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1、传热学课后标记题目答案1-9第一章1-8 热水瓶胆剖面的示意图如附图所示。瓶胆的两层玻璃之间抽成真空,内胆外壁和外胆内壁涂了反射率很低的银。试分析热水瓶具有保温作用的原因。如果不小心破坏了瓶胆上抽气口处的密闭性,这会影响保温效果吗?解:保温作用的原因:内胆外壁外胆内壁涂了反射率很低的银,则通过内外胆向外辐射的热量很少,抽真空是为了减少内外胆之间的气体介质,以减少其对流换热的作用。如果密闭性破坏,空气进入两层夹缝中形成了内外胆之间的对流传热,从而保温瓶的保温效果降低。1-10 一炉子的炉墙厚13cm,总面积为20,平均导热系数为1.04w/m.k,内外壁温分别是520和50。试计算通过炉墙的热损
2、失。如果所燃用的煤的发热量是2.09104kJ/kg,问每天因热损失要用掉多少千克煤?解:根据傅利叶公式 每天用煤 1-16为了说明冬天空气的温度以和风速对人体冷暖感觉的影响,欧美国家的天气预报中普遍采用风冷温度的概念(wind-chill temperature)。风冷温度是一个当量的环境温度,当人处于静止空气的风冷温度下时其散热量与人处于实际气温、实际风速下的散热量相同。从散热计算的角度可以将人体简化为直径为25cm、高175cm、表面温度为30的圆柱体,试计算当表面传热系数为时人体在温度为20的静止空气中的散热量。如果在一个有风的日子,表面传热系数增加到,人体的散热量又是多少?此时风冷温
3、度是多少?1-19 在1-14题目中,如果把芯片和底板置于一个封闭的机壳内,机壳的平均温度为20,芯片的表面黑度为0.9,其余条件不变,试确定芯片的最大允许功率。解: P1.657W1-21 有一台气体冷却器,气侧表面传热系数95W/(m.K),壁面厚2.5mm,水侧表面传热系数W/(m.K)。设传热壁可以看成平壁,试计算各个环节单位面积的热阻和从气到水的总传热系数。你能否指出,为了强化这一传热过程,应首先从哪一环节着手?解:则94.7,应强化气体侧表面传热。第二章2-2 一冷藏室的墙由钢皮矿渣棉和石棉板三层叠合构成,各层的厚度依次为0.794mm.,152mm和9.5mm,导热系数分别为45
4、,0. 07和0.1。冷藏室的有效换热面积为37.2,室内外气温分别为-2和30,室内外壁面的表面传热系数可分别按1.5和2.5计算。为维持冷藏室温度恒定,试确定冷藏室内的冷却排管每小时需带走的热量。解:由题意得 357.14W 357.1436001285.6KJ2-7如附图所示的不锈钢平底锅置于电器灶具上被加热,灶具的功率为1000W,其中85用于加热平底锅。锅底厚=3,平底部分直径d=200,不锈刚的导热系数=18W/(mK),锅内汤料与锅底的对流传热表面传热系数为2500W/(K),流体平均温度tf=95。试列出锅底导热的数学描写,并计算锅底两表面的温度。解:2-15 外径为50mm的
5、蒸气管道外,包覆有厚为40mm平均导热系数为0.11的煤灰泡沫砖。绝热层外表面温度为50,试检查矿棉渣与煤灰泡沫砖交界面处的温度是否超过允许值?又。增加煤灰泡沫砖的厚度对热损失和交界面处的温度有什么影响?蒸气管道的表面温度取为400。解:由题意多层蒸气管总热流量代入数据得到 由附录知粉煤灰泡沫砖材料最高允许温度为300由此设在300时因为所以不会超过允许温度。当增加煤灰泡沫砖的厚度会使热损失增加,从而边界面处温度下降。2-22 一个储液氨的容器近似的看成为内径为300mm的圆球。球外包有厚为30mm的多层结构的隔热材料。隔热材料沿半径方向的当量导热系数为,球内液氨的温度为-195.6,室温为2
6、5,液氨的相变热为199.6kJ/kg。试估算在上述条件下液氨每天的蒸发量。解:2-30 一高为30cm的铝制圆台形锥台,顶面直径为8.2cm,底面直径为13cm.。底面和顶面温度各自均匀,并分别为520和20,锥台侧面绝热。试确定通过该锥形台的导热量。铝的导热系数为100。解:根据傅利叶导热公式得因为:得 得代入数据积分得2-36 q=1000W/m的热流沿x方向穿过厚为20mm的平板(见附图)。已知x=0mm,10mm,20mm处的温度分别为100,60和40。试据此确定材料导热系数表达式(为平均温度)中的和b。解:x=0mm,x=10mm处的平均温度又 所以热量即 (1)同理x=10mm
7、,x=20mm处得 (2)联立得b=-0.009 2-52 在外径为25mm的管壁上装有铝制的等厚度环肋,相邻肋片中心线之间的距离s=9.5mm,环肋高H=12.5mm,厚0.8mm。管壁温度,流体温度,管壁和肋片与流体之间的表面传热系数为110。试确定每米长肋片管(包括肋片和基管部分)的散热量。解:查表得W/(m.K)从图查得,肋片两面散热量为:肋片的实际散热量为:两肋片间基管散热量:总散热量为2-53 过热蒸气在外径为127mm的钢管内流过,测蒸气温度套管的布置如附图所示。已知套管外径d=15mm,壁厚0.9mm,导热系数49.1。蒸气与套管间的表面传热系数h=105。为使测温误差小于蒸气
8、与钢管壁温度差的0.6,试确定套管应有的长度。解:按题意应使,查附录得:,。第三章34 在一内部流动的对流换热试验中(见附图),用电阻加热器产生热量加热量管道内的流体,电加热功率为常数,管道可以当作平壁对待。试画出在非稳态加热过程中系统中的温度分布随时间的变化(包括电阻加热器,管壁和被加热的管内流体)。画出典型的四个时刻;初始状态(未开始加热时),稳定状态和两个中间状态。解:如图所示:315 一种火焰报警器采用低熔点的金属丝作为传热元件,当该导线受火焰或高温烟气的作用而熔断时报警系统即被触发,一报警系统的熔点为5000C,初始温度为250C。问当它突然受到6500C烟气加热后,为在1min内发
9、生报警讯号,导线的直径应限在多少以下?设复合换热器的表面换热系数为。 解:采用集总参数法得: ,要使元件报警则 ,代入数据得D0.669mm验证Bi数:,故可采用集总参数法。316 在热处理工艺中,用银球试样来测定淬火介质在不同条件下的冷却能力。今有两个直径为20mm的银球,加热到6000C后被分别置于200C的盛有静止水的大容器和200C的循环水中。用热电偶测得,当因球中心温度从6500C变化到4500C时,其降温速率分别为1800C/s和3600C/s。试确定两种情况下银球表面与水之间的表面传热系数。已知在上述温度范围内银的物性参数为。 解:本题表面传热系数未知,即Bi数为未知参数,所以无
10、法判断是否满足集总参数法条件。为此,先假定满足集总参数条件,然后验算(1) 对静止水情行,由,代入数据 验算Bi数,满足集总参数条件。(2) 对循环水情形,同理, 按集总参数法时 验算Bi数 ,不满足集总参数条件 改用漠渃图 此时 ,查图得 331 一火箭发动机喷管,壁厚为9mm,出世温度为300C。在进行静推力试验时,温度为1 7500C的高温燃气送于该喷管,燃气与壁面间的表面传热系数为。喷管材料的密度,导热系数为,。假设喷管因直径与厚度之比较大而可视为平壁,且外侧可作绝热处理,试确定:(1) 为使喷管的最高温度不超过材料允许的温度而能允许的运行时间;(2) 在所允许的时间的终了时刻,壁面中
11、的最大温差;(3) 在上述时刻壁面中的平均温度梯度与最大温度梯度。 无限长圆管341 一钢球直径为10cm,初温为2500C,后将其置于温度为100C的油浴中。设冷却过程中的表面传热系数可取为,问欲使球心温度降低到1500C需要经过多长时间,此时球表面的温度为多少?球的导热系数为,热扩散率为。3-52、已知:医学知识告诉我们:人体组织的温度等于,高于48的时间不能超过10s,否则该组织内的细胞就会死亡。今有一劳动保护部门需要获得这样的资料,即人体表面接触到60、70、80、90、100的热表面厚,皮肤下烧伤程度随时间而变化的情况。人体组织性取37水的数值,计算的最大时间为5min,假设一接触到
12、热表面,人体表面温度就上升到了热表面的温度。求:用非稳态导热理论做出上述烧伤深度随时间变化的曲线。解:按半无限大物体处理,37时。利用习题54中给出的公式,可得之值,由误差函数表可查得相应的的数值,从而确定不同(单位秒)下温度为48的地点的x值,即皮下烧伤深度。令对于和70两种情形给出计算结果如下: 烧伤深度,mm0.5分钟1分钟2分钟3分钟4分钟5分钟600.521740.501420143.034.285.246.056.77700.666660.68522.924.145.857.168.279.25变化曲线略。第四章4-10、一等截面直肋,高H,厚,肋根温度为,流体温度为,表面传热系数
13、为h,肋片导热系数为。将它均分成4个节点(见附图),并对肋端为绝热和为对流边界条件(h同侧面)的两种情况列出节点2,3,4的离散方程式。设H=45cm,=50W/(m.K),,计算节点2,3,4的温度(对于肋端的两种边界条件)。解:采用热平衡法可列出节点2、3、4的离散方程为:节点2:;节点3:;节点4:肋端绝热,肋端对流。其中。将已知条件代入可得下列两方程组:肋端绝热 肋端对流 由此解得:肋端绝热,; 肋端对流,。肋端对流换热的条件使肋端温度更接近于流体温度。4-15、一直径为1cm,长4cm的钢制圆柱形肋片,初始温度为25,其后,肋基温度突然升高到200,同时温度为25的气流横向掠过该肋片
14、,肋端和两侧的表面传热系数均为100。试将该肋片等分成两段(见附图),并用有限差分法显式格式计算从开始加热时刻起相邻4个时刻上的温度分布(以稳定性条件所允许的时间间隔计算依据)。已知43W/(m.K),。(提示:节点4的离散方程可按端面的对流散热与从节点3到节点4的导热相平衡这一条件列出)。解:三个节点的离散方程为:节点2: 节点3:节点4:。以上三式可化简为:稳定性要求,即。,代入得:,如取此值为计算步长,则:,。于是以上三式化成为: 时间 点 12340200252525200128.8125252200128.8155.8055.093200137.9573.6472.544200143.0486.7085.30在上述计算中,由于之值正好使,因而对节点2出现了在和2时刻温度相等这一情况。如取为上值之半,则,于是有:对于相邻四个时层的计算结果如下表所示:时间 点1