例题及答案集合.ppt

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1、第一章题目和答案例：一根水平放置的蒸汽管道，其保温层外径d=583 mm，外 表 面 实 测 平 均 温 度 及 空 气 温 度 分 别 为 ，此时空气与管道外表面间的自然对流换热的表面传热系数h=3.42 W/(m2 K),保温层外表面的发射率问：（1）此管道散热必须考虑哪些热量传递方式；（2）计算每米长度管道的总散热量。解：解：（1 1）此管道的散热有辐射换热和自然对流换热两种方式。（2）把管道每米长度上的散热量记为ql近似地取墙壁的表面温度为室内空气温度，于是每米长度管道外表面与室内物体及墙壁之间的辐射为：讨论：计算结果表明，对于表面温度为几或几十摄氏度的一类表面的散热问题，自然对流散热

2、量与辐射具有相同的数量级，必须同时予以考虑。当仅考虑自然对流时，单位长度上的自然对流散热例:一房屋的混凝土外墙的厚度为=200mm，混凝土的热导率为=1.5W/(mK)，冬季室外空气温度为tf2=-10,有风天和墙壁之间的表面传热系数为h2=20W/(m2K)，室内空气温度为tf1=25,和墙壁之间的表面传热系数为h1=5 W/(m2K)。假设墙壁及两侧的空气温度及表面传热系数都不随时间而变化，求单位面积墙壁的散热损失及内外墙壁面的温度。解：由给定条件可知，这是一个稳态传热过程。通过墙壁的热流密度，即单位面积墙壁的散热损失为 根据牛顿冷却公式，对于内、外墙面与空气之间的根据牛顿冷却公式，对于内

3、、外墙面与空气之间的对流换热，对流换热，第三章题目及计算常用形体的修正系数及常用形体的修正系数及Biv 须记忆！须记忆！11/22/20228厨师吹肉丝一厨师在炒鸡肉丝时要品尝一下一厨师在炒鸡肉丝时要品尝一下咸淡，于是他从咸淡，于是他从100的热炒锅的热炒锅中取出一鸡肉丝，用口吹了一会，中取出一鸡肉丝，用口吹了一会，待其降至待其降至65时再放入口中。试时再放入口中。试估算厨师需要吹多长时间？估算厨师需要吹多长时间？出锅时鸡肉丝可视为平均直径为出锅时鸡肉丝可视为平均直径为2mm的圆条，的圆条，厨师口中吹出的气流温度为厨师口中吹出的气流温度为30，其与鸡肉，其与鸡肉丝之间的表面传热系数为丝之间的表

4、面传热系数为100W/m2K，鸡肉，鸡肉丝的丝的 =810 kg/m3，c=3.35kJ/(kg)，=1.1 W/(m K)。11/22/20229解：解：首先检验是否可用集总参数法。首先检验是否可用集总参数法。为此计为此计算算BiV，故可以采用集总参数法。故可以采用集总参数法。11/22/202210例：空气流过球表面的换热系数，可采用观察一个纯铜制成的球的温度随时间的变化求得。球的直径为12.7mm，在把它放入温度为27的气流中之前，温度为66。当球被放进气流中69秒钟之后，球外表面上热电偶的指示温度是55。计算对流换热系数。假设：1）球温是均匀的；2）辐射交换忽略不计；3）常物性。11/

5、22/202211物性：查物性参数表：纯铜（66）=8933kg/m3；c=389J/（kg）=398W/(m)分析：暂且按集总参数法处理，其温度随时间变化的关系式为：11/22/202212当=69S时，有 解得对流换热系数解得对流换热系数h为：为：h=35.3 W/(m2)说明：以上用的是集总参数法计算得结果，因说明：以上用的是集总参数法计算得结果，因此此需要检验本题是否可以用集总参数法求解。需要检验本题是否可以用集总参数法求解。11/22/202213例例：一一温温度度计计水水银银泡泡是是圆圆柱柱形形，长长20mm，内内径径4mm，测测量量气气体体温温度度，表表面面传传热热系系数数h=1

6、2.5W/(m2K),若若要要温温度度计计的的温温度度与与气气体体的的温温度度之之差差小小于于初初始始过过余余温温度度的的10%，求求测测温温所所需需要要的的时时间间。水水银银 =10.36 W/(mK),=13110 kg/m3,c=0.138 kJ/(kgK).解：解：首先要判断能否用集总参数法求解。首先要判断能否用集总参数法求解。11/22/202214故可以用集总参数法。故可以用集总参数法。由上式解得：由上式解得：=333 s=5.6 min为了减小测温误差，测温时间应尽量加长。为了减小测温误差，测温时间应尽量加长。例：一块厚例：一块厚100mm的钢板放入温度为的钢板放入温度为1000

7、 的炉中加的炉中加热。钢板一面加热，另一面可认为是绝热。初始温度热。钢板一面加热，另一面可认为是绝热。初始温度 t0=20，求受热面加热到，求受热面加热到500所需时间，及剖面上所需时间，及剖面上最大温差。最大温差。(h=174 W/(m2K),=34.8 W/(mK),a=0.55510-5 m2/s)解解：这这一一问问题题相相当当于于厚厚200mm平平板板对对称称受受热热问问题题，此此问问题题为为已已知知温温度度求求时时间间，必必须须先先求求 m/0，再再由由图图3-8查查Fo。（不能使用集总参数法）（不能使用集总参数法）查图查图3-9，可得，可得 由由 m/0和和Bi从图从图3-8查得查

8、得Fo=1.2（Fo0.2,可采用诺模图）可采用诺模图）求中心（绝热面）温度：求中心（绝热面）温度：较困难较困难剖面最大温差：剖面最大温差：讨论：讨论：图图3-83-8图线过密，不容易查出图线过密，不容易查出FoFo时，可采用时，可采用直直接计算接计算的方法确定的方法确定FoFo。解得：解得：第四章题目及答案例例:温温度度为为30的的空空气气以以0.5m/s的的速速度度平平行行掠掠过过长长250mm、温温度度为为50的的平平板板，试试求求出出平平板板末末端端流流动动边边界界层层和和热热边边界界层层的的厚厚度度及及空空气气与与单单位位宽宽度度平平板板的的换热量。换热量。解：解：边界层的平均温度为

9、边界层的平均温度为 空空气气40的的物物性性参参数数分分别别为为=16.9610-6m2/s,=2.7610-2W/m.k,Pr=0.699,在在离离平平板板前前沿沿250mm处，雷诺数为处，雷诺数为边界层边界层为层流为层流!流动边界层的厚度为流动边界层的厚度为 热边界层的厚度为热边界层的厚度为 可见，空气的热边界层比流动边界层略厚。可见，空气的热边界层比流动边界层略厚。整个平板的平均表面传热系数整个平板的平均表面传热系数 1m宽平板与空气的换热量为宽平板与空气的换热量为 第五章题目及答案11/22/202222例例1 空空气气以以2m/s的的速速度度在在内内径径为为10mm的的管管内内流流动

10、动，入入口口处处空空气气的的温温度度为为20，管管壁壁温温度度为为120，试试确确定将空气加热至定将空气加热至60所需管子的长度。所需管子的长度。解解：定定性性温温度度为为tf=(20+60)/2=40，查查出出空空气气的的物物性性参参 数数 为为：=1.128 kg/m3，Cp=1.005 kJ/kg，=2.76 10-2 W/m，f=19.1 10-6 kg/m s，Pr=0.699。而而当当tw=120时时，查查得得 w=22.8 10-6 kg/m s。雷诺数雷诺数Re=umd/=1.18 1031011/22/202223由能量平衡有由能量平衡有:代入数据得代入数据得hL=2.83

11、比比较较上上述述两两步步得得到到的的结结果果，有有10.12L-1/3 L=2.83，最最后后解解得得L=0.148 m。由由于于L0.825 m，前前述述假假设设是正确的。是正确的。解得解得h=10.12L-1/3。例例2 30的的空空气气以以45m/s的的速速度度掠掠过过0.6m温温度度为为250的平板，求单位宽度平板传给空气的总热量。的平板，求单位宽度平板传给空气的总热量。解：这是一个空气外掠平板的问题。解：这是一个空气外掠平板的问题。定性温度为膜温度：定性温度为膜温度：查查空空气气物物性性参参数数：=3.49 10-2W/m，=27.8 10-6 kg/m s，Pr=0.684。计算雷

12、诺数：计算雷诺数：选择换热准则关系式：选择换热准则关系式：其中临界雷诺数其中临界雷诺数Rexc为为5105，例例3：将将直直径径为为0.1mm的的电电热热丝丝与与空空气气来来流流方方向向垂垂直直放放置置，来来流流温温度度为为20，电电热热丝丝温温度度为为50，测测得得电电加加热热功功率率为为20W/m。假假定定除除对对流流外其他热损失可忽略不计，求此时的来流速度。外其他热损失可忽略不计，求此时的来流速度。解解：这这是是一一个个空空气气横横向向外外掠掠圆圆柱柱体体的的问问题题。取取单位长度的电热丝为研究对象。单位长度的电热丝为研究对象。由题意，电热丝的发热量由对流换热散发出去。由题意，电热丝的发

13、热量由对流换热散发出去。定定性性温温度度为为来来流流温温度度t=20，查查此此时时空空气气物物性参数为：性参数为：tw=50时，空气的物性参数：时，空气的物性参数：流体横向外掠圆柱体的换热准则关系式为：流体横向外掠圆柱体的换热准则关系式为：其中参数其中参数c，n，m的选择见课本的选择见课本P108表表5-1。先假定先假定5Re103，则换热准则关系式为：，则换热准则关系式为：其中：其中：解得：解得：符合上述假设范围。符合上述假设范围。注注意意：若若计计算算出出Re不不在在假假定定范范围围之之内内，就就需需要要重重新新假假定定Re范范围围，并并重重新新选选取取准准则则式式中中的的参参数数，再次计

14、算再次计算Re。例例4：空空气气横横向向掠掠过过一一组组叉叉排排管管束束,s1=60mm，s2=40mm，管管子子外外径径d=30mm。空空气气在在最最小小截截面面处处的的流流速速为为5m/s。流流体体入入口口温温度度为为300，出出口口温温度度为为100，管管子子外外表表面面平平均均温温度度为为40，流流动动方方向向上上管管排排数数目目大大于于10。试试确确定定空空气与管束间的平均表面传热系数。气与管束间的平均表面传热系数。解：解：这是一个空气横向外掠叉排管束的问题。这是一个空气横向外掠叉排管束的问题。定性温度为流体平均温度：定性温度为流体平均温度：查查200下空气的物性参数：下空气的物性参

15、数：tw=40时，空气的物性参数：时，空气的物性参数：其中参数其中参数c，n，m，p的选择见课本的选择见课本P109表表5-2。其中：其中：计算得：计算得：Nu=49.7表面传热系数：表面传热系数：注注意意：当当流流体体温温度度均均匀匀时时，即即流流体体流流过过管管束束前前后流体温度不变，则后流体温度不变，则定性温度为来流温度定性温度为来流温度t。11/22/202232例例题题 热热电电厂厂中中有有一一水水平平放放置置的的蒸蒸汽汽管管道道，保保温温层层外外径径为为400mm,壁壁温温tw为为50，周周围围空空气气的的温温度度t为为20。试计算蒸汽管道外壁面的对流散热损失。试计算蒸汽管道外壁面

16、的对流散热损失。解：解：这是一个自然对流换热问题。这是一个自然对流换热问题。特征温度特征温度为为 按此温度从附录中按此温度从附录中查得查得空气的物性参数值为空气的物性参数值为 查得查得,c=0.53，n=1/4单位管长的对流散热损失为单位管长的对流散热损失为 第六章题目及答案在加热金属时可以观察到：当金属在加热金属时可以观察到：当金属温度低于温度低于500500时，由于实际上没有可见时，由于实际上没有可见光辐射，不能察觉到金属颜色的变化，光辐射，不能察觉到金属颜色的变化，随着温度不断升高，铁块的颜色相继出随着温度不断升高，铁块的颜色相继出现暗红、鲜红、橘黄等颜色，最终将出现暗红、鲜红、橘黄等颜

17、色，最终将出现白炽。这是由于现白炽。这是由于随着温度的升高，热随着温度的升高，热辐射中的可见光及可见光中的短波比例辐射中的可见光及可见光中的短波比例逐渐增大逐渐增大的缘故。的缘故。11/22/202237例例：试试分分别别计计算算温温度度为为2000K和和5800K的的黑黑体体的最大光谱辐射力所对应的波长的最大光谱辐射力所对应的波长 max。解：解：按按 计算：计算：T=2000K时，时，T=5800K时，时，可可见见工工业业上上一一般般高高温温辐辐射射（2000K内内），黑黑体体最最大大光光谱谱辐辐射射力力的的波波长长位位于于红红外外线线区区段段，而而太太阳阳辐辐射射（5800K）对对应应的

18、的最最大大光光谱谱辐辐射射的的波波长则位于可见光区段。长则位于可见光区段。11/22/202238例例：一一黑黑体体置置于于室室温温为为27的的厂厂房房中中，试试求求在在热热平平衡衡条条件件下下黑黑体体表表面面的的辐辐射射力力。如如果果将将黑体加热到黑体加热到827，它的辐射力又是多少？，它的辐射力又是多少？解解：在在热热平平衡衡条条件件下下，黑黑体体温温度度与与室室温温相相同同，辐射力为：辐射力为：827黑体的辐射力为黑体的辐射力为其其辐辐射射力力增增加加了了180倍倍，可可见见随随着着温温度度的的增增加，辐射将成为主要的换热方式。加，辐射将成为主要的换热方式。思考：思考：善于发射的物体必善

19、于吸收，这个说善于发射的物体必善于吸收，这个说法是否正确？法是否正确？答：不正确。由基尔霍夫定律，物体对黑体答：不正确。由基尔霍夫定律，物体对黑体投入辐射的吸收比投入辐射的吸收比等于同温度下该物体的等于同温度下该物体的发射率发射率。即投入辐射必须来自黑体，且达。即投入辐射必须来自黑体，且达到热平衡。到热平衡。物体发射率越大，其对物体发射率越大，其对同温度同温度的的黑体黑体辐射吸收比越大。辐射吸收比越大。只能说：善发射的物只能说：善发射的物体必善吸收同温度下的黑体辐射。体必善吸收同温度下的黑体辐射。比如：某物体在比如：某物体在2000K时的发射率，并不等时的发射率，并不等于物体对于物体对6000

20、K的太阳辐射的吸收比。的太阳辐射的吸收比。第七章题目及答案例：求表面例：求表面1对表面对表面3的角系数。已知各表的角系数。已知各表面面积面面积A1=1、A2=1、A3=4，以及，以及X（1+2）,3=0.4；X2，3=0.2 11/22/202242为零为零。因此。因此J3=Eb3是个已知量，是个已知量，其等效网络图其等效网络图如右图所示。如右图所示。例例：两两块块尺尺寸寸为为1m2m、间间距距为为1m的的平平行行平平板板置置于于室室温温t3=27的的大大厂厂房房内内。平平板板背背面面不不参参与与换换热热。已已知知两两板板的的温温度度和和发发射射率率分分别别为为t1=827,t2=327和和

21、1=0.2,2=0.5,计计算算每每个个板板的的净净辐辐射射散散热热量量及及厂厂房房壁壁所所得得到到的的辐射热量。需画出等效网络图。辐射热量。需画出等效网络图。解解：本本题题是是3个个灰灰表表面面间间的的辐辐射射换换热热问问题题。因因厂厂房房表表面面积积A3很很大大，其其表表面面热热阻阻(1-3)/(3A3)可取可取11/22/202243由由角系数的性质角系数的性质：计算网络中的各热阻值计算网络中的各热阻值：计计算算各各表表面面相相应应的黑体辐射力：的黑体辐射力：11/22/202245对对J1、J2节点建立节点建立节点方程节点方程：节点节点1节点节点2联立求解联立求解得：得：11/22/2

22、02246于是，板于是，板1的辐射散热的辐射散热为：为：板板2的辐射散热为：的辐射散热为：厂房墙壁的辐射换热量为：厂房墙壁的辐射换热量为：11/22/202247讨论：表面讨论：表面1、2的净辐射换热量的净辐射换热量Q1及及Q2均为正均为正值，说明两个表面都向环境放出了热量。这部值，说明两个表面都向环境放出了热量。这部分热量必为墙壁所吸收。上述结果中的负号表分热量必为墙壁所吸收。上述结果中的负号表示了这一物理意义。示了这一物理意义。11/22/202248例：在上例中若厂房的壁面为例：在上例中若厂房的壁面为重辐射表面重辐射表面，在其它条件不变时，计算温度较高表面的净在其它条件不变时，计算温度较高表面的净辐射散热量。辐射散热量。解：解：这时网络图如图，串并联电路部分的等这时网络图如图，串并联电路部分的等效电阻为效电阻为Eb1J1J2Eb2J311/22/202249Eb1J1J2Eb2J3在在Eb1与与Eb2之间之间的总热阻为：的总热阻为：温度较高的表面的净辐射散热量为：温度较高的表面的净辐射散热量为：可见，表面可见，表面3为重辐射表面时情况不大相同。为重辐射表面时情况不大相同。