傳熱課后學(xué)習(xí)材料解答第四版(本科)

1、第一章緒論1- 4 對于附圖所示的兩種水平夾層，試分析冷、熱表面間熱量交換的方式有何不同?如果要通過實驗來測定夾層中流體的導(dǎo)熱系數(shù)，應(yīng)采用哪一種布置?a)。解：熱面在下時可能引起夾層中流體的自然對流，應(yīng)采用布置(1-21有一臺氣體冷卻器，氣體表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h1 95W/(m 2 K)，壁厚S 2.5mm，入46.5W/(m 2 K)，水側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h? 5800W/(m 2 K)。設(shè)傳熱壁可以看作平壁，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)化這一過程,應(yīng)首先從哪一個環(huán)節(jié)著手?解：Ri1053955210 5 (m2 K)/W ；R22.5 10 346.552

2、5.376 10 5 (m2 K)/W ；R31h21580017.2410 5 (m2 K)/W ；10 5Ri2-20.794mm、RiR2R321053 5.376 17.2493 W/(m K)。是主要熱阻，要強(qiáng)化這一傳熱過程首先應(yīng)從強(qiáng)化氣側(cè)換熱著手。第二章穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱一冷藏室的墻由鋼皮、礦渣棉及石棉板三層疊和而成，各層的厚度依次為152mm、9.5mm，導(dǎo)熱系數(shù)分別為 45W/(m K)、0.07W/(m K)、及0.1W/(m K)。冷藏室的有效換熱面積為37.2m2，室內(nèi)、外溫度分別為2 C,及30 C,室內(nèi)、外壁面的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可分別按1.5W/(m 2 K)及2.5W/(m 2

3、K)計算。為維持冷藏室溫度恒定，試確定冷藏室內(nèi)的冷卻排管每小時內(nèi)需帶走的熱量。37.230( 2)解： 357.1WRt10.794 100.1520.0095115450.070.125所以每小時帶走的熱量為357.1 3600 1285.6kJ。2- 13在如附圖所示的平板導(dǎo)熱系數(shù)測定裝置中，試件厚度S遠(yuǎn)小于直徑d。由于安裝制造不好，試件與冷、熱表面之間平均存在著一層厚 0.1mm.的的空氣隙。設(shè)熱表面 溫度t1 180 C,冷表面溫度t2 30 C,空氣隙的導(dǎo)熱系數(shù)可分別按t1、t2查取。試計算空 氣隙的存在給導(dǎo)熱系數(shù)的測定帶來的誤差。通過空氣隙的輻射換熱可以忽略不計。A t解：把不考慮

4、空氣隙時計算所得的導(dǎo)熱系數(shù)記為0，則有一 仝,其中A為試件0 導(dǎo)熱面積，為熱面與冷面間的溫差，為導(dǎo)熱量。設(shè)空氣隙的平均厚度為 、,(13.78210 2 W/(mK) ,1(1 )0-(00)2.67 10 2 W/(m K),2 / 20.0026460.0037450.0291521.9%2-14 外徑為100mm的蒸汽管道，覆蓋密度為20kg/m 3的超細(xì)玻璃棉氈保溫。已知蒸汽管道外壁溫度為400 C,希望保溫層外表面溫度不超過 50 C,且每米唱管道上散熱量小于163 W，試確定所需的保溫層厚度。解：附錄7 ,0.033 0.00023t0.033 0.0023 225 0.08475

5、W/(m K)，所以2 (tw1 tw2)加 2 3.1416 0.08475(400 50):，艮卩 163 ,In (dUd)ln (djd1) 1.1434 , djd13.137 , d? 313.7 ,313.7 1002106.9mm。2-39試建立具有內(nèi)熱源（X）、變截面、變導(dǎo)熱系數(shù)的一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題的溫度場導(dǎo)熱系數(shù)分別為1、2，則試件實際的導(dǎo)熱系數(shù)應(yīng)滿足一微分方程式（參考附圖）。解：從該物體中取出一段厚為dx的微元段來分析:從左邊導(dǎo)入的熱量為：dtA(x)dx，從右邊導(dǎo)出的熱量為：dxx響dx，dx該微元段中內(nèi)熱源生成熱為(x)A(x)dx ,熱平衡式為xxdx S由此得：A(

6、x) A(x)x 0。 dxdx2-53 過熱蒸汽在外徑為127mm的鋼管內(nèi)流過，測蒸汽溫度套管的布置如附圖所示。已知套管外徑d 15mm.，壁厚S 0.9mm.，導(dǎo)熱系數(shù) 入49.1W/（m ）。蒸汽與套管間的2表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h 105W/（mK）。為使測溫誤差小于蒸汽與鋼管壁溫度差的0.6%，試確定套管應(yīng)有的長度。解：按題意應(yīng)使h/ 00.6%， h/ 01/ch(mh) 0.6/100，ch(mh) 166.7，查附錄得：mh arc ch(166.7)5.81，m J巴 J105348.75，V AcY49.1 0.9 10 32-69解:5.8148.750.119m 。試寫出通過半徑

7、為球殼導(dǎo)熱熱流量為:1、2的球壁的導(dǎo)熱熱阻的表示式。41/1 122），Rt1/r11*2。第三章非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱3-12一塊單側(cè)表面積為A、初溫為to的平板，一側(cè)表面突然受到恒定熱流密度qo的加熱，另一側(cè)表面則受溫度為t的冷卻，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為h。試列出物體溫度隨時間變化 的微分方程式并求解之。設(shè)內(nèi)熱阻可以不計，其他的幾何、物性參數(shù)均已知。解：溫度場的數(shù)學(xué)描寫為：cV hA(t t ) Aq0,t(0) t。，dto t引入過余溫度t t，得：cV hA Aq0, (0)d其齊次方程的通解為：1 cehA"cV，非齊次方程的一特解為也，故得通解為:hhA"cV1 ce半。由初始條

8、件得:c 0半，故有hAF0ceq?hAe cV )。3- 13 一塊厚20mm的鋼板，加熱到500 C后置于20 C的空氣中冷卻。設(shè)冷卻過程中 鋼板兩側(cè)的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為35W/(m 2 K)，鋼板的導(dǎo)熱系數(shù)為45W/(m K)，熱擴(kuò)散率為 1.37 10-5m2/s。試確定使鋼板冷卻到與空氣相差10 C時所需的時間。解:BiV FOv0e，BiV35A 450.010.007777 ,Fov (VA)210 C,1 37 10 50000 o.137，0 500 20 480C，4存 100.007777 0.137,，冃故-e，由此得:In 480.007777 0.1373633s。

9、被送入1200 C的爐子中3-37 一直徑為500mm、高為800mm的鋼錠，初溫為30 C,K)，入 40W/(m K)，加熱。設(shè)各表面同時受熱，且表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h 180W/(m 2 a 8 10-6m2/s。試確定3h后在鋼錠高400mm處的截面上半徑為0.13m處的溫度。解：所求之點位于平板的中心截面與無限長圓柱r 0.13m的柱面相交處。對平板：Bi他少1.8，F(xiàn)o400.8 1005423 36000.54，0.4由圖3-6查得0.66;0對圓柱：Bi1.125，F(xiàn)oO.8 10 5 3 3600 1.380.2520130.52，0.889，0.25Bir由附錄2圖1查得0.12，

10、又據(jù)一0R由附錄2圖2 查得一 0.885，0.12 0.885 0.1062。0 m所求點出無量綱溫度為:0.66 0.10620.0701，p0 ct 0.0701 012000.0701117012001118 C。第四章導(dǎo)熱問題的數(shù)值解4-9 在附圖所示的有內(nèi)熱源的二維導(dǎo)熱區(qū)域中，一個界面絕熱，一個界面等溫（包括節(jié)點4），其余兩個界面與溫度為t1的流體對流換熱,h均勻，內(nèi)熱源強(qiáng)度為 。試列出節(jié)點1、2、5、6、9、10的離散方程式。解：節(jié)點1 :t5t1xt2 t1y2x節(jié)點2 :t1t2yt3t2yx2x2節(jié)點5 :t1t5xt9t5xy2y2節(jié)點6 :t2t6xt7t6yyx節(jié)點9

11、 :t5t9xt10t9yy2x2節(jié)點10 :t9t10 yt11t10yx2x2t6y呢？14t6y2yh(t1tf)0第五章6-1t2yt6 t5xt10 t6yt10yt5對流換熱yh(t5 tf)0h(t9tf)0x y xh(t10tf)0 當(dāng)在一臺縮小成為實物1/8的模型中，用20 C的空氣來模擬實物中平均溫度為200 C的空氣加熱過程。實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/(m2 K),求相應(yīng)實物中的值。在這一實驗中，模型 與實物中流體的Pr數(shù)并不嚴(yán)格相等，你認(rèn)為這樣的?；瘜嶒炗袩o實用價值?解：應(yīng)使模型與實物中的Re數(shù)

12、相等。20 C與200 C的空氣運動粘性系數(shù)各為15.06 10 6 m2/s及 34.85 10 6m2/s，由叢6得：U2宀t)u1 (34.85 10 6) 8 6.03 20.85m/s實物中流體的Pr數(shù)與模型中的Pr數(shù)并不嚴(yán)格相等，但十分接近，這樣的?；瘜嶒炗?實用價值。15需 36.99叫 2K)I 1由 Nu1 Nu2，得：h1 h2(2)()195 -II 2 86-7試計算下列情形下的當(dāng)量直徑:(1)邊長為a及b的矩形通道;(2 )同(1)，但 b << a ；(3，環(huán)行通道，內(nèi)管外徑為d，外管內(nèi)徑為(4,在一個內(nèi)徑為D的圓形筒體內(nèi)布置了 n根外徑為d的圓管，流體

13、在管外作縱向流動。解:四種情形下的當(dāng)量直徑:2de 憑；(2，de 2b ；(3，de D d "4，冷。6-17臺100MW的發(fā)電機(jī)采用氫氣冷卻。氫氣進(jìn)入發(fā)電機(jī)時為 27 °C，離開發(fā)電機(jī) 時為88 C。發(fā)電機(jī)的效率為98.5%。氫氣出發(fā)電機(jī)后進(jìn)入一正方形截面的通道。若要在管道中維持Re 105，問其截面積應(yīng)為多大？氫氣的物性為：Cp 14.24kJ/(kg );解：定性溫度t tm歲 149c，得空氣物性值為:n 0.087 10 kg/(m s)。1.5 106W ;解：發(fā)電機(jī)中的發(fā)熱量Q (1) 100 106 0.015 100 106這些熱量被氫氣吸收并從27

14、°C上升到88 °C,由此可定氫的流量14.24 1 03 (88 27)G 1.5 106, G 1.727kg/s。設(shè)正方形管道的邊長為L，則有型¥ 105，其中UL22uL1.727, CCL5 45 1. 985 m。100.087 10106-19 水以1.2m/s的平均流速流過內(nèi)徑為20mm的長直管。(1)管子壁溫為75 C, 水從20 C加熱到70 C； (2)管子壁溫為15 C,水從70 C冷卻到20 C。試計算兩種情形 下的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，并討論造成差別的原因。0.6075 10 6m2/s , Pr 3.925 ,2565解：tf 45 C, 0

15、.6415W/(m K),2Re 翌 j2 0.02 106 39506,0.6075當(dāng)水被加熱時:NUf 0.023 395O60.8 3.9250'4 189.1 , h189.1 0.6415/0.026064W/(m2 K)當(dāng)水被冷卻時:NUf 0.023 395O60.8 3.9250.3 164.9 , h164.9 0.6415/0.025289W/(m 2 K)加熱6064 1.147 (實際上為更笙)h 冷卻 52893.9250.3水被加熱時，近壁處粘性降低，使對流換熱系數(shù)比冷卻情況下高。6-38 在鍋爐的空氣預(yù)熱器中，空氣橫向掠過一組叉排管束，S1 80mm ,

16、s? 50mm , 管子外徑d 40mm?？諝庠谧钚〗孛嫣幍牧魉贋?m/s，流體溫度為165C。試確定空氣 與管束間的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。0.0356W/(m K),28.8 10 6m2/s, Pr 0.683,Re U28.8 10 68333，由 吟 2，據(jù)表(5-7 )得 C 0.519 ,m 0.556,Nu 0.519 83330.55678.55，Nu 78.55 0.0356h d0.0469.9W/(m 2K)第七章輻射換熱8-15已知材料A、B的光譜發(fā)射率 O）與波長的關(guān)系如附圖所示，試估計這兩種材 料的發(fā)射率£隨溫度變化的特性，并說明理由。解：因為溫度太高，物體輻

17、射能量中短波的份量越大，因而對材料 A溫度越高，其£越大，而材料B的£則隨溫度升高而下降。9-7 試確定習(xí)題9-7附圖a、b中幾何結(jié)構(gòu)的角系數(shù)X1,2。解：（a）從能量平衡的角度可以列出:AX1,2A1 AX1 A,2 BA1X1,BAAX A,2 B，而其中的AX1,b又可表示為AX1,bA1 AX1 A,BAaX a,b故得：X1,2 寧 X1 a,2 b X1 a,baa Xa,2 BAXa.b，此式中的四個角系數(shù)可以從圖8-8查得，如表所示:X1 A ,2 BX1 A,BX A,2 BXa,bz/x1.671.01.671.0y/x1.331.330.6670.66

18、7角系數(shù)0.190.1650.2750.255X12 1.5 1.5 0.19 0.165150.275 0.2550.05 0.02 0.0311.51.5X2,1 A X2,1 X2,A , X2,1 X2,1 A X 2,A , 另外，AX"A2X2,1 ,X2,1a2(X21 a X2 a)1 (0.270.225)0.045。A9-23兩塊平行放置的平板的表面發(fā)射率均為0.8 ,溫度分別為t1527 r及t227 r,板間距遠(yuǎn)小于板的寬度與高度。試計算：（1）板1的自身輻射；（2）對板1的投入輻射;（3）板1的反射輻射；（4）板1的有效輻射；（5）板2的反射輻射；（6）板1

19、、2間的輻射換熱量。解： (1) E1Eb1 0.8 5.674228418579W/m218.6kW/m2（2）對板1的投入輻射即為板2的有效輻射。先計算兩板間的換熱量:q，2 11Eb1Eb25.67 84 341 2 2 1/0.8 115176.7W/m215.18kW/m2 ,G J2Eb21-1 q2,15.67234(15177)4250W/m2。(3 )板1的反射輻射pj J1E1J1 Eb11 q1,215.67 8410.815 仃7 19430W/m2 pj 19430 18579 851W/m20.85kW/m2。(4) J119.4kW/m 2。(5) J2 G2 4

20、.25kW/m 2。(6) q1,2 15.2kW/m2。9-24兩塊無限大平板的表面溫度分別為t1及t2，發(fā)射率分別為§和儀。其間遮熱板的發(fā)射率為§。試畫出穩(wěn)態(tài)時三板之間輻射換熱的網(wǎng)絡(luò)圖。9-25遮熱板后1、2兩表面見的輻射換熱減少到原來的多少分之一。在上題中，取§ 0.8，電0.025，試在一定的T1、T2溫度下，推斷加入q3,2s2 Eb3 Eb2，達(dá)到穩(wěn)態(tài)時,q1,3q3,2q1,2，解：無遮熱板時，q1,2 s Eb1Eb2 ,加入遮熱板后，q1,3s1 Eb31q1,22 (q1,3q3.2 )11T s1 Eb1 Eb3s2 Eb3 Eb2 22s1

21、 Eb1Eb2qi,q1,22 引/ S12 10.8 1/0.025 1/ 10.8 10.8 111.5012 40.25/ 1.5080.5053.79-26 一外徑為100mm的鋼管橫穿過室溫為27 E的大房間，管外壁溫度為100 J表面發(fā)射率為0.85。試確定單位管長上的熱損失。解：向環(huán)境輻射散熱損失qr 0.85 5.67 (3.74334)542.5W/m2 ；定性溫度tm-(10027)63.5 E，1.049，0.0292，19.34 10 6Pr0.695，c9.8 0.13(100 27)“12LCC,"6Gr2105.68410 ，(63.5273) 19.3

22、42qc0.02920.110.48 (5.684 106 0.695)刁 6.25W/(m2 K)，hr (tw tf)6.25 (100 27)456.25W/m2，每米管長上的熱損失為 q3.1416 0.1 (456.25 542.5) 314W/m。第八章傳熱過程10-3一臥式冷凝器采用外徑為25mm、壁厚1.5mm的黃銅管做成換熱表面。已知管外冷凝側(cè)的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)ho5700W/(m2K),管內(nèi)水側(cè)平均的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)hi 4300W/(m 2 K)。試計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):管子內(nèi)外表面均是潔凈的;管內(nèi)為海水，流速大于1m/s，結(jié)水垢，平均溫度小于50 E,蒸汽側(cè)有油。解:k01/h0 d0ln(d0/di)/(2 ) 1/hi d0/di0id0/dil/h0 1.7543 10 4，1/hj ddi 一 2.643 10 4，5700430022/0.02525500.0002，10.0001 (表 9-1 )，d0ln(d0/di)/(2 )In1.466 102 109 22因而無污垢時:k0(1.7543 2643 0.1466) 10 42200.9W/(m K)有污垢時：ko2(1.7543 26430.14662) 10 40.0001 25 22130