傳熱學第四版課后題答案第十章

1、第十章思考題1、 所謂雙側(cè)強化管是指管內(nèi)側(cè)與管外側(cè)均為強化換熱表面得管子。設(shè)一雙側(cè)強化管用內(nèi)徑為di、外徑為d0的光管加工而成，試給出其總傳熱系數(shù)的表達式，并說明管內(nèi)、外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的計算面積。 2、 在圓管外敷設(shè)保溫層與在圓管外側(cè)設(shè)置肋片從熱阻分析的角度有什么異同？在什么情況下加保溫層反而會強化其傳熱而肋片反而會削弱其傳熱？答：在圓管外敷設(shè)保溫層和設(shè)置肋片都使表面換熱熱阻降低而導(dǎo)熱熱阻增加，而一般情況下保溫使導(dǎo)熱熱阻增加較多，使換熱熱阻降低較少，使總熱阻增加，起到削弱傳熱的效果；設(shè)置肋片使導(dǎo)熱熱阻增加較少，而換熱熱阻降低較多，使總熱阻下降，起到強化傳熱的作用。但當外徑小于臨界直徑時，增加保溫

2、層厚度反而會強化傳熱。理論上只有當肋化系數(shù)與肋面總效率的乘積小于1時，肋化才會削弱傳熱。3、 重新討論傳熱壁面為平壁時第二題中提出的問題。答：傳熱壁面為平壁時，保溫總是起削弱傳熱的作用，加肋是否起強化傳熱的作用還是取決于肋化系數(shù)與肋面總效率的乘積是否人于1。4、推導(dǎo)順流或逆流換熱器的對數(shù)平均溫差計算式時做了一些什么假設(shè)，這些假設(shè)在推導(dǎo)的哪些環(huán)節(jié)中加以應(yīng)用？討論對大多數(shù)間壁式換熱器這些假設(shè)的適用情形。5、對于三種情形，畫出順流與逆流時冷、熱流體溫度沿流動方向的變化曲線，注意曲線的凹向與相對大小的關(guān)系。6、進行傳熱器設(shè)計時所以據(jù)的基本方程是哪些？有人認為傳熱單元數(shù)法不需要用到傳熱方程式，你同意嗎？

3、答：換熱器設(shè)計所依據(jù)的基本方程有： 傳熱單元法將傳熱方程隱含在傳熱單元和效能之中。7、在傳熱單元數(shù)法中有否用到推導(dǎo)對數(shù)平均溫差時所做的基本假設(shè)，試以順流換熱器效能的計算式推導(dǎo)過程為例予以說明。答：傳熱單元數(shù)法中也用到了推導(dǎo)平均溫差時的基本假設(shè)，說明略o8、什么叫換熱器的設(shè)計計算，什么叫校核計算？答：已知流體及換熱參數(shù)，設(shè)計一個新的換熱器的過程叫做設(shè)計計算，對已有的換熱器，根據(jù)流體參數(shù)計算其換熱量和流體出口參數(shù)的過程叫做校核計算。9、在進行換熱器的校核計算時，無論采用平均溫差法還是采用傳熱單元數(shù)法都需要假設(shè)一種介質(zhì)的出口溫度，為什么此時使用傳熱單元數(shù)法較為方便？答：用傳熱單元數(shù)法計算過程中，出口

4、溫度對傳熱系數(shù)的影響是通過定性溫度來體現(xiàn)的，遠沒有對平均溫差的影響大，所以該法用于校核計算時容易得到收斂的計算結(jié)果。10、試用簡明語言說明強化單相強制對流換熱、核態(tài)沸騰及膜狀凝結(jié)的基本思想。答：無相變強制對流換熱的強化思路是努力減薄邊界層強化流體的擾動與混合；核態(tài)沸騰換熱的強化關(guān)鍵在于增加汽化核心數(shù)；膜狀凝結(jié)換熱強化措施是使液膜減薄和順利排出凝結(jié)液。11、在推導(dǎo)換熱器效能的計算公式時在哪些環(huán)節(jié)引入了推導(dǎo)對數(shù)平均溫差時提出的四個假設(shè)？習題10-1、在一氣氣套管式換熱器中，中心圓管的內(nèi)外表面都設(shè)置了肋片，試用下表所列符號導(dǎo)出管內(nèi)流體與環(huán)形夾層中流體之間總傳熱系數(shù)的表達式?；艿膶?dǎo)熱系數(shù)為。 10-

5、2、已知：一有環(huán)肋的肋片管、水蒸氣再管內(nèi)凝結(jié)，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為12200W/(*K)空氣橫向掠過管外，按總外表面面積計算的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為72.3 W/(*K)。肋片管基管外徑為25.4mm,壁厚2mm，肋高15.8mm，肋厚0.318mm，肋片中心線間距為2.5mm?；芘c肋片均用鋁做成，=169W/（m*K）。求：當表面潔凈無垢時該肋片管的總傳熱系數(shù)。 10-3、一臥式冷凝器采用外徑為25mm，壁厚1.5mm的黃銅管做成熱表面。已知管外冷凝側(cè)的平均傳熱系數(shù)，管內(nèi)水側(cè)平均的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。試計算下列兩種情況下冷凝器按管子外表面面積計算的總傳熱系數(shù)（1） 管子內(nèi)外表面均是潔凈的（2） 管內(nèi)為海水，流

6、速大于1m/s，結(jié)水垢，平均溫度小于500C，蒸汽側(cè)有油。 10-4、已知：一套管式換熱器長2m，外殼內(nèi)徑為6cm,內(nèi)管外直徑為4m，厚3mm。內(nèi)管中流過冷卻水，平均溫度為40，流量為0.0016/s。14號潤滑油以平均溫度70流過環(huán)行空間，流量為0.005/s。冷卻水系統(tǒng)處理的冷卻塔水，管壁材料為黃銅。求：內(nèi)外壁面均潔凈及長時間運行結(jié)垢后的總傳熱系數(shù)值。解：水側(cè)h1的計算40時，流動截面積采用式（5-54），油側(cè)的計算流動的截面積：近似的取為40，則：利用此值重新確定管壁溫度，略去壁面熱阻不計，則內(nèi)側(cè)熱阻在總熱阻中的比值為：油，水側(cè)均結(jié)垢時，取則10-5、已知：一種用于制冷劑凝結(jié)換熱的雙側(cè)強

7、化管用直徑為19、16.4mm的胚管加工而成，長1.0m。在一次試驗中測得冷卻水進出口溫度分別為24.6及29.2，平均水速為0.91m/s,按胚管尺寸計算的管內(nèi)平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為1.82×104W/(m2*K),管外凝結(jié)換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為1.25×104 W/(m2*K),管材為銅。求：按胚管外表面計算的總傳熱系數(shù)值。并分析管內(nèi)水側(cè)采用強化表面后的強化效果。解：，取=400W/(m*k),則有： 若管內(nèi)不強化，則按D-B公式計算時：， 內(nèi)側(cè)熱阻變?yōu)榭梢娙绮粡娀瘍?nèi)側(cè)熱阻要加大5倍左右。平均溫壓計算10-6、已知：順流與逆流布置。求：分別按qm1c1>qm2c2及qm1

8、c1<qm2c2兩種情況下，用溫度分布曲線說明對數(shù)平均溫差總是小于相應(yīng)的算術(shù)平均溫度。解： 對順流換熱器，無論qm1c1>qm2c2或qm1c1<qm2c2，都只有如下一種圖形，只是冷、熱流體的曲線斜率不同。 10-7、已知：逆流式套管換熱器，qm1c1qm2c2，滿足推導(dǎo)對數(shù)平均溫差條件的前提。求：沿換熱表面的局部熱流密度的變化規(guī)律。解：此時不同的截面上冷熱流的總溫差保持為常數(shù)，由于傳熱系數(shù)K也為常數(shù)，因而該換熱面已進入均勻熱流密度的狀態(tài)。10-8、已知：一加熱器中用過熱水蒸氣來加熱給水（電廠中把送到鍋爐中去的水稱為給水）。過熱蒸汽在加熱器中先被冷卻到飽和溫度，再凝結(jié)成水（

9、雖然溫度不變，但是有相變熱），最后被冷卻成過冷水，冷熱流體的總流向為逆流，熱流體單相介質(zhì)部分的qm1c1<qm2c2.求：畫出冷、熱流體的溫度變化曲線。 解： 10-9、已知，試計算下列流動布置時換熱器的對數(shù)平均溫差：（1） 逆流布置；（2） 一次交叉，兩種流體均不混合；（3） 12型殼管式，熱流體在殼側(cè)；（4） 24型殼管式，熱流體在殼側(cè)；（5） 順流布置。 10-10、已知：一定的布置方式及冷、熱流體一定的進出口溫度。求： 熱流體在管內(nèi)側(cè)及在殼側(cè)的兩種安排對數(shù)平均溫差值有無差別？以上題中（3）（4）中情形為例，設(shè)熱流體在管側(cè)，重新計算其對數(shù)平均溫差。從這一計算中例可得出怎樣的推斷。解

10、：（1）1-2型查圖9-15，（2）2-4型，由圖9-16，10-11、已知：初始溫度為t1的流體流入壁溫為t0常數(shù)的平行板通道，通道長為l流體質(zhì)量為qm,比熱容為cp,流體與平板間對流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h為常數(shù)。求證：流經(jīng)該通道后流體與平板間的換熱量為=qmcp(t0-t1)(1-e-2h/(q)證明：如圖示，對長為dx的微元段，可以列出以下熱平衡式：則有流體經(jīng)過長為L的一段通道后的總換熱量等于出口截面上的焓減進口處的焓，故有：。在本題中主流方向的坐標與一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱總參數(shù)分析中的時間坐標相類似。10-12、已知：在已順流式換熱器中傳熱系數(shù)k=a+bt其中a、b為常數(shù)，t為任一截面上的周期誤

11、差。求證；該換熱器的總傳熱量為，其中k、k,分別為入口段與出口段的傳熱系數(shù)。證明：由，聯(lián)立解得，將將此式從A=0到做積分，得：即將此式應(yīng)用于換熱器流體出口處，即=A處并將a的表達式代入，得：，另一方面按u的定義有：將此式代入上式，整理之，即得：。換熱器設(shè)計計算10-13、一臺12型殼管式換熱用來冷卻11號潤滑油。冷卻水在管內(nèi)流動，流量為3kg/s；熱油入口溫度為600C，。試計算：（1） 油的流量；（2） 所傳騠遞熱量；（3） 所需的傳熱面積。 10-14、一個殼側(cè)為一程的殼管式換熱器用來冷凝7 355Pa的飽和水蒸氣，要求每小時內(nèi)冷凝18kg蒸汽。進入換熱器的冷卻水的溫度為250C，離開時為

12、350C。設(shè)傳熱系數(shù)為，問所需的傳熱面積是多少？ 10-15、已知：在一臺1-2型管殼式換熱器中，管內(nèi)冷卻水從16升高到35，管外空氣從119下降到45，空氣流量為19.6kg/min，換熱器的總傳熱系數(shù)K=84求：所需的傳熱面積式多少。解：逆流溫度差為，故查圖9-15，故對數(shù)平均溫差空氣平均溫差為，空氣的換熱量，故需傳熱面積。10-16、已知：某工廠為了利用廢氣來加熱生活用水，自制了一臺簡易的殼管換熱器，煙氣內(nèi)徑為30mm的鋼管內(nèi)流動，流速為30m/s，入口溫度為200，出口溫度取為100。冷水在管束與外殼之間的空間內(nèi)與煙氣逆向的流動，要求把它從入口處的20加熱到50.煙氣物可按附錄中標準煙

13、氣的物性值查取。水側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)遠大于與煙氣側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，煙氣的輻射換熱可略而不及。求：估算所需的直管長度。解：因為水側(cè)換熱系數(shù)遠大于煙氣側(cè)之值，因而管壁的平均溫度可取為水的平均溫度，即對于煙氣：， ，采用式（5-54）來估算，則 ，由對流換熱公式：所以。10-17、已知：在一逆流式水-水換熱器中，管內(nèi)為熱水，進口溫度出口溫度為，管外流過冷水，進口溫度，出口溫度，總換熱量，共有53根內(nèi)徑為16mm、壁厚為1mm的管子。管壁導(dǎo)熱系數(shù)，管外流體的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，管內(nèi)流體為一個流程。管子內(nèi)、外表面都是潔凈的。求：所需的管子長度。解：計算管內(nèi)平均換熱系數(shù)。，本題中冷熱流體總溫差為43.3，管外冷流

14、體側(cè)占68，管內(nèi)側(cè)約占32，故不必考慮溫差的修正。10-18、壓力為1.5×105Pa的無油飽和水蒸氣在臥式殼管式冷凝器的殼側(cè)凝結(jié)。經(jīng)過處理的循環(huán)水在外徑為20mm、壁厚為1mm的黃銅管內(nèi)流過，流速為1.4m/s，其溫度由進口處的560C升高到出口的940C。黃銅管成叉排布置，在每一豎直排上平均布置9根。冷卻水在管內(nèi)的流動為兩個流程，管內(nèi)已積水垢。試確定所需的管長、管子數(shù)及冷卻水量。傳熱量。 10-19、已知：要設(shè)計一臺臥式冷凝器去凝結(jié)50的飽和水蒸氣，以獲得800kg/h的凝結(jié)量，可供給大的冷卻水量為20kg/s，初溫為20.已知有一些外徑為20mm、壁厚2mm的黃銅管，每根長為2

15、m。假設(shè)管壁的熱阻可以不計，冷卻水在管內(nèi)流動，總的污垢熱阻取為0.0003（按黃銅管內(nèi)表面積計算），冷卻水側(cè)為一程，估算凝結(jié)換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)時可假定黃銅管按正方行排列。求：所需的黃銅管數(shù)。解：為確定傳熱系數(shù)要假定管子根數(shù)n,設(shè)n=140。傳熱量可由凝結(jié)側(cè)確定：。為計算冷卻水出口溫度，需先假定其平均溫度，設(shè)為23，則，冷卻水進口溫差：，即平均溫度為23.17，與假定值十分接近。水側(cè)換熱系數(shù)。水蒸氣凝結(jié)系數(shù)。取，則，將的關(guān)系式代入（6-4）整理之，得，故140根管子按正方形排列，按內(nèi)表面計算的傳熱系數(shù)：，與熱平衡熱量相差僅，上述計算有效，另外從熱阻分析可知，凝結(jié)側(cè)的溫度降為6，故液膜平均溫度為4

16、7，與假設(shè)值45僅差2，由此而引起的物性變化對的影響液可忽略。如不考慮管壁熱阻，則與熱平衡熱量相差僅3.6，仍在工程計算允許的誤差范圍內(nèi)。換熱器校核計算10-20、已知：一臺1-2型殼管式換熱器用30的水來冷卻120的熱油，冷卻水流量為1.2kg/s，油流量為2kg/s總傳熱系數(shù)，傳熱面積為。 求：水與油各自的出口溫度。 解：設(shè)平均溫度為40， 利用習題24中提供的公式得 。 ， 值與4174十分接近，故不必重算。10-21、在一臺逆流式水水換熱器中，流量為每小時9000kg，流量為每小時13 500kg，總傳熱系數(shù)，傳熱面積A=3.75m2,試確定熱水的出口溫度。 10-22、欲采用套管式換

17、熱器使熱水與冷水進行熱交換，并給出。取總傳熱系數(shù)為，試確定采用順流與逆流兩種布置時換熱器所交換的熱量、冷卻水出口溫度及換熱器的效能。 10-23、已知：為利用燃氣輪機的排氣來加熱高壓水，采用1-2型肋片管換熱器。在一此測定中得出：燃氣的質(zhì)量流量為2kg/s,進口溫度325，冷卻水質(zhì)量流量為0.5kg/s, ，按氣體側(cè)基管直徑的換熱面積為3.8.燃氣物性可近似按附錄中標準煙氣的值查取。 求：該條件下的總傳熱系數(shù)。 解 換熱量。 為確定煙氣的平均比熱需假設(shè)其出口溫度，設(shè) ，故 由此得，與假設(shè)值十分接近，不必重復(fù)計算。 ， 。10-24、已知：在習題10-15中，如果冷卻水流量增加50，但冷卻水和空

18、氣的進口溫度、空氣流量及傳熱面積均不變，傳熱系數(shù)也認為不變，問傳熱量可增加多少？為比較準確地獲得值，1-2型換熱器可按下式計算；式中，從傳熱過程的機理來說，此時假定傳熱系數(shù)不變是否合理？傳熱量的增加主要是通過什么途徑實現(xiàn)的？如果空氣流量增加50，還可以假定K不變嗎？ 解；設(shè)冷卻水流量增加后其平均比熱的變化可以不計， 原有的，增加冷卻水量后此值為0.1711， 代入計算式得： 增加水流量前的效能。 由式（9-17）可知，因為保持不變，故傳熱量增加了2.5，引起傳熱量增加的一個主要原因是冷卻水量增加后對數(shù)平均溫差有所上升。如果空氣流量增加50，就不能假定K不變，因為此時空氣側(cè)換熱系數(shù)有顯著增加，而

19、空氣側(cè)熱阻為主要熱阻。10-25、已知：有一臺逆流套管式冷油器，冷卻水流量為0.0639kg/s，進水溫度熱油進口溫度為120，油的比熱容為2.1kj/(kg*k)，傳熱面積為1.4，總傳熱系數(shù)為280.如果油的出口溫度不得低于60，冷卻水的出口溫度不得高于85. 求：該冷油器所能冷卻的最大油流量。 解：最大的油流量相應(yīng)于時的情形?，F(xiàn)以計算，最后檢驗是否能滿足要求。 ，因而得 即，解此方程得60，故滿足要求。 68-35 = 33 < 35 故成立 由此得。熱阻的分析與分離10-26、已知：有一臺液-液換熱器，甲、乙兩種介質(zhì)分別在管內(nèi)、外作強制對流換熱。試驗測得的傳熱系數(shù)與兩種液體流速的

20、變化情況如附圖所示。 求：試分析該換熱器的主要熱阻在哪一側(cè)？ 解：主要熱阻在介質(zhì)乙這一側(cè)，因為增加介質(zhì)甲的流速對傳熱系數(shù)的影響并不大，而增加介質(zhì)乙的流速則使傳熱系數(shù)明顯上升，這說明介質(zhì)乙對總熱阻有舉足輕重的影響。10-27、已知：一臺逆流式換熱器剛投入工作時在下列參數(shù)下運行：， ，=2500W/K,K=800.運行一年后發(fā)現(xiàn)，在、及、保持不變的情形下，冷流體只能被加熱到162，而熱流體的出口溫度則高于300。 求：此情況下的污垢熱阻及熱流體的出口溫度。 解：不結(jié)垢時， , . 結(jié)垢后，。 又 ， 。10-28、已知：為了查明汽輪機凝汽器在運行過程中結(jié)垢所引起的熱阻，分別用潔凈的銅管及經(jīng)過運行已

21、經(jīng)結(jié)垢的銅管進行了水蒸氣在管外凝結(jié)的試驗，測得了以下數(shù)據(jù)。（數(shù)據(jù)見書上習題） 求：已使用過的管子的水垢熱阻（按管外表面積計算） 解：（1）對清潔管， 換熱量 （2） 結(jié)垢時， 污垢熱阻。10-29、已知：在一臺潔凈水冷式冷凝器中，保持換熱量及冷凝溫度不變而改變水速，測得數(shù)據(jù)如下（見書上習題） 求：試用威爾遜圖解法決定蒸汽凝結(jié)時表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。 解：設(shè)凝結(jié)換熱系數(shù)為，水側(cè)換熱系數(shù)，則有： ， 這是形如的直線方程，。 ， 。10-30、已知：在附圖所示的立式氨冷凝器的換熱過程中，冷卻水膜與壁面間的換熱規(guī)律可近似地表示為其中為單位圓周長度的質(zhì)量流量，而氨側(cè)凝結(jié)換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可表示為對于直徑為51m

22、m，厚3mm的光滑潔凈的鋼管，試驗測得下表所列數(shù)據(jù)。（表見課本習題） 求：試用圖解法確定系數(shù)及指數(shù)n（參閱本章參考文獻【26】）。 解：按題意可列出： （1）， (2), （3）， 為壁面熱阻。 上式可改寫為： （4）。 此式是形如的直線方程，取定一個n值，記為，可由此而得及，記為及；利用所得的，油式（2）可算出各工況下的，記為，于是可利用（3）式分離出各工況下的，記為，對（1）取對數(shù)得，此式又可看成是以為自變量，為因變量的直線方程，于是利用最小二乘法方法可得出及n的值，分別記為及，如果與的偏差及及的偏差小于允許值，則計算即可終止，此題宜用計算機求解，答案見教材。終止迭代時，K的計算值與實測值

23、間的最大相對偏差小于3.3.。10-31、已知：對氟利昂22在單根水平放置的雙側(cè)強化管外的凝結(jié)換熱測得了以下實驗數(shù)據(jù)，冷卻水進、出口溫度分別為26.4及30.7，平均水速為1.05m/s（按管直徑計算）R22的飽和溫度為40：管直徑為19/16.4mm；基于管內(nèi)表面積的水側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為.。管子材料為銅，表面清潔無污垢。 求：基于管外表面積的凝結(jié)換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。 解， 傳熱的強化與削弱10-32、已知：一球狀物體中，為絕緣材料的導(dǎo)熱系數(shù)，h為球外表面的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，假定為常數(shù)。 求證：球狀物體的臨界表面絕緣半徑為 證明：設(shè)周圍介質(zhì)的溫度為則該球狀物體的熱量為，為球狀物體的一內(nèi)半徑，該處的壁

24、溫為是外半徑，此處視為變量，達到臨界半徑時，這導(dǎo)致即由此得。于是得球狀物體的臨界表面絕緣半徑為。10-33、已知：一外徑為400mm的細長殼管式換熱器水平地擱置于20的房間內(nèi)，殼側(cè)的平均壁溫為200.由于投產(chǎn)倉促，外殼尚未包保溫材料，但涂有一層祝紅漆。 求：估算在此條件下每平方米外殼上的散熱量。 解：殼側(cè)流體與殼間的傳熱系數(shù)一般遠較殼外空氣的自然對流要強烈，故可近似的取為外殼溫度為200，則。 。 。10-34、已知：在上題中，估算當外殼包了一層50mm的絕緣材料時每平方米面積上的散熱損失。絕緣層導(dǎo)熱系數(shù)，其余條件不變。 求：此時的保溫效率是多少？ 解：設(shè)此時絕緣層外表面溫度為60，則。 空氣

25、物性， 。 。 從絕緣層導(dǎo)熱可以得出， 。與相差大于5，已為一般工程計算所不允許，重設(shè)外表面溫度為64，則僅變化2，故物性可仍取原值。 。 與相差2，故此次計算有效。散熱損失可取為，保溫效率。10-35、已知：在室溫為20 oC的房間內(nèi)，橫穿過一根高溫管道。管道外徑為90mm，外包兩層絕熱材料。第一次為厚90mm的B級硅藻土制品，第二層為厚30mm的粉煤灰泡沫轉(zhuǎn)，外面再用很薄的石棉紙包裹。設(shè)石棉紙外壁溫度為60 oC。求：第二層絕熱材料的最高溫度是否在允許的范圍以內(nèi)?解：為了確定界面溫度需要計算單位長度上的散熱量。外表面上的散熱由自然對流以及輻射兩種方式組成，空氣物性=0.0276W/(m&#

26、183;K),v=16.96×10 l-6m2/s,Pr=0.699,單位長度上的散熱量為確定界面溫度，需先設(shè)置界面溫度為以確定導(dǎo)熱系數(shù)。設(shè)界面溫度為170oC。則界面溫度為115.8+60=175.8oC，與假定相差6 oC，重新設(shè)界面溫度為170 oC。則與假定的175 oC十分相近，可見界面溫度沒有超過允許值。10-36、已知：對一種用于制冷劑R22冷凝的雙側(cè)強化管，用實驗方法測得的水平放置時的換熱參數(shù)如下表所示（冷凝溫度為40 oC）。其中h1，h0分別按坯管內(nèi)、外表面積計算。坯管內(nèi)徑為16.4mm，外徑為19mm，材料為銅。工況進水溫度t'1 (oC)出水溫度t&q

27、uot;2 (oC)平均水速U(m/s)管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h1W/(m2·K)管外面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h0W/(m2·K)120.1430.350.521.125×1049.754×104226.4330.741.052.249×1041.240×104327.2130.521.503.097×1041.269×104428.5531.012.084.284×1041.354×104求：（1）計算4中工況下雙側(cè)強化管的總傳熱系數(shù)。設(shè)內(nèi)外表面均無污垢。（2）在相同的冷凝溫度、平均水速及進口水溫下對平均放置的坯

28、管進行第2種工況的傳熱計算，確定其內(nèi)、外側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，進而計算相應(yīng)的總傳熱系數(shù)，以確認雙側(cè)強化管的強換傳熱的性能。管子的長度取為1m。所有計算均對坯管尺寸進行。 解：先計算雙側(cè)強化管四種情況下的Ka值，Ka=工況11.0252×10-41.02982.0899×10-428.0645×10-55.15121.35647×10-437.8802×10-53.74071.19699×10-447.3855×10-52.70421.04392×10-4相同進口水溫、進口水速及t對坯管的計算需采用迭代方式。迭代計算順序

29、為：設(shè)一個也可采用以下簡化方法：（1） 把凝結(jié)換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計算式由以冷凝溫度作為液膜的定性溫度，可以做如下迭代計算：（1） 假設(shè)，由水側(cè)得熱平衡熱量；（2） 由 對第二個工況，假定水的進出口溫差分別為0.5oC、1.0oC、1.5oC，進行計算，為簡化計算，設(shè)三種工況下定性溫度均為27oC，則有：以上計算表明，在水的進口溫差為1.0oC及1.5oC之間，有個交點。由于與幾乎成線性關(guān)系，在所計算的溫度變化范圍內(nèi)也幾乎與成線性關(guān)系，故用線性差值公式找出使的。10-37、已知：在文獻49中如對附圖所示的平直翅片管束外的空氣掠流動得出了如下準側(cè)方程（4排的平均特性）：Nu=0.480Re0.489

30、（560Re5x103）、其中，特征長度取管子外徑，Re數(shù)中的流速為垂直流動方向上最窄截面處的速度，定性溫度為進口與出口截面上氣流溫度的平均值，空氣側(cè)的換熱面積按總表面面積（計及肋效率）計算。今用這種翅片管制成高30cm的R134a蒸汽的冷凝器，R134a的飽和蒸汽在管內(nèi)冷凝，管子豎直放置，進風面上共10排管子，流動方向為4排，來流空氣的溫度為25，迎面風速（即空氣進入換熱器前的風速）為2.0m/s。這種翅片的效率計算比較復(fù)雜，這里近似地取0.9。風道的截面尺寸為0.3mx0.265m。求：每秒鐘內(nèi)R134a的凝結(jié)量的大小，并比較采用光管時的凝結(jié)量。解：假定空氣出口溫度為34.5，則，近似以3

31、0計。空氣的物性為。最窄截面流速為，略去密度變化引起的流速變化，Re=， 空氣側(cè)總傳熱面積=從空氣側(cè)熱平衡：折算到管內(nèi)熱流：40R134a物性： 總熱阻 = ， 與相差小于4%，計算有效。 取換熱量為1779，凝結(jié)量為：。采用光管時，空氣這側(cè)換熱的熱阻大大增加，凝結(jié)熱阻已可略而不計，取25的物性計算： 按茹氏公式，略去的影響： ，、相差大于4%，重算。設(shè)空氣進出口=2.2，按此計算物性：，兩者相差為2.2%，可以成立。取 僅原來的25%。10-38、已知：文獻49中還對開縫翅片管束的換熱器經(jīng)行了實驗測定，測得空氣側(cè)平均換熱的特征方程為開縫翅片的肋效率較不開縫時要小一些，可取為不開縫時的95%。

32、求：用這些開縫翅片管束重新經(jīng)行上題的計算。解：經(jīng)過數(shù)次試湊計算，取t"=36.3oC，tm=30.65 oC，空氣物性按30 oC計算：比平直 翅片提高了約19%。傳熱問題綜合分析10-39、試分析保溫瓶瓶膽的熱量散失途徑，并指出在制造膽瓶時采用了那些措施來減少熱損失。解：熱量散失的途徑（1）通過夾層的輻射換熱（2）通過瓶塞的導(dǎo)熱（3）通過石棉粒的導(dǎo)熱。通過夾層的導(dǎo)熱可以不計。采用的措施：（1）夾空層真空（2）夾層內(nèi)涂壁以反射率高的薄層。10-40、已知：直徑為=50mm，壁厚的鍋爐水冷壁管中流過溫度為315oC的沸騰水，管壁導(dǎo)熱系數(shù)=l。爐膛中的火焰、煙氣及爐墻對水冷壁管輻射換熱的

33、綜合效果可用溫度K0051=wT的環(huán)境來代替，水冷壁管外表面的8.0=e，對流作用可不計。求:其內(nèi)、外表面潔凈時單位長度上的換熱量。解：因水沸騰換熱十分的強烈，其熱阻作為估算可以忽略，即513=wT oC。管子外壁單位長度上與爐膛的換熱量：10-41已知：在上題中，如果水冷壁管外壁均勻的結(jié)了一層厚2mm的灰垢，其中其余條件不變。求：重新計算單位長度的換熱量。解：解得=1435K，單位長度換熱量為：。10-42、一蒸汽管道的保溫層外包了油毛氈，表面溫度為330K，外徑為0.32m。該管道水平地穿過室溫為220C的房間，在房間內(nèi)的長度為6m。試計算蒸汽管道在該房間內(nèi)的總散熱量。 10-43、已知：

34、一塊表面積為A的平板埋于絕熱材料中（如附圖所示）。初始時與溫度為T的氣流處于平衡狀態(tài)，后突然受到投入輻射G的在作用。平板對G的吸收比為1，自身輻射的發(fā)射率為，平板的熱容量為mc。此時對流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為h。取G=3000W/m2，1=0.8，=0.9，T=300K，mc=20400J/K，h=50W/(m3.K)。 求：試按集總參數(shù)法導(dǎo)出平板溫度隨時間變化的關(guān)系式，及當平板又一次處于穩(wěn)態(tài)工況時的溫度值。10-44、已知：設(shè)發(fā)熱表面上一個直徑為d的圓柱形散熱肋片被水平的置于溫度為t的環(huán)境中（見習題2-51附圖），肋片與周圍空氣發(fā)生自然對流換熱。肋片表面的發(fā)射率為，導(dǎo)熱系數(shù)為。肋片頂端的散熱需

35、加以考慮，可作為豎直平板上的自然對流，特征長度取0.9d。肋根溫度t0保持穩(wěn)定，肋高為H。求：試列出穩(wěn)態(tài)條件下肋片中的溫度分布應(yīng)滿足的微分高程及邊界條件，并分析所得微分方程的特點，及你對求解這種問題的建議。解：對任一微元段，可以列出下列微分方程： 系數(shù)A1、 A1 取決于溫度，但在不大的溫度變化范圍內(nèi)可以取為常數(shù)。這是關(guān)于溫度T的非線性方程，可用數(shù)值方法求解，方程中的對流與輻射散量相當于源項。10-45、已知：120 0C飽和水蒸氣在換熱器管子外表面凝結(jié)，以加熱戀管內(nèi)的冷水，傳熱戀系數(shù)k=1800W/（m2· k）。求：（1）把流量為每小時2000kg水從20 0C加熱到80 0C所

36、需的傳熱面積：（2）如運行后產(chǎn)生了0.0004 m2· k/W的污垢熱阻（其計算面積與傳熱系數(shù)相同），這時的出口水溫是多少？（進口水溫及流量保持不變。）解：（1）10-46、已知：用在圓管內(nèi)繞電陰絲的方法來進行大空間內(nèi)水平圓管的自然對流換熱。在一次試驗中測得：表面平均溫度的熱電勢EW1.88mV，空氣溫度的熱電勢Ef0.96Mv,加熱功率P28W。管子外徑d=0.08m，長l0.8m。管子外表面鍍鉻，發(fā)射率=0.06。熱電勢E與溫度t的關(guān)系為°C=0.1073+26.57求：該次自然對流換熱試驗中的對流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、Nu數(shù)及GrPr數(shù)之值。10-47、已知：在習題10

37、-43引入一些無量綱參數(shù)： N1=求：試將平板溫度隨時間變化的微分方程無量綱化，并利用習題9-43中所給的數(shù)據(jù)計算N1、N2之值，在這些值下用數(shù)值方法求解微分方程，并比較值相當大時數(shù)值求解所得結(jié)果與43題第二部分計算之值是否一致。10-48、已知：附圖所示為溫度房頂玻璃所受的各種熱交換作用的示意圖，圖中： 求：（1）試寫出穩(wěn)態(tài)條件下單位玻璃面積上的能量平衡式：（2）設(shè)tg=27t1=24,h1=10W/(m2K),h=55 W/(m2K),G1=1000 W/m2 =250 W/m2 Gi=440 W/m2.試估算溫室內(nèi)的溫度tf。 （2）將已知數(shù)值代入得：0.281×1000+25

38、0+440+10（t1-27）=55(27-24)+2×0.94×5.67×34,tf=27-(165+863.4-281-250-440)=27+5.74=32.74 0C。10-49、已知：用直徑為13mm的不銹鋼管做水平管外的自然對流換熱試驗。在不銹鋼管兩端通電加熱，電阻為4/m。使鋼管表面溫度不超過3000C，（1）不銹鋼管置于20 0C的靜止空氣中；（2）不銹鋼管置于高壓水中，水飽和溫度超過300 0C。不銹鋼管表面發(fā)射率可按氧化后的鋼處理。求：上面兩種情況下不銹鋼管所能的允許的最大電流。解：（1）不銹鋼管允許的最大電流所產(chǎn)生的熱量等于=300 0C時的

39、自然對流散熱及輻射散熱之和（2）置于水中時，電流所產(chǎn)生的熱量等于自然對流散熱量，160 oC時，10-50、已知：在一次外層空間試驗里，一個很小的儀器被投放到宇宙空間中，假設(shè)此儀器可以近似地看作直徑4cm的經(jīng)過表面處理的鋁球，初始溫度為30 oC。球的溫度降低到40K時個儀器會失效。設(shè)宇宙空間可視為為OK的黑體，球的表面發(fā)射率取為0.96，鋁的物性可近似地取常溫下純鋁的值。求：估計該儀器能工作多長時間而不失效。解：采用集總參數(shù)法來分析問題，由于鉛球溫度在不斷地變化，故可列出：10-52、 已知：直徑為r1的導(dǎo)線（芯線）內(nèi)有電流流過，其外絕緣層半徑為r2，由于電阻而引起的單位長度上的發(fā)熱率是均勻

40、的。求證：（1）芯線表面溫度要比環(huán)境溫度高(2)當r2的大小使得芯線表面溫度最低時，其中心溫度比環(huán)境溫度高，其中，為絕緣層的導(dǎo)熱系數(shù)，h為外表面復(fù)合換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，0為芯線的導(dǎo)熱系數(shù)。證明：（1）芯線所發(fā)出的熱量通過絕緣層傳遞到周圍環(huán)境中去，單位長度上的發(fā)熱量可以表示成為：。10-53、在推導(dǎo)對數(shù)平均溫差所做的4個假定成立的前提下，繪制順流或逆流換熱器冷、熱流體各自的平均溫度沿流動方向變化的曲線時應(yīng)注意什么問題？在文獻34中給出了如圖所示的變化曲線，你認為合理嗎？解：不合理。從冷熱流體溫度的角度，沿著換熱面增加方向時增加的，因而單位面積上的換熱量增加的，而從流體熱平衡的角度，沿換熱面增加的

41、方向溫度的變化時減小的。兩者之間不協(xié)調(diào)。10-54、一安置在室外的變壓器必須向環(huán)境散失350W的熱量。在夏天，室外氣溫可高達308K。設(shè)變壓器的散熱量可以看成是高1m、直徑為0.5m的圓柱體側(cè)面與頂面的散熱。太陽的平均照射熱流密度為700W/m2。外殼涂漆，對太陽能的吸熱比為0.2。由于變壓器四周尚有其他雜物，環(huán)境的輻射可近似地看成為環(huán)境溫度下的黑體輻射。試估算夏天最高氣溫時的平均外殼溫度。解：先假設(shè)外殼平均溫度為，側(cè)面對流散熱：，。按表（5-12），；頂面圓蓋熱表面特性尺度取0.9d，則，。按表（5-12），輻射換熱，。實際應(yīng)散出的熱量為。相差大于4，重設(shè)空氣的物性變化可以忽略而不考慮，則，

42、的差別小于1%，故。10-55、溫度為150的熱空氣流入內(nèi)徑為100mm、壁厚為6mm、長為30m的鋼管，流量為0.407 kg/s。關(guān)外用40mm厚的水泥泡沫磚保溫，環(huán)境溫度為15，保溫層外表面對環(huán)境的復(fù)合換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為9.6W/(m2·K)。求該管道出口處的熱空氣溫度。解：出口溫度需要采用迭代的方式求解，正確的t*之值應(yīng)使空氣側(cè)熱平衡熱量等于從空氣到環(huán)境之間的傳熱量。現(xiàn)設(shè)：，則，空氣平均流速，按式（5-54），鋼管導(dǎo)熱系數(shù)取為，則，取絕熱層平均溫度為80，則，外表面熱阻，空氣熱平衡熱量，的差別小于2.5%，可以認為計算有效。絕熱層溫度呀驗算：絕熱層壁面溫度：，通過絕熱層的溫度

43、降落，此值與假定值相等10，90時絕熱材料的。與0.115相差2.6%，由于這一變動將使總熱阻減少約2%，仍然在工程計算允許的偏差范圍內(nèi)，因而可以取140即為所求之值。10-56、在10-9節(jié)的第二個例子中沒有考慮水蒸氣與管壁之間的輻射換熱，試分析下列參數(shù)下這一假設(shè)的合理性：再熱器為光管，內(nèi)徑為di=45mm；蒸汽壓力p=3Mpa，再熱蒸汽溫度t=550，蒸汽流速u=25m/s。注意，過熱蒸汽管內(nèi)湍流對流換熱的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)仍可采用式(5-54)來計算，但因本書中未負有其熱物性的表格，所以我們利用文獻12中的線算圖15計算得hi=750W/(m2·K)。再熱器的壁溫可取為比蒸汽溫度

44、高4050。解：通過計算水蒸氣與管壁間輻射換熱系數(shù)的大小來判斷。根據(jù)已知條件，查圖8-39得，取，按，查圖8-39得，按式（8-34），水蒸汽與再熱器管壁的輻射換熱量：（負號表示管壁向蒸汽放熱）。占對流換熱系數(shù)的6.9%，在初步分析中可以不予考慮。10-57、水平放置的直徑問2mm的裸鋁線處于15的無強制流動的空氣中，導(dǎo)線表面溫度為75，發(fā)射率為0.3。在此導(dǎo)線外包有厚1.2mm的橡膠層，其導(dǎo)熱系數(shù)為0.14W/(m·K)，外表面發(fā)射率為0.9。問在同樣的電流下，橡膠表面的溫度及導(dǎo)線表面的溫度各為多少？對于(GrPr)<104時的水平原著外的自然對流，實驗得出的式（5-79）中

45、的系數(shù)C與指數(shù)n為GrPrCn10-21021.020.1481021040.8500.188解：（1）裸線：熱量通過自然對流及輻射散失，。，。（2）包橡膠層的導(dǎo)線。設(shè)外表面溫度為50，則，。，?？梢姶藭r的散熱值與裸線時基本相同，這說明的加頂時正確的（加了絕緣層后，電流大小不變，則導(dǎo)線應(yīng)散失之值亦相同），通過絕緣層的溫差，所以道題的表面溫度為。10-58、用初溫為35的冷卻水來冷卻流量為1.82kg/s、初溫為150的熱油，要求把油冷卻到85，而冷卻水則加熱到80。有人提出了如附圖所示的兩種方案。這兩種方案都采用逆流式套管換熱器，如圖b所示方案中采用兩臺大小相等的較小換熱器來代替圖a中的一臺大

46、的換熱器，水側(cè)為串聯(lián)，油側(cè)為并聯(lián)，油量均分。設(shè)油的平均比熱容為2.1kj/(kg·K)，水的平均比熱容為4.2kj/(kg·K)，大小換熱器的總傳熱系數(shù)均為850W/(m2·K)，試確定哪一種方案所需的傳熱面積較小。解（1）單個換熱器。由熱平衡求油地流量，。（2）兩個小換熱器。先確定第一個換熱器的出口水溫tm,由于油量均分，故每個換熱器的傳熱量為：，由于水側(cè)熱平衡，,;,。10-59、一工業(yè)用爐的爐門尺寸為1m×1m。由于其向火側(cè)不能附設(shè)足夠的絕熱材料，故爐門外壁溫度仍高達140。為減少對室內(nèi)其他物體的熱輻射，在距爐門1m處有設(shè)置了一塊與爐門平行且同樣尺

47、寸的金屬遮熱板（如附圖所示）。設(shè)爐門外表面的發(fā)射率為0.85，擋板兩個表面的發(fā)射率均為0.75，室溫為25，試確定擋板處于穩(wěn)態(tài)工況時的壁面溫度。解：處于穩(wěn)態(tài)時，遮熱板與環(huán)境間的凈輻射還熱量等于板的兩表面的自然對流散熱，為便于計算，遮熱板與爐門間的空氣溫度也取為25。（1）.輻射換熱計算。輻射換熱網(wǎng)絡(luò)圖如下圖所示。爐門為表面1，環(huán)境為3，遮熱板的兩個表面分別為2L和2R。，,對節(jié)點J1,J2L及J2K寫出節(jié)點方程：；。將各熱阻值代入，并注意到：于是有：(1)；（2）；（3）。由（1），（2）兩式得，由（3）得，于是輻射換熱與對流的平衡可表示為：。（2）自然對流換熱系數(shù)計算，先假定，則，。，將已知

48、值代入上述平衡方程得，再將J2L,J2R的關(guān)系式代入，得：，整理之得：，解此方程得：，與假設(shè)值37僅差1，故上述計算有效。10-60、一種存放液氮的鋼制球形容器如附圖所示。它由兩層同心鋼制球殼（第一層的內(nèi)、外半徑分別為R0、R1，第二層的內(nèi)外半徑分別為R2、R3）及求外的保溫層（內(nèi)、外半徑分別為R3、R4）組成。在第一層球殼及第二層球殼之間（R1<R<R2）為真空，且半徑為R1、R2的球面拋光良好而可作為理想的反射體。這兩層球殼之間用對稱布置的4個圓錐狀實心柱體支撐（見附圖，w=2.4×10-2sr），其導(dǎo)熱系數(shù)為溫度的線性函數(shù)，并已知：T=50K時=0.05W/(m&#

49、183;K)，T=300K時=5W/(m·K)；鋼殼的導(dǎo)熱系數(shù)也是溫度的線性函數(shù)，且T=50K時=5W/(m·K)，T=300K時=15W/(m·K)。保溫材料為玻璃棉，=3×10-2W/(m·K)，可視為常數(shù)。77K的液態(tài)氮存儲于半徑為R1的球容器中，其汽化潛熱r=2×102kj/kg，=808kg/m3。環(huán)境溫度T=298K。R0=0.149m，R1=0.150m，R2=0.200m，R3=0.201m，R4=0.300m，保溫層外表面復(fù)合換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h=10W/(m2·K)。試計算該鋼制球形容器中存放的50%容積

50、的液氮經(jīng)多少天可能全部蒸發(fā)掉。假定過程時穩(wěn)態(tài)的。解：假設(shè)（1）儲存器內(nèi)得熱量傳遞都是導(dǎo)熱過程（略去球表面之間得輻射換熱）。（2）是一維的；(3)過程是穩(wěn)態(tài)的；（4）在R0內(nèi)一直維持在液氮溫度77K，而環(huán)境溫度為298K。從熱阻的數(shù)量及級分析可以知道通過球殼的導(dǎo)熱熱阻完全可以不計，按球全面級積計：，穩(wěn)態(tài)時通過四個支撐的到熱量通過外層絕熱層的到熱量。設(shè)每個支撐的立體角為，球容器所散失的熱流量為，則對每個支撐有：，代入，由已知得，代入上式，積分得：。從絕熱材料導(dǎo)熱及外表面散熱的角度：，因而得：，由此迭代解得，所需時間。10-61、為了進行豎直圓柱狀環(huán)形空間（夾層）中空氣自然對流換熱的試驗，專門設(shè)計了

51、如附圖所示的裝置。內(nèi)管壁系一組合璧，壁中有一層電加熱絲，且加熱絲與金屬壁絕緣，內(nèi)壁上同時裝有測壁溫的熱電偶若干對，其余結(jié)構(gòu)如圖所示。試分析從內(nèi)部發(fā)出的熱量是通過哪些傳熱方式散發(fā)到周圍環(huán)境中去的。為了計算環(huán)形夾層中自然對流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，需要吧從內(nèi)管發(fā)出、通過非自然對流方式傳遞的熱量扣除。由于形式復(fù)雜及表面的發(fā)射率難以確定等因素，這部分熱量無法用現(xiàn)有的經(jīng)驗公式通過計算扣除。你能否設(shè)想一種通過實驗的方法來確定總熱量中通過非自然對流方式散失的熱量的方案。試驗時試驗段的表面溫度可通過熱電偶來控制，并維持在7580左右基本不變。解：從內(nèi)管出發(fā)得熱量通過三種方式傳遞到周圍環(huán)境中去，即：（1）環(huán)形空間中

52、空氣的自然對流；（2）加熱表面與外殼內(nèi)表面間的輻射換熱；（3）亮短的導(dǎo)熱。其中對流方式只有當空氣存在時才器起作用，而其余兩種方式則與空氣存在與否關(guān)系不大，取決于加熱元件表面溫度于外殼的溫度。為了查明通過非對流方式所散失的熱量，可以在保持內(nèi)外壁溫之值基本不變的條件下，把環(huán)形空間抽成真空，此時加熱管所散失的熱量即為通過非自然對流方式散失之值。10-62、對于氣體、液體與固體表面之間的熱交換問題，在什么情況下流體與固體表面間不存在輻射換熱，或雖然存在但相對于對流換熱可以略而不計，學完本書后讀者對此應(yīng)有清楚的了解。試對一下9種情況作出判斷，并簡要說明理由：（1） 空氣的自然對流換熱；（2） 空氣的強制

53、對流換熱；（3） 煙氣的自然對流換熱（例如在一矩形封閉腔內(nèi)的煙氣一側(cè)受熱，另一側(cè)被冷卻）；（4） 煙氣的強制對流換熱（例如煙氣流過鍋爐的蒸汽過熱器、再熱器等；）（5） 水及其他液體的自然對流換熱；（6） 水及其它液體的強制對流換熱；（7） 過熱水蒸氣的自然對流換熱；（8） 過熱水蒸氣的強制對流換熱（如水蒸氣在管內(nèi)作湍流強制對流換熱）；（9） 鍋爐爐膛中高溫煙氣、火焰（1000以上）與四周水冷壁管之間的換熱。解：（1）流體與固體間不存在輻射換熱；（2）流體與固體間不存在輻射換熱；（3）流體與固體間存在輻射換熱，需與對流換熱同時考慮；（1） 流體與固體間存在輻射換熱，對流換熱強烈時可以不計輻射；（2） 液體與固體間輻射換熱可以不考慮；（3） 液體與固體間輻射可以不考慮；（4） 流體與固體間存