2012.9传热试题答案4

一、计算题1、一块无限太平板，单侧表面积为A，初温为0t，一侧表面受温度为t，表面传热系数为h的气流冷却，另一侧受到恒定热流密度wq的加热，内部热阻可以忽略，试列出物体内部的温度随时间变化的微分方程式并求解之。设其他几何参数及物性参数已知。解：由题意，物体内部热阻可以忽略，温度仅为时间的函数，一侧的对流换热和另—侧恒热流加热作为内热源处理，根据热平衡方程可得：控制方程为：0wdtcVhAttAqdx初始条件：00xtt引入过于温度tt，则为0wdcVhAAqdt，000xtt上述控制方程的通解为：hAxcVwqBeh，由初始条件有：0wqBh故温度分布：01hAhAxxcVcVwqtteeh2、为变量的一维导热问题。某一无限大平壁厚度为，内、外表面温度分别为1wt、2wt，导热系数为01btW/mK，试确定平壁内的温度分布和热流通量。设平壁内无内热源。0ddtdxdx，120wwxxtttt011dtbtCdx，2001212tbtCxC2201112wwCtbt，121012112温度分布：221211121111222热流通量：1210121123、在一换热设备中为平均温度为1800C空气的加热过程，空气的平均流速为6.0m/s，现采用一个缩小成实物1/5的模型对加热过程进行模拟；模拟空气温度为20℃，求模拟流速为多少才能保证与原来设备的换热现象相似。若模型中的平均表面传热系数为120W/(m2K)，求相应实物中的值。（空气20℃时的物性参数：621110.0259/,15.0610/,Pr0.703WmKvms空气180℃时的物性参数：622220.0378/,32.4910/,Pr0.681WmKvms）解：根据相似理论，模型与实物中的，雷诺数应相等1122126121262115.0610()()5613.9/32.4910ululluumsl（5分）1212212110.0378()()12035/()50.0259NuNulhhWmKl（5分）4、20℃，大气压下的空气，以15ｍ/s的速度流过长为100mm的平板，平板温度保持140℃。试问平板单位面积的平均热流量是多少？（80℃空气物性参数：620.0305/,21.0910/,Pr0.692WmKvms）解：定性温度：Ctttfwm802（2分）46150.1Re7.11021.0910ulv（2分）5.156PrRe664.03121xNu（2分）47.7/()NuhWmKl（2分）层流则平板单位面积的平均换热量为：WtthAQfw5724)(（2分）5、两个直径为0.4m，相距0.1m的平行同轴圆盘，放在环境温度保持为300K的大房间内。两圆盘背面不参与换热。其中一个圆盘绝热，另一个保持均匀温度500K，发射率为0.6。且两圆盘均为漫射灰体。试确定绝热圆盘的表面温度及等温圆盘表面的辐射热流密度。解：这是三个表面组成封闭系的辐射换热问题，表面1为漫灰表面，表面2为绝热表面，表面3相当于黑体。如图(a)所示。辐射网络图见图(b)。计算角系数：1,20.62X；1,32,310.620.38XX22120.40.125744AAdm230.40.10.1257Adlm2对J1列节点方程11312111,311,21110111bEJJJJJXAXAA对J2列节点方程31122,321,21011JJJJXAXA其中4843335.6710300459.27bJETW/m2484115.67105003543.75bETW/m2111110.65.30.60.1257A，11,322,311120.93540.12570.38AXAX11,21112.83140.12570.62AX因而(1)，(2)式成为：11213543.75459.2705.320.935412.8314JJJJ212459.27020.935412.8314JJJ解得：12646.65JW/m2，21815.4JW/m2因此2244281815.44235.6710bEJTK等温圆盘1的表面辐射热流：111113543.752646.651345.65110.60.6bEJqW/m26、（15分）设计一个把总流量为2.5kg/s的水从15℃加热到85℃的叉流式换热器，使160℃的热机油通过壳侧，冷水则在10根八流程、管径为25mm的薄壁管中流过。管内水的换热系数为3000W/mC。（）、比热为4187J/kgC。（），管外油的换热系数为400W/mC。（）、比热为2350J/kgC。（），忽略管壁导热热阻。求：若油离开换热器为100C。，（1）油的流量为多少？（2）为达到设计要求，每程管子的长度为多少？（本题可作逆流考虑）解：由题意，水的进口温度为'215Ct。，出口温度为''285Ct。；油的进口温度为'1160Ct。，出口温度为''1100Ct。；设每程管子长度为l（1）由热平衡''''''2211()()mcttmctt水水油油则'''''2211()/()mmcttctt‘油水水油2.54187(8515)/2350(160100)=5.2kg/sm油（3分）（2）逆流考虑时对数平均温差为''''''''''''12121212()()/ln(()/())(16085)(10015)/ln((16085)/(10015))79.9Cmttttttttt。（3分）由于为薄壁管且导热热阻不计则，水侧表面热阻为21hA，油侧表面热阻为11hA，其中A为传热面积，由12111kAhAhA则12123000400352.9W/mC3000400hhkhh。（）（4分）又由=mkAΔtAabdl其中a为管子根数，b为换热器程数则'''223()2.54187(8515)108352.979.925104.13mmmmcttlabktdabktd水水（5分）二、简答题7、工程中应用多孔性材料作保温隔热,使用时应注意什么问题?为什么?答：应注意防潮。保温材料的一个共同特点是它们经常呈多孔状，或者具有纤维结构，其中的热量传递是导热、对流换热、热辐射三种传热机理联合作用的综合过程。如果保温材料受潮，水分将替代孔隙中的空气，这样不仅水分的导热系数高于空气，而且对流换热强度大幅度增加，这样材料保温性能会急剧下降。8、层流时的对流传热系数是否总是小于湍流时的对流传热系数?为什么?答：（在入口段边界层厚度从零开始增厚，若采用短管，尽管处于层流工况，由于边界层较薄，对流换热系数可以大于紊流状况。）9、对管内强迫对流换热，为何采用短管和弯管可以强化流体换热？答：采用短管，主要是利用流体在管内换热处于入口段温度边界层较薄，因而换热强的特点，即所谓的“入口效应”），从而强化换热。对于弯管，流体流经弯管时，由于离心力作用，在横截面上产生二次环流，增加了扰动，从而强化了传热。10、写出辐射换热中两表面间的平均角系数的表达式，并说明其物理意义。答：平均角系数X1,2=21122211coscos1dAdArAAA，它表示A1表面发射出的辐射能中直接落到另一表面A2上的百分数。或者它表示离开A1表面的辐射能中直接落到另一表面A2上的百分数。11、表面辐射热阻概念。答：当物体表面不是黑体时，该表面不能全部吸收外来投射的辐射能量，这相当于表面存在热阻，该热阻称为表面辐射热阻，常以A1来表示。12、什么是物体的发射率和吸收率?二者在什么条件下相等?答：实际物体的辐射力与同温度下黑体的辐射力之比称为该物体的发射率；投射到物体表面的总能量中被吸收的能量所占的份额是物体的吸收率。由基尔霍夫定律可知：当物体表面为漫灰表面时，二者相等。13、（5分）换热器热计算中为什么要用“平均传热温差”的概念？目前广泛采用的对数平均温差计算公式是不是严格精确的平均温差？说明你的判断及理由？答：1、因为换热器冷热流体间的温差沿程是不断变化的，当利用传热方程计算整个传热面上的热流量时，必须使用整个传热面上的平均温差。2、对数平均温差不是严格精确的平均温差，是建立在4个假设的基础上的：（1）冷热流体的质量流量及比热容在整个换热面上是常量；（2）传热系数在整个换热面上不变；（3）换热器无散热损失；（4）换热面中沿管子轴向的导热量忽略不计。14、（3分）肋片加在表面换热系数大的一侧与加在表面换热系数小的一侧哪一种强化传热的效果好？试解释其主要原因？答：肋片加在表面换热系数小的一侧强化换热的效果好，因为表面换热系数小的一侧在整个传热过程中热阻占主要部分，加肋片后可以增加换热面积，显著地减小该侧的表面热阻，从而使传热系数增大，增强换热；而表面换热系数大的一侧在传热过程中表面热阻本来就小，加肋片后对整个传热过程热阻的改变很小，所以不能有效地强化换热。15、（3分）用热水散热器来采暖（管内热水加热加热管外空气），如果不改变热水温度，只增加热水流速，能不能显著增加散热量？为什么？答：由于热水在管内流动，管侧表面换热系数0.8iiihcu，所以当热水流速增加时，换热系数的增长率小于速度增长率，即不能显著地增加散热量。