材料工程基础第三、五、六章的答案.ppt

1、1,解：根据题意，低温空气外掠圆管将热量从圆管带走。,2,3-2 一外径为0.3m，壁厚为5mm的圆管，长为5m，外表面平均温度为80。200的空气在管外横向掠过，表面传热系数h为80W(m2K)。入口温度为20的水以0.1m/s的平均速度在管内流动。如果过程处于稳态，试确定水的出口温度。水的比定压热容为4184J(kgK)，密度为980kgm3。,解：根据题意，高温空气外掠圆管将热量传递给圆管内通过的水。,高温空气传递给圆管的热量为：,流体吸收圆管传递的热量为：,3,3-3 用平底锅烧开水，与水相接触的锅底温度为111，热流密度为42400W/m2。使用一段时间后，锅底结了一层平均厚度为3

2、mm的水垢。假设此时与水相接触的水垢的表面温度及热流密度分别等于原来的值，试计算水垢与金属锅底接触面的温度。水垢的导热系数取为1W/(mK)。,解：根据题意，可以作为单层平壁导热问题处理，即,4,4, 通过单层平壁的导热,1) 一维稳态导热,已知:平壁的两个表面分别维持均匀且恒定的温度tw1和tw2，无内热源，壁厚为。,解：导热系数k常数，无内热源、一维、稳态导热微分方程式,t=C1x+C2,x= 0 时t= tw1 x=时t= tw2,表面积为A,5, 通过多层平壁的导热,已知：各层的厚度1、2、3，各层的导热系数 k1 、k2和k3及多层壁两表面的温度tw1和tw4。,解：,求：各层间分界

3、面上的温度。,6,7,通过圆筒壁的导热,已知：一个内外半径分别为 r1 、r2的圆筒壁，其内、外表面温度分别维持均匀恒定的温度t1和t2。,求：通过圆筒壁的导热量及壁内的温度分布。,解：,r = r1时 t = t1 r = r2时 t = t2,通过多层圆筒壁的导热,一维、稳态、无内热源柱体导热,8,3-4 一厚度为10 cm的无限大平壁，导热系数k为15W(mK)。平壁两侧置于温度为20，表面传热系数h为50W(m2K)的流体中，平壁内有均匀的内热源 =4104Wm3。试确定平壁内的最高温度及平壁表面温度。,解：由于对称性，仅研究壁厚的一半即可。该问题的数学描写为：,具有均匀内热源的平壁,

4、对式(a)作两次积分，并由边界条件式（b）、（c）确定其积分式中的常数，最后可得平板中的温度分布为：,(a),(b),(c),9,解：,10,3-6 一烘箱的炉门由两种保温材料A及B做成，且 A=2B。已知kA=0.1W(mK)，kB=0.06 W(mK)，烘箱内空气温度tf1=400，内壁面的总表面传热系数h1=50 W(m2K)。为安全起见，希望烘箱炉门的外表面温度不得高于50。设可把炉门导热作为一维问题处理，试决定所需保温材料的厚度。环境温度tf2=25，外表面总表面传热系数h2=9.5W(m2K)。,解：根据题意，炉门作为双层平壁考虑，则热流体经多层平壁传热给冷流体的传热过程的热流密度

5、可直接写出为：,11,12,13,毕渥数Bi,以第三类边界条件为重点,问题的分析 如图所示，存在两个换热环节：,a 流体与物体表面的对流换热环节 b 物体内部的导热,有如下三种可能：,毕渥数：,对流换热很快，忽略对流,传导换热很快，忽略导热,都存在,导热系数相当大，几何尺寸很小，或者表面换热系数极小，都可采用集总参数法,14,集总参数法分析求解,1 定义：忽略物体内部导热热阻、认为物体温度均匀一致分析方法。此时 ，温度分布只与时间有关，即 ，与空间位置无关，因此，也称为零维问题。,2 温度分布 如图所示，任意形状的物体，参数均为已知,将其突然置于温度恒为t的流体中,15,15,集总参数法分析求

6、解,忽略内部热阻（t=f()）、非稳态、有内热源，能量方程可化为：,初始条件,控制方程,其中 应看成是广义热源，即界面上交换的热量可折算成整个 物体的体积热源,集总参数法方程,令过余温度tt，有：,积分,16,16,集总参数法分析求解,对上式进行整理，得：,令： 为时间常数，表示物体蓄热量与表面换热量之比,当c：,当4c：,工程上认为此时已 达到热平衡状态,当0：,17,对于球、板和柱体，当Bi满足：,无限大平板，M1,无限长圆柱，M1/2,球，M1/3,可以采用集总参数法进行分析。采用此判据时，物体中各点过余温度的差别小于5%,18,19,20,21,3-14 对置于气流中的一块很粗糙的表面

7、进行传热试验，测得如下的局部换热特性的结果：Nux=0.04Rex0.9 Pr1/3 其中特性长度x为计算点离开平板前缘的距离。试计算当气流温度t=27、流速u=50 ms时离开平板前缘x=1.2 m处的切应力。平壁温度tw=73。,解：查空气的物理性质t=27，,粘滞切应力,雷诺切应力,切应力,22,23,24,25,3-20 某物体表面在427时的辐射能力与黑体在327时的辐射能力相同，求该物体的辐射率。,解：根据斯蒂芬-波尔茨曼定律,3-21 两无限大平行平面，其表面温度分别为20 及600，辐射率均为0.8。在这两平面中安放一块辐射率为0.8或0.05的遮热板，试求这两块无限大平行平面

8、间的净辐射热量。,解：两无限大平行平面种间有遮热板的辐射网络图由四个表面热组和两个空间热组串联而成，其净辐射量为：,26,3-22 两无限大平行平板和，平板为黑体，温度t1=827，平板为辐射率等于0.8的灰体，温度t2=627。 试求：(1)平板在此情况下的最大辐射强度的波长； (2)两平板的有效辐射； (3)两平板间的净辐射热量； (4)绘出系统的辐射网络图。,解： (1)根据普朗克定律黑体最大光谱辐射强度的波长与温度有如下数学关系,(2)如图可知，物体的有效辐射是本射辐射与反射辐射之和。对于黑体，其有效辐射就是本身辐射。,(a),(b),27,对两个无限大平行平板，一板有效辐射必然全部投

9、射到二板上。即：,(c),(d),同时,联立方程（a）（b）（c）（d）得：,(3)两平板间的净辐射热量,(4)绘出系统的辐射网络图,28,5-1 下列三种空气作为干燥介质，问采用何者干燥推动力最大？何者最小？为什么？ t=60，X=0.015kg/kg干空气 t=70，X=0.040kg/kg干空气 t=80，X=0.045kg/kg干空气,解：要知道各情况下空气干燥推动力大小，其实质是求解相对湿度。,查表，当温度分别为t=60, t=70, t=80时，饱和水蒸气分压分别为19.9163kPa,31.1567kPa,47.3465kPa。湿空气总压为1标准大气压。,结论： 的干燥推动力最大

10、， 最小。,29,5-2 已知大气压强为0.1Mpa，温度为30，露点温度为20，求空气的相对湿度、含湿量、焓、水蒸气分压。,解：含湿量X与psd(温度露点td时的饱和水蒸气分压)满足以下关系：,查表，当温度为t=30时，饱和水蒸气分压为4.2430kPa。,湿空气的焓：,水蒸气分压：,30,5-3 将干球温度27，露点为22的空气加热到80，试求加热前后空气的相对湿度的变化量。,解：湿空气在露点温度下处于饱和状态，其湿含量保持不变，查表得t=20 和 t=25 饱和水蒸气的分压为2.3379kPa和3.1674kPa。则t=22时的饱和水蒸气的分压为：,查表，t=25、 t=30和t=80饱

11、和水蒸气的分压为3.1674kPa 、4.2430kPa和47.3465kPa 。,31,5-5 将20， 的新鲜空气与50， 的热气体混合，且 ， ，且新鲜空气和废气的比热相同，求混合后气体的相对湿度、焓。如将混合气体加热到102该气体的相对湿度和焓为多少？,解：查表,t为20和50饱和水蒸气分压为2.3379kPa 和12.3338kPa 。 已知 和 。,32,混合后：,将混合气体加热到102时：湿空气中水蒸气所能达到的最大分压是湿空气的总压。,33,5-8 一理想干燥器在总压为100kPa下，将湿物料水分由50%干燥至1%，湿物料的处理量为20kg/s。室外大气温度25，湿含量为0.0

12、05kg水/kg干空气，经预热后送入干燥器。废气排出温度为50，相对湿度60%。试求：空气用量；预热温度；干燥器的热效率。,解：（1）干物料的处理量,湿物料进、出干燥器的干基含水量,干燥过程蒸发水分,空气离开干燥器时的状态,t2=50，,，查表,空气进入干燥器时,34,干燥过程干空气用量,对应湿空气用量为,求预热温度,无外加热源的物料干燥过程可以看作是绝热加湿过程。绝热加湿过程中，湿空气的焓保持不变。,空气离开干燥器时的焓,空气进入干燥器时的焓,35,干燥器的热效率,36,5-10 在恒定干燥条件下，将物料由含水量0.33kg/（kg干料）干燥到0.09kg/（kg干料）需要7h，若继续干燥至

13、0.07kg/（kg干料），还需要多少时间？已知物料的临界含水量为0.16kg/（kg干料），平衡含水量为0.05kg/（kg干料）。设降速阶段的干燥速率与自由含水量成正比。,解：（1）由于X1XcX2，物料含水量从X1下降X2到经历等速干燥和降速干燥两个阶段,（2）继续干燥所需要的时间 设物料从临界含水量Xc，干燥至X3=0.07kg/kg干料所需时间为3，则,1=4.54 h 2=2.46 h,继续干燥所需要的时间：,37,6-1 若煤质分析表中列出如下成分FCad38.6、Had2.6、Sad3.8、Nad0.8、Oad3.1、Mad11.0、Aad40.1, 而工业分析表明，实际水分M

14、ar16，试求实际燃料的收到基成分及发热量?,解：1kg空气干燥基燃料折合成实际燃料收到基,38,39,(2)计算煤的发热量,a)无烟煤：,40,b) 烟煤：,焦炭特性取4级，查表,且,41,6-4 已知某窑炉用煤的收到基组成为： =1.2，计算：实际空气量（Nm3/kg）；实际烟气量（Nm3/ kg）；烟气组成。,解：基准：1kg煤。,(1)空气量计算,理论空气量Va0：,实际空气量Va：,42,(2)烟气量计算,理论烟气量V0：,实际烟气量V：,(3)烟气组成百分数计算,43,烟气中CO2、H2O、SO2、O2、N2的百分含量分别为：13.37% 、7.69% 、0.03% 、3.34%

15、、75.55%。,44,6-6 某窑炉使用发生炉煤气为燃料，其组成为（%）： 燃烧时=1.2，计算：燃烧所需实际空气用量（ Nm3/ Nm3煤 气）；实际湿烟气生成量（Nm3/ Nm3煤气）； 干烟气及湿烟气组成百分率。,解：（1）计算1Nm3煤气燃烧所需要的空气量,理论空气量：,实际空气量：,（2）计算1Nm3煤气燃烧生成的烟气量,45,实际烟气量：,（3）干烟气及湿烟气组成百分率,湿烟气组成百分率,46,干烟气组成百分率,47,6-8 某倒焰窑所用煤的收到基组成为： 高温阶段在窑底处测定其干烟气组成为： 组分 CO2 O2 N2 体积（%） 13.6 5.0 81.4 灰渣分析：含C17%，灰分83% 高温阶段小时烧煤量为400kg，计算该阶段每小时烟气生成量（Nm3）及空气需要量（Nm3）。,解： 烟气量计算（Nm3/h）,基准：1kg煤,煤中C量： Car,灰渣中C量：,设1kg