傳熱學第四版課后題答案第十章

傳熱學第四版課后題答案第十章第十章思考題所謂雙側強化管是指管內側與管外側均為強化換熱表面得管子。設一雙側強化管用內徑為di、外徑為d0的光管加工而成，試給出其總傳熱系數的表達式，并說明管內、外表面?zhèn)鳠嵯禂档挠嬎忝娣e。在圓管外敷設保溫層與在圓管外側設置肋片從熱阻分析的角度有什么異同？在什么情況下加保溫層反而會強化其傳熱而肋片反而會削弱其傳熱？答：在圓管外敷設保溫層和設置肋片都使表面換熱熱阻降低而導熱熱阻增加，而一般情況下保溫使導熱熱阻增加較多，使換熱熱阻降低較少，使總熱阻增加，起到削弱傳熱的效果；設置肋片使導熱熱阻增加較少，而換熱熱阻降低較多，使總熱阻下降，起到強化傳熱的作用。但當外徑小于臨界直徑時，增加保溫層厚度反而會強化傳熱。理論上只有當肋化系數與肋面總效率的乘積小于1時，肋化才會削弱傳熱。重新討論傳熱壁面為平壁時第二題中提出的問題。答：傳熱壁面為平壁時，保溫總是起削弱傳熱的作用，加肋是否起強化傳熱的作用還是取決于肋化系數與肋面總效率的乘積是否人于1。4、推導順流或逆流換熱器的對數平均溫差計算式時做了一些什么假設，這些假設在推導的哪些環(huán)節(jié)中加以應用？討論對大多數間壁式換熱器這些假設的適用情形。5、對于三種情形，畫出順流與逆流時冷、熱流體溫度沿流動方向的變化曲線，注意曲線的凹向與相對大小的關系。6、進行傳熱器設計時所以據的基本方程是哪些？有人認為傳熱單元數法不需要用到傳熱方程式，你同意嗎？答：換熱器設計所依據的基本方程有：傳熱單元法將傳熱方程隱含在傳熱單元和效能之中。7、在傳熱單元數法中有否用到推導對數平均溫差時所做的基本假設，試以順流換熱器效能的計算式推導過程為例予以說明。答：傳熱單元數法中也用到了推導平均溫差時的基本假設，說明略o8、什么叫換熱器的設計計算，什么叫校核計算？答：已知流體及換熱參數，設計一個新的換熱器的過程叫做設計計算，對已有的換熱器，根據流體參數計算其換熱量和流體出口參數的過程叫做校核計算。9、在進行換熱器的校核計算時，無論采用平均溫差法還是采用傳熱單元數法都需要假設一種介質的出口溫度，為什么此時使用傳熱單元數法較為方便？答：用傳熱單元數法計算過程中，出口溫度對傳熱系數的影響是通過定性溫度來體現的，遠沒有對平均溫差的影響大，所以該法用于校核計算時容易得到收斂的計算結果。10、試用簡明語言說明強化單相強制對流換熱、核態(tài)沸騰及膜狀凝結的基本思想。答：無相變強制對流換熱的強化思路是努力減薄邊界層．強化流體的擾動與混合；核態(tài)沸騰換熱的強化關鍵在于增加汽化核心數；膜狀凝結換熱強化措施是使液膜減薄和順利排出凝結液。11、在推導換熱器效能的計算公式時在哪些環(huán)節(jié)引入了推導對數平均溫差時提出的四個假設？習題10-1、在一氣－氣套管式換熱器中，中心圓管的內外表面都設置了肋片，試用下表所列符號導出管內流體與環(huán)形夾層中流體之間總傳熱系數的表達式?；艿膶嵯禂禐?。10-2、已知：一有環(huán)肋的肋片管、水蒸氣再管內凝結，表面?zhèn)鳠嵯禂禐?2200W/(㎡*K)空氣橫向掠過管外，按總外表面面積計算的表面?zhèn)鳠嵯禂禐?2.3W/(㎡*K)。肋片管基管外徑為25.4mm,壁厚2mm，肋高15.8mm，肋厚0.318mm，肋片中心線間距為2.5mm。基管與肋片均用鋁做成，λ=169W/（m*K）。求：當表面潔凈無垢時該肋片管的總傳熱系數。10-3、一臥式冷凝器采用外徑為25mm，壁厚1.5mm的黃銅管做成熱表面。已知管外冷凝側的平均傳熱系數，管內水側平均的表面?zhèn)鳠嵯禂怠Ｔ囉嬎阆铝袃煞N情況下冷凝器按管子外表面面積計算的總傳熱系數管子內外表面均是潔凈的管內為海水，流速大于1m/s，結水垢，平均溫度小于500C，蒸汽側有油。10-4、已知：一套管式換熱器長2m，外殼內徑為6cm,內管外直徑為4m，厚3mm。內管中流過冷卻水，平均溫度為40℃，流量為0.0016㎡/s。14號潤滑油以平均溫度70℃流過環(huán)行空間，流量為0.005㎡/s。冷卻水系統(tǒng)處理的冷卻塔水，管壁材料為黃銅。求：內外壁面均潔凈及長時間運行結垢后的總傳熱系數值。解：水側h1的計算40℃時，流動截面積采用式（5-54），油側的計算流動的截面積：近似的取為40℃，則：利用此值重新確定管壁溫度，略去壁面熱阻不計，則內側熱阻在總熱阻中的比值為：油，水側均結垢時，取則10-5、已知：一種用于制冷劑凝結換熱的雙側強化管用直徑為19、16.4mm的胚管加工而成，長1.0m。在一次試驗中測得冷卻水進出口溫度分別為24.6℃及29.2℃，平均水速為0.91m/s,按胚管尺寸計算的管內平均表面?zhèn)鳠嵯禂禐?.82×104W/(m2*K),管外凝結換熱表面?zhèn)鳠嵯禂禐?.25×104W/(m2*K),管材為銅。求：按胚管外表面計算的總傳熱系數值。并分析管內水側采用強化表面后的強化效果。解：，取=400W/(m*k),則有：若管內不強化，則按D-B公式計算時：℃，內側熱阻變?yōu)榭梢娙绮粡娀瘍葌葻嶙枰哟?倍左右。平均溫壓計算10-6、已知：順流與逆流布置。求：分別按qm1c1>qm2c2及qm1c1<qm2c2兩種情況下，用溫度分布曲線說明對數平均溫差總是小于相應的算術平均溫度。解：對順流換熱器，無論qm1c1>qm2c2或qm1c1<qm2c2，都只有如下一種圖形，只是冷、熱流體的曲線斜率不同。10-7、已知：逆流式套管換熱器，qm1c1＝qm2c2，滿足推導對數平均溫差條件的前提。求：沿換熱表面的局部熱流密度的變化規(guī)律。解：此時不同的截面上冷熱流的總溫差保持為常數，由于傳熱系數K也為常數，因而該換熱面已進入均勻熱流密度的狀態(tài)。10-8、已知：一加熱器中用過熱水蒸氣來加熱給水（電廠中把送到鍋爐中去的水稱為給水）。過熱蒸汽在加熱器中先被冷卻到飽和溫度，再凝結成水（雖然溫度不變，但是有相變熱），最后被冷卻成過冷水，冷熱流體的總流向為逆流，熱流體單相介質部分的qm1c1<qm2c2.求：畫出冷、熱流體的溫度變化曲線。解：10-9、已知，試計算下列流動布置時換熱器的對數平均溫差：逆流布置；一次交叉，兩種流體均不混合；1－2型殼管式，熱流體在殼側；2－4型殼管式，熱流體在殼側；順流布置。10-10、已知：一定的布置方式及冷、熱流體一定的進出口溫度。求：熱流體在管內側及在殼側的兩種安排對數平均溫差值有無差別？以上題中（3）（4）中情形為例，設熱流體在管側，重新計算其對數平均溫差。從這一計算中例可得出怎樣的推斷。解：（1）1-2型查圖9-15，℃（2）2-4型，由圖9-16，℃10-11、已知：初始溫度為t1的流體流入壁溫為t0＝常數的平行板通道，通道長為l流體質量為qm,比熱容為cp,流體與平板間對流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂礹為常數。求證：流經該通道后流體與平板間的換熱量為Ф=qmcp(t0-t1)(1-e-2h/(q)證明：如圖示，對長為dx的微元段，可以列出以下熱平衡式：則有流體經過長為L的一段通道后的總換熱量等于出口截面上的焓減進口處的焓，故有：。在本題中主流方向的坐標與一維非穩(wěn)態(tài)導熱總參數分析中的時間坐標相類似。10-12、已知：在已順流式換熱器中傳熱系數k=a+b△t其中a、b為常數，△t為任一截面上的周期誤差。求證；該換熱器的總傳熱量為，其中k’、k,,分別為入口段與出口段的傳熱系數。證明：由，聯立解得，將將此式從A=0到做積分，得：即將此式應用于換熱器流體出口處，即=A處并將a的表達式代入，得：，另一方面按u的定義有：將此式代入上式，整理之，即得：。換熱器設計計算10-13、一臺1－2型殼管式換熱用來冷卻11號潤滑油。冷卻水在管內流動，，流量為3kg/s；熱油入口溫度為600C，。試計算：油的流量；所傳騠遞熱量；所需的傳熱面積。10-14、一個殼側為一程的殼管式換熱器用來冷凝7355Pa的飽和水蒸氣，要求每小時內冷凝18kg蒸汽。進入換熱器的冷卻水的溫度為250C，離開時為350C。設傳熱系數為，問所需的傳熱面積是多少？10-15、已知：在一臺1-2型管殼式換熱器中，管內冷卻水從16℃升高到35℃，管外空氣從119℃下降到45℃，空氣流量為19.6kg/min，換熱器的總傳熱系數K=84求：所需的傳熱面積式多少。解：逆流溫度差為℃，，故查圖9-15，，故對數平均溫差℃空氣平均溫差為℃，空氣的換熱量，故需傳熱面積。10-16、已知：某工廠為了利用廢氣來加熱生活用水，自制了一臺簡易的殼管換熱器，煙氣內徑為30mm的鋼管內流動，流速為30m/s，入口溫度為200℃，出口溫度取為100℃。冷水在管束與外殼之間的空間內與煙氣逆向的流動，要求把它從入口處的20℃加熱到50℃.煙氣物可按附錄中標準煙氣的物性值查取。水側的表面?zhèn)鳠嵯禂颠h大于與煙氣側的表面?zhèn)鳠嵯禂?，煙氣的輻射換熱可略而不及。求：估算所需的直管長度。解：因為水側換熱系數遠大于煙氣側之值，因而管壁的平均溫度可取為水的平均溫度，即℃對于煙氣：℃，，采用式（5-54）來估算，則，由對流換熱公式：所以。10-17、已知：在一逆流式水-水換熱器中，管內為熱水，進口溫度℃出口溫度為℃，管外流過冷水，進口溫度℃，出口溫度℃，總換熱量，共有53根內徑為16mm、壁厚為1mm的管子。管壁導熱系數，管外流體的表面?zhèn)鳠嵯禂?，管內流體為一個流程。管子內、外表面都是潔凈的。求：所需的管子長度。解：計算管內平均換熱系數?！妗?，本題中冷熱流體總溫差為43.3℃，管外冷流體側占68﹪，管內側約占32﹪，故不必考慮溫差的修正。10-18、壓力為1.5×105Pa的無油飽和水蒸氣在臥式殼管式冷凝器的殼側凝結。經過處理的循環(huán)水在外徑為20mm、壁厚為1mm的黃銅管內流過，流速為1.4m/s，其溫度由進口處的560C升高到出口的940C。黃銅管成叉排布置，在每一豎直排上平均布置9根。冷卻水在管內的流動為兩個流程，管內已積水垢。試確定所需的管長、管子數及冷卻水量。傳熱量。10-19、已知：要設計一臺臥式冷凝器去凝結50℃的飽和水蒸氣，以獲得800kg/h的凝結量，可供給大的冷卻水量為20kg/s，初溫為20℃.已知有一些外徑為20mm、壁厚2mm的黃銅管，每根長為2m。假設管壁的熱阻可以不計，冷卻水在管內流動，總的污垢熱阻取為0.0003（按黃銅管內表面積計算），冷卻水側為一程，估算凝結換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂禃r可假定黃銅管按正方行排列。求：所需的黃銅管數。解：為確定傳熱系數要假定管子根數n,設n=140。傳熱量可由凝結側確定：。為計算冷卻水出口溫度，需先假定其平均溫度，設為23℃，則，冷卻水進口溫差：℃，即平均溫度為23.17℃，與假定值十分接近。水側換熱系數。水蒸氣凝結系數。取℃，則，將的關系式代入（6-4）整理之，得，故140根管子按正方形排列，按內表面計算的傳熱系數：℃，與熱平衡熱量相差僅％，上述計算有效，另外從熱阻分析可知，凝結側的溫度降為6℃，故液膜平均溫度為47℃，與假設值45℃僅差2℃，由此而引起的物性變化對的影響液可忽略。如不考慮管壁熱阻，則與熱平衡熱量相差僅3.6％，仍在工程計算允許的誤差范圍內。換熱器校核計算10-20、已知：一臺1-2型殼管式換熱器用30℃的水來冷卻120℃的熱油，冷卻水流量為1.2kg/s，油流量為2kg/s總傳熱系數，傳熱面積為。求：水與油各自的出口溫度。解：設平均溫度為40℃，利用習題24中提供的公式得℃?！妫?，值與4174十分接近，故不必重算。10-21、在一臺逆流式水－水換熱器中，，流量為每小時9000kg，，流量為每小時13500kg，總傳熱系數，傳熱面積A=3.75m2,試確定熱水的出口溫度。10-22、欲采用套管式換熱器使熱水與冷水進行熱交換，并給出。取總傳熱系數為，試確定采用順流與逆流兩種布置時換熱器所交換的熱量、冷卻水出口溫度及換熱器的效能。10-23、已知：為利用燃氣輪機的排氣來加熱高壓水，采用1-2型肋片管換熱器。在一此測定中得出：燃氣的質量流量為2kg/s,進口溫度325℃，冷卻水質量流量為0.5kg/s,℃，℃，按氣體側基管直徑的換熱面積為3.8.燃氣物性可近似按附錄中標準煙氣的值查取。求：該條件下的總傳熱系數。解℃換熱量。為確定煙氣的平均比熱需假設其出口溫度，設℃℃，，故由此得℃，與假設值十分接近，不必重復計算?！?，。10-24、已知：在習題10-15中，如果冷卻水流量增加50％，但冷卻水和空氣的進口溫度、空氣流量及傳熱面積均不變，傳熱系數也認為不變，問傳熱量可增加多少？為比較準確地獲得值，1-2型換熱器可按下式計算；式中，從傳熱過程的機理來說，此時假定傳熱系數不變是否合理？傳熱量的增加主要是通過什么途徑實現的？如果空氣流量增加50％，還可以假定K不變嗎？解；設冷卻水流量增加后其平均比熱的變化可以不計，原有的，增加冷卻水量后此值為0.1711，代入計算式得：增加水流量前的效能。由式（9-17）可知，因為保持不變，，故傳熱量增加了2.5％，引起傳熱量增加的一個主要原因是冷卻水量增加后對數平均溫差有所上升。如果空氣流量增加50％，就不能假定K不變，因為此時空氣側換熱系數有顯著增加，而空氣側熱阻為主要熱阻。10-25、已知：有一臺逆流套管式冷油器，冷卻水流量為0.0639kg/s，進水溫度℃熱油進口溫度為120℃，油的比熱容為2.1kj/(kg*k)，傳熱面積為1.4，總傳熱系數為280.如果油的出口溫度不得低于60℃，冷卻水的出口溫度不得高于85℃.求：該冷油器所能冷卻的最大油流量。解：最大的油流量相應于℃時的情形?，F以℃計算，最后檢驗是否能滿足要求。℃，因而得℃即，解此方程得℃＞60℃，故滿足要求。68-35=33<35故成立由此得。熱阻的分析與分離10-26、已知：有一臺液-液換熱器，甲、乙兩種介質分別在管內、外作強制對流換熱。試驗測得的傳熱系數與兩種液體流速的變化情況如附圖所示。求：試分析該換熱器的主要熱阻在哪一側？解：主要熱阻在介質乙這一側，因為增加介質甲的流速對傳熱系數的影響并不大，而增加介質乙的流速則使傳熱系數明顯上升，這說明介質乙對總熱阻有舉足輕重的影響。10-27、已知：一臺逆流式換熱器剛投入工作時在下列參數下運行：℃，℃，℃，℃，=2500W/K,K=800.運行一年后發(fā)現，在、、及、保持不變的情形下，冷流體只能被加熱到162℃，而熱流體的出口溫度則高于300℃。求：此情況下的污垢熱阻及熱流體的出口溫度。解：不結垢時，℃,.結垢后，。又℃℃，，。10-28、已知：為了查明汽輪機凝汽器在運行過程中結垢所引起的熱阻，分別用潔凈的銅管及經過運行已經結垢的銅管進行了水蒸氣在管外凝結的試驗，測得了以下數據。（數據見書上習題）求：已使用過的管子的水垢熱阻（按管外表面積計算）解：（1）對清潔管，℃換熱量℃結垢時，℃，℃污垢熱阻。10-29、已知：在一臺潔凈水冷式冷凝器中，保持換熱量及冷凝溫度不變而改變水速，測得數據如下（見書上習題）求：試用威爾遜圖解法決定蒸汽凝結時表面?zhèn)鳠嵯禂?。解：設凝結換熱系數為，水側換熱系數，則有：，這是形如的直線方程，。，。10-30、已知：在附圖所示的立式氨冷凝器的換熱過程中，冷卻水膜與壁面間的換熱規(guī)律可近似地表示為其中為單位圓周長度的質量流量，而氨側凝結換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂悼杀硎緸閷τ谥睆綖?1mm，厚3mm的光滑潔凈的鋼管，試驗測得下表所列數據。（表見課本習題）求：試用圖解法確定系數及指數n（參閱本章參考文獻【26】）。解：按題意可列出：————（1），——————(2),——————（3），為壁面熱阻。上式可改寫為：——————（4）。此式是形如的直線方程，取定一個n值，記為，可由此而得及，記為及；利用所得的，油式（2）可算出各工況下的，記為，于是可利用（3）式分離出各工況下的，記為，對（1）取對數得，此式又可看成是以為自變量，為因變量的直線方程，于是利用最小二乘法方法可得出及n的值，分別記為及，如果與的偏差及及的偏差小于允許值，則計算即可終止，此題宜用計算機求解，答案見教材。終止迭代時，，K的計算值與實測值間的最大相對偏差小于3.3％.。10-31、已知：對氟利昂22在單根水平放置的雙側強化管外的凝結換熱測得了以下實驗數據，冷卻水進、出口溫度分別為26.4℃及30.7℃，平均水速為1.05m/s（按管直徑計算）R22的飽和溫度為40℃：管直徑為19/16.4mm；基于管內表面積的水側表面?zhèn)鳠嵯禂禐?。管子材料為銅，表面清潔無污垢。求：基于管外表面積的凝結換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?。解℃，℃?zhèn)鳠岬膹娀c削弱10-32、已知：一球狀物體中，為絕緣材料的導熱系數，h為球外表面的表面?zhèn)鳠嵯禂?，假定為常數。求證：球狀物體的臨界表面絕緣半徑為證明：設周圍介質的溫度為則該球狀物體的熱量為，為球狀物體的一內半徑，該處的壁溫為是外半徑，此處視為變量，達到臨界半徑時，這導致即由此得。于是得球狀物體的臨界表面絕緣半徑為。10-33、已知：一外徑為400mm的細長殼管式換熱器水平地擱置于20℃的房間內，殼側的平均壁溫為200℃.由于投產倉促，外殼尚未包保溫材料，但涂有一層祝紅漆。求：估算在此條件下每平方米外殼上的散熱量。解：殼側流體與殼間的傳熱系數一般遠較殼外空氣的自然對流要強烈，故可近似的取為外殼溫度為200℃，則℃。。。10-34、已知：在上題中，估算當外殼包了一層50mm的絕緣材料時每平方米面積上的散熱損失。絕緣層導熱系數，其余條件不變。求：此時的保溫效率是多少？解：設此時絕緣層外表面溫度為60℃，則℃。空氣物性，，。。從絕緣層導熱可以得出，。與相差大于5％，已為一般工程計算所不允許，重設外表面溫度為64℃，則僅變化2℃，故物性可仍取原值。。。與相差2％，故此次計算有效。散熱損失可取為，保溫效率。10-35、已知：在室溫為20oC的房間內，橫穿過一根高溫管道。管道外徑為90mm，外包兩層絕熱材料。第一次為厚90mm的B級硅藻土制品，第二層為厚30mm的粉煤灰泡沫轉，外面再用很薄的石棉紙包裹。設石棉紙外壁溫度為60oC。求：第二層絕熱材料的最高溫度是否在允許的范圍以內?解：為了確定界面溫度需要計算單位長度上的散熱量。外表面上的散熱由自然對流以及輻射兩種方式組成，空氣物性=0.0276W/(m·K),v=16.96×10-6m2/s,Pr=0.699,單位長度上的散熱量為確定界面溫度，需先設置界面溫度為以確定導熱系數。設界面溫度為170oC。則界面溫度為115.8+60=175.8oC，與假定相差6oC，重新設界面溫度為170oC。則與假定的175oC十分相近，可見界面溫度沒有超過允許值。10-36、已知：對一種用于制冷劑R22冷凝的雙側強化管，用實驗方法測得的水平放置時的換熱參數如下表所示（冷凝溫度為40oC）。其中h1，h0分別按坯管內、外表面積計算。坯管內徑為16.4mm，外徑為19mm，材料為銅。工況進水溫度t'1(oC)出水溫度t"2(oC)平均水速U(m/s)管內表面?zhèn)鳠嵯禂礹1[W/(m2·K)]管外面?zhèn)鳠嵯禂礹0[W/(m2·K)]120.1430.350.521.125×1049.754×104226.4330.741.052.249×1041.240×104327.2130.521.503.097×1041.269×104428.5531.012.084.284×1041.354×104求：（1）計算4中工況下雙側強化管的總傳熱系數。設內外表面均無污垢。（2）在相同的冷凝溫度、平均水速及進口水溫下對平均放置的坯管進行第2種工況的傳熱計算，確定其內、外側的表面?zhèn)鳠嵯禂?，進而計算相應的總傳熱系數，以確認雙側強化管的強換傳熱的性能。管子的長度取為1m。所有計算均對坯管尺寸進行。解：先計算雙側強化管四種情況下的Ka值，Ka=工況11.0252×10-41.02982.0899×10-428.0645×10-55.15121.35647×10-437.8802×10-53.74071.19699×10-447.3855×10-52.70421.04392×10-4相同進口水溫、進口水速及t對坯管的計算需采用迭代方式。迭代計算順序為：設一個也可采用以下簡化方法：把凝結換熱表面?zhèn)鳠嵯禂涤嬎闶接梢岳淠郎囟茸鳛橐耗さ亩ㄐ詼囟?，可以做如下迭代計算：假設，由水側得熱平衡熱量；由對第二個工況，假定水的進出口溫差分別為0.5oC、1.0oC、1.5oC，進行計算，為簡化計算，設三種工況下定性溫度均為27oC，則有：以上計算表明，在水的進口溫差為1.0oC及1.5oC之間，有個交點。由于與幾乎成線性關系，在所計算的溫度變化范圍內也幾乎與成線性關系，故用線性差值公式找出使的。10-37、已知：在文獻[49]中如對附圖所示的平直翅片管束外的空氣掠流動得出了如下準側方程（4排的平均特性）：Nu=0.480Re0.489（560＜Re＜5x103）、其中，特征長度取管子外徑，Re數中的流速為垂直流動方向上最窄截面處的速度，定性溫度為進口與出口截面上氣流溫度的平均值，空氣側的換熱面積按總表面面積（計及肋效率）計算。今用這種翅片管制成高30cm的R134a蒸汽的冷凝器，R134a的飽和蒸汽在管內冷凝，管子豎直放置，進風面上共10排管子，流動方向為4排，來流空氣的溫度為25℃，迎面風速（即空氣進入換熱器前的風速）為2.0m/s。這種翅片的效率計算比較復雜，這里近似地取0.9。風道的截面尺寸為0.3mx0.265m。求：每秒鐘內R134a的凝結量的大小，并比較采用光管時的凝結量。解：假定空氣出口溫度為34.5℃，則℃，近似以30℃計?？諝獾奈镄詾椤Ｗ钫孛媪魉贋?，略去密度變化引起的流速變化，Re=，空氣側總傳熱面積=從空氣側熱平衡：折算到管內熱流：40℃R134a物性：總熱阻=℃，與相差小于4%，計算有效。取換熱量為1779，凝結量為：。采用光管時，空氣這側換熱的熱阻大大增加，凝結熱阻已可略而不計，取25℃的物性計算：按茹氏公式，略去的影響：，℃，、相差大于4%，重算?！?。設空氣進出口=2.2℃，℃，按此計算物性：℃，兩者相差為2.2%，可以成立。取僅原來的25%。10-38、已知：文獻[49]中還對開縫翅片管束的換熱器經行了實驗測定，測得空氣側平均換熱的特征方程為開縫翅片的肋效率較不開縫時要小一些，可取為不開縫時的95%。求：用這些開縫翅片管束重新經行上題的計算。解：經過數次試湊計算，取t"=36.3oC，tm=30.65oC，空氣物性按30oC計算：比平直翅片提高了約19%。傳熱問題綜合分析10-39、試分析保溫瓶瓶膽的熱量散失途徑，并指出在制造膽瓶時采用了那些措施來減少熱損失。解：熱量散失的途徑（1）通過夾層的輻射換熱（2）通過瓶塞的導熱（3）通過石棉粒的導熱。通過夾層的導熱可以不計。采用的措施：（1）夾空層真空（2）夾層內涂壁以反射率高的薄層。10-40、已知：直徑為=50mm，壁厚的鍋爐水冷壁管中流過溫度為315oC的沸騰水，管壁導熱系數。爐膛中的火焰、煙氣及爐墻對水冷壁管輻射換熱的綜合效果可用溫度T的環(huán)境來代替，水冷壁管外表面的，對流作用可不計。求其內、外表面潔凈時單位長度上的換熱量。解：因水沸騰換熱十分的強烈，其熱阻作為估算可以忽略，即ToC。管子外壁單位長度上與爐膛的換熱量：10-41已知：在上題中，如果水冷壁管外壁均勻的結了一層厚2mm的灰垢，其中其余條件不變。求：重新計算單位長度的換熱量。解：解得=1435K，單位長度換熱量為：。10-42、一蒸汽管道的保溫層外包了油毛氈，表面溫度為330K，外徑為0.32m。該管道水平地穿過室溫為220C的房間，在房間內的長度為6m。試計算蒸汽管道在該房間內的總散熱量。10-43、已知：一塊表面積為A的平板埋于絕熱材料中（如附圖所示）。初始時與溫度為T的氣流處于平衡狀態(tài)，后突然受到投入輻射G的在作用。平板對G的吸收比為α1，自身輻射的發(fā)射率為ξ，平板的熱容量為mc。此時對流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂禐閔。取G=3000W/m2，α1=0.8，ξ=0.9，T=300K，mc=20400J/K，h=50W/(m3.K)。求：試按集總參數法導出平板溫度隨時間變化的關系式，及當平板又一次處于穩(wěn)態(tài)工況時的溫度值。10-44、已知：設發(fā)熱表面上一個直徑為d的圓柱形散熱肋片被水平的置于溫度為t的環(huán)境中（見習題2-51附圖），肋片與周圍空氣發(fā)生自然對流換熱。肋片表面的發(fā)射率為ξ，導熱系數為λ。肋片頂端的散熱需加以考慮，可作為豎直平板上的自然對流，特征長度取0.9d。肋根溫度t0保持穩(wěn)定，肋高為H。求：試列出穩(wěn)態(tài)條件下肋片中的溫度分布應滿足的微分高程及邊界條件，并分析所得微分方程的特點，及你對求解這種問題的建議。解：對任一微元段，可以列出下列微分方程：系數A1、、A1取決于溫度，但在不大的溫度變化范圍內可以取為常數。這是關于溫度T的非線性方程，可用數值方法求解，方程中的對流與輻射散量相當于源項。10-45、已知：1200C飽和水蒸氣在換熱器管子外表面凝結，以加熱戀管內的冷水，傳熱戀系數k=1800W/（m2·k）。求：（1）把流量為每小時2000kg水從200C加熱到800C所需的傳熱面積：（2）如運行后產生了0.0004m2·k/W的污垢熱阻（其計算面積與傳熱系數相同），這時的出口水溫是多少？（進口水溫及流量保持不變。）解：（1）10-46、已知：用在圓管內繞電陰絲的方法來進行大空間內水平圓管的自然對流換熱。在一次試驗中測得：表面平均溫度的熱電勢EW＝1.88mV，空氣溫度的熱電勢Ef＝0.96Mv,加熱功率P＝28W。管子外徑d=0.08m，長l＝0.8m。管子外表面鍍鉻，發(fā)射率=0.06。熱電勢E與溫度t的關系為°C=0.1073+26.57求：該次自然對流換熱試驗中的對流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?、Nu數及GrPr數之值。10-47、已知：在習題10-43引入一些無量綱參數：N1=求：試將平板溫度隨時間變化的微分方程無量綱化，并利用習題9-43中所給的數據計算N1、N2之值，在這些值下用數值方法求解微分方程，并比較值相當大時數值求解所得結果與43題第二部分計算之值是否一致。10-48、已知：附圖所示為溫度房頂玻璃所受的各種熱交換作用的示意圖，圖中：求：（1）試寫出穩(wěn)態(tài)條件下單位玻璃面積上的能量平衡式：（2）設tg=27t1=24,h1=10W/(m2﹒K),h=55W/(m2﹒K),G1=1000W/m2=250W/m2Gi=440W/m2..試估算溫室內的溫度tf。（2）將已知數值代入得：0.281×1000+250+440+10（t1-27）=55(27-24)+2×0.94×5.67×34,tf=27-(165+863.4-281-250-440)=27+5.74=32.740C。10-49、已知：用直徑為13mm的不銹鋼管做水平管外的自然對流換熱試驗。在不銹鋼管兩端通電加熱，電阻為4/m。使鋼管表面溫度不超過3000C，（1）不銹鋼管置于200C的靜止空氣中；（2）不銹鋼管置于高壓水中，水飽和溫度超過3000C。不銹鋼管表面發(fā)射率可按氧化后的鋼處理。求：上面兩種情況下不銹鋼管所能的允許的最大電流。解：（1）不銹鋼管允許的最大電流所產生的熱量等于=3000C時的自然對流散熱及輻射散熱之和（2）置于水中時，電流所產生的熱量等于自然對流散熱量，＝160oC時，10-50、已知：在一次外層空間試驗里，一個很小的儀器被投放到宇宙空間中，假設此儀器可以近似地看作直徑4cm的經過表面處理的鋁球，初始溫度為30oC。球的溫度降低到40K時個儀器會失效。設宇宙空間可視為為OK的黑體，球的表面發(fā)射率取為0.96，鋁的物性可近似地取常溫下純鋁的值。求：估計該儀器能工作多長時間而不失效。解：采用集總參數法來分析問題，由于鉛球溫度在不斷地變化，故可列出：10-52、已知：直徑為r1的導線（芯線）內有電流流過，其外絕緣層半徑為r2，由于電阻而引起的單位長度上的發(fā)熱率θ是均勻的。求證：（1）芯線表面溫度要比環(huán)境溫度高(2)當r2的大小使得芯線表面溫度最低時，其中心溫度比環(huán)境溫度高，其中，為絕緣層的導熱系數，h為外表面復合換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂担?為芯線的導熱系數。證明：（1）芯線所發(fā)出的熱量通過絕緣層傳遞到周圍環(huán)境中去，單位長度上的發(fā)熱量θ可以表示成為：。10-53、在推導對數平均溫差所做的4個假定成立的前提下，繪制順流或逆流換熱器冷、熱流體各自的平均溫度沿流動方向變化的曲線時應注意什么問題？在文獻[34]中給出了如圖所示的變化曲線，你認為合理嗎？ 解：不合理。從冷熱流體溫度的角度，沿著換熱面增加方向時增加的，因而單位面積上的換熱量增加的，而從流體熱平衡的角度，沿換熱面增加的方向溫度的變化時減小的。兩者之間不協調。10-54、一安置在室外的變壓器必須向環(huán)境散失350W的熱量。在夏天，室外氣溫可高達308K。設變壓器的散熱量可以看成是高1m、直徑為0.5m的圓柱體側面與頂面的散熱。太陽的平均照射熱流密度為700W/m2。外殼涂漆，對太陽能的吸熱比為0.2。由于變壓器四周尚有其他雜物，環(huán)境的輻射可近似地看成為環(huán)境溫度下的黑體輻射。試估算夏天最高氣溫時的平均外殼溫度。 解：先假設外殼平均溫度為， ，，， 側面對流散熱：， 。 按表（5-12），，； 頂面圓蓋熱表面特性尺度取0.9d，則， 。 按表（5-12），，，，輻射換熱 ，。 實際應散出的熱量為。 相差大于4，重設空氣的物性變化可以忽略而不考慮， 則，， ，的差別小于1%，故。10-55、溫度為150℃的熱空氣流入內徑為100mm、壁厚為6mm、長為30m的鋼管，流量為0.407kg/s。關外用40mm厚的水泥泡沫磚保溫，環(huán)境溫度為15℃，保溫層外表面對環(huán)境的復合換熱表面?zhèn)鳠嵯禂禐?.6W/(m2·K)。求該管道出口處的熱空氣溫度。 解：出口溫度需要采用迭代的方式求解，正確的t*之值應使空氣側熱平衡熱量等于從空氣到環(huán)境之間的傳熱量?，F設：，則，，，，，，空氣平均流速，，按式（5-54），，，，鋼管導熱系數取為，則，取絕熱層平均溫度為80℃，則，，外表面熱阻，，，空氣熱平衡熱量，的差別小于2.5%，可以認為計算有效。絕熱層溫度呀驗算：絕熱層壁面溫度：，通過絕熱層的溫度降落，，此值與假定值相等10℃，90℃時絕熱材料的。與0.115相差2.6%，由于這一變動將使總熱阻減少約2%，仍然在工程計算允許的偏差范圍內，因而可以取140℃即為所求之值。10-56、在10-9節(jié)的第二個例子中沒有考慮水蒸氣與管壁之間的輻射換熱，試分析下列參數下這一假設的合理性：再熱器為光管，內徑為di=45mm；蒸汽壓力p=3Mpa，再熱蒸汽溫度t=550℃，蒸汽流速u=25m/s。注意，過熱蒸汽管內湍流對流換熱的平均表面?zhèn)鳠嵯禂等钥刹捎檬?5-54)來計算，但因本書中未負有其熱物性的表格，所以我們利用文獻[12]中的線算圖15計算得hi=750W/(m2·K)。再熱器的壁溫可取為比蒸汽溫度高40~50℃。 解：通過計算水蒸氣與管壁間輻射換熱系數的大小來判斷。根據已知條件， ，，查圖8-39得，取，按，，查圖8-39得，按式（8-34），水蒸汽與再熱器管壁的輻射換熱量： （負號表示管壁向蒸汽放熱）。。占對流換熱系數的6.9%，在初步分析中可以不予考慮。10-57、水平放置的直徑問2mm的裸鋁線處于15℃的無強制流動的空氣中，導線表面溫度為75℃，發(fā)射率為0.3。在此導線外包有厚1.2mm的橡膠層，其導熱系數為0.14W/(m·K)，外表面發(fā)射率為0.9。問在同樣的電流下，橡膠表面的溫度及導線表面的溫度各為多少？對于(GrPr)<104時的水平原著外的自然對流，實驗得出的式（5-79）中的系數C與指數n為 GrPr C n 10-2~102 1.02 0.148 102~104 0.850 0.188 解：（1）裸線： 熱量通過自然對流及輻射散失，， ，，， ，， ， 。 ，。（2）包橡膠層的導線。設外表面溫度為50℃，則， ，，， 。， ， ， ， 。 可見此時的散熱值與裸線時基本相同，這說明的加頂時正確的（加了絕緣層后，電流大小不變，則導線應散失之值亦相同），通過絕緣層的溫差 ，所以道題的表面溫度為。10-58、用初溫為35℃的冷卻水來冷卻流量為1.82kg/s、初溫為150℃的熱油，要求把油冷卻到85℃，而冷卻水則加熱到80℃。有人提出了如附圖所示的兩種方案。這兩種方案都采用逆流式套管換熱器，如圖b所示方案中采用兩臺大小相等的較小換熱器來代替圖a中的一臺大的換熱器，水側為串聯，油側為并聯，油量均分。設油的平均比熱容為2.1kj/(kg·K)，水的平均比熱容為4.2kj/(kg·K)，大小換熱器的總傳熱系數均為850W/(m2·K)，試確定哪一種方案所需的傳熱面積較小。 解（1）單個換熱器。 由熱平衡求油地流量，，，。 （2）兩個小換熱器。 先確定第一個換熱器的出口水溫tm,由于油量均分，故每個換熱器的傳熱量為： ，由于水側熱平衡，℃， ℃,℃,;℃, 。10-59、一工業(yè)用爐的爐門尺寸為1m×1m。由于其向火側不能附設足夠的絕熱材料，故爐門外壁溫度仍高達140℃。為減少對室內其他物體的熱輻射，在距爐門1m處有設置了一塊與爐門平行且同樣尺寸的金屬遮熱板（如附圖所示）。設爐門外表面的發(fā)射率為0.85，擋板兩個表面的發(fā)射率均為0.75，室溫為25℃，試確定擋板處于穩(wěn)態(tài)工況時的壁面溫度。 解：處于穩(wěn)態(tài)時，遮熱板與環(huán)境間的凈輻射還熱量等于板的兩表面的自然對流散熱，為便于計算，遮熱板與爐門間的空氣溫度也取為25℃。 （1）.輻射換熱計算。輻射換熱網絡圖如下圖所示。 爐門為表面1，環(huán)境為3，遮熱板的兩個表面分別為2L和2R。 ，，， ，，， ,,, 對節(jié)點J1,J2L及J2K寫出節(jié)點方程：； ；。 將各熱阻值代入，并注意到： 于是有： ……(1)； ……（2）； ……（3）。 由（1），（2）兩式得，由（3）得， 于是輻射換熱與對流的平衡可表示為：。 （2）自然對流換熱系數計算，先假定℃，則℃， ，，， ，。 ， 將已知值代入上述平衡方程得， 再將J2L,J2R的關系式代入，得： ， 整理之得：， 解此方程得：℃，與假設值37℃僅差1℃，故上述計算有效。10-60、一種存放液氮的鋼制球形容器如附圖所示。它由兩層同心鋼制球殼（第一層的內、外半徑分別為R0、R1，第二層的內外半徑分別為R2、R3）及求外的保溫層（內、外半徑分別為R3、R4）組成。在第一層球殼及第二層球殼之間（R1<R<R2）為真空，且半徑為R1、R2的球面拋光良好而可作為理想的反射體。這兩層球殼之間用對稱布置的4個圓錐狀實心柱體支撐（見附圖，w=2.4×10-2sr），其導熱系數為溫度的線性函數，并已知：T=50K時λ=0.05W/(m·K)，T=300K時λ=5W/(m·K)；鋼殼的導熱系數也是溫度的線性函數，且T=50K時λ=5W/(m·K)，T=300K時λ=15W/(m·K)。保溫材料為玻璃棉，λ=3×10-2W/(m·K)，可視為常數。77K的液態(tài)氮存儲于半徑為R1的球容器中，其汽化潛熱r=2×102kj/kg，ρ=808kg/m3。環(huán)境溫度T∞=298K。R0=0.149m，R1=0.150m，R2=0.200m，R3=0.201m，R4=0.300m，保溫層外表面復合換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂礹=10W/(m2·K)。試計算該鋼制球形容器中存放的50%容積的液氮經多少天可能全部蒸發(fā)掉。假定過程時穩(wěn)態(tài)的。解： 假設（1）儲存器內得熱量傳遞都是導熱過程（略去球表面之間得輻射換熱）。（2）是一維的；(3)過程是穩(wěn)態(tài)的；（4）在R0內一直維持在液氮溫度77K，而環(huán)境溫度為298K。 從熱阻的數量及級分析可以知道通過球殼的導熱熱阻完全可以不計，按球全面級積計： ， 穩(wěn)態(tài)時通過四個支撐的到熱量＝通過外層絕熱層的到熱量。 設每個支撐的立體角為ω，球容器所散失的熱流量為Φ，則對每個支撐有： ，，代入， 由已知得，，代入上式，積分得： 。 從絕熱材料導熱及外表面散熱的角度： ， 因而得：， ， 由此迭代解得， 所需時間 。10-61、為了進行豎直圓柱狀環(huán)形空間（夾層）中空氣自然對流換熱的試驗，專門設計了如附圖所示的裝置。內管壁系一組合璧，壁中有一層電加熱絲，且加熱絲與金屬壁絕緣，內壁上同時裝有測壁溫的熱電偶若干對，其余結構如圖所示。試分析從內部發(fā)出的熱量是通過哪些傳熱方式散發(fā)到周圍環(huán)境中去的。為了計算環(huán)形夾層中自然對流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?，需要吧從內管發(fā)出、通過非自然對流方式傳遞的熱量扣除。由于形式復雜及表面的發(fā)射率難以確定等因素，這部分熱量無法用現有的經驗公式通過計算扣除。你能否設想一種通過實驗的方法來確定總熱量中通過非自然對流方式散失的熱量的方案。試驗時試驗段的表面溫度可通過熱電偶來控制，并維持在75~80℃左右基本不變。 解：從內管出發(fā)得熱量通過三種方式傳遞到周圍環(huán)境中去，即：（1）環(huán)形空間中空氣的自然對流；（2）加熱表面與外殼內表面間的輻射換熱；（3）亮短的導熱。其中對流方式只有當空氣存在時才器起作用，而其余兩種方式則與空氣存在與否關系不大，取決于加熱元件表面溫度于外殼的溫度。為了查明通過非對流方式所散失的熱量，可以在保持內外壁溫之值基本不變的條件下，把環(huán)形空間抽成真空，此時加熱管所散失的熱量即為通過非自然對流方式散失之值。10-62、對于氣體、液體與固體表面之間的熱交換問題，在什么情況下流體與固體表面間不存在輻射換熱，或雖然存在但相對于對流換熱可以略而不計，學完本書后讀者對此應有清楚的了解。試對一下9種情況作出判斷，并簡要說明理由：空氣的自然對流換熱；空氣的強制對流換熱；煙氣的自然對流換熱（例如在一矩形封閉腔內的煙氣一側受熱，另一側被冷卻）；煙氣的強制對流換熱（例如煙氣流過鍋爐的蒸汽過熱器、再熱器等；）水及其他液體的自然對流換熱；水及其它液體的強制對流換熱；過熱水蒸氣的自然對流換熱；過熱水蒸氣的強制對流換熱（如水蒸氣在管內作湍流強制對流換熱）；鍋爐爐膛中高溫煙氣、火焰（1000℃以上）與四周水冷壁管之間的換熱。解：（1）流體與固體間不存在輻射換熱；（2）流體與固體間不存在輻射換熱；（3）流體與固體間存在輻射換熱，需與對流換熱同時考慮；流體與固體間存在輻射換熱，對流換熱強烈時可以不計輻射；液體與固體間輻射換熱可以不考慮；液體與固體間輻射可以不考慮；流體與固體間存在輻射換熱，需與對流換熱同時考慮；流體與固體間存在輻射換熱，對流換熱強烈時可以不計輻射；必須考慮輻射換熱，對流作用相對較小。10-63、試查明人造衛(wèi)星外殼材料的不同對外殼表面平衡溫度的影響。衛(wèi)星在星際空間運行，受到太陽的直接投入輻射G=1400W/m2。太陽可視為T=5800K的黑體，星際空間的溫度為0K。衛(wèi)星內部溫度Ti恒定，且Ti=273K。衛(wèi)星單位面積表面與其內部的換熱量可表示成牛頓冷卻公式的形式，其當量表面?zhèn)鳠嵯禂礹=0.4W/(m2·K)。試對于下列三種材料確定衛(wèi)星表面的平衡溫度：（1）材料的輻射特性可認為是黑體；（2）選擇性吸收材料A（見附圖a）；(3)選擇性吸收材料B（見附圖b）。材料A、B的特性均服從蘭貝特定律。 解：（1）材料為黑體時，，由此解得：。 （2）為材料A時，， 查表7－1得， 故熱平衡式為：， ，由此解得T=276.2K。 （3）為材料B時，，由此解得。（3）為材料B時，，由此解得。10-64、考慮一室內溜冰場的結冰過程。如附圖所示，-30℃的R152a制冷劑流經置于水層中的排管，制冷劑在排管內流動的過程中始終保持為液態(tài)。每根管子的制冷劑流量為0.05kg/s，管子內徑d=12mm，壁厚δ=1mm，節(jié)距s=50mm，管子長5m，水層深H=50mm?？紤]水層自0℃開始到完全結冰的過程。試問：（1）流出每根管子的制冷劑溫度是多少？（2）需要多長時間才能把水層完全凍結為冰。設結冰過程中管子外表面始終保持為0℃。冰的凝固熱為3.34×105J/kg。解：設，，，， ，，， ，。 設流動已充分發(fā)展，于是： ， 采用Gnielinski公式， 則。 ，。每根換熱量：，。再設出口為，溫度變化不大，故仍按原物性計算，。相差小于1％，計算有效。，，即。每一根管子所承擔的冷凍體積為: 。凝固所需熱量。。10-65、直徑為10mm的銅導線采用聚苯乙烯絕緣，其導熱系數為λ=0.14W/(m·K)。該導線常年位于風速為0.2m/s的環(huán)境中。試計算氣溫為20℃時能使散熱量達到最大的絕緣層厚度及單位長度上的散熱量。設導線表面溫度維持在80℃，計算中可采用假定h為常數的結論，但應計及輻射換熱（與20℃的環(huán)境之間發(fā)生）。聚苯乙烯塑料表面的發(fā)射率為0.9。 解：先假設，近似地以70℃作為其外表面溫度。則，空氣物性為：，， ，。 ， ， T可從熱平衡式得出：， ， 由此式解得，。，，。據上述計算，絕緣層外表面溫度為，今以65℃重新計算：，空氣物性為：，，，。，。，。，由此式解得，最大散熱量為，最大散熱量之絕熱層厚為2.2mm，散熱量為。傳熱學的綜合應用10-66、試分析導熱模塊（教材圖10-17）中熱量的傳遞過程。彈簧起什么作用？為什么要充入氦氣？解：熱量傳遞路徑：芯片活塞導熱彈簧導熱模塊骨架導熱冷卻水。彈簧既是導熱材料，又起到減少接觸熱阻作用，充以氮氣是為了利用其導熱系數較高的特性。10-67、已知：在電子儀器中常采用如圖所示的自然對流方式來冷卻電子元件。假設該組件被置于一個較大的機箱內，底板可以認為是絕熱的，每個發(fā)熱元件的功率均一樣，且其溫度各自接近均勻。求：試畫出沿流動方向發(fā)熱元件溫度分布的定性曲線并解釋之。解：在入口處由于空氣溫度低，而且還在與四周冷表面間的輻射換熱，因而電子元件的溫度也最低，隨著流動的進行，電子元件的溫度逐步上升，在出口由于電子元件與四周冷表面間的輻射又使得其溫度有所下降。10-68、已知：一臺大型交流發(fā)電機的一段鐵心如圖，其軸（x方向）向厚度為6cm，兩側開有通風溝，溝內有冷卻空氣通過。已知鐵心發(fā)熱造成均勻的內熱源，，通風溝表面溫度為50℃，鐵心的導熱系數。為簡便起見，可近似地按無限大平板處理。求：試確定鐵心中的最高溫度。解：把這一問題按一維無限大平版有內熱源的導熱問題處理，當平板兩側為第三內邊界條件時有：，今兩表面已知，相當于，因而有：，在處（及平板中心）溫度最高：。10-69、已知，發(fā)電機轉子的磁軛可近似簡化成一具有內部均勻熱源的空心圓筒體。已知內徑半徑處與溫度為的冷卻流體發(fā)生對流換熱，表面?zhèn)鳠嵯禂禐闊o限大，由體積損耗所形成的熱源強度為，按一維問題處理。求：磁軛內的溫度分布及最高溫度所在位置。解：表面?zhèn)鳠嵯禂禐闊o限大，即是第一類邊界條件，故有以下數學描述：積分一次可得：再積分一次有：由邊界條件可得：最高溫度處，故有：，，。10-70、已知：一臺同步發(fā)電機轉子磁軛的內、外半徑分別為，材料導熱系數，體積損耗所產生的，兩表面溫度均為200℃。求：試求磁軛的最高溫度及其所在位置（磁軛導熱的簡化模型同上題）。解：如圖：設為筒體內溫度最高處的半徑，則據上題有：，10-71、已知：在一無限大物體中，某點處持續(xù)受到流量(單位為W)的加熱時，經過（單位為s）時間后該物體各點的溫度可用下式表示：，其中r為計算點離開熱源中心的距離。試利用這一結果來分析下列電火花加工電極材料的選取問題。電火花加工中，火花放電的局布地區(qū)的溫度會升得很高以致損壞電極，因此電極的熔點應較高而且導熱系數應比較大。已知銅的熔點為2500℃，：鉬的熔點為1083℃，。求：選用哪種材料作電極較好？解：在電極附近相當于處?！鄡煞N材料在相同的下的溫升為：，，當所用功率已使鉬達到熔點時（2600℃），對銅的電極僅為。10-72、已知：在冶金工業(yè)中，為利用從冶金爐排出的廢氣來加熱送到爐子的空氣而采用如圖的氣-氣換熱器。為強化換熱采用多層不銹鋼絲網組成輻射網且置于煙道出口。今用實驗測定了換熱器的傳熱系數與有無輻射網及進口煙溫的關系，如圖。求：試分析這一結果是否合理。解：合理，輻射的影響。10-73、已知：冰球蓄冷是用以解決夏天用電時白天與夜間峰谷差的方法。即在夜間用電處于低谷時用電動制冷讓位于球內的水結冰，到白天用電高峰時用冰球來冷卻水然后送去空調，從而節(jié)省一部分空調用電。今有直徑為10cm的球殼，球體很薄并且用銅制成。溫度為10℃的水從外部流過冰球，冰球內的融化過程可認為是一純導熱過程，并且認為冰、水的導熱系數相同。求：試分析：（1）水速對冰球融化快慢的影響。是否水速越快冰球融化得越快？(2)提出一個特征數，其大小可以反應邊界上對流換熱強烈程度對融化速度影響的重要性：（3）估計此特征數的一值，大于此值后，表面上對流換熱的強弱對融化速度已無影響。解：冰的融化過程取決于兩個串聯的熱阻，即熱量從水傳遞到冰球的外表面（單位面積熱阻為）及冰球內部的導熱阻力(熱阻可以用表示)。因而不是水速越快，融化得越快，當數大于10以后，主要熱阻已在球的內部導熱這一側，增加水速對于加速融化已無明顯好處。10-74、已知：一般認為，在換熱面上結垢要使總傳熱系數減小。但正如在小直徑的管外包絕緣層可能反而導致傳熱強化一樣，對于通過圓管的傳熱，在管內結垢有可能反而會使傳熱強化。求：試分析有哪些因素反而會導致這種結果。解：(1)增加內表面的粗糙度。(2)管徑減小使流動增加。10-75、已知：美國能源部所主持的一項用銫輻照農產品的研究，是利用銫放射出的能量中所含的37.6％的射線來照射農產品，，以提高產品收成，降低病蟲害。把放射性物質銫裝在直徑為57mm、長500mm的圓柱形容器內，然后相疊布置如圖的情形。在輻射時應通以冷卻氣流來冷卻含銫的容器，因為銫的射線中其余62.4％的能量將變成熱能（每個圓柱體約213W），而圓柱體表面溫度應不高于300℃。假設：（1）24個疊層布置的圓柱可用相隔寬度為57mm的兩平板來代替；（2）兩假想平板的高度取為投影高度的78.5％，即每個銫圓柱只取半個圓柱面作為實際參加換熱的表面；（3）擋板可認為是絕熱的；（4）為使計算結果偏于安全，通道內的對流換熱按湍流充分發(fā)展狀態(tài)考慮。求：試確定在附圖的情況下空氣的流速需多大才能滿足冷卻要求。解：需傳遞的熱量，考慮對稱性，單側，取平均氣流速度為，按，，，，，，，。，。如按計算，則溫升約為19℃，故可按30℃計算物性，，，，。10-76、已知：一種測定相變物質（PCM）凝固點的方法如下，將相變物質（固體）放入一根長試管中，試管內安置有一熱電偶以測定其溫度。將此試管置于溫度為的恒溫水浴中，需比預計的凝固點高。待試管中的PCM全部熔化且溫度已十分接近時，將它從恒溫浴中取出置于空氣中冷卻。用數字采集系統(tǒng)記錄試管中PCM物質的降溫曲線，即可由該曲線確定該材料的凝固點。已知PCM的，試管外表面總表面?zhèn)鳠嵯禂担嚬芡獍霃絉＝6㎜。求：（1）分析熱電偶所測得之值能否代表整個試管中PCM的溫度？（2）畫出PCM的溫度隨時間變化的曲線，從溫度（>）一直冷卻到接近環(huán)境溫度()。解：按長圓柱體散熱分析，<0.1,故可按集總參數法分析。10-77、已知：采用相變材料（PCM）儲能是蓄能技術中最常用的方法。例如，在白天利用太陽能加熱水，再將熱水流經置于PCM中的圓管使PCM熔化，而到晚上再將冷水流過圓管使其受熱。附圖示出了一根置于方形容器內的管道在均勻受熱后不同時刻其周圍相變材料熔化的情形。求:試分析所示四個時刻熱量傳遞的機理。解：（a）為純導熱工況；(b)在管道四周開始形成對流；（c）自然對流進一步加??；（d）在管道四周形成強烈得自然對流。10-78、已知：機器人目前已廣泛應用于生產過程中，特別對于惡劣的工作環(huán)境（高溫或低溫環(huán)境）機器人的作用更加明顯。但在溫度不均勻的環(huán)境中工作時必須對機器人的溫度場有一個準確的計算，才能對膨脹，收縮等機械變形有合理的預測；以使機器人的動作能達到預期效果。另一方面，高溫環(huán)境中機器人的手還應有良好的絕熱，以免損失機器人。為了預測在高溫中工作的某一機械手的溫度場，采用了如圖所示的二維軸對稱模型。設該機械手的初始溫度均勻并為,后突然處于高溫環(huán)境中，其中手的表面于溫度為的周圍介質對流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂禐椋跍囟葹榈沫h(huán)境發(fā)生輻射換熱，其表面發(fā)射率為。相應地手臂表面也有上述這些換熱，參數各