(nèi)的溫度分布。解：r=r1時t=t1

r=r2時t=t2通過多層圓筒壁的導(dǎo)熱一維、穩(wěn)態(tài)、無內(nèi)熱源柱體導(dǎo)熱7③通過圓筒壁的導(dǎo)熱已知：一個內(nèi)外半徑分別為r1、r283-4

一厚度為10cm的無限大平壁，導(dǎo)熱系數(shù)k為15W／(m·K)。平壁兩側(cè)置于溫度為20℃，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h為50W／(m2·K)的流體中，平壁內(nèi)有均勻的內(nèi)熱源=4×104W／m3。試確定平壁內(nèi)的最高溫度及平壁表面溫度。解：由于對稱性，僅研究壁厚的一半即可。該問題的數(shù)學描寫為：具有均勻內(nèi)熱源的平壁對式(a)作兩次積分，并由邊界條件式（b）、（c）確定其積分式中的常數(shù)，最后可得平板中的溫度分布為：(a)(b)(c)℃℃83-4一厚度為10cm的無限大平壁，導(dǎo)熱系數(shù)k為159解：9解：103-6

一烘箱的爐門由兩種保溫材料A及B做成，且δA=2δB。已知kA=0.1W／(m·K)，kB=0.06W／(m·K)，烘箱內(nèi)空氣溫度tf1=400℃，內(nèi)壁面的總表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h1=50W／(m2·K)。為安全起見，希望烘箱爐門的外表面溫度不得高于50℃。設(shè)可把爐門導(dǎo)熱作為一維問題處理，試決定所需保溫材料的厚度。環(huán)境溫度tf2=25℃，外表面總表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h2=9.5W／(m2·K)。解：根據(jù)題意，爐門作為雙層平壁考慮，則熱流體經(jīng)多層平壁傳熱給冷流體的傳熱過程的熱流密度可直接寫出為：103-6一烘箱的爐門由兩種保溫材料A及B做成，且δ1111121213畢渥數(shù)－Bi以第三類邊界條件為重點ttfhtfhx0問題的分析如圖所示，存在兩個換熱環(huán)節(jié)：a流體與物體表面的對流換熱環(huán)節(jié)

b物體內(nèi)部的導(dǎo)熱有如下三種可能：畢渥數(shù)：對流換熱很快，忽略對流傳導(dǎo)換熱很快，忽略導(dǎo)熱都存在導(dǎo)熱系數(shù)相當大，幾何尺寸很小，或者表面換熱系數(shù)極小，都可采用集總參數(shù)法13畢渥數(shù)－Bi以第三類邊界條件為重點ttftfx0問題14集總參數(shù)法分析求解1定義：忽略物體內(nèi)部導(dǎo)熱熱阻、認為物體溫度均勻一致分析方法。此時，溫度分布只與時間有關(guān)，即，與空間位置無關(guān)，因此，也稱為零維問題。

2溫度分布如圖所示，任意形狀的物體，參數(shù)均為已知將其突然置于溫度恒為t∞的流體中14集總參數(shù)法分析求解1定義：忽略物體內(nèi)部導(dǎo)熱熱阻、認為物1515集總參數(shù)法分析求解忽略內(nèi)部熱阻（t=f()）、非穩(wěn)態(tài)、有內(nèi)熱源，能量方程可化為：初始條件控制方程其中應(yīng)看成是廣義熱源，即界面上交換的熱量可折算成整個物體的體積熱源集總參數(shù)法方程令過余溫度＝t－t，有：積分1515集總參數(shù)法分析求解忽略內(nèi)部熱阻（t=f()）、非穩(wěn)1616集總參數(shù)法分析求解對上式進行整理，得：令：為時間常數(shù)，表示物體蓄熱量與表面換熱量之比當＝c：當＝4c：工程上認為此時已達到熱平衡狀態(tài)當＝0：1616集總參數(shù)法分析求解對上式進行整理，得：令：17對于球、板和柱體，當Bi滿足：無限大平板，M＝1無限長圓柱，M＝1/2球，M＝1/3可以采用集總參數(shù)法進行分析。采用此判據(jù)時，物體中各點過余溫度的差別小于5%17對于球、板和柱體，當Bi滿足：無限大平板，M＝1無限長圓181819192020213-12

對置于氣流中的一塊很粗糙的表面進行傳熱試驗，測得如下的局部換熱特性的結(jié)果：Nux=0.04Rex0.9Pr1/3

其中特性長度x為計算點離開平板前緣的距離。試計算當氣流溫度t∞=27℃、流速u∞=50m／s時離開平板前緣x=1.2m處的切應(yīng)力。平壁溫度tw=73℃。解：查空氣的物理性質(zhì)t∞=27℃，粘滯切應(yīng)力雷諾切應(yīng)力切應(yīng)力213-12對置于氣流中的一塊很粗糙的表面進行傳熱試驗，222223232424253-18

某物體表面在427℃時的輻射能力與黑體在327℃時的輻射能力相同，求該物體的輻射率。解：根據(jù)斯蒂芬-波爾茨曼定律3-19

兩無限大平行平面，其表面溫度分別為20℃及600℃，輻射率均為0.8。在這兩平面中安放一塊輻射率為0.8或0.05的遮熱板，試求這兩塊無限大平行平面間的凈輻射熱量。解：兩無限大平行平面種間有遮熱板的輻射網(wǎng)絡(luò)圖由四個表面熱組和兩個空間熱組串聯(lián)而成，其凈輻射量為：253-18某物體表面在427℃時的輻射能力與黑體在327263-20

兩無限大平行平板Ⅰ和Ⅱ，平板Ⅰ為黑體，溫度t1=827℃，平板Ⅱ為輻射率等于0.8的灰體，溫度t2=627℃。試求：(1)平板Ⅰ在此情況下的最大輻射強度的波長；

(2)兩平板的有效輻射；

(3)兩平板間的凈輻射熱量；

(4)繪出系統(tǒng)的輻射網(wǎng)絡(luò)圖。解：(1)根據(jù)普朗克定律—黑體最大光譜輻射強度的波長與溫度有如下數(shù)學關(guān)系(2)如圖可知，物體的有效輻射是本射輻射與反射輻射之和。對于黑體，其有效輻射就是本身輻射。

(a)(b)263-20兩無限大平行平板Ⅰ和Ⅱ，平板Ⅰ為黑體，溫度t27對兩個無限大平行平板，一板有效輻射必然全部投射到二板上。即：

(c)(d)同時

聯(lián)立方程（a）（b）（c）（d）得：(3)兩平板間的凈輻射熱量(4)繪出系統(tǒng)的輻射網(wǎng)絡(luò)圖27對兩個無限大平行平板，一板有效輻射必然全部投射到二板上。285-1

下列三種空氣作為干燥介質(zhì)，問采用何者干燥推動力最大？何者最小？為什么？⑴t=60℃，X=0.015kg/kg干空氣⑵t=70℃，X=0.040kg/kg干空氣⑶t=80℃，X=0.045kg/kg干空氣解：要知道各情況下空氣干燥推動力大小，其實質(zhì)是求解相對濕度。查表，當溫度分別為t=60℃,t=70℃,t=80℃時，飽和水蒸氣分壓分別為19.9163kPa,31.1567kPa,47.3465kPa。濕空氣總壓為1標準大氣壓。

結(jié)論：⑴的干燥推動力最大，⑵最小。285-1下列三種空氣作為干燥介質(zhì)，問采用何者干燥推動力最295-2

已知大氣壓強為0.1Mpa，溫度為30℃，露點溫度為20℃，求空氣的相對濕度、含濕量、焓、水蒸氣分壓。解：含濕量X與psd(溫度露點td時的飽和水蒸氣分壓)滿足以下關(guān)系：查表，當溫度為t=30℃時，飽和水蒸氣分壓為4.2430kPa。濕空氣的焓：水蒸氣分壓：295-2已知大氣壓強為0.1Mpa，溫度為30℃，露點305-3

將干球溫度27℃，露點為22℃的空氣加熱到80℃，試求加熱前后空氣的相對濕度的變化量。解：濕空氣在露點溫度下處于飽和狀態(tài)，其濕含量保持不變，查表得t=20℃

和t=25℃

飽和水蒸氣的分壓為2.3379kPa和3.1674kPa。則t=22℃時的飽和水蒸氣的分壓為：查表，t=25℃、

t=30℃和t=80℃飽和水蒸氣的分壓為3.1674kPa

、4.2430kPa和47.3465kPa。305-3將干球溫度27℃，露點為22℃的空氣加熱到80315-5

將20℃，的新鮮空氣與50℃，的熱氣體混合，且，，且新鮮空氣和廢氣的比熱相同，求混合后氣體的相對濕度、焓。如將混合氣體加熱到102℃該氣體的相對濕度和焓為多少？解：查表,t為20℃和50℃飽和水蒸氣分壓為2.3379kPa

和12.3338kPa。已知和。315-5將20℃，的新鮮空氣與32混合后：將混合氣體加熱到102℃時：濕空氣中水蒸氣所能達到的最大分壓是濕空氣的總壓。

32混合后：將混合氣體加熱到102℃時：濕空氣中水蒸氣所能達335-8

一理想干燥器在總壓為100kPa下，將濕物料水分由50%干燥至1%，濕物料的處理量為20kg/s。室外大氣溫度25℃，濕含量為0.005kg水/kg干空氣，經(jīng)預(yù)熱后送入干燥器。廢氣排出溫度為50℃，相對濕度60%。試求：⑴空氣用量；⑵預(yù)熱溫度；⑶干燥器的熱效率。解：（1）干物料的處理量濕物料進、出干燥器的干基含水量干燥過程蒸發(fā)水分

空氣離開干燥器時的狀態(tài)

t2=50℃，

，查表

空氣進入干燥器時335-8一理想干燥器在總壓為100kPa下，將濕物料水34干燥過程干空氣用量

對應(yīng)濕空氣用量為

⑵求預(yù)熱溫度無外加熱源的物料干燥過程可以看作是絕熱加濕過程。絕熱加濕過程中，濕空氣的焓保持不變。

空氣離開干燥器時的焓

空氣進入干燥器時的焓34干燥過程干空氣用量對應(yīng)濕空氣用量為⑵求預(yù)熱溫度無外加35⑶干燥器的熱效率35⑶干燥器的熱效率365-10

在恒定干燥條件下，將物料由含水量0.33kg/（kg干料）干燥到0.09kg/（kg干料）需要7h，若繼續(xù)干燥至0.07kg/（kg干料），還需要多少時間？已知物料的臨界含水量為0.16kg/（kg干料），平衡含水量為0.05kg/（kg干料）。設(shè)降速階段的干燥速率與自由含水量成正比。解：（1）由于X1＞Xc＞X2，物料含水量從X1下降X2到經(jīng)歷等速干燥和降速干燥兩個階段（2）繼續(xù)干燥所需要的時間設(shè)物料從臨界含水量Xc，干燥至X3=0.07kg/kg干料所需時間為τ3，則τ1=4.54hτ2=2.46h繼續(xù)干燥所需要的時間：365-10在恒定干燥條件下，將物料由含水量0.33kg376-1

若煤質(zhì)分析表中列出如下成分FCad＝38.6％、Had＝2.6％、Sad＝3.8％、Nad＝0.8％、Oad＝3.1％、Mad＝11.0％、Aad＝40.1％,而工業(yè)分析表明，實際水分Mar＝16％，試求實際燃料的收到基成分及發(fā)熱量?解：1kg空氣干燥基燃料折合成實際燃料收到基376-1若煤質(zhì)分析表中列出如下成分FCad＝38.6％383839(2)計算煤的發(fā)熱量a)無煙煤：39(2)計算煤的發(fā)熱量a)無煙煤：40b)煙煤：焦炭特性取4級，查表且40b)煙煤：焦炭特性取4級，查表且416-4

已知某窯爐用煤的收到基組成為：α=1.2，計算：①實際空氣量（Nm3/kg）；②實際煙氣量（Nm3/kg）；③煙氣組成。解：基準：1kg煤。

(1)空氣量計算理論空氣量Va0：實際空氣量Va：416-4已知某窯爐用煤的收到基組成為：解：基準：1kg煤42(2)煙氣量計算理論煙氣量V0：實際煙氣量V：(3)煙氣組成百分數(shù)計算42(2)煙氣量計算理論煙氣量V0：實際煙氣量V：(3)煙氣43煙氣中CO2、H2O、SO2、O2、N2的百分含量分別為：13.37%、7.69%、0.03%、3.34%、75.55%。43煙氣中CO2、H2O、SO2、O2、N2的百分含量分別為446-6

某窯爐使用發(fā)生爐煤氣為燃料，其組成為（%）：燃燒時α=1.2，計算：①燃燒所需實際空氣用量（Nm3/Nm3煤氣）；②實際濕煙氣生成量（Nm3/Nm3煤氣）；③干煙氣及濕煙氣組成百分率。

解：（1）計算1Nm3煤氣燃燒所需要的空氣量理論空氣量：

實際空氣量：

（2）計算1Nm3煤氣燃燒生成的煙氣量446-6某窯爐使用發(fā)生爐煤氣為燃料，其組成為（%）：解：45實際煙氣量：

（3）干煙氣及濕煙氣組成百分率濕煙氣組成百分率45實際煙氣量：（3）干煙氣及濕煙氣組成百分率濕煙氣組成百