20239傳熱試題答案4

本文格式為Word版，下載可任意編輯——20239傳熱試題答案4一、計(jì)算題

1、一塊無(wú)限太平板，單側(cè)表面積為A，初溫為t0，一側(cè)表面受溫度為t?，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為h的氣流冷卻，另一側(cè)受到恒定熱流密度qw的加熱，內(nèi)部熱阻可以忽略，試列出物體內(nèi)部的溫度隨時(shí)間變化的微分方程式并求解之。設(shè)其他幾何參數(shù)及物性參數(shù)已知。

解：由題意，物體內(nèi)部熱阻可以忽略，溫度僅為時(shí)間的函數(shù)，一側(cè)的對(duì)流換熱和另—側(cè)恒熱流加熱作為內(nèi)熱源處理，根據(jù)熱平衡方程可得：

dt控制方程為：?cV?hA?t?t???Aqw?0初始條件：tx?0?t0

dx引入過(guò)于溫度??t?t?，則為?cV?d??hA??Aqw?0，?dt?x?0?t0?t???0

上述控制方程的通解為：??BehAhAx?cVqwq，由初始條件有：B??0?whh故溫度分布：??t?t???0e?cVxhAx?qw??cV??1?e???h??2、?為變量的一維導(dǎo)熱問(wèn)題。某一無(wú)限大平壁厚度為?，內(nèi)、外表面溫度分別為tw1、tw2，導(dǎo)熱系數(shù)為???0?1?bt?W/m?K，試確定平壁內(nèi)的溫度分布和熱流通量。設(shè)平壁內(nèi)無(wú)內(nèi)熱源。

d?dt?????0，tx?0?tw1dx?dx?tx???tw2

?0?1?bt?dt1?C1，?0t??0bt2?C1x?C2dx2tw1?tw2?112???C2??0?tw1?btwC???1?bt?t，??1?10?w1w2?

2?2????12?tw1?tw2?1??溫度分布：?t?bt2???tw1?btw1??2??2????1?x?1?b?tw1?tw2???2?熱流通量：q???t?tdt?1???C1?w1w2?0?1?b?tw1?tw2??dx??2?3、在一換熱設(shè)備中為平均溫度為1800C空氣的加熱過(guò)程，空氣的平均流速為

6.0m/s，現(xiàn)采用一個(gè)縮小成實(shí)物1/5的模型對(duì)加熱過(guò)程進(jìn)行模擬；模擬空氣溫度為20℃，求模擬流速為多少才能保證與原來(lái)設(shè)備的換熱現(xiàn)象相像。若模型中的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為120W/(m2K)，求相應(yīng)實(shí)物中的值。

（空氣20℃時(shí)的物性參數(shù)：

?1?0.0259W/?m?K?,v1?15.06?10?6m2/s,Pr1?0.703空氣180℃時(shí)的物性參數(shù)：

?2?0.0378W/?m?K?,v2?32.49?10?6m2/s,Pr2?0.681）

解：根據(jù)相像理論，模型與實(shí)物中的，雷諾數(shù)應(yīng)相等

u1l1ul22??1?2（5分）?6?15.06?10??l?u1?(1)(2)u2???5?6?13.9m/s?6??2l132.49?10??Nu1?Nu2

（5分）l1?210.0378?h2?h1()()?120???35W/(m?K)l2?150.02594、20℃，大氣壓下的空氣，以15ｍ/s的速度流過(guò)長(zhǎng)為100mm的平板，平板溫

度保持140℃。試問(wèn)平板單位面積的平均熱流量是多少？

（80℃空氣物性參數(shù)：??0.0305W/?m?K?,v?21.09?10?6m2/s,Pr?0.692）解：

定性溫度：tm?Re?tw?tf2?80?C（2分）

u?l15?0.140（2分）??7.?11?6v21.0?91012x13Nu?0.664RePr?156.5（2分）h?Nu???47.W7l（2分）m/?(K)層流則平板單位面積的平均換熱量為：Q?hA(tw?tf)?5724W（2分）5、兩個(gè)直徑為0.4m，相距0.1m的平行同軸圓盤(pán)，放在環(huán)境溫度保持為300K的大

房間內(nèi)。兩圓盤(pán)后面不參與換熱。其中一個(gè)圓盤(pán)絕熱，另一個(gè)保持均勻溫度500K，發(fā)射率為0.6。且兩圓盤(pán)均為漫射灰體。試確定絕熱圓盤(pán)的表面溫度及等溫圓盤(pán)表面的輻射熱流密度。

解：這是三個(gè)表面組成封閉系的輻射換熱問(wèn)題，表面1為漫灰表面，表面2為絕熱表面，表面3相當(dāng)于黑體。如圖(a)所示。輻射網(wǎng)絡(luò)圖見(jiàn)圖(b)。

計(jì)算角系數(shù)：X1,2?0.62；X1,3?X2,3?1?0.62?0.38

A1?A2??4d2??4?0.42?0.1257m2

A3??dl???0.4?0.1?0.1257m2

對(duì)J1列節(jié)點(diǎn)方程

Eb1?J1J3?J1J2?J1???01??111X1,3A1X1,2A1?1A1J3?J1J1?J2??011X2,3A2X1,2A1對(duì)J2列節(jié)點(diǎn)方程

其中J3?Eb3??T34?5.67?10?8?3004?459.27W/m2

Eb1??T14?5.67?10?8?5004?3543.75W/m2

1111??11?0.6???20.9354??5.3，

A1X1,3A2X2,30.1257?0.38?1A10.6?0.125711??12.8314A1X1,20.1257?0.62因而(1)，(2)式成為：

3543.75?J1459.27?J1J2?J1???0

5.320.935412.8314459.27?J2J1?J2??0

20.935412.8314解得：J1?2646.65W/m2，J2?1815.4W/m2

Eb2J21815.4?423K?85.67?10因此T2?4??4?等溫圓盤(pán)1的表面輻射熱流：

q1?Eb1?J13543.75?2646.65??1345.65W/m21??11?0.60.6?16、（15分）設(shè)計(jì)一個(gè)把總流量為2.5kg/s的水從15℃加熱到85℃的叉流式換熱器，使160℃的熱機(jī)油通過(guò)殼側(cè)，冷水則在10根八流程、管徑為25mm的薄壁

/kg?。C）管中流過(guò)。管內(nèi)水的換熱系數(shù)為3000W（、比熱為4187J（，管外/m?。C）/kg?。C）油的換熱系數(shù)為400W（、比熱為2350J（，忽略管壁導(dǎo)熱熱阻。/m?。C）求：若油離開(kāi)換熱器為100。（1）油的流量為多少？（2）為達(dá)到設(shè)計(jì)要求，C，每程管子的長(zhǎng)度為多少？（此題可作逆流考慮）

'''?15。C，出口溫度為t2?85。C；油的進(jìn)口溫度為解：由題意，水的進(jìn)口溫度為t2t1'?160。C，出口溫度為t1''?100。C；設(shè)每程管子長(zhǎng)度為l

（1）由熱平衡

'''?t2)?m油c油(t1'?t1'')m水c水(t2''''?t2)/c油(t1'?t‘則m油?m水c水(t21)

m油?2.5?4187?(85?15)/2350(160?100)=5.2kg/s（3分）

（2）逆流考慮時(shí)對(duì)數(shù)平均溫差為

''''''?tm??(t1'?t2)?(t1''?t2)?/ln((t1'?t2)/(t1''?t2))??(160?85)?(100?15)?/ln((160?85)/(100?15))（3分）?79.9。C由于為薄壁管且導(dǎo)熱熱阻不計(jì)則，水側(cè)表面熱阻為其中A為傳熱面積，由

11，油側(cè)表面熱阻為，h2Ah1A111??kAh1Ah2A則k?h1?h23000?400（4分）??352.9W/（m?。C）h1?h23000?400??=kAΔtm又由?其中a為管子根數(shù)，b為換熱器程數(shù)

A?ab?dl?則

l??abk?tm?d?'''m水c水(t2?t2)abk?tm?d?2.5?4187?(85?15)10?8?352.9?79.9???25?10?3（5分）

?4.13m二、簡(jiǎn)答題

7、工程中應(yīng)用多孔性材料作保溫隔熱,使用時(shí)應(yīng)注意什么問(wèn)題?為什么?

答：應(yīng)注意防潮。保溫材料的一個(gè)共同特點(diǎn)是它們經(jīng)常呈多孔狀，或者具有纖維結(jié)構(gòu)，其中的熱量傳遞是導(dǎo)熱、對(duì)流換熱、熱輻射三種傳熱機(jī)理聯(lián)合作用的綜合過(guò)程。假使保溫材料受潮，水分將替代孔隙中的空氣，這樣不僅水分的導(dǎo)熱系數(shù)高于空氣，而且對(duì)流換熱強(qiáng)度大幅度增加，這樣材料保溫性能會(huì)急劇下降。8、層流時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)是否總是小于湍流時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)?為什么?答：（在入口段邊界層厚度從零開(kāi)始增厚，若采用短管，盡管處于層流工況，由于邊界層較薄，對(duì)流換熱系數(shù)可以大于紊流狀況。）

9、對(duì)管內(nèi)強(qiáng)迫對(duì)流換熱，為何采用短管和彎管可以加強(qiáng)流體換熱？

答：采用短管，主要是利用流體在管內(nèi)換熱處于入口段溫度邊界層較薄，因而換熱強(qiáng)的特點(diǎn)，即所謂的“入口效應(yīng)〞），從而加強(qiáng)換熱。對(duì)于彎管，流體流經(jīng)彎管時(shí)，由于離心力作用，在橫截面上產(chǎn)生二次環(huán)流，增加了擾動(dòng)，從而加強(qiáng)了傳熱。10、寫(xiě)出輻射換熱中兩表面間的平均角系數(shù)的表達(dá)式，并說(shuō)明其物理意義。答：平均角系數(shù)X1,2=

1A1cos?1cos?2dA1dA2，它表示A1表面發(fā)射出的輻射能2???rA1A2中直接落到另一表面A2上的百分?jǐn)?shù)。或者它表示離開(kāi)A1表面的輻射能中直接落

到另一表面A2上的百分?jǐn)?shù)。11、表面輻射熱阻概念。

答：當(dāng)物體表面不是黑體時(shí)，該表面不能全部吸收外來(lái)投射的輻射能量，這相當(dāng)

1??于表面存在熱阻，該熱阻稱為表面輻射熱阻，常以來(lái)表示。

A?12、什么是物體的發(fā)射率和吸收率?二者在什么條件下相等?

答：實(shí)際物體的輻射力與同溫度下黑體的輻射力之比稱為該物體的發(fā)射率；投射到物體表面的總能量中被吸收的能量所占的份額是物體的吸收率。由基爾霍夫定律可知：當(dāng)物體表面為漫灰表面時(shí)，二者相等。

13、（5分）換熱器熱計(jì)算中為什么要用“平均傳熱溫差〞的概念？目前廣泛采用的對(duì)數(shù)平均溫差計(jì)算公式是不是嚴(yán)格確切的平均溫差？說(shuō)明你的判斷及理

由？

答：1、由于換熱器冷熱流體間的溫差沿程是不斷變化的，當(dāng)利用傳熱方程計(jì)算整個(gè)傳熱面上的熱流量時(shí)，必需使用整個(gè)傳熱面上的平均溫差。2、對(duì)數(shù)平均溫差不是嚴(yán)格確切的平均溫差，是建立在4個(gè)假設(shè)的基礎(chǔ)上的：（1）冷熱流體的質(zhì)量流量及比熱容在整個(gè)換熱面上是常量；（2）傳熱系數(shù)在整個(gè)換熱面上不變；（3）換熱器無(wú)散熱損失；（4）換熱面中沿管子軸向的導(dǎo)熱量忽略不計(jì)。

14、（3分）肋片加在表面換熱系數(shù)大的一側(cè)與加在表面換熱系數(shù)小的一側(cè)哪一種加強(qiáng)傳熱的效果好？試解釋其主要原因？答：肋片加在表面換熱系數(shù)小的一側(cè)加強(qiáng)換熱的效果好，由于表面換熱系數(shù)小的一側(cè)在整個(gè)傳熱過(guò)程中熱阻占主要部分，加肋片后可以增加換熱面積，顯著地減小該側(cè)