传热学作业参考答案

1、第九章 4.一工厂中采用 0.1MPa 的饱和水蒸气在一金属竖直薄壁上凝结，对置于壁面另一侧的物 体进行加热处理。已知竖壁与蒸汽接触的表面的平均壁温为 70 C,壁高 1.2m，宽 300 mm。 在此条件下，一被加热物体的平均温度可以在半小时内升高 30C，试确定这一物体的平均 热容量(不考虑散热损失)。 解:本题应注意热平衡过程，水蒸气的凝结放热量应等于被加热物体的吸热量。 5 1 1 P=0.1Mpa=105Pa,ts=100 C ,r=2257.1kJ/kg, t m= ( ts+ tw)= (100+70) C =85 C。 2 2 查教材附录 5,水的物性为：p=958.4kg/m

2、3;入 =0.683 W/(m2 C ); =282.5 X0-6N s/m2 假设流态为层流： 2 3 14 g r h 1.13 l (ts tw) 2 3 3 1 13 958.4 9.81 0.683 2257 10 282.5 =5677 W / (m2 C ) W / (m2 ;C ) 6 10 1.2 (100 70) Rec 4(ts tw) 4 5677 30 1.2 282.5 6 3 =12820 C =273K 的条件。已知: 1 1.0,h=28W / (m2 C), Xi,2 1.0 ,T2=- 70 C =203K。 A(E b1 Eb2) 1 1 1 A1(1

3、2) 1 X2 2 A2 贝 U： 28 A, (Tf 273) 218.64A 空气必须具有的最低温度为： Tf=280.8K = 7.8 C 第十二章 bA(T14 T；) 5.67 108 A1 (273) 4 (203)4 =218.62A1 空气对露水的加热量为： cv hA1 T 28 A1 (Tf T1) 28 A1 (Tf 273) cv 故从开口中所辐射出去的能量为: 1,2 2,3 2.284W 因 10 .一根横穿某大车间的水平蒸汽输送管，外径 d2=50mm，表面温度 tw2=150 C。管外包 有一层厚 75mm 的保温材料，其导热系数 U 0.11w/ (m C )

4、，发射率 尸 0.6。现已测得保温 层外表面温度 tw3=40 C,车间空气温度 tf = 22 C,车间壁面温度 tw4=20C。试求：蒸汽输 送管单位管长的热损失 qi :保温层外表面的辐射换热表面传热系数；保温层外表面与 空气间的自然对流表面传热系数。 解:本题属于复合换热问题，保温层外表面以辐射换热和对流换热方式传递热量。 求qi: W/m ,50 2 75 In 0.1 50 54.8W / m 求hr : =4.21 W/ (m2 ;C ) =0.64 W / (m2 C) 11. 一块边长为 0.2m 的正方形电热板，表面发射率 房间内，通电加热稳态后测得电热板表面温度为 板表面

5、的对流换热量；辐射换热表面传热系数；电热板消耗的功率。 解：求 150 140 1 2 3.14 W2 ql = 月 1 . d3 ln - 2 d2 d3 3( Eb3 Eb4) TW3 4 Tw4 4 d33而)(云) 3.14 0.2 5.67 (40 273)4 (20 273)4 W/m 100 100 47.6W/m 故hr hr d3(tw3 tf) 47.6 d3(tw3 t f ) 3.14 0.2 (40 22) W/(m C ) ql h d3(tw3 tf) (hr hc)(tw3 tf) d3 hc ql (tw3 tf ) d3 hr 54.8 (40 22) 4.

6、21 W/ (m2 C) 3.14 0.2 8=0.6， 该板水平悬 16.96 6 2 , 10 m /s, 2 2.76 10 0.699。 温度tm (tw tf) 1 (60 20) C 40 C 。查空气的物性： 2.44 107 1 1 查教材表 8.6,上表面加热：c=0.15, n ;下表面加热：c=0.58, n 3 5 故上表面： NU1 0.15(GrP)13 0.15 290 43.5 2 43.5 2.76 10 2 2 W /(m C) 6W /(m C) 0.2 NU2 0.58(GrP)1 17.4 1422 2W/(m2 C) 2 (40 22) 0.2 =4

7、.44 W/(m2 C) 求电功率 P： P r c (14.22 13.44)W 27.66W 12. 某火墙采暖房间平面尺寸为 6mX4m,房间高 4m，火墙面积为4m 4m，墙表面为石灰 1 Tm K 1 3.195 10 3K 1 40 273 Gr Pr g tl3 2 Pr 3 3 3.195 10 9.81 40 0.2 0.699 2 16.96 12 10 NU1 l h2 NU2 17.4 2.76 10 2 c 求hr 2 W/(m C) 2 2.4W /(m C) (6 2.4)(60 20) 0.22W 13.44W 2 0.6 5.67 0.22 (3.33)4 (

8、2.9)4 14.22W hr 2(tw tA l (h1 CbA 粉刷，发射率 F0.87，已知表面温度 tw=40C,室温 tf= 16C,顶棚、地板及四周壁面的发 射率相同，温度亦为 16C。求该火墙总散热量，其中辐射散热所占比例为多少 ？Nu 0.1(GrR)13 519.25 n tn 解:火墙房间平面示意如图。 因此在辐射换热计算时可视为表面 由于除火墙外的其余 5 个表面均具有相同的温度和发射率, 2。 求 求 Ai 4 4 16m2， A Eb1 Eb2 11 1 1 A1 X 1,2 Al 属大空间自然对流换热。 定性温度tm 15.8 10 6m2 / s， Tm 28 G

9、r Pr 3 g ti 2 (6 4 (1 2) 2 A2 1 2(tw tf) 2.654 4 4 4)m2 112m2 ACb ()4 (也)4 100 100 丄知丄1) 1084W 丄(40 2 16) C 28 C。 2 10 2W/(m C), pr 1 3 1 K 1 3.322 10 3K 1 273 Pr 11 1.4 10 查空气的物性： 0.7014。 3.322 10 3 9.81 (40 16) 43 0.7014 15.82 10 12 查教材表 8.6,属湍流：c=0.1, n - 3 (tw2 t f2) 2 51925 2654 10 W/(m2 C) 3.4

10、5W/(m2 C) 13. 一所平顶屋，屋面材料厚 A 0.2m，导热系数 入 =0.60W/(m C ),屋面两侧的发射率 s 均为 0.9。冬初，室内温度维持 tf1 = 18C，室内四周壁面温度亦为 18C，且它的面积远大于 顶棚面积。天空有效辐射温度为 -60C，室内顶棚对流换热表面传热系数 h1= 0.592W/ (m2 -C )，屋顶 h2 = 21.1W/(m2 -C )。问当室外气温降到多少度时， 屋面即开始结霜(tw2 = 0C ), 此时室内顶棚温度为多少 ？本题是否可算出复合换热表面传热系数及其传热系数 ？ 解；求室内顶棚温度tw1 : 稳态时由热平衡，应有如下关系式成立

11、: h1(tf1 tw1 )A1 1 ACb(100)4 (100)4 式中：Tw0为四周壁面温度，由题意知 Tw0 Tf。 列表计算如下:hc(tw tf)A 3.45 (40 16) 16W 1325W 求 e (1084 1325)W 2409W 0.45 45% he Nu l 室内复=屋面导热量=室外复合换热量 (tw1 ，结霜时tw2 0，所以: h1 (t f1 tw1 ) A1 tf 1 tw1 整理得: )tw1 h1 ( f1 0.6 1Cb (Tw0 )4 h1 (100) 0.2 0.59218 636.13 tw1 h1 4 ( Tw1 )4 (100) h1 14

12、13 12 1L6 （號 4 | +0.704心 77.70 76,06 74.42 73. 77 解得：twi=11.6 C。 求室外气温tf2 : 6 (tw2 t f 2 ) A1 2 A1Cb (Tw2)4 (100) (Tsky ) 4 (100) 可得: 一 th2tf 2 2Cb (Tw2)4 (100) （Tsky）4 （100） tf 2 h2 tw1 号 j73)4 (213)4 6.8 C 06 11.6 C 0.2 21.1 求复合换热表面传热系数 ht1和ht2: 注意到传热方向即可求得复合换热表面传热系数和传热系数。 hr(tf1 tw1) 4 0.9 5.67 (

13、2.91) =4.866 w/ (m2 C ) 1 hc hr (0.592 4.866)W/(m2 C) 5.458W/(m2 C) 同hr C (T)4 2Cb (100) (Tsky )4 (100) 26.237 W/ (m2 C) 2Cb h2 4 / Tsky 4 (100) 4 4 qr 1Cb (tw2 t f2) 求传热系数: =3.1 W /(m2 C ) 14. 某设备的垂直薄金属壁温度为 tw1 = 350 C,发射率 mm,构成一空气夹层， 夹层高 H=1m。保温材料厚 3 = 20mm ,导热系数?3=0.65W/ (m - C )。 它的外表向温度 tw3=50

14、C,内表面 总=0.85。夹层内空气物性为常数： 匸0.04536 W / (m -C卜 尸 47.85 10-6m2/s, Pr= 07。试求解通过此设备保温外壳的热流通量及金属壁的辐射换热表 面传热系数。 解：空气夹层及保温层如图。 热平衡方程为： 通过空气夹层的辐射换热量 qr+对流换热量 qc=通过保温层的导热量 qcd 即 -h c(tw1 tw2) (tw2 tw3) 1 3 2 hc hr h2 hr (21.1 26.237)W/(m2 C) 5.137W/(mhti ht2 1 01 1 5.458 0.6 5.137 W/ (m2 - C) d= 0.6。它与保温外壳相距

15、8= 30 Eb1 Eb2 1 1 1 查教材表 8.7， C=O.197, m - , n 4本题由于 tw2未知, 需进行假设计tm i(tw1 tw2 ) -(350 170) C 260 C, 2 1 3 1 1.876 10 3K 1 Tm GF 3 g( tw1 tw2 ) 2 2 p 1.876 10 3 9.81 (350 Pr 47.852 10 12 170) .33 O7 2.734 104 qc qr (3450 466)W /m2 3916W/m2 故tw2=170C，假设正确。本题热平衡方程中仅有 tw2未知，也可由热平衡方程通过试算 法求出tw2。 q qc qr

16、 (3450 466)W/m2 3916W/m2 18. 90C的水进入一个套管式换热器，将一定量的油从 25C加热到 47.25 C,热流体离开换 热器时的温度为 44.5C。求该换热器的效能和传热单元数。 解：教材图 12.7 已经给出了套管式换热器的示意图，一种流体在管内流动，另一种流 体在两管间的环形空间内流动，其流动只有顺利和逆流方式。 M 1Cp1 (t1 t1 ) M 2Cp2 (t2 t2 ) M 1cp1(90 44.5) M2cp2(47.25 25) 45.5M 1cp1 22.25M 2cp2 M 2Cp2 故 - 2.045, MQp1 (MCp)min M 1cp1

17、 Nu 0.197(GPr)14 （H）19 0.917 12.86 0.677 1.716 Nu he l 1.716 0.04536 0.03 2 2 -W/(m C) 2 2.59W /(m C) qc (tw2 t w3) 3 0.65 0.02 (170 50)W/m2 3900W/m2 qr 5.67 (6.23)4 (4.43)4 丄丄1 0.6 0.85 2 W/m 2 3450W / m 4 早圭 误差 3916 3900 4.1 10 3 0.41% hr qr tw1 tw2 3450 2 2 3900W/(m C) 19.17W/(m C) 350 170 t1 t1

18、90 44.5 0 7 t1 t2 90 25 . Cr MS M 2cp2 0.489 5 套管式换热器，由于t2 t1，可以肯定其流型为逆流，则: 1 exp NTU (1 Cr) 1 Cr exo NTU (1 Cr) exp NTU (1 Cr)丄 1 Cr In 1 In 1 0.7 故 NTU 1 1 0.7 0489 1 Cr 1 0.489 21.某套管式换热器，内管内径为 100 mm，外径为 108mm ,其导热系数 入=36W/ (m - C)。 热介质在内管内流过， 温度从 60 C降低到 39C,表面传热系数 m=1000 W/(m2 C )；质量 流量为 0.2kg

19、/s 的冷水在套管间(内管外)流过，温度从 15C被加热到 40C,表面传热系数 h2=1500 W / (m2 C )。试求：该换热器的管长；换热器最大可能传热量；该换热器的 效能；传热单元数。 解：求管长I : t t1 t2 (60 40) C 20 C t t1 t2 (39 15) C 24 C t t 24 20 c t C21.94 C t 24 In In - t 20 20935 k|崭, 故I m 5.24m K tm 182 21.94 求 , max : 因t2 t1，流型必然为逆流 kl 1 hi d1 In d_2 d1 1 h2 d2 1 1000 3.14 0.

20、1 1 In108 1 ) 1W/(m C) 6.28 36 100 1500 3.14 0.108 182W/(m C) M 2Cp2 (t2 t2) 0.2 4187 (40 15)W 20935W 5 M 2Cp2 (MCp)min，故 t2 t2 40 15 5 t1 t2 60 15 9 max 20935 9W 37683 26. 一逆流式套管换热器，其中油从 100 C冷却到 60 C,水由 20 C被加热到 50C，传热 量为 2.5 104w，传热系数为 350 W/ (m2 -C )，油的比定压热容为 2.131KJ / (kg K)。求换 热面积。如使用后产生污垢，垢阻为

21、 0.004mK/ W，流体入口温度不变，问此时换热器的 传热量和两流体出口温度各为多少 ？ 解：设油的进口温度为 t1，出口温度为t1 ;水的进口温度为t2，出口温度为t2。 求换热面积 A t t1 t2 (100 50) C 50 C t t1 t2 (60 20)C 40 C t t 50 40 tm t _ 50 C 44.8 C in - in t 40 由 k tmA ，故A - 2.5 10 2 2 m 1.594m ， k 3544.81 由 M 山皿(100 60) M 2cp2(50 20) 解得 MQp1 625W/K,M2cp2 833.33W/K,M2Cp2 - M1cp1 3 求换热器的传热量 和水的出口温度t1，油的出口温度t2 M 1c p1