傳熱學(xué)作業(yè)參考答案

1、第九章 4.一工廠中采用 0.1MPa 的飽和水蒸氣在一金屬豎直薄壁上凝結(jié)，對(duì)置于壁面另一側(cè)的物 體進(jìn)行加熱處理。已知豎壁與蒸汽接觸的表面的平均壁溫為 70 C,壁高 1.2m，寬 300 mm。 在此條件下，一被加熱物體的平均溫度可以在半小時(shí)內(nèi)升高 30C，試確定這一物體的平均 熱容量(不考慮散熱損失)。 解:本題應(yīng)注意熱平衡過程，水蒸氣的凝結(jié)放熱量應(yīng)等于被加熱物體的吸熱量。 5 1 1 P=0.1Mpa=105Pa,ts=100 C ,r=2257.1kJ/kg, t m= ( ts+ tw)= (100+70) C =85 C。 2 2 查教材附錄 5,水的物性為：p=958.4kg/m

2、3;入 =0.683 W/(m2 C ); =282.5 X0-6N s/m2 假設(shè)流態(tài)為層流： 2 3 14 g r h 1.13 l (ts tw) 2 3 3 1 13 958.4 9.81 0.683 2257 10 282.5 =5677 W / (m2 C ) W / (m2 ;C ) 6 10 1.2 (100 70) Rec 4(ts tw) 4 5677 30 1.2 282.5 6 3 =12820 C =273K 的條件。已知: 1 1.0,h=28W / (m2 C), Xi,2 1.0 ,T2=- 70 C =203K。 A(E b1 Eb2) 1 1 1 A1(1

3、2) 1 X2 2 A2 貝 U： 28 A, (Tf 273) 218.64A 空氣必須具有的最低溫度為： Tf=280.8K = 7.8 C 第十二章 bA(T14 T；) 5.67 108 A1 (273) 4 (203)4 =218.62A1 空氣對(duì)露水的加熱量為： cv hA1 T 28 A1 (Tf T1) 28 A1 (Tf 273) cv 故從開口中所輻射出去的能量為: 1,2 2,3 2.284W 因 10 .一根橫穿某大車間的水平蒸汽輸送管，外徑 d2=50mm，表面溫度 tw2=150 C。管外包 有一層厚 75mm 的保溫材料，其導(dǎo)熱系數(shù) U 0.11w/ (m C )

4、，發(fā)射率 尸 0.6?，F(xiàn)已測(cè)得保溫 層外表面溫度 tw3=40 C,車間空氣溫度 tf = 22 C,車間壁面溫度 tw4=20C。試求：蒸汽輸 送管單位管長(zhǎng)的熱損失 qi :保溫層外表面的輻射換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；保溫層外表面與 空氣間的自然對(duì)流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。 解:本題屬于復(fù)合換熱問題，保溫層外表面以輻射換熱和對(duì)流換熱方式傳遞熱量。 求qi: W/m ,50 2 75 In 0.1 50 54.8W / m 求hr : =4.21 W/ (m2 ;C ) =0.64 W / (m2 C) 11. 一塊邊長(zhǎng)為 0.2m 的正方形電熱板，表面發(fā)射率 房間內(nèi)，通電加熱穩(wěn)態(tài)后測(cè)得電熱板表面溫度為 板表面

5、的對(duì)流換熱量；輻射換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；電熱板消耗的功率。 解：求 150 140 1 2 3.14 W2 ql = 月 1 . d3 ln - 2 d2 d3 3( Eb3 Eb4) TW3 4 Tw4 4 d33而)(云) 3.14 0.2 5.67 (40 273)4 (20 273)4 W/m 100 100 47.6W/m 故hr hr d3(tw3 tf) 47.6 d3(tw3 t f ) 3.14 0.2 (40 22) W/(m C ) ql h d3(tw3 tf) (hr hc)(tw3 tf) d3 hc ql (tw3 tf ) d3 hr 54.8 (40 22) 4.

6、21 W/ (m2 C) 3.14 0.2 8=0.6， 該板水平懸 16.96 6 2 , 10 m /s, 2 2.76 10 0.699。 溫度tm (tw tf) 1 (60 20) C 40 C 。查空氣的物性： 2.44 107 1 1 查教材表 8.6,上表面加熱：c=0.15, n ;下表面加熱：c=0.58, n 3 5 故上表面： NU1 0.15(GrP)13 0.15 290 43.5 2 43.5 2.76 10 2 2 W /(m C) 6W /(m C) 0.2 NU2 0.58(GrP)1 17.4 1422 2W/(m2 C) 2 (40 22) 0.2 =4

7、.44 W/(m2 C) 求電功率 P： P r c (14.22 13.44)W 27.66W 12. 某火墻采暖房間平面尺寸為 6mX4m,房間高 4m，火墻面積為4m 4m，墻表面為石灰 1 Tm K 1 3.195 10 3K 1 40 273 Gr Pr g tl3 2 Pr 3 3 3.195 10 9.81 40 0.2 0.699 2 16.96 12 10 NU1 l h2 NU2 17.4 2.76 10 2 c 求hr 2 W/(m C) 2 2.4W /(m C) (6 2.4)(60 20) 0.22W 13.44W 2 0.6 5.67 0.22 (3.33)4 (

8、2.9)4 14.22W hr 2(tw tA l (h1 CbA 粉刷，發(fā)射率 F0.87，已知表面溫度 tw=40C,室溫 tf= 16C,頂棚、地板及四周壁面的發(fā) 射率相同，溫度亦為 16C。求該火墻總散熱量，其中輻射散熱所占比例為多少 ？Nu 0.1(GrR)13 519.25 n tn 解:火墻房間平面示意如圖。 因此在輻射換熱計(jì)算時(shí)可視為表面 由于除火墻外的其余 5 個(gè)表面均具有相同的溫度和發(fā)射率, 2。 求 求 Ai 4 4 16m2， A Eb1 Eb2 11 1 1 A1 X 1,2 Al 屬大空間自然對(duì)流換熱。 定性溫度tm 15.8 10 6m2 / s， Tm 28 G

9、r Pr 3 g ti 2 (6 4 (1 2) 2 A2 1 2(tw tf) 2.654 4 4 4)m2 112m2 ACb ()4 (也)4 100 100 丄知丄1) 1084W 丄(40 2 16) C 28 C。 2 10 2W/(m C), pr 1 3 1 K 1 3.322 10 3K 1 273 Pr 11 1.4 10 查空氣的物性： 0.7014。 3.322 10 3 9.81 (40 16) 43 0.7014 15.82 10 12 查教材表 8.6,屬湍流：c=0.1, n - 3 (tw2 t f2) 2 51925 2654 10 W/(m2 C) 3.4

10、5W/(m2 C) 13. 一所平頂屋，屋面材料厚 A 0.2m，導(dǎo)熱系數(shù) 入 =0.60W/(m C ),屋面兩側(cè)的發(fā)射率 s 均為 0.9。冬初，室內(nèi)溫度維持 tf1 = 18C，室內(nèi)四周壁面溫度亦為 18C，且它的面積遠(yuǎn)大于 頂棚面積。天空有效輻射溫度為 -60C，室內(nèi)頂棚對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) h1= 0.592W/ (m2 -C )，屋頂 h2 = 21.1W/(m2 -C )。問當(dāng)室外氣溫降到多少度時(shí)， 屋面即開始結(jié)霜(tw2 = 0C ), 此時(shí)室內(nèi)頂棚溫度為多少 ？本題是否可算出復(fù)合換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)及其傳熱系數(shù) ？ 解；求室內(nèi)頂棚溫度tw1 : 穩(wěn)態(tài)時(shí)由熱平衡，應(yīng)有如下關(guān)系式成立

11、: h1(tf1 tw1 )A1 1 ACb(100)4 (100)4 式中：Tw0為四周壁面溫度，由題意知 Tw0 Tf。 列表計(jì)算如下:hc(tw tf)A 3.45 (40 16) 16W 1325W 求 e (1084 1325)W 2409W 0.45 45% he Nu l 室內(nèi)復(fù)=屋面導(dǎo)熱量=室外復(fù)合換熱量 (tw1 ，結(jié)霜時(shí)tw2 0，所以: h1 (t f1 tw1 ) A1 tf 1 tw1 整理得: )tw1 h1 ( f1 0.6 1Cb (Tw0 )4 h1 (100) 0.2 0.59218 636.13 tw1 h1 4 ( Tw1 )4 (100) h1 14

12、13 12 1L6 （號(hào) 4 | +0.704心 77.70 76,06 74.42 73. 77 解得：twi=11.6 C。 求室外氣溫tf2 : 6 (tw2 t f 2 ) A1 2 A1Cb (Tw2)4 (100) (Tsky ) 4 (100) 可得: 一 th2tf 2 2Cb (Tw2)4 (100) （Tsky）4 （100） tf 2 h2 tw1 號(hào) j73)4 (213)4 6.8 C 06 11.6 C 0.2 21.1 求復(fù)合換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) ht1和ht2: 注意到傳熱方向即可求得復(fù)合換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和傳熱系數(shù)。 hr(tf1 tw1) 4 0.9 5.67 (

13、2.91) =4.866 w/ (m2 C ) 1 hc hr (0.592 4.866)W/(m2 C) 5.458W/(m2 C) 同hr C (T)4 2Cb (100) (Tsky )4 (100) 26.237 W/ (m2 C) 2Cb h2 4 / Tsky 4 (100) 4 4 qr 1Cb (tw2 t f2) 求傳熱系數(shù): =3.1 W /(m2 C ) 14. 某設(shè)備的垂直薄金屬壁溫度為 tw1 = 350 C,發(fā)射率 mm,構(gòu)成一空氣夾層， 夾層高 H=1m。保溫材料厚 3 = 20mm ,導(dǎo)熱系數(shù)?3=0.65W/ (m - C )。 它的外表向溫度 tw3=50

14、C,內(nèi)表面 總=0.85。夾層內(nèi)空氣物性為常數(shù)： 匸0.04536 W / (m -C卜 尸 47.85 10-6m2/s, Pr= 07。試求解通過此設(shè)備保溫外殼的熱流通量及金屬壁的輻射換熱表 面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。 解：空氣夾層及保溫層如圖。 熱平衡方程為： 通過空氣夾層的輻射換熱量 qr+對(duì)流換熱量 qc=通過保溫層的導(dǎo)熱量 qcd 即 -h c(tw1 tw2) (tw2 tw3) 1 3 2 hc hr h2 hr (21.1 26.237)W/(m2 C) 5.137W/(mhti ht2 1 01 1 5.458 0.6 5.137 W/ (m2 - C) d= 0.6。它與保溫外殼相距

15、8= 30 Eb1 Eb2 1 1 1 查教材表 8.7， C=O.197, m - , n 4本題由于 tw2未知, 需進(jìn)行假設(shè)計(jì)tm i(tw1 tw2 ) -(350 170) C 260 C, 2 1 3 1 1.876 10 3K 1 Tm GF 3 g( tw1 tw2 ) 2 2 p 1.876 10 3 9.81 (350 Pr 47.852 10 12 170) .33 O7 2.734 104 qc qr (3450 466)W /m2 3916W/m2 故tw2=170C，假設(shè)正確。本題熱平衡方程中僅有 tw2未知，也可由熱平衡方程通過試算 法求出tw2。 q qc qr

16、 (3450 466)W/m2 3916W/m2 18. 90C的水進(jìn)入一個(gè)套管式換熱器，將一定量的油從 25C加熱到 47.25 C,熱流體離開換 熱器時(shí)的溫度為 44.5C。求該換熱器的效能和傳熱單元數(shù)。 解：教材圖 12.7 已經(jīng)給出了套管式換熱器的示意圖，一種流體在管內(nèi)流動(dòng)，另一種流 體在兩管間的環(huán)形空間內(nèi)流動(dòng)，其流動(dòng)只有順利和逆流方式。 M 1Cp1 (t1 t1 ) M 2Cp2 (t2 t2 ) M 1cp1(90 44.5) M2cp2(47.25 25) 45.5M 1cp1 22.25M 2cp2 M 2Cp2 故 - 2.045, MQp1 (MCp)min M 1cp1

17、 Nu 0.197(GPr)14 （H）19 0.917 12.86 0.677 1.716 Nu he l 1.716 0.04536 0.03 2 2 -W/(m C) 2 2.59W /(m C) qc (tw2 t w3) 3 0.65 0.02 (170 50)W/m2 3900W/m2 qr 5.67 (6.23)4 (4.43)4 丄丄1 0.6 0.85 2 W/m 2 3450W / m 4 早圭 誤差 3916 3900 4.1 10 3 0.41% hr qr tw1 tw2 3450 2 2 3900W/(m C) 19.17W/(m C) 350 170 t1 t1

18、90 44.5 0 7 t1 t2 90 25 . Cr MS M 2cp2 0.489 5 套管式換熱器，由于t2 t1，可以肯定其流型為逆流，則: 1 exp NTU (1 Cr) 1 Cr exo NTU (1 Cr) exp NTU (1 Cr)丄 1 Cr In 1 In 1 0.7 故 NTU 1 1 0.7 0489 1 Cr 1 0.489 21.某套管式換熱器，內(nèi)管內(nèi)徑為 100 mm，外徑為 108mm ,其導(dǎo)熱系數(shù) 入=36W/ (m - C)。 熱介質(zhì)在內(nèi)管內(nèi)流過， 溫度從 60 C降低到 39C,表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) m=1000 W/(m2 C )；質(zhì)量 流量為 0.2kg

19、/s 的冷水在套管間(內(nèi)管外)流過，溫度從 15C被加熱到 40C,表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) h2=1500 W / (m2 C )。試求：該換熱器的管長(zhǎng)；換熱器最大可能傳熱量；該換熱器的 效能；傳熱單元數(shù)。 解：求管長(zhǎng)I : t t1 t2 (60 40) C 20 C t t1 t2 (39 15) C 24 C t t 24 20 c t C21.94 C t 24 In In - t 20 20935 k|嶄, 故I m 5.24m K tm 182 21.94 求 , max : 因t2 t1，流型必然為逆流 kl 1 hi d1 In d_2 d1 1 h2 d2 1 1000 3.14 0.

20、1 1 In108 1 ) 1W/(m C) 6.28 36 100 1500 3.14 0.108 182W/(m C) M 2Cp2 (t2 t2) 0.2 4187 (40 15)W 20935W 5 M 2Cp2 (MCp)min，故 t2 t2 40 15 5 t1 t2 60 15 9 max 20935 9W 37683 26. 一逆流式套管換熱器，其中油從 100 C冷卻到 60 C,水由 20 C被加熱到 50C，傳熱 量為 2.5 104w，傳熱系數(shù)為 350 W/ (m2 -C )，油的比定壓熱容為 2.131KJ / (kg K)。求換 熱面積。如使用后產(chǎn)生污垢，垢阻為

21、 0.004mK/ W，流體入口溫度不變，問此時(shí)換熱器的 傳熱量和兩流體出口溫度各為多少 ？ 解：設(shè)油的進(jìn)口溫度為 t1，出口溫度為t1 ;水的進(jìn)口溫度為t2，出口溫度為t2。 求換熱面積 A t t1 t2 (100 50) C 50 C t t1 t2 (60 20)C 40 C t t 50 40 tm t _ 50 C 44.8 C in - in t 40 由 k tmA ，故A - 2.5 10 2 2 m 1.594m ， k 3544.81 由 M 山皿(100 60) M 2cp2(50 20) 解得 MQp1 625W/K,M2cp2 833.33W/K,M2Cp2 - M1cp1 3 求換熱器的傳熱量 和水的出口溫度t1，油的出口溫度t2 M 1c p1