材料加工冶金傳輸原理習(xí)題答案解析

..沖天爐熱風(fēng)管道的內(nèi)/外直徑分別為160mm和170mm,管外覆蓋厚度為80mm的石棉隔熱層,管壁和石棉的熱導(dǎo)率分別為λ1=58.2W/<m℃>,λ2=0.116W/<m℃>。已知管道內(nèi)表面溫度為240℃,石棉層表面溫度為40℃,求每米長(zhǎng)管道的熱損失。解：由多層壁圓管道導(dǎo)熱熱流量公式〔9-22知,所以每米長(zhǎng)管道的熱損失為7．解：查表已知8.外徑為100mm的蒸汽管道覆蓋隔熱層采有密度為20Kg/m3的超細(xì)玻璃棉氈,已知蒸汽管外壁溫度為400℃,要求隔熱層外壁溫度不超過50℃,而每米長(zhǎng)管道散熱量小于163W,試確定隔熱層的厚度。解：已知查附錄C知超細(xì)玻璃棉氈熱導(dǎo)率由圓筒壁熱流量計(jì)算公式〔9-20知：得而得出9.解：UI10.在如圖9-5所示的三層平壁的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱中,已測(cè)的t1,t2,t3及t4分別為600℃,500℃,200℃及100℃,試求各層熱阻的比例解：根據(jù)熱阻定義可知而穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱時(shí)各層熱流量相同,由此可得各層熱阻之比為=100：300：100=1：3：111．題略解：〔參考例9-6查表,代入式得kk12．液態(tài)純鋁和純銅分別在熔點(diǎn)〔鋁660℃,銅1083℃澆鑄入同樣材料構(gòu)成的兩個(gè)砂型中,砂型的密實(shí)度也相同。試問兩個(gè)砂型的蓄熱系數(shù)哪個(gè)大？為什么？答：此題為討論題,砂型的蓄熱系數(shù)反映的是材料的蓄熱能力,綜合反映材料蓄熱和導(dǎo)熱能力的物理量,取決于材料的熱物性。兩個(gè)砂型材料相同,它們的熱導(dǎo)率λ和比熱容c及緊實(shí)度都相同,故兩個(gè)砂型的蓄熱系數(shù)一樣大。注：鑄型的蓄熱系數(shù)與所選造型材料的性質(zhì)、型砂成分的配比、砂型的緊實(shí)度及冷鐵等因素有關(guān)！考慮溫度影響時(shí),澆注純銅時(shí)由于溫度較純鋁的高,砂型的熱導(dǎo)率會(huì)增大,比熱和密度基本不變,從而使得砂型蓄熱系數(shù)會(huì)有所增大13．試求高0.3m,寬0.6m且很長(zhǎng)的矩形截面銅柱體放入加熱爐內(nèi)一小時(shí)后的中心溫度。已知：銅柱體的初始溫度為20℃,爐溫1020℃,表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)a=232.6W/〔m2·℃,λ=34.9W/〔m·℃,c=0.198KJ/〔Kg·℃,ρ=780Kg/m3。解：此題為二維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題,參考例9.8,可看成兩塊無(wú)限大平板導(dǎo)熱求解,銅柱中心溫度最低,以其為原點(diǎn),以兩塊平板法線方向?yàn)樽鴺?biāo)軸,分別為x,y軸。則有：熱擴(kuò)散率㎡/s查9-14得,,鋼鏡中心的過余溫度準(zhǔn)則為中心溫度為=0.036*〔293-1293+1293=1257k=984℃15．一含碳量Wc≈0.5%的曲軸,加熱到600℃后置于20℃的空氣中回火。曲軸的質(zhì)量為7.84Kg,表面積為870cm2,比熱容為418.7J/<Kg·℃>,密度為7840Kg/m3,熱導(dǎo)率為42W/<m·℃>,冷卻過程的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)取為29.1W/<m2·℃>,問曲軸中心冷卻到30℃所經(jīng)歷的時(shí)間。〔原題有誤解：當(dāng)固體內(nèi)部的導(dǎo)熱熱阻小于其表面的換熱熱阻時(shí),固體內(nèi)部的溫度趨于一致,近似認(rèn)為固體內(nèi)部的溫度t僅是時(shí)間τ的一元函數(shù)而與空間坐標(biāo)無(wú)關(guān),這種忽略物體內(nèi)部導(dǎo)熱熱阻的簡(jiǎn)化方法稱為集總參數(shù)法。通常,當(dāng)畢奧數(shù)Bi<0.1M時(shí),采用集總參數(shù)法求解溫度響應(yīng)誤差不大。對(duì)于無(wú)限大平板M=1,無(wú)限長(zhǎng)圓柱M=1/2,球體M=1/3。特性尺度為δ=V/F。經(jīng)上述驗(yàn)算本題可以采用此方法計(jì)算溫度隨時(shí)間的依變關(guān)系。參閱楊世銘編《傳熱學(xué)》第二版,P105-106,公式〔3-29其中F為表面積,α為傳熱系數(shù),τ為時(shí)間,tf為流體溫度,V為體積。代入數(shù)據(jù)得：s第十章對(duì)流換熱1.某窖爐側(cè)墻高3m,總長(zhǎng)12m,爐墻外壁溫tw=170℃。已知周圍空氣溫度tf=30℃,試求此側(cè)墻的自然對(duì)流散熱量〔熱流量〔注：原答案計(jì)算結(jié)果有誤,已改正。解：定性溫度℃定性溫度下空氣的物理參數(shù)：℃,,特征尺寸為墻高h(yuǎn)=3m.則：故為湍流。查表10-2,得,2.一根L/d=10的金屬柱體,從加熱爐中取出置于靜止的空氣中冷卻。試問：從加速冷卻的目的出發(fā),柱體應(yīng)水平還是豎直放置〔輻射散熱相同？試估算開始冷卻的瞬間兩種情況下自然對(duì)流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)之比〔均為層流解：在開始冷卻的瞬間,可以設(shè)初始溫度為壁溫,因而兩種情形下壁面溫度相同。水平放置時(shí),特征尺寸為柱體外徑；豎直放置時(shí),特征尺寸為圓柱長(zhǎng)度,L>d。近似地采用穩(wěn)態(tài)工況下獲得的準(zhǔn)則式來(lái)比較兩種情況下自然對(duì)流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),則有：<1>水平放置.,,<2>豎直放置.,,由此可知：對(duì)給定情形,水平放置時(shí)冷卻比較快。所以為了加速冷卻,圓柱體應(yīng)水平放置。3.一熱工件的熱面朝上向空氣散熱。工件長(zhǎng)500mm,寬200mm,工件表面溫度220℃,室溫20℃,試求工件熱面自然對(duì)流的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)〔對(duì)原答案計(jì)算結(jié)果做了修改解：定性溫度℃定性溫度下空氣的物理參數(shù)：,特征尺寸,熱面朝上：故為湍流。查表得,4.上題中若工件熱面朝下散熱,試求工件熱面自然對(duì)流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)解：熱面朝下：,層流,查表得5.有一熱風(fēng)爐外徑D=7m,高H=42m,當(dāng)其外表面溫度為200℃,與環(huán)境溫度之差為40℃,求自然對(duì)流散熱量〔原答案缺少最后一步,已添加解：定性溫度定性溫度下空氣的物性參數(shù)為：,依題應(yīng)為垂直安裝,則特征尺寸為H=42m.,為湍流.查表得自然對(duì)流散熱量為7.在外掠平板換熱問題中,試計(jì)算25℃的空氣及水達(dá)到臨界雷諾數(shù)各自所需的板長(zhǎng),取流速v=1m/s計(jì)算,平板表面溫度100℃〔原答案計(jì)算有誤,已修改解：定性溫度為<1>.對(duì)于空氣查附錄計(jì)算得<2>.對(duì)于水則有：8.在穩(wěn)態(tài)工作條件下,20℃的空氣以10m/s的速度橫掠外徑為50mm,管長(zhǎng)為3m的圓管后,溫度增至40℃。已知橫管內(nèi)勻布電熱器消耗的功率為1560W,試求橫管外側(cè)壁溫〔原答案定性溫度計(jì)算有誤,已修改解：采用試算法假設(shè)管外側(cè)壁溫為60℃,則定性溫度為查表得,即:與假設(shè)不符,故重新假設(shè),設(shè)壁溫為.則定性溫度查表得,,,,即：與假設(shè)溫度誤差小于5%,是可取的。即壁面溫度為79.80℃.10.壓力為1.013*105Pa的空氣在內(nèi)徑為76mm的直管內(nèi)強(qiáng)制流動(dòng),入口溫度為65℃,入口體積流量為0.022m3/s,管壁平均溫度為180℃,試問將空氣加熱到115℃所需管長(zhǎng)為多少？解：強(qiáng)制對(duì)流定性溫度為流體平均溫度流體平均溫度,查查附錄F得為旺盛湍流。由于流體溫差較大應(yīng)考慮不均勻物性的影響,應(yīng)采用實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)則式〔10-23或24計(jì)算Nuf即=56.397質(zhì)量流量散熱量因?yàn)?所以需要進(jìn)行入口段修正。入口段修正系數(shù)為所需管長(zhǎng)：11.解：12．管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流湍流時(shí)的換熱,若Re相同,在tf=30℃條件下水的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)比空氣的高多少倍？解：定性溫度℃查附錄D得到:查附錄F得到：為湍流,故相同在該條件下,水的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)比空氣高52.46倍。第十一章輻射換熱100W燈泡中鎢絲溫度為2800K,發(fā)射率為0.30?！?若96%的熱量依靠輻射方式散出,試計(jì)算鎢絲所需要最小面積；〔2計(jì)算鎢絲單色輻射率最大時(shí)的波長(zhǎng)解：〔1鎢絲加熱發(fā)光,按黑體輻射發(fā)出連續(xù)光譜,將數(shù)據(jù)代入為：A1=9.2*10-5㎡〔2由維恩位移定律知,單色輻射力的峰值波長(zhǎng)與熱力學(xué)溫度的關(guān)系m.k,當(dāng)T=2800k時(shí),=1.034*10-6m3.一電爐的電功率為1KW,爐絲溫度為847℃,直徑為1mm,電爐的效率〔輻射功率與電功率之比為0.96,爐絲發(fā)射率為0.95,試確定爐絲應(yīng)多長(zhǎng)？解：由黑度得到實(shí)際物體輻射力的計(jì)算公式知：4.試確定圖11-28中兩種幾何結(jié)構(gòu)的角系數(shù)X12解：①由角系數(shù)的分解性得：由角系數(shù)的相對(duì)性得：所以對(duì)于表面B和〔1+A,X=1.5、Y=1.5、Z=2時(shí),,查表得,對(duì)于表面B和A,X=1.5,Y=1.5,Z=1,,查表得,所以,。對(duì)表面〔2+B和〔1+A,X=1.5,Y=2.5,Z=2,,查表得。對(duì)于表面<2+B>,A,X=1.5,Y=2.5,Z=1,,查表得,所以,②由角系數(shù)的分解性,,對(duì)表面2和A,X=1.5,Y=1,Z=1,,查表得。對(duì)面2和〔1+A,X=1.5,Y=1,Z=2,,查表得,代入數(shù)據(jù)得,所以5．兩塊平行放置的大平板的表面發(fā)射率均為0.8,溫度分別為t1=527℃和t2=27℃,板的間距遠(yuǎn)小于板的寬與高。試計(jì)算〔1板1的本身輻射〔2對(duì)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的有效輻射〔6板1與2的輻射換熱量解：由于兩板間距極小,可視為兩無(wú)限大平壁間的輻射換熱,輻射熱阻網(wǎng)絡(luò)如圖,包括空間熱阻和兩個(gè)表面輻射熱阻。ε=α=0.8,輻射換熱量計(jì)算公式為〔11-29其中J1和J2為板1和板2的有效輻射,將上式變換后得故：〔1板1的本身輻射為〔2對(duì)板1的投入輻射即為板2的有效輻射〔3板1的反射輻射為,ρ1=1-α=0.2,〔4板1的有效輻射為〔5板2的有效輻射為〔6由于板1與2間的輻射換熱量為：6.設(shè)保溫瓶的瓶膽可看作直徑為10cm高為26cm的圓柱體,夾層抽真空,夾層兩內(nèi)表面發(fā)射率都為0.05。試計(jì)算沸水剛注入瓶膽后,初始時(shí)刻水溫的平均下降速率。夾層兩壁壁溫可近似取為100℃及20℃解：,代入數(shù)據(jù)得w,而,查附錄知100℃水的物性參數(shù)為代入數(shù)據(jù)得℃/s7.兩塊寬度為W,長(zhǎng)度為L(zhǎng)的矩形平板,面對(duì)面平行放置組成一個(gè)電爐設(shè)計(jì)中常見的輻射系統(tǒng),板間間隔為S,長(zhǎng)度L比W和S都大很多,試求板對(duì)板的角系數(shù)解：〔參照例11-1作輔助線ac和bd,代表兩個(gè)假想面,與、組成一個(gè)封閉腔,根據(jù)角系數(shù)完整性：,同時(shí)可把圖形看成兩個(gè)由三個(gè)表面組成的封閉腔,對(duì)的角系數(shù)8.一電爐內(nèi)腔如圖11-29所示,已知頂面1的溫度t1=30℃,側(cè)面2〔有陰影線的面的溫度為t2=250℃,其余表面都是重輻射面。試求11和2兩個(gè)面均為黑體時(shí)的輻射換熱量；〔21和2兩個(gè)面為灰體ε1=0.2,ε2=0.8時(shí)的輻射換熱量解：將其余四個(gè)面看成一個(gè)面從而構(gòu)成一個(gè)由三個(gè)表面組成的封閉系統(tǒng)⑴當(dāng)1、2兩個(gè)面均為黑體,另一個(gè)表面絕熱,系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖如下先求1對(duì)2的角系數(shù)：X=4000,Y=5000,Z=3000,,查表得,,代入數(shù)據(jù)得〔為J1、J2之間的當(dāng)量熱阻,w/㎡w/㎡w〔負(fù)號(hào)表示熱量由2傳導(dǎo)1〔2當(dāng)1、2面為灰體,另一表面為絕熱面,系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖如下負(fù)號(hào)表示熱量從2面?zhèn)飨?面。9.直徑為0.4m的球殼內(nèi)充滿N2,CO2,和水蒸氣〔H2O組成的混合氣體,其溫度tg=527℃。組成氣體的分壓力分別為PN2=1.013*105Pa,PCO2=0.608*105