工程传热学课后习题答案

1第一章：1-3一大平板，高2.5m，宽2m，厚0.03m，导热系数为45W/(mK)，两侧表面温度分别为t1=100℃，t2=80℃，试求该板的热阻、热流量、热流密度。解:WKAR/103.14525.203.04KWtA15003.08010025.24523/3025.210150mKWAq1-6一单层玻璃窗，高1.2m，宽1.5m，玻璃厚0.3mm，玻璃导热系数为=1.05W/(mK)，室内外的空气温度分别为20℃和5℃，室内外空气与玻璃窗之间对流换热的表面传热系数分别为h1=5.5W/(m2K)和h2=20W/(m2K)，试求玻璃窗的散热损失及玻璃的导热热阻、两侧的对流换热热阻。解：22121/632015.0003.05.5152011mWhhttqffWqAQ5.113WKAR/103.35.05.12.1003.03WKAh/101.05.55.12.1111WKAh/108.27205.12.111321-16附图所示的空腔由两个平行黑体表面组成，孔腔内抽成真空，且空腔的厚度远小于其高度与宽度。其余已知条件如图。表面2是厚δ=0.1m的平板的一侧面，其另一侧表面3被高温流体加热，平板的平均导热系数λ=17.5W/(mK)，试问在稳态工况下表面3的tw3温度为多少？解：若处于稳定工况，则)()(324241∴CTTtt　　　　　67.1325.17)400300(1067.51.00.1127)(44842412321-18解：221/1.2571016.14.0101001mWhttq1-19一厚度为0.4m，导热系数为1.6W/mK的平面墙壁，其一侧维持100℃的温度，另一侧和温度为10℃的流体进行对流换热，表面传热系数为10W/(m2K)，求通过墙壁的热流密度。解：第二章：2－1按题意qrrt保墙221/1.2571016.14.0101001mWhttq3则6786.03.102.01830301300墙保rqtr则mmr65.7407465.06786.011.0保保保2-2在如图所示的平板导热系数测定装置中，试件厚度δ远小于直径d。由于安装制造不好，试件与冷、热表面之间存在着一厚度为Δ=0.1mm的空气隙。设热表面温度t1=180℃，冷表面温度t2=30℃，空气隙的导热系数可分别按t1、t2查取。试计算空气隙的存在给导热系数的测定带来的误差。通过空气隙的辐射换热可以忽略不计。(Φ=58.2wd=120mm)解：不考虑空气隙时侧得的导热系数记为λ0，则已知空气隙的平均厚度Δ1、Δ2均为0.1mm，并设导热系数分别为λ1、λ2，则试件实际的导热系数应满足：2-4一烘箱的炉门由两种保温材料A和B做成，且δA=2δB(见附图)。已知λA=0.1w/m•K，λB=0.06w/m•K。烘箱内空气温度tf1=400℃，内壁面的总表面传热系数h1=50w/m2•K。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导热问题处理，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/m2•K。解：根据稳态热平衡应有：222121111htthhttfwBBAAff由此解得：mmAB0793.0,0396.02-10一内径为80mm，厚度为5.5mm，导热系数为45W/m•K的蒸汽管道，内壁温度为250℃，外壁覆盖有两层保温层，内保温层厚度45mm，导热系数为0.25W/m•K，外保温层厚20mm，导热系数为0.12W/m•K。若最外侧的壁面温02915.02.58150420dtAtA211121110%92.2102915.003745.002646.002915.000267.00001.000378.00001.00211104度为30℃，求单位管长的散热损失。解：mmrmmrmmrmmr5.110405.90405.4540403214213121mWrrrrrrttql/77.31212.0)5.905.110ln(25.0)5.455.90ln(45)405.45ln()30250(14.32)ln()ln()ln()(2334223112412-13一直径为30mm、壁温为100℃的管子向温度为20℃的环境散热，热损失率为100W/m。为把热损失减小到50W/m，有两种材料可以同时被利用。材料A的导热系数为0.5w/m•K，可利用度为3.14×10-3m3/m；材料B的导热系数为0.1w/m•K，可利用度为4.0×10-3m3/m。试分析如何敷设这两种材料才能达到上要求。假设敷设这两种材料后，外表面与环境间的表面传热系数与原来一样。解：对表面的换热系数h应满足下列热平衡式：由此得h=13.27w/m2•K每米长管道上绝热层每层的体积为当B在内，A在外时，B与A材料的外径为d2、d3可分别由上式得出。此时每米长度上的散热量为：当A在内，B在外时，A与B材料的外径为d2、d3可分别由上式得出。10003.014.3)20100(h0774.003.0785.0104785.023212dVd1.00774.0785.01014.3785.023223dVd)(4221iiddV7.431.014.327.1315.028.6)4.77100ln(1.028.6)304.77ln(20100lQ5此时每米长度上的散热量为：绝热性能好的材料B在内才能实现要求。2-17180A的电流通过直径为3mm的不锈钢导线[λ=19W/（m·℃）]。导线浸在温度为100℃的液体中，表面传热系数为3000W/（m2·℃），导线的电阻率为70μΩ·cm，长度为1m，试求导线的表面温度及中心温度？解：227210908.9)0015.0(1107)(ALRttdLhRIw故热平衡为)100)(103(300010908.9)180(322wt由此解得5.213wt℃导线中心的温度为5.2131940015.0)0015.0(42222RItrtwi94.226℃07.003.0785.01014.3785.023212dVd1.007.0785.0104785.023223dVdmWlQ/2.741.014.327.1311.028.6)70100ln(5.028.6)3070ln(201006第三章：3-1一热电偶的ρcV/A之值为2.094kJ/(m2K)，初始温度为20℃，后将其置于320℃的气流中。试计算在气流与热电偶之间的表面传热系数为58W/(m2K)及116W/(m2K)的两种情形下，热电偶的时间常数，并画出两种情形下热电偶读数的过余温度随时间的变化曲线。解：（1）时间常数hAcVs，已知094.2AcV当)/(582KmWh时，ss1.3658/10094.231当)/(1162KmWh时，ss05.18116/10094.232（2）过余温度ssee//03003-3一厚10mm的大平壁(满足集总参数分析法求解的条件)，初温为300℃，密度为7800kg/m3，比热容为0.47kJ/(kg℃)，导热系数为45W/(mK)，一侧有恒定热流q=100W/m2流入，另一侧与20℃的空气对流换热，换热系数为70W/(m2K)。试求3min后平壁的温度。解：根据能量守恒原理，有)(tthAqAddtcV对单位面积而言，其体积为301.0101mmmSAV代入其它参数，可得)20(7010001.01047.078003tddt)7/150(7036660tddt0ss05.182ss1.36130007)7/150(36667tddt分离变量积分0300366677/150)7/150(dttdt36667|)7/150ln(300tt令975.218180t3-7一根体温计的水银泡长10mm，直径4mm，护士将它放入病人口中之前，水银泡维持18℃；放入病人口中时，水银泡表面的换热系数为85W/(m2K)。如果要求测温误差不超过0.2℃，试求体温计放入口中后，至少需要多长时间，才能将它从体温为39．4℃的病人口中取出。已别水银泡的物性参数为=13520kg/m3，c=139.4J/(kg·℃)，=8.14W/(mK)。解：首先判断能否用集总参数法求解mRlRlRRllRAV3221091.0)001.001.0(201.0002.0)5.0(2205.0105.914.81091.085)/(33AVhBiv故可用集总参数法。根据题意，0093.04.39182.0)105.9exp()exp(3FoBivFovtttto4.492)/(,4.4922AVcFo即s4.943-12一块厚10mm的大铝板，初始温度为400℃，突然将其浸入90℃的流体中，表面传热系数为1400W/(m2K)。试求使铝板中心温度降低到180℃所需要的时间。解：)/(236KmW铝1.002966.02hBiv满足集总参数法条件。)exp(BivFovo8)02966.0exp(9040090180FosFo8.107.419第四章：4－2解：由外掠平板流动的动量微分方程22yuvyuvxuu（1）由于~,~,~yxxuu，而由连续性方程0yvxu（2）可知xuv~，因此动量微分方程（1）式中各项的数量级如下：2,,uvuxuxuu在边界层内，粘性力项与惯性力项具有相同的数量级，也就是：22~uvxu即xuvx~22，所以xxRe1~4-3，解：三种情况下的温度分布曲线如下所示：ty1221wwqq212wwqq01wq104-14解：（1）Prlg3/1RelglglgnCNulgRe3.6994.3014.6134.954lgPr0.3420.591-0.155-0.155lgNu1.6132.0972.0682.305求出了三个n值，然后取平均值。n1=0.666,n2=0.705,n3=0.695平均值n=0.689求出四个C值，然后取平均值。C1=0.089,C2=0.086,C3=0.087,C4=0.088平均值C=0.088（2）不行，两现象不相似，故不能使用相同的准则关系式。4-15解：根据题意，muCNuPrRe，即nmvulChlPr)(考虑到C，m,n为常数，物性也为常数，因此mulhl)(可以根据试验结果确定m的值，mmlululhlh)()(22112211代入数据，得出m=0.782当smuml/15,1时，)/(3.34/)(21111KmWllluulhhm当smuml/20,1时，)/(95.42/)(21111KmWllluulhhm11第五章：5-4一常物性的流体同时流过温度与之不同的两根直管1与2，且d1=2d2，流动与换热均已处于紊流充分发展区域。试确定