材料科學(xué)工程基礎(chǔ)計(jì)算題

1、1熱工基礎(chǔ)習(xí)題解答 第二章：傳熱學(xué) 2-1 某窯爐爐墻由耐火粘土磚、硅藻土磚與紅磚砌成，硅藻土磚與紅磚的厚度分別為40mm和250mm，導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.13和0.39W/m，如果 不用硅藻土層，但又希望爐墻的散熱維持原狀， 則紅磚必須加厚到多少毫米？ （1） 解得即紅磚的厚度應(yīng)增加到 370mm 才能維持原散熱熱流密 度不變。 2-2 某廠蒸汽管道為Ø175×5的鋼管，外面包了一層95mm厚的石棉保溫層，管壁和石棉的導(dǎo)熱系數(shù)分別為50、0.1w/m.，管道內(nèi)表面的溫度為300，保溫層外表面溫度為50。試求每米管長(zhǎng)的散熱損失。在計(jì)算中能否略去鋼管的 熱阻，為什么？ 解：石棉

2、保溫層和鋼管在每米長(zhǎng)度方向上產(chǎn)生的熱阻分別為： 2-3試求通過(guò)如圖3-108所示的復(fù)合壁的熱流量。假設(shè)熱流是一維的；已知各材料的導(dǎo)熱系數(shù)為：A=1.2、B=0.6、C=0.3、D=0.8w/m。 2-4平壁表面溫度tw1=450，采用石棉作為保溫層的熱絕緣材料，導(dǎo)熱系數(shù)=0.094+0.000125t，保溫層外表面溫度tw2=50，若要求熱損失不超過(guò)340w/m2，則保溫層的厚度應(yīng)為多少？ 解：平壁的平均溫度為 ：即保溫層的厚度應(yīng)至少為147mm。 2-5澆注大型混凝土砌塊時(shí)，由于水泥的水化熱使砌塊中心溫度升高而導(dǎo)致開裂，因此，砌塊 不能太大。現(xiàn)欲澆注混凝土墻，水泥釋放水化熱為100w/m3，

3、混凝土導(dǎo)熱系數(shù)為1.5W/m，假設(shè)兩壁 溫度為20，限制墻中心溫度不得超過(guò)50。試問(wèn) 墻厚不得超過(guò)多少米？ 解：由于墻的兩側(cè)溫度 相等，所以墻內(nèi)的溫度 分布為 2-6一電爐爐膛長(zhǎng)×寬×高=250×150×100mm,爐襯為230mm厚的輕質(zhì)粘土磚（密度為800kg/m3)。已 知內(nèi)壁平均溫度為900，爐體外表面溫度為80。 試求此電爐的散熱量。 解：通過(guò)該電爐的散熱量可以表示為： 將該電爐視為中空長(zhǎng)方體，則其核算面積為： 2-7有兩根用同樣材料制成的等長(zhǎng)度水平橫管，具有相同的表面溫度，在空氣中自然散熱，第 一根管子的直徑是第二根管子直徑的10倍，如果這

4、兩根管子的（GrPr)值均在103109之間，且可用準(zhǔn)數(shù)方程式Nub=0.53Grb。試求兩根管子的對(duì)流換0.25熱系數(shù)比值和熱損失的比值。 解：對(duì)于與圓管進(jìn)行對(duì)流換熱的情形，空氣的由于橫管的表面溫度相同，并且空氣溫度相同，所以均相等，可得 2-8根據(jù)隧道窯模型實(shí)驗(yàn)，確定了圓柱形料垛對(duì)流換熱系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)方程式為：。 現(xiàn)用空氣強(qiáng)制冷卻圓柱形料垛，空氣溫度為20，空 氣流速為1.28m/s，料垛直徑為0.118m。試求圓柱形 料垛對(duì)空氣的對(duì)流換熱系數(shù)。 解：查得空氣在20°C時(shí)的物性參數(shù)為： 2-9一條半圓拱式煙道，長(zhǎng)10m，煙道內(nèi)寬800mm，兩側(cè)墻高300mm，拱高400mm。今有煙氣

5、以1800Nm3/h的流量通過(guò)該煙道，已知煙氣平均溫度為350，煙道內(nèi)壁面平均溫度為240，試求煙氣對(duì) 壁面的對(duì)流換熱系數(shù)及傳熱量。 解：煙道的截面積和周 長(zhǎng)分別為： 2-10 60的水進(jìn)入一內(nèi)徑為25.4mm的管子，水的流速為2cm/s。試計(jì)算水的出口溫度（已知管長(zhǎng)3m，管壁溫度恒 定為80） 解：設(shè)水出口處的溫度為70C，則水的定性溫度為：查得水的物性參數(shù)為： 與原假設(shè)相差不大，所以可以認(rèn)為水的出口溫度為72.8。如果要求的精確度更高，可以再假設(shè)水的 出口溫度為71.4，繼續(xù)進(jìn)行計(jì)算，直到滿意為 止。 2-11 兩無(wú)限大平面，其表面溫度分別為20及600，黑度均為0.8，在這兩塊平面間安放

6、一塊黑 度為0.8或0.05的遮熱板，試求這兩無(wú)限大平行平面 間的凈輻射熱量。 解：使用電網(wǎng)絡(luò)單元法 2-12 已知裸氣管的表面溫度為440，直徑為0.3m，黑度為0.8，周圍環(huán)境溫度為10，在裸氣管 的周圍安放遮熱管（黑度為0.82，直徑為0.4）（1）求裸氣管的輻射散熱損失。（2）如果同時(shí)考慮對(duì)流換熱損失，已知遮熱管對(duì)流 換熱系數(shù)為35W/m2· ,裸氣管的散熱損失為多少？ 2-13有一平板，水平放置在太陽(yáng)光下，已知太陽(yáng)投射到平板上的熱流量為700W/m2，周圍環(huán)境溫度為25。如果忽略對(duì) 流換熱，試求下列情況下的平板表面溫度：平板表面涂有白漆。平板表面涂有無(wú)光黑漆。如果將上述平板

7、放置在工業(yè)爐的熱輻射下，當(dāng)輻射熱流量仍 為700W/m2，環(huán)境溫度仍為25時(shí)。已知白漆對(duì)于太陽(yáng)輻射的吸收率為0.14，白漆對(duì)于低于2000 的熱輻射的吸收率為0.90，無(wú)光黑漆對(duì)于太陽(yáng)輻射的吸收率為0.96，無(wú)光黑漆對(duì)于低于2000的熱輻射的吸收率為0.95。 解：根據(jù)克?；舴蚨?黑體和灰體的吸收率等于同溫度下的黑度， 平板的散熱量為： 處于熱平衡時(shí)： 2-14 熱空氣在426×9mm的鋼管中流過(guò)，熱空氣的溫度用一個(gè)裝在外徑為15mm的瓷保護(hù)管中的 熱電偶來(lái)測(cè)量，為了減小測(cè)量誤差，把熱電偶保護(hù) 瓷管用薄鋁圓筒屏蔽，屏蔽筒的黑度為0.3，面積 為保護(hù)瓷管的4倍?？諝庀蚱帘瓮驳膶?duì)流換熱

8、系數(shù) 為35w/m2·，已知鋼管內(nèi)壁溫度為110，熱電偶 讀數(shù)（即瓷管溫度）為220，瓷管的黑度為0.8， 空氣向瓷管的對(duì)流換熱系數(shù)為52.4w/m2·，設(shè)瓷管 本身的熱傳導(dǎo)可忽略不計(jì)。試求熱電偶的測(cè)量相對(duì) 誤差，并求出空氣的實(shí)際溫度。 解：設(shè)薄鋁圓筒（遮熱罩）F1溫度t3、表面積F3，管道內(nèi)熱空氣與熱接點(diǎn)之間的對(duì)流換熱量管道內(nèi)熱空氣與遮熱罩兩表面之間的對(duì)流換熱量熱電偶接點(diǎn)與遮熱罩之間的輻射換熱量： 遮熱罩與管道壁之間的輻射換熱量當(dāng)熱接點(diǎn)達(dá)到熱平衡時(shí)，即由于F1F3，則：同理，當(dāng)遮熱罩達(dá)到熱平衡時(shí)，即代入已知數(shù)據(jù)，求得：t3=185.2，t1=218.2，熱電偶測(cè)量誤差：

9、2-15 試求鍋爐壁(=20mm，=58w/m·)兩表面的溫度和通過(guò)鍋爐壁的熱流量。已知煙氣溫度 為1000，水的溫度為200，從煙氣到壁面的對(duì) 流輻射換熱系數(shù)為116w/m2 ·，從壁面到水的對(duì) 流換熱系數(shù)為2320w/m2 ·。解：通過(guò)鍋爐壁的熱流 量為： 2-16 一根內(nèi)徑為20mm，外徑為30mm的鋼管，包上20mm厚的保溫材料，保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)為0.057w/m，表面黑度為0.7，保溫層的內(nèi)壁溫度 為200，周圍環(huán)境溫度為20。試計(jì)算每米管長(zhǎng) 的熱損失。解：設(shè)保溫層的外表面 溫度為t2， 則保溫層向空氣的輻射散熱量為：ta為空氣的溫度，通過(guò)保溫層導(dǎo)熱的熱流量為： t1為保溫層的內(nèi)壁溫度當(dāng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，有將已知數(shù)據(jù)代入解得： t2=70C管道每米長(zhǎng)的散熱損失為： 2-17 有一套管逆流式換熱器，用水冷卻油，油在內(nèi)管中流動(dòng)，油進(jìn)出口溫度分別為110和75，水在套管環(huán)隙中流動(dòng)，水的流量為68kg/min，水的進(jìn)出口溫度分別為35和75。已，知按內(nèi)管外表面積計(jì)算的平均總傳熱系數(shù)為320 w/m2，油的比熱為1.9KJ/Kg。試求此換熱器的 換熱面積。 解：該換熱器的對(duì)數(shù)平 均溫差為： 2-18 厚0.25m的不銹鋼大平板鑄