传热学老师布置习题及答案.docx

1-4对于附图所示的两种水平夹层，试分析冷、热表面间热量交换的方式有何不同？如果要通过实验来测定夹层中流体的导热系数，应采用哪一种布置？ 解：（a）中热量交换的方式主要为热传导。（b）热量交换的方式主要有热传导和自然对流。所以如果要通过实验来测定夹层中流体的导热系数，应采用（a）布置。1-9 一砖墙的表面积为12，厚为260mm，平均导热系数为1.5W/（m.K）。设面向室内的表面温度为25，而外表面温度为-5，试确定次砖墙向外界散失的热量。解：根据傅立叶定律有：1-27 设冬天室内的温度为，室外温度为，试在该两温度保持不变的条件下，画出下列三种情形从室内空气到室外大气温度分布的示意性曲线：（1）室外平静无风；（2）室外冷空气以一定流速吹过砖墙表面；（3）除了室外刮风以外，还要考虑砖墙与四周环境间的辐射换热。解 1-32 一玻璃窗，尺寸为60，厚为4。冬天，室内及室外温度分别为20及-20，内表面的自然对流换热表面系数为W，外表面强制对流换热表面系数为50。玻璃的导热系数。试确定通过玻璃的热损失。解： 57.5W2-9 双层玻璃窗系由两层厚为6mm的玻璃及其间的空气隙所组成，空气隙厚度为8mm。假设面向室内的玻璃表面温度与室外的玻璃表面温度各为20及-20，试确定该双层玻璃窗的热损失。如果采用单层玻璃窗，其他条件不变，其热损失是双层玻璃的多少倍？玻璃窗的尺寸为。不考虑空气间隙中的自然对流。玻璃的导热系数为0.78。解：116.53W/ 所以 2-13 在附图所示的平板导热系数测定装置中，试件厚度远小于直径d。由于安装制造不好，试件与冷热表面之间平均存在着一层厚为的空气隙。设热表面温度，冷表面温度，空气隙的导热系数可分别按查取。试计算空气隙的存在给导热系数测定带来的误差。通过空气隙的辐射换热可以略而不计。解：查附表8得， ，无空气时有空气隙时得所以相对误差为圆筒体2-17 一蒸汽锅炉炉膛中的蒸发受热面管壁受到温度为1000的烟气加热，管内沸水温度为200，烟气与受热面管子外壁间的复合换热表面传热系数为100，沸水与内壁间的表面传热系数为5000，管壁厚6mm，管壁42，外径为52mm。试计算下列三种情况下受热面单位长度上的热负荷：（1） 换热表面是干净的；（2） 外表面结了一层厚为1mm的烟灰，其0.08；（3） 内表面上有一层厚为2mm的水垢，其1。解： 2-20 一直径为d长为l的圆杆，两端分别与温度为及的表面接触，杆的导热系数为常数。试对下列两种情形列出杆中温度的微分方程式及边界条件，并求解之：杆的侧面是绝热的；杆的侧面与四周流体间有稳定的对流换热，平均表面传热系数为h，流体温度小于及。解： ， ，在侧面绝热时，有得微分方程为：，边界条件为：解微分方程得： ，根据条件有：得微分方程为：，边界条件为：解微分方程得： 代入边界条件得：2-34 设一平板厚为，其两侧表面分别维持在温度及。在此温度范围内平板的局部导热系数可以用直线关系式来表示。试导出计算平板中某处当地热流密度的表达式，并对b0,b=0及b故在该处则有（1）其中由连续行方程可得所以.（2）又因为.（3）（1）（2）代入（3）故边界层的动量积分方程为5-12、已知：、100的空气以v=100m/s的速度流过一块平板，平板温度为30。 求：离开平板前缘3cm及6cm处边界层上的法向速度、流动边界层及热边界层厚度、局部切应力和局部表面传热系数、平均阻力系数和平均表面传热系数。 解：定性温度 ,，。 （1）处， 动量边界层厚度 5-16、已知：将一块尺寸为的薄平板平行地置于由风洞造成的均匀气体流场中。在气流速度的情况下用测力仪测得，要使平板维持在气流中需对它施加0.075N的力。此时气流温度，平板两平面的温度。气体压力为。 求：试据比拟理论确定平板两个表面的对流换热量。解：，边界层中空气定性温度为70， 物性： 利用Chilton-Colburn比拟： 。这说明Chilton-Colburn比拟对层流运动也是适用的，即适用于平均值也适用于局部值。61 、在一台缩小成为实物1/8的模型中，用200C的空气来模拟实物中平均温度为2000C空气的加热过程。实物中空气的平均流速为6.03m/s，问模型中的流速应为若干？若模型中的平均表面传热系数为195W/(m2K)，求相应实物中的值。在这一实物中，模型与实物中流体的Pr数并不严格相等，你认为这样的模化试验有无实用价值？ 62、对于恒壁温边界条件的自然对流，试用量纲分析方法导出：。提示：在自然对流换热中起相当于强制对流中流速的作用。 612、已知：一直管内径为2.5cm、长15m，水的质量流量为0.5kg/s，入口水温为10，管子除了入口处很短的一段距离外，其余部分每个截面上的壁温都比当地平均水温高15。 求：水的出口温度。并判断此时的热边界条件。 解：假使出口水温，则定性温度， 水的物性参数为。 。因， 不考虑温差修正，则， , 。 另一方面，由水的进口焓，出口，得热量 。 ，需重新假设，直到与相符合为止（在允许误差范围内）。经过计算得，。这是均匀热流的边界条件。614、已知：下的空气在内径为76mm的直管内流动，入口温度为65，入口体积流量为，管壁的平均温度为180。 求：管子多长才能使空气加热到115。 解：定性温度，相应的物性值为： 在入口温度下，故进口质量流量：，先按计， 空气在115 时，65时，。故加热空气所需热量为： 采用教材P165上所给的大温差修正关系式：。所需管长： ，需进行短管修正。采用式（5-64）的关系式：，所需管长为2.96/1.0775=2.75m。6-25、已知：冷空气温度为0，以6m/s的流速平行的吹过一太阳能集热器的表面。该表面尺寸为，其中一个边与来流方向垂直。表面平均温度为20。 求：由于对流散热而散失的热量。解：10空气的物性 6-34、已知：可以把人看成是高1.75m、直径为0.35m的圆柱体。表面温度为31，一个马拉松运动员在2.5h内跑完全程（41842.8m），空气是静止的，温度为15。不计柱体两端面的散热，不计出汗散失的部分。 求：此运动员跑完全程后的散热量。 解：平均速度，定性温度，空气的物性为：， ，按表5-5.有： ， , 在两个半小时内共散热6-38、已知：在锅炉的空气预热器中，空气横向掠过一组叉排管束，管子外径d=40mm，空气在最小界面处的流速为6m/s，在流动方向上排数大于10，管壁平均温度为165。求：空气与管束间的平均表面传热系数。 解：定性温度，得空气物性值为： ， ，据表（5-7）得 6-43、已知：假设把人体简化为直径为30mm、高1.75m的等温竖柱体，其表面温度比人体体内的正常温度低2。不计柱体两端面的散热，人体温度37，环境温度25。求：该模型位于静止空气中时的自然对流换热量，并与人体每天的平均摄入热量（5440kJ）相比较。解：， 处于过渡区。 一昼夜散热。此值与每天的平均摄入热量接近，实际上由于人体穿了衣服，自然对流散热量要小于此值。7-6、饱和温度为50的纯净水蒸汽在外径为25.4mm的竖直管束外凝结，蒸汽与管壁的温差为11,每根管于长1.5m，共50根管子。试计算该冷凝器管束的热负荷。解：，r，设流动为层流，226.31600，故为层流。整个冷凝器的 热负荷Q=504954.83.14160.02541.511=326.2kW。7-13、一卧式水蒸汽冷凝器管子的直径为20mm，第排管子的壁温，冷凝压力为4.5xl03Pa。试计算第一排管子每米长的凝结液量。解：相应于4.5103Pa的饱和温度为30.94，。，h=每米长管子上的凝结水量：。7-20、平均压力为Pa的水，在内径为15mm的铜管内作充分发展的单相强制对流换热。水的平均温度为100，壁温比水温高5。试问：当流速多大时，对流换热的热流密度与同压力、同温差下的饱和水在铜表面下作大容器核态沸腾时的热流密度相等?解：时，对应水的物性，根据公式 由题意，要使二者热流密度相等，在温差相同情况下，必须表面传热系数h相等。对管内湍流强制对流 而 所以而 所以。7-24、一台电热锅妒，用功率为8kw的电热器来产生压力为1.43X105Pa的饱和水蒸汽。 电热丝置于两根长为1.85m、外径为15mm的钢管内(经机械抛光后的不锈钢管)，而该两根钢管置于水内。设所加入的电功率均用来产生蒸汽，试计算不锈钢管壁面温度的最高值。钢管壁厚1.5mm，导热系数为10w(mK)。解：由已知条件可得，热流密度，在1.43105Pa压力下：，。代入式（6-17）有： 7.37，。不锈钢管内的热量都是通过内壁面导出的，导热温差：。最高壁温位于内壁面上，其值为127.47.68135.1。8-8、试确定一个电功率为100W的电灯泡发光效率。假设该灯泡的钨丝可看成是2900K的黑体，其几何形状为的矩形薄片。解：可见光的波长范围0.380.76则由表可近似取在可见光范围内的能量为发光效率8-9、钢制工件在炉内加热时，随着工件温度的升高，其颜色会逐渐由暗红变成白亮。假设钢件表面可以看成黑体，试计算在工件温度为900及1100时，工件所发出的辐射能中的可见光是温度为700的多少倍？时时。解：解：（1），值线性插值得：可见光的能量为：(2),此时可见光的能量所以时是700时的16.3/0.5672=29.6倍(3)，此时可见光的能量为所以1100时是700时的117.03/0.5672=206.3倍8-11、把地球作为黑体表面，把太阳看成是T=5800的黑体，试估算地球表面温度。已知地球直径为太阳直径为1.39m,两者相距。地球对太空的辐射可视为0K黑体空间的辐射。解：如图所示。地球投影面积对太阳球心的张角为：（球面角）。地球表面的空间辐射热平衡为：， 。8-24、一测定物体表面辐射特性的装置示于附图中。空腔内维持在均匀温度；腔壁是漫灰体。腔内1000K的热空气与试样表面间的对流换热表面传热系数。试样的表面温度用冷却水维持，恒为300，试样表面的光谱反射比示于附图。试：（1）计算试样的吸收比；（2）确定其发射率；（3）计算冷却水带走的热量。试样表面A=5cm。解：冷却水带走的热量为：， ，吸收比=0.7138，反射比=0.2862.反射率应以600K来计算。 。所以,发射率，吸收比。9-6、 试用简捷方法确定本题附图中的角系数X1,2。 9-20、已知：一有涂层的长工件表面采用如图所示方法予以加热烘干，加热器表面800K，1，工件表面500K，1。工件及加热表面在垂直于纸面方向均为无限长。0.15m，0.3m，0.2m。对流不考虑，工件的另一面绝热。（1）环境为300K的大空间；（2）环境是绝热的。求：上面两种情形下施加在单位长度加热器上的电功率。解：如图所示：（1） 环境为300的黑体，则单位长度的加热表面的辐射换热量为：，利用交叉线法：，（2） 设环境为重复辐射表面，则：，。因此有：， ，。9-25、已知：上题中取0.8，0.025，与一定。求：加入遮热板后1、2两表面间的辐射换热减少到原来的多少分之一。解：无遮热板时，加入遮热板后，达到稳态时，9-32、已知：如上题，在吸热表面上加了一层厚8cm的空气夹层（空气压力为1.013105Pa），夹层顶盖玻璃内表面的平均温度为40，玻璃穿透比为0.85，其他条件不变。求：此情形下集热器的效率。解：，；辐射散热量：；定性温度，据式（5-90），。