材料加工冶金传输原理习题答案解析

..冲天炉热风管道的内/外直径分别为160mm和170mm,管外覆盖厚度为80mm的石棉隔热层,管壁和石棉的热导率分别为λ1=58.2W/<m℃>,λ2=0.116W/<m℃>。已知管道内表面温度为240℃,石棉层表面温度为40℃,求每米长管道的热损失。解：由多层壁圆管道导热热流量公式〔9-22知,所以每米长管道的热损失为7．解：查表已知8.外径为100mm的蒸汽管道覆盖隔热层采有密度为20Kg/m3的超细玻璃棉毡,已知蒸汽管外壁温度为400℃,要求隔热层外壁温度不超过50℃,而每米长管道散热量小于163W,试确定隔热层的厚度。解：已知查附录C知超细玻璃棉毡热导率由圆筒壁热流量计算公式〔9-20知：得而得出9.解：UI10.在如图9-5所示的三层平壁的稳态导热中,已测的t1,t2,t3及t4分别为600℃,500℃,200℃及100℃,试求各层热阻的比例解：根据热阻定义可知而稳态导热时各层热流量相同,由此可得各层热阻之比为=100：300：100=1：3：111．题略解：〔参考例9-6查表,代入式得kk12．液态纯铝和纯铜分别在熔点〔铝660℃,铜1083℃浇铸入同样材料构成的两个砂型中,砂型的密实度也相同。试问两个砂型的蓄热系数哪个大？为什么？答：此题为讨论题,砂型的蓄热系数反映的是材料的蓄热能力,综合反映材料蓄热和导热能力的物理量,取决于材料的热物性。两个砂型材料相同,它们的热导率λ和比热容c及紧实度都相同,故两个砂型的蓄热系数一样大。注：铸型的蓄热系数与所选造型材料的性质、型砂成分的配比、砂型的紧实度及冷铁等因素有关！考虑温度影响时,浇注纯铜时由于温度较纯铝的高,砂型的热导率会增大,比热和密度基本不变,从而使得砂型蓄热系数会有所增大13．试求高0.3m,宽0.6m且很长的矩形截面铜柱体放入加热炉内一小时后的中心温度。已知：铜柱体的初始温度为20℃,炉温1020℃,表面传热系数a=232.6W/〔m2·℃,λ=34.9W/〔m·℃,c=0.198KJ/〔Kg·℃,ρ=780Kg/m3。解：此题为二维非稳态导热问题,参考例9.8,可看成两块无限大平板导热求解,铜柱中心温度最低,以其为原点,以两块平板法线方向为坐标轴,分别为x,y轴。则有：热扩散率㎡/s查9-14得,,钢镜中心的过余温度准则为中心温度为=0.036*〔293-1293+1293=1257k=984℃15．一含碳量Wc≈0.5%的曲轴,加热到600℃后置于20℃的空气中回火。曲轴的质量为7.84Kg,表面积为870cm2,比热容为418.7J/<Kg·℃>,密度为7840Kg/m3,热导率为42W/<m·℃>,冷却过程的平均表面传热系数取为29.1W/<m2·℃>,问曲轴中心冷却到30℃所经历的时间。〔原题有误解：当固体内部的导热热阻小于其表面的换热热阻时,固体内部的温度趋于一致,近似认为固体内部的温度t仅是时间τ的一元函数而与空间坐标无关,这种忽略物体内部导热热阻的简化方法称为集总参数法。通常,当毕奥数Bi<0.1M时,采用集总参数法求解温度响应误差不大。对于无限大平板M=1,无限长圆柱M=1/2,球体M=1/3。特性尺度为δ=V/F。经上述验算本题可以采用此方法计算温度随时间的依变关系。参阅杨世铭编《传热学》第二版,P105-106,公式〔3-29其中F为表面积,α为传热系数,τ为时间,tf为流体温度,V为体积。代入数据得：s第十章对流换热1.某窖炉侧墙高3m,总长12m,炉墙外壁温tw=170℃。已知周围空气温度tf=30℃,试求此侧墙的自然对流散热量〔热流量〔注：原答案计算结果有误,已改正。解：定性温度℃定性温度下空气的物理参数：℃,,特征尺寸为墙高h=3m.则：故为湍流。查表10-2,得,2.一根L/d=10的金属柱体,从加热炉中取出置于静止的空气中冷却。试问：从加速冷却的目的出发,柱体应水平还是竖直放置〔辐射散热相同？试估算开始冷却的瞬间两种情况下自然对流表面传热系数之比〔均为层流解：在开始冷却的瞬间,可以设初始温度为壁温,因而两种情形下壁面温度相同。水平放置时,特征尺寸为柱体外径；竖直放置时,特征尺寸为圆柱长度,L>d。近似地采用稳态工况下获得的准则式来比较两种情况下自然对流表面传热系数,则有：<1>水平放置.,,<2>竖直放置.,,由此可知：对给定情形,水平放置时冷却比较快。所以为了加速冷却,圆柱体应水平放置。3.一热工件的热面朝上向空气散热。工件长500mm,宽200mm,工件表面温度220℃,室温20℃,试求工件热面自然对流的表面传热系数〔对原答案计算结果做了修改解：定性温度℃定性温度下空气的物理参数：,特征尺寸,热面朝上：故为湍流。查表得,4.上题中若工件热面朝下散热,试求工件热面自然对流表面传热系数解：热面朝下：,层流,查表得5.有一热风炉外径D=7m,高H=42m,当其外表面温度为200℃,与环境温度之差为40℃,求自然对流散热量〔原答案缺少最后一步,已添加解：定性温度定性温度下空气的物性参数为：,依题应为垂直安装,则特征尺寸为H=42m.,为湍流.查表得自然对流散热量为7.在外掠平板换热问题中,试计算25℃的空气及水达到临界雷诺数各自所需的板长,取流速v=1m/s计算,平板表面温度100℃〔原答案计算有误,已修改解：定性温度为<1>.对于空气查附录计算得<2>.对于水则有：8.在稳态工作条件下,20℃的空气以10m/s的速度横掠外径为50mm,管长为3m的圆管后,温度增至40℃。已知横管内匀布电热器消耗的功率为1560W,试求横管外侧壁温〔原答案定性温度计算有误,已修改解：采用试算法假设管外侧壁温为60℃,则定性温度为查表得,即:与假设不符,故重新假设,设壁温为.则定性温度查表得,,,,即：与假设温度误差小于5%,是可取的。即壁面温度为79.80℃.10.压力为1.013*105Pa的空气在内径为76mm的直管内强制流动,入口温度为65℃,入口体积流量为0.022m3/s,管壁平均温度为180℃,试问将空气加热到115℃所需管长为多少？解：强制对流定性温度为流体平均温度流体平均温度,查查附录F得为旺盛湍流。由于流体温差较大应考虑不均匀物性的影响,应采用实验准则式〔10-23或24计算Nuf即=56.397质量流量散热量因为,所以需要进行入口段修正。入口段修正系数为所需管长：11.解：12．管内强制对流湍流时的换热,若Re相同,在tf=30℃条件下水的表面传热系数比空气的高多少倍？解：定性温度℃查附录D得到:查附录F得到：为湍流,故相同在该条件下,水的表面传热系数比空气高52.46倍。第十一章辐射换热100W灯泡中钨丝温度为2800K,发射率为0.30。〔1若96%的热量依靠辐射方式散出,试计算钨丝所需要最小面积；〔2计算钨丝单色辐射率最大时的波长解：〔1钨丝加热发光,按黑体辐射发出连续光谱,将数据代入为：A1=9.2*10-5㎡〔2由维恩位移定律知,单色辐射力的峰值波长与热力学温度的关系m.k,当T=2800k时,=1.034*10-6m3.一电炉的电功率为1KW,炉丝温度为847℃,直径为1mm,电炉的效率〔辐射功率与电功率之比为0.96,炉丝发射率为0.95,试确定炉丝应多长？解：由黑度得到实际物体辐射力的计算公式知：4.试确定图11-28中两种几何结构的角系数X12解：①由角系数的分解性得：由角系数的相对性得：所以对于表面B和〔1+A,X=1.5、Y=1.5、Z=2时,,查表得,对于表面B和A,X=1.5,Y=1.5,Z=1,,查表得,所以,。对表面〔2+B和〔1+A,X=1.5,Y=2.5,Z=2,,查表得。对于表面<2+B>,A,X=1.5,Y=2.5,Z=1,,查表得,所以,②由角系数的分解性,,对表面2和A,X=1.5,Y=1,Z=1,,查表得。对面2和〔1+A,X=1.5,Y=1,Z=2,,查表得,代入数据得,所以5．两块平行放置的大平板的表面发射率均为0.8,温度分别为t1=527℃和t2=27℃,板的间距远小于板的宽与高。试计算〔1板1的本身辐射〔2对板1的投入辐射〔3板1的反射辐射〔4板1的有效辐射〔5板2的有效辐射〔6板1与2的辐射换热量解：由于两板间距极小,可视为两无限大平壁间的辐射换热,辐射热阻网络如图,包括空间热阻和两个表面辐射热阻。ε=α=0.8,辐射换热量计算公式为〔11-29其中J1和J2为板1和板2的有效辐射,将上式变换后得故：〔1板1的本身辐射为〔2对板1的投入辐射即为板2的有效辐射〔3板1的反射辐射为,ρ1=1-α=0.2,〔4板1的有效辐射为〔5板2的有效辐射为〔6由于板1与2间的辐射换热量为：6.设保温瓶的瓶胆可看作直径为10cm高为26cm的圆柱体,夹层抽真空,夹层两内表面发射率都为0.05。试计算沸水刚注入瓶胆后,初始时刻水温的平均下降速率。夹层两壁壁温可近似取为100℃及20℃解：,代入数据得w,而,查附录知100℃水的物性参数为代入数据得℃/s7.两块宽度为W,长度为L的矩形平板,面对面平行放置组成一个电炉设计中常见的辐射系统,板间间隔为S,长度L比W和S都大很多,试求板对板的角系数解：〔参照例11-1作辅助线ac和bd,代表两个假想面,与、组成一个封闭腔,根据角系数完整性：,同时可把图形看成两个由三个表面组成的封闭腔,对的角系数8.一电炉内腔如图11-29所示,已知顶面1的温度t1=30℃,侧面2〔有阴影线的面的温度为t2=250℃,其余表面都是重辐射面。试求11和2两个面均为黑体时的辐射换热量；〔21和2两个面为灰体ε1=0.2,ε2=0.8时的辐射换热量解：将其余四个面看成一个面从而构成一个由三个表面组成的封闭系统⑴当1、2两个面均为黑体,另一个表面绝热,系统网络图如下先求1对2的角系数：X=4000,Y=5000,Z=3000,,查表得,,代入数据得〔为J1、J2之间的当量热阻,w/㎡w/㎡w〔负号表示热量由2传导1〔2当1、2面为灰体,另一表面为绝热面,系统网络图如下负号表示热量从2面传向1面。9.直径为0.4m的球壳内充满N2,CO2,和水蒸气〔H2O组成的混合气体,其温度tg=527℃。组成气体的分压力分别为PN2=1.013*105Pa,PCO2=0.608*105