传热学第四版课后题
答案
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第十章第十章思考题1、所谓双侧强化管是指管内侧与管外侧均为强化换热表面得管子。设一双侧强化管用内径为di、外径为d0的光管加工而成，试给出其总传热系数的表达式，并说明管内、外表面传热系数的计算面积。1、在圆管外敷设保温层与在圆管外侧设置肋片从热阻分析的角度有什么异同在什么情况下加保温层反而会强化其传热而肋片反而会削弱其传热答：在圆管外敷设保温层和设置肋片都使表面换热热阻降低而导热热阻增加，而一般情况下保温使导热热阻增加较多，使换热热阻降低较少，使总热阻增加，起到削弱传热的效果；设置肋片使导热热阻增加较少，而换热热阻降低较多，使总热阻下降，起到强化传热的作用。但当外径小于临界直径时，增加保温层厚度反而会强化传热。理论上只有当肋化系数与肋面总效率的乘积小于1时，肋化才会削弱传热。1、重新讨论传热壁面为平壁时第二题中提出的问题。答：传热壁面为平壁时，保温总是起削弱传热的作用，加肋是否起强化传热的作用还是取决于肋化系数与肋面总效率的乘积是否人于1。4、推导顺流或逆流换热器的对数平均温差计算式时做了一些什么假设，这些假设在推导的哪些环节中加以应用讨论对大多数间壁式换热器这些假设的适用情形。5、对于三种情形，画出顺流与逆流时冷、热流体温度沿流动方向的变化曲线，注意曲线的凹向与相对大小的关系。6、进行传热器
设计
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时所以据的基本方程是哪些有人认为传热单元数法不需要用到传热方程式，你同意吗答：换热器设计所依据的基本方程有：传热单元法将传热方程隐含在传热单元和效能之中。7、在传热单元数法中有否用到推导对数平均温差时所做的基本假设，试以顺流换热器效能的计算式推导过程为例予以说明。答：传热单元数法中也用到了推导平均温差时的基本假设，说明略o8、什么叫换热器的设计计算，什么叫校核计算答：已知流体及换热参数，设计一个新的换热器的过程叫做设计计算，对已有的换热器，根据流体参数计算其换热量和流体出口参数的过程叫做校核计算。9、在进行换热器的校核计算时，无论采用平均温差法还是采用传热单元数法都需要假设一种介质的出口温度，为什么此时使用传热单元数法较为方便答：用传热单元数法计算过程中，出口温度对传热系数的影响是通过定性温度来体现的，远没有对平均温差的影响大，所以该法用于校核计算时容易得到收敛的计算结果。10、试用简明语言说明强化单相强制对流换热、核态沸腾及膜状凝结的基本思想。答：无相变强制对流换热的强化思路是努力减薄边界层．强化流体的扰动与混合；核态沸腾换热的强化关键在于增加汽化核心数；膜状凝结换热强化
措施
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是使液膜减薄和顺利排出凝结液。11、在推导换热器效能的计算公式时在哪些环节引入了推导对数平均温差时提出的四个假设习题10-1、在一气－气套管式换热器中，中心圆管的内外表面都设置了肋片，试用下表所列符号导出管内流体与环形夹层中流体之间总传热系数的表达式。基管的导热系数为。10-2、已知：一有环肋的肋片管、水蒸气再管内凝结，表面传热系数为12200W/(㎡*K)空气横向掠过管外，按总外表面面积计算的表面传热系数为W/(㎡*K)。肋片管基管外径为,壁厚2mm，肋高，肋厚，肋片中心线间距为。基管与肋片均用铝做成，λ=169W/（m*K）。求：当表面洁净无垢时该肋片管的总传热系数。10-3、一卧式冷凝器采用外径为25mm，壁厚的黄铜管做成热表面。已知管外冷凝侧的平均传热系数，管内水侧平均的表面传热系数。试计算下列两种情况下冷凝器按管子外表面面积计算的总传热系数（1）管子内外表面均是洁净的（1）管内为海水，流速大于1m/s，结水垢，平均温度小于500C，蒸汽侧有油。10-4、已知：一套管式换热器长2m，外壳内径为6cm,内管外直径为4m，厚3mm。内管中流过冷却水，平均温度为40℃，流量为㎡/s。14号润滑油以平均温度70℃流过环行空间，流量为㎡/s。冷却水系统处理的冷却塔水，管壁材料为黄铜。求：内外壁面均洁净及长时间运行结垢后的总传热系数值。解：水侧h1的计算40℃时，流动截面积采用式（5-54），油侧的计算流动的截面积：近似的取为40℃，则：利用此值重新确定管壁温度，略去壁面热阻不计，则内侧热阻在总热阻中的比值为：油，水侧均结垢时，取则10-5、已知：一种用于制冷剂凝结换热的双侧强化管用直径为19、的胚管加工而成，长。在一次试验中测得冷却水进出口温度分别为℃及℃，平均水速为s,按胚管尺寸计算的管内平均表面传热系数为×104W/(m2*K),管外凝结换热表面传热系数为×104W/(m2*K),管材为铜。求：按胚管外表面计算的总传热系数值。并分析管内水侧采用强化表面后的强化效果。解：，取=400W/(m*k),则有：若管内不强化，则按D-B公式计算时：℃，内侧热阻变为可见如不强化内侧热阻要加大5倍左右。平均温压计算10-6、已知：順流与逆流布置。求：分别按qm1c1>qm2c2及qm1c1
qm2c2或qm1c1
标准
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烟气的物性值查取。水侧的表面传热系数远大于与烟气侧的表面传热系数，烟气的辐射换热可略而不及。求：估算所需的直管长度。解：因为水侧换热系数远大于烟气侧之值，因而管壁的平均温度可取为水的平均温度，即℃对于烟气：℃，，采用式（5-54）来估算，则，由对流换热公式：所以。10-17、已知：在一逆流式水-水换热器中，管内为热水，进口温度℃出口温度为℃，管外流过冷水，进口温度℃，出口温度℃，总换热量，共有53根内径为16mm、壁厚为1mm的管子。管壁导热系数，管外流体的表面传热系数，管内流体为一个
流程
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。管子内、外表面都是洁净的。求：所需的管子长度。解：计算管内平均换热系数。℃℃，本题中冷热流体总温差为℃，管外冷流体侧占68﹪，管内侧约占32﹪，故不必考虑温差的修正。10-18、压力为×105Pa的无油饱和水蒸气在卧式壳管式冷凝器的壳侧凝结。经过处理的循环水在外径为20mm、壁厚为1mm的黄铜管内流过，流速为s，其温度由进口处的560C升高到出口的940C。黄铜管成叉排布置，在每一竖直排上平均布置9根。冷却水在管内的流动为两个流程，管内已积水垢。试确定所需的管长、管子数及冷却水量。传热量。10-19、已知：要设计一台卧式冷凝器去凝结50℃的饱和水蒸气，以获得800kg/h的凝结量，可供给大的冷却水量为20kg/s，初温为20℃.已知有一些外径为20mm、壁厚2mm的黄铜管，每根长为2m。假设管壁的热阻可以不计，冷却水在管内流动，总的污垢热阻取为（按黄铜管内表面积计算），冷却水侧为一程，估算凝结换热的表面传热系数时可假定黄铜管按正方行排列。求：所需的黄铜管数。解：为确定传热系数要假定管子根数n,设n=140。传热量可由凝结侧确定：。为计算冷却水出口温度，需先假定其平均温度，设为23℃，则，冷却水进口温差：℃，即平均温度为℃，与假定值十分接近。水侧换热系数。水蒸气凝结系数。取℃，则，将的关系式代入（6-4）整理之，得，故140根管子按正方形排列，按内表面计算的传热系数：℃，与热平衡热量相差仅％，上述计算有效，另外从热阻分析可知，凝结侧的温度降为6℃，故液膜平均温度为47℃，与假设值45℃仅差2℃，由此而引起的物性变化对的影响液可忽略。如不考虑管壁热阻，则与热平衡热量相差仅％，仍在工程计算允许的误差范围内。换热器校核计算10-20、已知：一台1-2型壳管式换热器用30℃的水来冷却120℃的热油，冷却水流量为s，油流量为2kg/s总传热系数，传热面积为。求：水与油各自的出口温度。解：设平均温度为40℃，利用习题24中提供的公式得℃。℃，℃，值与4174十分接近，故不必重算。10-21、在一台逆流式水－水换热器中，，流量为每小时9000kg，，流量为每小时13500kg，总传热系数，传热面积A=,试确定热水的出口温度。10-22、欲采用套管式换热器使热水与冷水进行热交换，并给出。取总传热系数为，试确定采用顺流与逆流两种布置时换热器所交换的热量、冷却水出口温度及换热器的效能。10-23、已知：为利用燃气轮机的排气来加热高压水，采用1-2型肋片管换热器。在一此测定中得出：燃气的质量流量为2kg/s,进口温度325℃，冷却水质量流量为s,℃，℃，按气体侧基管直径的换热面积为.燃气物性可近似按附录中标准烟气的值查取。求：该条件下的总传热系数。解℃换热量。为确定烟气的平均比热需假设其出口温度，设℃℃，，故由此得℃，与假设值十分接近，不必重复计算。℃，。10-24、已知：在习题10-15中，如果冷却水流量增加50％，但冷却水和空气的进口温度、空气流量及传热面积均不变，传热系数也认为不变，问传热量可增加多少为比较准确地获得值，1-2型换热器可按下式计算；式中，从传热过程的机理来说，此时假定传热系数不变是否合理传热量的增加主要是通过什么途径实现的如果空气流量增加50％，还可以假定K不变吗解；设冷却水流量增加后其平均比热的变化可以不计，原有的，增加冷却水量后此值为，代入计算式得：增加水流量前的效能。由式（9-17）可知，因为保持不变，，故传热量增加了％，引起传热量增加的一个主要原因是冷却水量增加后对数平均温差有所上升。如果空气流量增加50％，就不能假定K不变，因为此时空气侧换热系数有显著增加，而空气侧热阻为主要热阻。10-25、已知：有一台逆流套管式冷油器，冷却水流量为s，进水温度℃热油进口温度为120℃，油的比热容为(kg*k)，传热面积为，总传热系数为280.如果油的出口温度不得低于60℃，冷却水的出口温度不得高于85℃.求：该冷油器所能冷却的最大油流量。解：最大的油流量相应于℃时的情形。现以℃计算，最后检验是否能满足要求。℃，因而得℃即，解此方程得℃＞60℃，故满足要求。68-35=33<35故成立由此得。热阻的分析与分离10-26、已知：有一台液-液换热器，甲、乙两种介质分别在管内、外作强制对流换热。试验测得的传热系数与两种液体流速的变化情况如附图所示。求：试分析该换热器的主要热阻在哪一侧解：主要热阻在介质乙这一侧，因为增加介质甲的流速对传热系数的影响并不大，而增加介质乙的流速则使传热系数明显上升，这说明介质乙对总热阻有举足轻重的影响。10-27、已知：一台逆流式换热器刚投入工作时在下列参数下运行：℃，℃，℃，℃，=2500W/K,K=800.运行一年后发现，在、、及、保持不变的情形下，冷流体只能被加热到162℃，而热流体的出口温度则高于300℃。求：此情况下的污垢热阻及热流体的出口温度。解：不结垢时，℃,.结垢后，。又℃℃，，。10-28、已知：为了查明汽轮机凝汽器在运行过程中结垢所引起的热阻，分别用洁净的铜管及经过运行已经结垢的铜管进行了水蒸气在管外凝结的试验，测得了以下数据。（数据见书上习题）求：已使用过的管子的水垢热阻（按管外表面积计算）解：（1）对清洁管，℃换热量℃（2）结垢时，℃，℃污垢热阻。10-29、已知：在一台洁净水冷式冷凝器中，保持换热量及冷凝温度不变而改变水速，测得数据如下（见书上习题）求：试用威尔逊图解法决定蒸汽凝结时表面传热系数。解：设凝结换热系数为，水侧换热系数，则有：，这是形如的直线方程，。，。10-30、已知：在附图所示的立式氨冷凝器的换热过程中，冷却水膜与壁面间的换热规律可近似地表示为其中为单位圆周长度的质量流量，而氨侧凝结换热的表面传热系数可表示为对于直径为51mm，厚3mm的光滑洁净的钢管，试验测得下表所列数据。（表见课本习题）求：试用图解法确定系数及指数n（参阅本章参考文献【26】）。解：按题意可列出：————（1），——————(2),——————（3），为壁面热阻。上式可改写为：——————（4）。此式是形如的直线方程，取定一个n值，记为，可由此而得及，记为及；利用所得的，油式（2）可算出各工况下的，记为，于是可利用（3）式分离出各工况下的，记为，对（1）取对数得，此式又可看成是以为自变量，为因变量的直线方程，于是利用最小二乘法方法可得出及n的值，分别记为及，如果与的偏差及及的偏差小于允许值，则计算即可终止，此题宜用计算机求解，答案见教材。终止迭代时，，K的计算值与实测值间的最大相对偏差小于％.。10-31、已知：对氟利昂22在单根水平放置的双侧强化管外的凝结换热测得了以下实验数据，冷却水进、出口温度分别为℃及℃，平均水速为s（按管直径计算）R22的饱和温度为40℃：管直径为19/；基于管内表面积的水侧表面传热系数为.。管子材料为铜，表面清洁无污垢。求：基于管外表面积的凝结换热的表面传热系数。解℃，℃传热的强化与削弱10-32、已知：一球状物体中，为绝缘材料的导热系数，h为球外表面的表面传热系数，假定为常数。求证：球状物体的临界表面绝缘半径为证明：设周围介质的温度为则该球状物体的热量为，为球状物体的一内半径，该处的壁温为是外半径，此处视为变量，达到临界半径时，这导致即由此得。于是得球状物体的临界表面绝缘半径为。10-33、已知：一外径为400mm的细长壳管式换热器水平地搁置于20℃的房间内，壳侧的平均壁温为200℃.由于投产仓促，外壳尚未包保温材料，但涂有一层祝红漆。求：估算在此条件下每平方米外壳上的散热量。解：壳侧流体与壳间的传热系数一般远较壳外空气的自然对流要强烈，故可近似的取为外壳温度为200℃，则℃。。。10-34、已知：在上题中，估算当外壳包了一层50mm的绝缘材料时每平方米面积上的散热损失。绝缘层导热系数，其余条件不变。求：此时的保温效率是多少解：设此时绝缘层外表面温度为60℃，则℃。空气物性，，。。从绝缘层导热可以得出，。与相差大于5％，已为一般工程计算所不允许，重设外表面温度为64℃，则仅变化2℃，故物性可仍取原值。。。与相差2％，故此次计算有效。散热损失可取为，保温效率。10-35、已知：在室温为20oC的房间内，横穿过一根高温管道。管道外径为90mm，外包两层绝热材料。第一次为厚90mm的B级硅藻土制品，第二层为厚30mm的粉煤灰泡沫转，外面再用很薄的石棉纸包裹。设石棉纸外壁温度为60oC。求：第二层绝热材料的最高温度是否在允许的范围以内解：为了确定界面温度需要计算单位长度上的散热量。外表面上的散热由自然对流以及辐射两种方式组成，空气物性=(m·K),v=×10-6m2/s,Pr=,单位长度上的散热量为确定界面温度，需先设置界面温度为以确定导热系数。设界面温度为170oC。则界面温度为+60=，与假定相差6oC，重新设界面温度为170oC。则与假定的175oC十分相近，可见界面温度没有超过允许值。10-36、已知：对一种用于制冷剂R22冷凝的双侧强化管，用实验方法测得的水平放置时的换热参数如下表所示（冷凝温度为40oC）。其中h1，h0分别按坯管内、外表面积计算。坯管内径为，外径为19mm，材料为铜。工况进水温度t'1(oC)出水温度t"2(oC)平均水速U(m/s)管内表面传热系数h1[W/(m2·K)]管外面传热系数h0[W/(m2·K)]1×104×1042×104×1043×104×1044×104×104求：（1）计算4中工况下双侧强化管的总传热系数。设内外表面均无污垢。（2）在相同的冷凝温度、平均水速及进口水温下对平均放置的坯管进行第2种工况的传热计算，确定其内、外侧的表面传热系数，进而计算相应的总传热系数，以确认双侧强化管的强换传热的性能。管子的长度取为1m。所有计算均对坯管尺寸进行。解：先计算双侧强化管四种情况下的Ka值，Ka=工况1×10-4×10-42×10-5×10-43×10-5×10-44×10-5×10-4相同进口水温、进口水速及t对坯管的计算需采用迭代方式。迭代计算顺序为：设一个也可采用以下简化方法：（1）把凝结换热表面传热系数计算式由以冷凝温度作为液膜的定性温度，可以做如下迭代计算：（1）假设，由水侧得热平衡热量；（1）由对第二个工况，假定水的进出口温差分别为、、，进行计算，为简化计算，设三种工况下定性温度均为27oC，则有：以上计算表明，在水的进口温差为及之间，有个交点。由于与几乎成线性关系，在所计算的温度变化范围内也几乎与成线性关系，故用线性差值公式找出使的。10-37、已知：在文献[49]中如对附图所示的平直翅片管束外的空气掠流动得出了如下准侧方程（4排的平均特性）：Nu=（560＜Re＜5x103）、其中，特征长度取管子外径，Re数中的流速为垂直流动方向上最窄截面处的速度，定性温度为进口与出口截面上气流温度的平均值，空气侧的换热面积按总表面面积（计及肋效率）计算。今用这种翅片管制成高30cm的R134a蒸汽的冷凝器，R134a的饱和蒸汽在管内冷凝，管子竖直放置，进风面上共10排管子，流动方向为4排，来流空气的温度为25℃，迎面风速（即空气进入换热器前的风速）为s。这种翅片的效率计算比较复杂，这里近似地取。风道的截面尺寸为。求：每秒钟内R134a的凝结量的大小，并比较采用光管时的凝结量。解：假定空气出口温度为℃，则℃，近似以30℃计。空气的物性为。最窄截面流速为，略去密度变化引起的流速变化，Re=，空气侧总传热面积=从空气侧热平衡：折算到管内热流：40℃R134a物性：总热阻=℃，与相差小于4%，计算有效。取换热量为1779，凝结量为：。采用光管时，空气这侧换热的热阻大大增加，凝结热阻已可略而不计，取25℃的物性计算：按茹氏公式，略去的影响：，℃，、相差大于4%，重算。℃。设空气进出口=℃，℃，按此计算物性：℃，两者相差为%，可以成立。取仅原来的25%。10-38、已知：文献[49]中还对开缝翅片管束的换热器经行了实验测定，测得空气侧平均换热的特征方程为开缝翅片的肋效率较不开缝时要小一些，可取为不开缝时的95%。求：用这些开缝翅片管束重新经行上题的计算。解：经过数次试凑计算，取t"=，tm=oC，空气物性按30oC计算：比平直翅片提高了约19%。传热问题综合分析10-39、试分析保温瓶瓶胆的热量散失途径，并指出在制造胆瓶时采用了那些措施来减少热损失。解：热量散失的途径（1）通过夹层的辐射换热（2）通过瓶塞的导热（3）通过石棉粒的导热。通过夹层的导热可以不计。采用的措施：（1）夹空层真空（2）夹层内涂壁以反射率高的薄层。10-40、已知：直径为=50mm，壁厚的锅炉水冷壁管中流过温度为315oC的沸腾水，管壁导热系数。炉膛中的火焰、烟气及炉墙对水冷壁管辐射换热的综合效果可用温度T的环境来代替，水冷壁管外表面的，对流作用可不计。求其内、外表面洁净时单位长度上的换热量。解：因水沸腾换热十分的强烈，其热阻作为估算可以忽略，即ToC。管子外壁单位长度上与炉膛的换热量：10-41已知：在上题中，如果水冷壁管外壁均匀的结了一层厚2mm的灰垢，其中其余条件不变。求：重新计算单位长度的换热量。解：解得=1435K，单位长度换热量为：。10-42、一蒸汽管道的保温层外包了油毛毡，表面温度为330K，外径为。该管道水平地穿过室温为220C的房间，在房间内的长度为6m。试计算蒸汽管道在该房间内的总散热量。10-43、已知：一块表面积为A的平板埋于绝热材料中（如附图所示）。初始时与温度为T的气流处于平衡状态，后突然受到投入辐射G的在作用。平板对G的吸收比为α1，自身辐射的发射率为ξ，平板的热容量为mc。此时对流换热的表面传热系数为h。取G=3000W/m2，α1=，ξ=，T=300K，mc=20400J/K，h=50W/。求：试按集总参数法导出平板温度随时间变化的关系式，及当平板又一次处于稳态工况时的温度值。10-44、已知：设发热表面上一个直径为d的圆柱形散热肋片被水平的置于温度为t的环境中（见习题2-51附图），肋片与周围空气发生自然对流换热。肋片表面的发射率为ξ，导热系数为λ。肋片顶端的散热需加以考虑，可作为竖直平板上的自然对流，特征长度取。肋根温度t0保持稳定，肋高为H。求：试列出稳态条件下肋片中的温度分布应满足的微分高程及边界条件，并分析所得微分方程的特点，及你对求解这种问题的建议。解：对任一微元段，可以列出下列微分方程：系数A1、、A1取决于温度，但在不大的温度变化范围内可以取为常数。这是关于温度T的非线性方程，可用数值方法求解，方程中的对流与辐射散量相当于源项。10-45、已知：1200C饱和水蒸气在换热器管子外表面凝结，以加热恋管内的冷水，传热恋系数k=1800W/（m2·k）。求：（1）把流量为每小时2000kg水从200C加热到800C所需的传热面积：（2）如运行后产生了m2·k/W的污垢热阻（其计算面积与传热系数相同），这时的出口水温是多少（进口水温及流量保持不变。）解：（1）10-46、已知：用在圆管内绕电阴丝的方法来进行大空间内水平圆管的自然对流换热。在一次试验中测得：表面平均温度的热电势EW＝，空气温度的热电势Ef＝,加热功率P＝28W。管子外径d=，长l＝。管子外表面镀铬，发射率=。热电势E与温度t的关系为°C=+求：该次自然对流换热试验中的对流换热的表面传热系数、Nu数及GrPr数之值。10-47、已知：在习题10-43引入一些无量纲参数：N1=求：试将平板温度随时间变化的微分方程无量纲化，并利用习题9-43中所给的数据计算N1、N2之值，在这些值下用数值方法求解微分方程，并比较值相当大时数值求解所得结果与43题第二部分计算之值是否一致。10-48、已知：附图所示为温度房顶玻璃所受的各种热交换作用的示意图，图中：求：（1）试写出稳态条件下单位玻璃面积上的能量平衡式：（2）设tg=27t1=24,h1=10W/(m2﹒K),h=55W/(m2﹒K),G1=1000W/m2=250W/m2Gi=440W/m2..试估算温室内的温度tf。（2）将已知数值代入得：×1000+250+440+10（t1-27）=55(27-24)+2×××34,tf=27-(165+=27+=0C。10-49、已知：用直径为13mm的不锈钢管做水平管外的自然对流换热试验。在不锈钢管两端通电加热，电阻为4/m。使钢管表面温度不超过3000C，（1）不锈钢管置于200C的静止空气中；（2）不锈钢管置于高压水中，水饱和温度超过3000C。不锈钢管表面发射率可按氧化后的钢处理。求：上面两种情况下不锈钢管所能的允许的最大电流。解：（1）不锈钢管允许的最大电流所产生的热量等于=3000C时的自然对流散热及辐射散热之和（2）置于水中时，电流所产生的热量等于自然对流散热量，＝160oC时，10-50、已知：在一次外层空间试验里，一个很小的仪器被投放到宇宙空间中，假设此仪器可以近似地看作直径4cm的经过表面处理的铝球，初始温度为30oC。球的温度降低到40K时个仪器会失效。设宇宙空间可视为为OK的黑体，球的表面发射率取为，铝的物性可近似地取常温下纯铝的值。求：估计该仪器能工作多长时间而不失效。解：采用集总参数法来分析问题，由于铅球温度在不断地变化，故可列出：10-52、已知：直径为r1的导线（芯线）内有电流流过，其外绝缘层半径为r2，由于电阻而引起的单位长度上的发热率θ是均匀的。求证：（1）芯线表面温度要比环境温度高(2)当r2的大小使得芯线表面温度最低时，其中心温度比环境温度高，其中，为绝缘层的导热系数，h为外表面复合换热的表面传热系数，0为芯线的导热系数。证明：（1）芯线所发出的热量通过绝缘层传递到周围环境中去，单位长度上的发热量θ可以表示成为：。10-53、在推导对数平均温差所做的4个假定成立的前提下，绘制顺流或逆流换热器冷、热流体各自的平均温度沿流动方向变化的曲线时应注意什么问题在文献[34]中给出了如图所示的变化曲线，你认为合理吗解：不合理。从冷热流体温度的角度，沿着换热面增加方向时增加的，因而单位面积上的换热量增加的，而从流体热平衡的角度，沿换热面增加的方向温度的变化时减小的。两者之间不协调。10-54、一安置在室外的变压器必须向环境散失350W的热量。在夏天，室外气温可高达308K。设变压器的散热量可以看成是高1m、直径为的圆柱体侧面与顶面的散热。太阳的平均照射热流密度为700W/m2。外壳涂漆，对太阳能的吸热比为。由于变压器四周尚有其他杂物，环境的辐射可近似地看成为环境温度下的黑体辐射。试估算夏天最高气温时的平均外壳温度。解：先假设外壳平均温度为，，，，侧面对流散热：，。按表（5-12），，；顶面圆盖热表面特性尺度取，则，。按表（5-12），，，，辐射换热，。实际应散出的热量为。相差大于4，重设空气的物性变化可以忽略而不考虑，则，，，的差别小于1%，故。10-55、温度为150℃的热空气流入内径为100mm、壁厚为6mm、长为30m的钢管，流量为kg/s。关外用40mm厚的水泥泡沫砖保温，环境温度为15℃，保温层外表面对环境的复合换热表面传热系数为(m2·K)。求该管道出口处的热空气温度。解：出口温度需要采用迭代的方式求解，正确的t*之值应使空气侧热平衡热量等于从空气到环境之间的传热量。现设：，则，，，，，，空气平均流速，，按式（5-54），，，，钢管导热系数取为，则，取绝热层平均温度为80℃，则，，外表面热阻，，，空气热平衡热量，的差别小于%，可以认为计算有效。绝热层温度呀验算：绝热层壁面温度：，通过绝热层的温度降落，，此值与假定值相等10℃，90℃时绝热材料的。与相差%，由于这一变动将使总热阻减少约2%，仍然在工程计算允许的偏差范围内，因而可以取140℃即为所求之值。10-56、在10-9节的第二个例子中没有考虑水蒸气与管壁之间的辐射换热，试分析下列参数下这一假设的合理性：再热器为光管，内径为di=45mm；蒸汽压力p=3Mpa，再热蒸汽温度t=550℃，蒸汽流速u=25m/s。注意，过热蒸汽管内湍流对流换热的平均表面传热系数仍可采用式(5-54)来计算，但因本书中未负有其热物性的表格，所以我们利用文献[12]中的线算图15计算得hi=750W/(m2·K)。再热器的壁温可取为比蒸汽温度高40~50℃。解：通过计算水蒸气与管壁间辐射换热系数的大小来判断。根据已知条件，，，查图8-39得，取，按，，查图8-39得，按式（8-34），水蒸汽与再热器管壁的辐射换热量：（负号表示管壁向蒸汽放热）。。占对流换热系数的%，在初步分析中可以不予考虑。10-57、水平放置的直径问2mm的裸铝线处于15℃的无强制流动的空气中，导线表面温度为75℃，发射率为。在此导线外包有厚的橡胶层，其导热系数为(m·K)，外表面发射率为。问在同样的电流下，橡胶表面的温度及导线表面的温度各为多少对于(GrPr)<104时的水平原著外的自然对流，实验得出的式（5-79）中的系数C与指数n为GrPrCn10-2~102102~104解：（1）裸线：热量通过自然对流及辐射散失，，，，，，，，。，。（2）包橡胶层的导线。设外表面温度为50℃，则，，，，。，，，，。可见此时的散热值与裸线时基本相同，这说明的加顶时正确的（加了绝缘层后，电流大小不变，则导线应散失之值亦相同），通过绝缘层的温差，所以道题的表面温度为。10-58、用初温为35℃的冷却水来冷却流量为s、初温为150℃的热油，要求把油冷却到85℃，而冷却水则加热到80℃。有人提出了如附图所示的两种方案。这两种方案都采用逆流式套管换热器，如图b所示方案中采用两台大小相等的较小换热器来代替图a中的一台大的换热器，水侧为串联，油侧为并联，油量均分。设油的平均比热容为(kg·K)，水的平均比热容为(kg·K)，大小换热器的总传热系数均为850W/(m2·K)，试确定哪一种方案所需的传热面积较小。解（1）单个换热器。由热平衡求油地流量，，，。（2）两个小换热器。先确定第一个换热器的出口水温tm,由于油量均分，故每个换热器的传热量为：，由于水侧热平衡，℃，℃,℃,;℃,。10-59、一工业用炉的炉门尺寸为1m×1m。由于其向火侧不能附设足够的绝热材料，故炉门外壁温度仍高达140℃。为减少对室内其他物体的热辐射，在距炉门1m处有设置了一块与炉门平行且同样尺寸的金属遮热板（如附图所示）。设炉门外表面的发射率为，挡板两个表面的发射率均为，室温为25℃，试确定挡板处于稳态工况时的壁面温度。解：处于稳态时，遮热板与环境间的净辐射还热量等于板的两表面的自然对流散热，为便于计算，遮热板与炉门间的空气温度也取为25℃。（1）.辐射换热计算。辐射换热网络图如下图所示。炉门为表面1，环境为3，遮热板的两个表面分别为2L和2R。，，，，，，,,,对节点J1,J2L及J2K写出节点方程：；；。将各热阻值代入，并注意到：于是有：……(1)；……（2）；……（3）。由（1），（2）两式得，由（3）得，于是辐射换热与对流的平衡可表示为：。（2）自然对流换热系数计算，先假定℃，则℃，，，，，。，将已知值代入上述平衡方程得，再将J2L,J2R的关系式代入，得：，整理之得：，解此方程得：℃，与假设值37℃仅差1℃，故上述计算有效。10-60、一种存放液氮的钢制球形容器如附图所示。它由两层同心钢制球壳（第一层的内、外半径分别为R0、R1，第二层的内外半径分别为R2、R3）及求外的保温层（内、外半径分别为R3、R4）组成。在第一层球壳及第二层球壳之间（R1）一直冷却到接近环境温度()。解：按长圆柱体散热分析，<,故可按集总参数法分析。10-77、已知：采用相变材料（PCM）储能是蓄能技术中最常用的方法。例如，在白天利用太阳能加热水，再将热水流经置于PCM中的圆管使PCM熔化，而到晚上再将冷水流过圆管使其受热。附图示出了一根置于方形容器内的管道在均匀受热后不同时刻其周围相变材料熔化的情形。求:试分析所示四个时刻热量传递的机理。解：（a）为纯导热工况；(b)在管道四周开始形成对流；（c）自然对流进一步加剧；（d）在管道四周形成强烈得自然对流。10-78、已知：机器人目前已广泛应用于生产过程中，特别对于恶劣的工作环境（高温或低温环境）机器人的作用更加明显。但在温度不均匀的环境中工作时必须对机器人的温度场有一个准确的计算，才能对膨胀，收缩等机械变形有合理的预测；以使机器人的动作能达到预期效果。另一方面，高温环境中机器人的手还应有良好的绝热，以免损失机器人。为了预测在高温中工作的某一机械手的温度场，采用了如图所示的二维轴对称模型。设该机械手的初始温度均匀并为,后突然处于高温环境中，其中手的表面于温度为的周围介质对流换热的表面传热系数为，于温度为的环境发生辐射换热，其表面发射率为。相应地手臂表面也有上述这些换热，参数各为，，及。手臂端部为绝热。求：（1）写出该机械手温度场的控制方程，物性均已知：（2）写出初始条件及边界条件；（3）如果采用数值方法将计算区域分为手臂，手，侧面绝热层及顶端绝热层4个区分别计算，那么在每两个区相接合的界面上还应补充什么条件解：参见教材第十章文献〔52〕。10-79、已知：当人的皮肤散热的热流密度为时感到热，为232时感到舒服，为696时感到很凉快，而为928时感到冷。把人体简化为直径为、高的等温柱体，皮肤温度为33℃。求：试确定当风冷温度为-70℃时人的冷暖感觉。解：，，，,,。此时人体感到很冷。10-80、已知：冶金工业中直流电弧炉的底阳极及其附近情况如图。底阳极本身为一直径为400mm、高530mm的钢棒，其与铁水直接接触的一端有厚的一层已熔为液体。底阳极另一端用却水冷却，要求其表面温度不高100℃。底阳极中按温度的不同可分出三个区域：的液层，其；厚的一层，温度从1200℃降到860℃，；厚的一段，温度从860℃降低100℃，。冷却水入口温度为30℃，出口不能高于60℃。求：需水量多少解：假设底阳极得导热（从1500℃100℃）可按一维问题处理，冷却水带走的热量分为两部分，即导热热量及由于焦耳-楞茨效应的发热量，严格讲本题是有内热源的一维导热问题，现近似地分别计算由于温差形成的导热热量及由于电流形成的焦耳-楞茨热量。（1）导热热量：,,∴(2)焦耳-楞茨热:∴,水的比热取45℃时的值4174,∴10-81、已知:为了判断水平管中两相流动结构(流态),文献[54]中提出如图所示的方法:用很细的材料(直径为5微米左右)做一对热电偶并装入到要测试是管子中(图中A)。根据所测得的热电势信号随时间的变化曲线，可以庞大相应的流动状态。设液体温度为，汽相温度为，且，热电偶接点置于管子中心线处。求：对附图2所示的四中流动结构，试利用传热学的基本知识分析热电偶所测得的热电信号随时间是怎样变化的，并定性地画出温度（热电势）随时间变化的曲线。解：参见本章参考文献〔54〕。10-82、已知：直径为10mm的铜导线运行在环境温度为20℃、表面传热系数为的环境中，其表面温度保持为80℃。今用导热系数的环境中，其表面温度保持为80℃。今用导热系数的绝缘材料包覆
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