傳熱部分習(xí)題答案

./傳熱部分習(xí)題答案1-7熱電偶常用來測量氣流溫度。如附圖所示,用熱電偶來測量管道中高溫氣流的溫度Tf,壁管溫度。試分析熱電偶結(jié)點(diǎn)的換熱方式。解：具有管道流體對節(jié)點(diǎn)的對流換熱,沿偶絲到節(jié)點(diǎn)的導(dǎo)熱和管道壁到節(jié)點(diǎn)的熱輻射1-21有一臺氣體冷卻器,氣側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)＝95W/<m.K>,壁面厚＝2.5mm,水側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)W/<m.K>。設(shè)傳熱壁可以看成平壁,試計算各個環(huán)節(jié)單位面積的熱阻及從氣到水的總傳熱系數(shù)。你能否指出,為了強(qiáng)化這一傳熱過程,應(yīng)首先從哪一環(huán)節(jié)著手？解：則＝94.7,應(yīng)強(qiáng)化氣體側(cè)表面?zhèn)鳠帷?-22在上題中,如果氣側(cè)結(jié)了一層厚為2mm的灰,;水側(cè)結(jié)了一層厚為1mm的水垢。其他條件不變。試問此時的總傳熱系數(shù)為多少？解：由題意得＝34.61-32一玻璃窗,尺寸為60,厚為4。冬天,室及室外溫度分別為20℃及-20℃,表面的自然對流換熱表面系數(shù)為W,外表面強(qiáng)制對流換熱表面系數(shù)為50。玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)。試確定通過玻璃的熱損失。解：＝57.5W-2一冷藏室的墻由鋼皮礦渣棉及石棉板三層疊合構(gòu)成,各層的厚度依次為0.794mm.,152mm及9.5mm,導(dǎo)熱系數(shù)分別為45,0.07及0.1。冷藏室的有效換熱面積為37.2,室外氣溫分別為-2℃及30℃,室外壁面的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可分別按1.5及2.5計算。為維持冷藏室溫度恒定,試確定冷藏室的冷卻排管每小時需帶走的熱量。解：由題意得＝＝357.14W357.14×3600＝1285.6KJ-4一烘箱的爐門由兩種保溫材料A及B組成,且<見附圖>。已知,,烘箱空氣溫度℃,壁面的總表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。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25℃,外表面總傳熱系數(shù)。解：熱損失為又℃；聯(lián)立得2-18在一根外徑為100mm的熱力管道外擬包覆兩層絕熱材料,一種材料的導(dǎo)熱系數(shù)為0.06,另一種為0.12,兩種材料的厚度都取為75mm,試比較把導(dǎo)熱系數(shù)小的材料緊貼管壁,及把導(dǎo)熱系數(shù)大的材料緊貼管壁這兩種方法對保溫效果的影響,這種影響影響對于平壁的情形是否存在？假設(shè)在兩種做法中,絕熱層外表面的總溫差保持不變。解：將導(dǎo)熱系數(shù)小的材料緊貼壁管將導(dǎo)熱系數(shù)大的材料緊貼壁管則故導(dǎo)熱系數(shù)大的材料緊貼管壁其保溫效果好。若為平壁,則平壁由于所以不存在此問題。2-31試比較附圖所示的三種一維導(dǎo)熱問題的熱流量大?。和姑驽F臺,圓柱,凹面錐臺。比較的條件是及導(dǎo)熱系數(shù)均相同。三種形狀物體的直徑與x軸的關(guān)系可統(tǒng)一為,其中a及n值如下：凸面錐臺柱體凹面錐臺a0.5060.08m20.24n0.50.01.5。解：對于變截面導(dǎo)熱凸面錐臺＝柱體＝凹面錐臺＝由上分析得2-44一半徑為的實(shí)心圓柱,熱源為,,A為常數(shù)。在處。試導(dǎo)出圓柱體中的溫度分布。解：<1>r=0,<2><3>三式聯(lián)立最終可解得2-51在溫度為260℃的壁面上伸出一根純鋁的圓柱形肋片,直徑d=25mm,高H=150mm。該柱體表面受溫度16℃的氣流冷卻,表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h=15。肋端絕熱。試計算該柱體的對流散熱量。如果把柱體的長度增加一倍,其他條件不變,柱體的對流散熱量是否也增加了一倍？從充分利用金屬的觀點(diǎn)來看,是采用一個長的肋好還是采用兩個長度為其一半的較短的肋好？解：又所以得代入數(shù)據(jù)查表得,當(dāng)其他條件不變時由上述結(jié)果可知長度增加一倍而散熱量沒有增加一倍,因此從充分利用金屬的觀點(diǎn),采用長度為其一半的較短的肋較好。2-53過熱蒸氣在外徑為127mm的鋼管流過,測蒸氣溫度套管的布置如附圖所示。已知套管外徑d=15mm,壁厚＝0.9mm,導(dǎo)熱系數(shù)49.1。蒸氣與套管間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h=105。為使測溫誤差小于蒸氣與鋼管壁溫度差的0.6％,試確定套管應(yīng)有的長度。解：按題意應(yīng)使,查附錄得：,。2-76剛采摘下來的水果,由于其體葡萄糖的分解而具有"呼吸"作用,結(jié)果會在其表面析出C,水蒸氣,并在體產(chǎn)生熱量。設(shè)在通風(fēng)的倉庫中蘋果以如附圖所示的方式堆放,并有5℃的空氣以0.6m/s的流速吹過。蘋果每天的發(fā)熱量為4000J/kg。蘋果的密度,導(dǎo)熱系數(shù)＝0.5；空氣與蘋果間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h=6。試計算穩(wěn)態(tài)下蘋果表面及中心的溫度。每個蘋果可按直徑為80mm的圓球處理。解：利用有熱源的一維球坐標(biāo)方程：,,,邊界條件為：。為滿足第一邊界條件,必須為0。代入第二條件：,即：,由此得：,溫度分布為：,由此得：當(dāng)時,；當(dāng)r=0時,。也可由穩(wěn)態(tài)熱平衡得出：,由此得：,,,。2-78為了估算人體的肌肉由于運(yùn)動而引起的溫升,可把肌肉看成是半徑為2cm的長圓柱體。肌肉運(yùn)動產(chǎn)生的熱量相當(dāng)于熱源,設(shè)。肌肉表面維持在37℃。過程處于穩(wěn)態(tài),試估算由于肌肉運(yùn)動所造成的最大溫升。肌肉的導(dǎo)熱系數(shù)為0.42。解：如右圖所示,一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱方程,。,,最大溫度發(fā)生在r=0處,。3－3假設(shè)把汽輪機(jī)的汽缸壁及其外的絕熱層近似地看成是兩塊整密接觸的無限大平板〔絕熱層厚度大于汽缸壁。試定性地畫出汽缸機(jī)從冷態(tài)啟動〔即整個汽輪機(jī)均與環(huán)境處于熱平衡后,缸壁及絕熱層中的溫度分布隨時間的變化。解：3－4在一部流動的對流換熱試驗(yàn)中〔見附圖,用電阻加熱器產(chǎn)生熱量加熱量管道的流體,電加熱功率為常數(shù),管道可以當(dāng)作平壁對待。試畫出在非穩(wěn)態(tài)加熱過程中系統(tǒng)中的溫度分布隨時間的變化〔包括電阻加熱器,管壁及被加熱的管流體。畫出典型的四個時刻；初始狀態(tài)〔未開始加熱時,穩(wěn)定狀態(tài)及兩個中間狀態(tài)。解：如圖所示：3－6一初始溫度為t的物體,被置于室溫為t的房間中。物體表面的發(fā)射率為,表面與空氣間的換熱系數(shù)為h。物體的體集積為V,參數(shù)與換熱的面積為A,比熱容和密度分別為c及。物體的熱阻可忽略不計,試列出物體溫度隨時間變化的微分方程式。解：由題意知,固體溫度始終均勻一致,所以可按集總熱容系統(tǒng)處理固體通過熱輻射散到周圍的熱量為：固體通過對流散到周圍的熱量為：固體散出的總熱量等于其焓的減小即3－11一根裸露的長導(dǎo)線處于溫度為t的空氣中,試導(dǎo)出當(dāng)導(dǎo)線通以恒定電流I后導(dǎo)線溫度變化的微分方程式。設(shè)導(dǎo)線同一截面上的溫度是均勻的,導(dǎo)線的周長為P,截面積為Ac比熱容為c,密度為電阻率為,與環(huán)境的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為h,長度方向的溫度變化略而不計。若以知導(dǎo)線的質(zhì)量為,電阻值為,電流為8A,試確定導(dǎo)線剛通電瞬間的溫升率。3－18直徑為1mm的金屬絲置于溫度為250C的恒溫槽中,其電阻值為。設(shè)電阻強(qiáng)度為120A的電流突然經(jīng)過此導(dǎo)線并保持不變,導(dǎo)線表面與油之間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為,問當(dāng)導(dǎo)線溫度穩(wěn)定后其值為多少？從通電開始瞬間到導(dǎo)線溫度與穩(wěn)定時之值相差10C所需的時間為多少？設(shè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)保持為常數(shù),導(dǎo)線的。一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱解：〔1穩(wěn)定過程熱平衡：可采用集總參數(shù)法：令,由熱平衡解齊次方程方程的解為：,由得無限大平板3-25有一航天器,重返大氣層試殼體表面溫度為10000C,隨即落入溫度為50C的海洋中,設(shè)海水與殼體表面間的傳熱系數(shù)為,試問此航天器落入海洋后5min時表面溫度是多少？殼體壁面中最高溫度是多少？殼體厚,,,其側(cè)可認(rèn)為是絕熱的。解：由圖3-6查得,由圖3-7查得3－26厚8mm的瓷磚被堆放在室外貨場上,并與－150C的環(huán)境處于熱平衡。此后把它們搬入250C的室。為了加速升溫過程,每快瓷磚被分散地擱在墻旁,設(shè)此時瓷磚兩面與室環(huán)境地表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為。為防止瓷磚脆裂,需待其溫度上升到100C解：由圖3-6查得厚度加倍后,3-54、已知：一正方形人造木塊,邊長為0.1m,初溫為25,經(jīng)過4小時50分24秒后,木塊局部地區(qū)開始著火。求：此種材料的著火溫度。解：木塊溫度最高處位在角頂,這是三塊無限大平板相交處。3-55、已知：一易拉罐飲料,初溫為,物性可按水處理,罐的直徑為50mm,高為120mm,罐殼的熱阻可以忽略,罐中的飲料的自然對流可以忽略。,求：飲料到達(dá)所需的時間。解：物性按計,則有4-8、一個二維物體的豎直表面收液體自然對流冷卻,為考慮局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響,表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)采用來表示。試列出附圖所示的穩(wěn)態(tài)無熱源物體邊界節(jié)點(diǎn)〔M,n的溫度方程,并對如何求解這一方程提出你的看法。設(shè)網(wǎng)格均分。：利用熱平衡法：,將h寫為,其中為上一次迭代值,則方程即可線性化。5-3、已知：如圖,流體在兩平行平板間作層流充分發(fā)展對流換熱。求：畫出下列三種情形下充分發(fā)展區(qū)域截面上的流體溫度分布曲線：〔1；〔2；〔3。解：如下圖形：5-9、已知：20℃的水以2m/s求：計算離開平板前緣10cm及20cm處的流動邊界層厚度及兩截面上邊界層流體的質(zhì)量流量〔以垂直于流動方向的單位寬度計。解：20℃的水〔1x=10cm=0.1m=19880.72小于過渡雷諾數(shù).按〔5—22設(shè)==998.22=1.298〔2x=20cm=0.2m=39761.43〔為盡流m6－1、在一臺縮小成為實(shí)物1/8的模型中,用200C的空氣來模擬實(shí)物中平均溫度為2000C空氣的加熱過程。實(shí)物中空氣的平均流速為6.03m/s,問模型中的流速應(yīng)為若干？若模型中的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為195W/<m26－14、已知：下的空氣在徑為76mm的直管流動,入口溫度為65℃,入口體積流量為,管壁的平均溫度為180℃。求：管子多長才能使空氣加熱到115℃解：定性溫度℃,相應(yīng)的物性值為：在入口溫度下,,故進(jìn)口質(zhì)量流量：,,先按計,空氣在115℃時,,65℃時,。故加熱空氣所需熱量為：采用教材P165上所給的大溫差修正關(guān)系式：。所需管長：,需進(jìn)行短管修正。采用式〔5-64的關(guān)系式：,所需管長為2.96/1.0775=2.75m。6-19、已知：水以1.2m/s平均速度流入徑為20mm的長直管?！?管子壁溫為75℃,水從20℃加熱到70℃；〔2管子壁溫為15℃,水從求：兩種情形下的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),并討論造成差別的原因。解：〔1℃〔2因?yàn)榧訜?近壁處溫度高,流體粘度減小,對傳熱有強(qiáng)化作用,冷卻時,近壁處溫度低,流體粘度增加,對傳熱有減弱作用。6-25、已知：冷空氣溫度為0℃,以6m/s的流速平行的吹過一太陽能集熱器的表面。該表面尺寸為,其中一個邊與來流方向垂直。表面平均溫度為20℃求：由于對流散熱而散失的熱量。解：℃10℃空氣的物性6-30、已知：如圖,一個空氣加熱器系由寬20mm的薄電阻帶沿空氣流動方向并行排列組成,其表面平整光滑。每條電阻帶在垂直于流動方向上的長度為200mm,且各自單獨(dú)通電加熱。假設(shè)在穩(wěn)定運(yùn)行過程中每條電阻帶的溫度都相等。從第一條電阻帶的功率表中讀出功率為80W。其它熱損失不計,流動為層流。求：第10條、第20條電阻帶的功率表讀數(shù)各位多少。解：按空氣外掠平板層流對流換熱處理。第n條加熱帶與第一條帶的功率之比可以表示為：其中,故有：,代入得：,對,對,。7-17為了強(qiáng)化豎管外的蒸汽凝結(jié)換熱,有時可采用如附圖所示的凝結(jié)液泄出罩。設(shè)在高l的豎管外,等間距地布置n個泄出罩,且加罩前與加罩后管壁溫度及其他條件都保持不變。試導(dǎo)出加罩后全管的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與未加罩時的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)間的關(guān)系式。如果希望把表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)提高2倍,應(yīng)加多少個罩？如果l／d＝100,為使豎管的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與水平管一樣,需加多少個罩？解：設(shè)加罩前平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為,加罩后為,則有：～,～,則,與欲使,應(yīng)有,設(shè)需把直管等分為幾段才能使全管平均換熱系數(shù)與水平管一樣,則有：＝,即：,段,即共需17-1＝16各泄出罩。7-22直徑為5cm的電加熱銅棒被用來產(chǎn)生壓力為3.61X105Pa的飽和水蒸汽,銅棒表面溫度高于飽和溫度5℃,問需要多長的銅棒才能維持90kg／h的產(chǎn)汽率解：再3.61×105Pa的壓力下,水的物性參數(shù)為：,,,,,,,,于是有：,由此解得：q＝40770W/m2,不考慮從過冷水加熱到飽和水所需消耗的熱量,把20kg飽和水變成飽和蒸汽所需的熱量為20×2144.1×103,因而加熱棒之長為：。7-24、一臺電熱鍋妒,用功率為8kw的電熱器來產(chǎn)生壓力為1.43X105Pa的飽和水蒸汽。電熱絲置于兩根長為1.85m、外徑為15mm的鋼管<經(jīng)機(jī)械拋光后的不銹鋼管>,而該兩根鋼管置于水。設(shè)所加入的電功率均用來產(chǎn)生蒸汽,試計算不銹鋼管壁面溫度的最高值。鋼管壁厚1.5mm,導(dǎo)熱系數(shù)為10w／<m·K>。解：由已知條件可得,熱流密度,在1.43×105Pa壓力下：,,,,,,,。代入式〔6-17有：＝7.37℃,℃。不銹鋼管的熱量都是通過壁面導(dǎo)出的,導(dǎo)熱溫差：℃。最高壁溫位于壁面上,其值為127.4＋7.68＝135.1℃。8-3、把太陽表面近似地看成是T=5800K的黑體,試確定太陽發(fā)出的輻射能中可光所占的百分?jǐn)?shù)。解：可見光波長圍是0.38～0.76＝64200W/可見光所占份額8-5、在一空間飛行物的外殼上有一塊向陽的漫射面板。板背面可以認(rèn)為是絕熱的,向陽面得到的太陽投入輻射G=1300W/。該表面的光譜發(fā)射率為：時時。試確定當(dāng)該板表面溫度處于穩(wěn)態(tài)時的溫度值。為簡化計算,設(shè)太陽的輻射能均集中在0～2之。解：由得T=463K8-6、人工黑體腔上的輻射小孔是一個直徑為20mm的圓,輻射力。一個輻射熱流計置于該黑體小孔的正前方l=0.5m,處,該熱流計吸收熱量的面積為1.6。問該熱流計所得到的黑體投入輻射是多少？解：8-8、試確定一個電功率為100W的電燈泡發(fā)光效率。假設(shè)該燈泡的鎢絲可看成是2900K的黑體,其幾何形狀為的矩形薄片。解：可見光的波長圍0.38～0.76則由表可近似取在可見光圍的能量為發(fā)光效率8-17一漫射表面在某一溫度下的光譜輻射強(qiáng)度與波長的關(guān)系可以近似地用附圖表示,試：計算此時的輻射力；計算此時法線方向的定向輻射強(qiáng)度,及與法線成60角處的定向輻射強(qiáng)度。解：〔1〔28-18、暖房的升溫作用可以從玻璃的光譜透比變化特性解釋。有一塊厚為3mm的玻璃,經(jīng)測定,其對波長為0.3～2.5的輻射能的穿透比為0.9,而對其他波長的輻射能可以完全不穿透。試據(jù)此計算溫度為5800K的黑體輻射及溫度為300K的黑體輻射投射到該玻璃上時各自的總穿透比。解：T=5800K,由表查得同理8-21、溫度為310K的4個表面置于太的照射下,設(shè)此時各表面的光譜吸收比隨波長的變化如附圖所示。試分析,在計算與太陽能的交換時,哪些表面可以作為灰體處理？為什么？解：太陽輻射能的絕大部分集中在2um以下的區(qū)域,溫度為310K的物體輻射能則絕大部分在6um以上的紅外輻射,由圖可見,第一種情形與第三種情形,上述波段圍單色吸收率相同,因而可以作為灰色處理。8-22、一直徑為20mm的熱流計探頭,用以測定一微小表面積的輻射熱流,該表面溫度為＝1000K。環(huán)境溫度很低,因而對探頭的影響可以忽略不計。因某些原因,探頭只能安置在與表面法線成45°處,距離l=0.5m。探頭測得的熱量為W。表面是漫射的,而探頭表面的吸收比可近似地取為1。試確定的發(fā)射率。的面積為。解：對探頭：9-6、試用簡捷方法確定本題附圖中的角系數(shù)X1,2。9-7試確定附圖a、b中幾何結(jié)構(gòu)的角系數(shù)X1,2。1.671.01.671.01.331.330.6670.667角系數(shù)0.190.1650.2750.2559-10、已知：如圖。求：每一對邊的角系數(shù)、兩鄰邊的角系數(shù)及任一邊對管子的角系數(shù)。解：〔1先計算任一邊對圓管的角系數(shù)。如下圖所示：設(shè)圓管表面為5,則由對稱性知：,?！?再計算兩鄰邊的角系數(shù)。如圖示：,,,〔弧度,,?！?計算每一對邊角系數(shù)。如圖示：。9-23、兩塊平行放置的平板表面發(fā)射率均為0.8,溫度t1=5270C及t2=9-27、設(shè)熱水瓶的瓶膽可以看作為直徑為10cm,高為26cm的圓柱體,夾層抽真空,其表面發(fā)射率為0.05。試估沸水鋼沖入水瓶后,初始時刻水溫的平均下降速率。夾層兩壁溫可近似地取為1000C,9-35設(shè)有如附圖所示的幾何體,半球表面是絕熱的,底面被一直徑〔D＝0.2分為1、2兩部分。表面1為灰體,；表面2為黑體,T2=330。試計算表面1的凈輻射損失及表面3的溫度。解：網(wǎng)絡(luò)圖如下：1,2表面間的輻射換熱量是由于絕熱表面3的存在而引起的。9-58、已知：一燃燒試驗(yàn)設(shè)備的壁面上安置了一塊圓形的耐熱玻璃,直徑為5cm,穿透比r=0.9,發(fā)射率,反射比。環(huán)境溫度為20℃。玻璃溫度是均勻的,其表面與壁面齊平,外表面的對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為9.6。燃燒溫度為1000k。求：玻璃的溫度及散失到環(huán)境中的熱量。解：當(dāng)玻璃處于穩(wěn)態(tài)換熱時,可以認(rèn)為玻璃與爐膛間輻射換熱中玻璃吸收的部分能量=外表面的自然對流換熱+與環(huán)境間的輻射換熱。于是有：,由此得：,解得：℃,散熱量9-62、已知：一種測定高溫下固體材料導(dǎo)熱系數(shù)的示意性裝置如圖所示,厚為的方形試件〔邊長為b被置于一大加熱爐的爐底,其側(cè)邊絕熱