传热学习题--5(2)

有以下形式：

Nu =CRenPrm

四种情形下定性温度之值均相同。特征长度为l。

6-4 有人曾经给出下列流体外掠正方形柱体（其一个面与来流方向垂直）的传热数据：

Nu Re Pr 41 5000 2.2 125 20000 3.9 117 41000 0.7 202 90000 0.7

采用Nu =CRenPrm的关系式来整理数据并取m = 1/3，试确定其中的常数C和指数n。在上述Re及Pr数的范围内，当方形柱体的截面对角线与来流方向平行时，可否用此式进行计算，为什么？

6-5 在一台缩小成为实物1/8的模型中，用20℃的空气来模拟实物中平均温度为200℃空气的加热过程。实物中空气的平均流速为6.03m/s，问模型中的流速应为多少？若模型中的平均表面传热系数为195W/(m2·K)，求相应实物中的值。在这一实验中，模型与实物中流体的Pr数并不严格相等，你认为这样的模化试验有无实用价值？

6-6 为了用实验的方法确定直径d = 400mm的钢棒[热导率λ = 42 W/(m·K)，热扩散率a = 1.18×10-5 m2/s，表面传热系数h = 116W/(m2·K)]放入炉内时间τ = 2.5h时的温度分布，现用几何形状相似的合金钢棒[λm = 16 W/(m·K)，am = 0.53×10-5 m2/s，hm = 150W/(m2·K)]在不大的炉中加热。求模型的直径dm和模型放入炉内多少时间后测量模型中的温度分布。

6-7 现用模型来研究某变压器油冷却系统的传热性能。假如基本的传热机理是圆管内强制对流传热，变压器原耗散100kW的热流量。变压器油的λ = 131.5×10-3W/(m·K)，Pr = 80。模型的直径为0.5cm，线性尺寸为变压器的1/20，表面积为变压器的1/400。模型和变压器中的平均温差相同，模型用乙二醇作流体，雷诺数Re = 2200。乙二醇的λ = 256×10-3W/(m·K)，Pr = 80，ν = 0.868×10-5 m2/s。试确定模型中的能耗率（散热热流量）和流速。

6-8 一个正方形（10mm×10mm）硅芯片的一侧绝缘，另一侧用u∞ = 20m/s和T∞ = 24℃的常压平行空气流冷却。在使用过程中，芯片内部的电功耗使冷却表面上具有恒定的热流密度。如果要求芯片表面上任意点的温度都不超过80℃，最大允许的功率是多少？如果该芯片安装在衬底上，且上表面与衬底表面平齐，衬底构成了20mm的非加热起始段，则最大允许的功率是多少？

6-9 一个用电的空气加热器由一组水平放置的薄金属片阵列构成，空气平行流过这些金属片的顶部，它们沿气流方向上的长度均为10mm。每块金属片的宽度均为0.2m，共有25块金属片依次排列，形成一个连续且光滑的表面，空气以2m/s的速度流过该表面。在运行过程中每一个金属片均处于500℃，而空气则处于25℃。

（1）第一块金属片上的对流散热速率是多少？第五块呢？第十块呢？其它所有的金属块呢？

（2）在空气流速分别为2m/s、5m/s及10m/s时，确定（1）中所有位置处的对流传热速率。用表或条线图的形式表示结果。

（3）重复（2），但此时整个金属片阵列上的流动都是湍流。

6-10 考虑20℃的水以2m/s的速度平行流过一块长为1m的等温平板。 （1）画出对应于临界雷诺数分别为5×105、3×105和0（流动为完全湍流）的三种流动条件下局部表面传热系数hx沿板距的变化。

（2）画出（1）中三种条件下平均表面传热系数hx随距离的变化。 （3）（1）中三种流动条件下整个平板的平均表面传热系数hl分别是多少？

6-11 用一根没有隔热的蒸汽管道将高温蒸汽从一栋建筑输送到另一栋建筑。管道直径为0.5m，表面温度为150℃，并暴露于-10℃的环境空气。空气以5m/s的速度横向流过管道。

（1）单位管长上的热损失是多少？

6

（2）讨论用硬质聚氨酯泡沫[λm = 0.026 W/(m·K)]对管道进行隔热的效果。在0mm ≤δ ≤ 50mm范围内计算并画出热损失随隔热层厚度δ的变化。

6-12 一个直径D = 10mm的长圆柱形电加热元件的热导率λ = 240 W/(m·K)、密度ρ = 2700kg/m3、比热容cp = 900J/(kg·K)，将它安装在一个管道中，温度和速度分别为27℃和10m/s的空气横向流过该加热器。

（1）忽略辐射，计算单位长度加热器的电功耗为1000W/m时加热器的稳态表面温度。 （2）如果加热器在初始温度为27℃时启动，计算表面温度达到与其稳态值相差10℃以内所需的时间。 6-13 用热线风速仪测定气流速度的试验中，将直径为0.1mm的电热丝与来流方向垂直放置，来流温度为25℃，电热丝温度为55℃，测得电热丝功率为20W/m。假定除对流外其它热损失可忽略不计。试确定此时的来流速度。

6-14 两个标准大气压、温度为200℃的空气，以u = 10m/s的流速流入内径d = 2.54cm的管内被加热。壁温比空气温度高20℃。若管长为3m，试求通过管子的换热量和空气出口温度。

6-15 在一个预热器中通过在管束内冷凝100℃的蒸汽来加热入口压力和温度分别为1atm和25℃的空气。空气以5m/s的速度横向流过管束，每根管子均为1m长、外径为10mm。管束由196根管子构成正方形顺排阵列，有S1 = S2 =15mm。对空气的总的传热系数是多少？

6-16 如图6-18所示，一股冷空气横向吹过一组圆形截面的直肋。已知：

图6-18 习题16附图 最小截面处的空气流速为3.8m/s，气流温度tf =35℃；肋片的平均表面温度为

65℃，导热系数为98W/(m·K)，肋根温度维持定值；S1/d = S2/d = 2，d = 10mm。（部分肋片未画出） 为有效地利用金属，规定肋片的mH值不应大于1.5，试计算此时肋片应多高？在流动方向上的排数大于10。

6-17 某锅炉厂生产的220 t/h高压锅炉，其低温段空气预热器的设计参数为：叉排布置，S1=76mm，S2 = 44mm，管子为Φ40mm ×1.5mm，平均温度为150℃的空气横向冲刷管束，流动方向的总排数为44。在管排中心线截面上的空气流速（即最小截面上的流速）为6. 03m/s。试确定管束与空气间的平均表面传热系数。管壁平均温度为185℃。

6-18 油冷却器中的顺排管束由外径为2cm的管子组成。水横掠管束，在水流方向上管排数为10，管束的S1/do = S2/do= 1.25。高温油在管内流动，管子外表面温度为50℃，冷却水温度为30℃，管间最窄处的质流密度为4kg/(m2·s)。试求管外的对流表面传热系数。

6-19 90℃的水蒸气在叉排管束的管内凝结，横掠管束的空气从15℃被加热到45℃。管子外径为12mm，管束纵向间距S2 = 18mm，横向间距S1 = 36mm。横掠管束前空气的质流密度为11kg/(m2·s)。求沿气流方向的管排数。

6-20 空气横掠一光滑管束空气预热器。已知管束有22排，每排24根管；管子外径为25mm，管长为1.2m；管束叉排布置，管子间距S1 = 50mm，S2 = 38mm；管壁温度为100℃；空气最大流速umax = 6m/s，平均温度为30℃。试求表面传热系数以及热流量Ф。

6-21 水平放置的蒸汽管道，保温层外径do = 383mm，壁温tw = 48℃，周围空气温度t∞ = 23℃。试计算保温层外壁的对流散热量。

6-22 大气压下30℃的空气以30cm/s的平均速度通过长0.5m、直径为20mm的横管。若管壁温度维持130℃，试计算对流传热系数。

6-23 一块宽0.1m、高0.18m的薄平板竖直地置于温度为20℃的大房间中，平板通电加热，功率为100W。平板表面喷涂了反射率很高的涂层，试确定在此条件下平板的最高壁面温度。

6-24 温度分别为100℃和40℃、面积均为0.5×0.5m2两竖壁，形成厚δ = 15mm的竖直空气夹层。试计算通过空气夹层的自然对流传热量。

第7章 相变对流传热

7

习题

7-1 饱和水蒸气在高度L = 1.5m的竖直管外表面上作层流膜状凝结。水蒸气压力为p = 2.5?105Pa，管子表面温度为123℃，试利用努塞尔分析解计算离开管顶0.1m、0.3m、0.5m、0.8m及1.1m处的液膜厚度和局部表面传热系数。

7-2 大气压力下饱和蒸汽在70℃的垂直壁面上凝结放热，壁面高1.3m、宽0.5m，求每小时的传热量及凝结水量。

7-3 立式氨冷凝器由外径为50mm的钢管制成。钢管外表面温度为25℃，冷凝温度为30℃，要求每根管子的氨凝结量为0.009kg/s，试确定每根管的长度。

7-4 一竖管，管长为管径的64倍。为使管子竖放与水平放置时的凝结表面传热系数相等，必须在竖管上安装多少个泄液盘？设相邻泄液盘之间的距离相等。

7-5 一房间内空气温度为25℃，相对湿度为75%。一根外径为30mm，外壁平均温度为15℃的水平管道自房间穿过。空气中的水蒸气在管外壁面发生膜状凝结，假定不考虑传质的影响。试计算每米管子的凝结传热量。并将这一结果作分析：与实际情况相比，这一结果是偏高还是偏低？

7-6 试分析：液体在一定压力下作大容器饱和沸腾时，表面传热系数h增加一倍，壁面过热度应增加多少倍？如果同一液体作单相湍流强制对流传热（湍流充分发展），为使表面传热系数h增加一倍，流速应增加多少倍？这时流体的驱动功率将增加多少倍？

7-7 直径为5mm，长度为100mm的机械抛光不锈钢薄壁管，被置于压力为1.013×105Pa的水容器中，水温已接近饱和温度。对该不锈钢管两端通电以作为加热表面，试计算当加热功率为1.9W和100W时，水与钢管表面间的表面传热系数。

7-8 试计算当水在月球上、并在105Pa、10×105Pa压力下作大容器饱和沸腾时，核态沸腾的最大热流密度比地球上的相应数值小多少？（月球上的重力加速度为地球的1/6）

第8章 热辐射与辐射传热的计算

习题

8-1 已知材料A、B的光谱吸收比?(?)与波长的关系如图8-45所示，试估计这两种材料的发射率?随温度变化的特性，并说明理由。

图8-46 习题8-3图

图8-45 习题8-1图

8-2 一炉膛内火焰的平均温度为1500K，炉墙上有一直径为20cm的看火孔（可视为黑体）。试计算当看火孔打开时向外辐射的功率。该辐射能中波长为2?m的辐射力是多少？哪一种波长下的辐射能量最多？ 8-3 一漫射表面在某一温度下的单色辐射力与波长的关系如图8-46所示，试：（1）计算此时的辐射力；（2）计算此时法线方向的定向辐射强度。

8-4 有一块厚度为3mm的玻璃，经测定，其对波长为0.3 ~ 2.52?m的辐射能的穿透率为0.9，而对其它波长的辐射能可以认为完全不穿透。试据此计算温度为5800K的黑体辐射及温度为300K的黑体辐射投射到该玻璃上时各自的穿透率。 8-5 面积为A1 = 4×10-4m2，温度为T1 = 1000K的漫射表面向半球空间发出热辐射，在与辐射表面法向成45°

8

方向、距离为1m处安置一直径为20mm的热流计探头，测得该处的热流为1.2×0-3W，探头表面的吸收比取1。试确定辐射表面的黑度。

8-6 两块平行放置灰体平板的表面黑度为0.8，温度分别为t1 = 527℃及t2 = 27℃，板间距远小于板的宽度和高度。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、2间的辐射传热量。

8-7 设热水瓶的瓶胆可以看作直径10cm、高26cm的圆柱体，夹层抽真空，其表面黑度为0.05。试估算沸水刚冲入水瓶后，初始时刻水温的平均下降速率。夹层两壁温可以近似的取为100℃和20℃。

8-8 一直径为0.8m的薄壁球形液氧储存容器，被另一个直径为1.2m的同心薄壁容器所包围。两容器表面为不透明漫灰表面，发射率均为0.05，两容器表面之间是真空的，如果外表面的温度为300K，内表面温度为95K，试求由于蒸发使液氧损失的质量流量。液氧的蒸发潜热为2.13×105J/kg。

8-9 两个相距1m、直径为2m的平行放置的圆盘，相对表面温度分别为t1 = 500℃、t2 = 200℃，发射率分别为?1 = 0.3、?2 = 0.6，圆盘另外两个表面的换热忽略不计。试确定下列两种情况下每个圆盘的净辐射传热量：（1）两圆盘被放置于t3 = 20℃的大房间中； （2）两圆盘被放置于一绝热空腔中。

8-10 两漫灰平行平板间存在着辐射传热，并保持表面温度T1＞T2，表面发射率分别为?1、?2。为减少两板间的辐射热流，用一个两侧面发射率不同的薄遮热板将两板隔开。试问：（1）为使两板之间的辐射传热有最大的减少，遮热板应如何放置？即应将该发射率小的还是大的一侧朝向温度为T1的平板？ （2）上述两种放置方法中哪一种使遮热板温度更高？

第9章 传热过程与换热器

习题

9-1 热流体A流入一换热器中加热石油，其进口温度为300℃，出口温度为200℃。石油从25℃加热后升至175℃。试求两流体顺流和逆流时的对数平均温差。 9-2 压力为6.18×105Pa的干饱和蒸汽在换热器中冷凝，冷却水在管内流过，温度从20℃上升至70℃。试求对数平均温差。

9-3 在空气加热器中，空气从20℃被加热到230℃，烟气从430℃被冷却到250℃。试求流体顺流、逆流和交叉流时的传热平均温差。两种流体交叉流动时烟气混合，空气不混合。

9-4 在某气-气套管式换热器中，中心圆管的内外表面都设置了肋片，试用下表所列符号导出管内流体与环形夹层中流体之间总传热系数的表达式。基管的导热系数为?。

名 称 内表面 外表面 名 称 内表面 外表面 流体温度 总传热面积 tf,i tf,0 At,i At,0 表面传热系数 肋效率 hi h0 ηi η0 肋片部分面积 基管半径 Af,i Af,0 ri r0 基管面积 Ar,i Ar,0

9-5 一卧式冷凝器采用外径为25mm、壁厚为1.5mm的黄铜管换热表面。已知管外冷凝侧平均表面传热系数h0 = 5700 W/(m2?K)，管内水侧平均表面传热系数hi = 4300 W/(m2?K)。试计算下列两种情况下冷凝器按管子外表面积计算的总传热系数： (1)管子内外表面均是洁净的；

(2)管内为海水，流速大于1m/s，结水垢，平均温度小于50℃，蒸汽侧有油。 9-6 某厂由于生产需要，将冷却水以20×103～25×l03kg/h的质量流量向距离3km的车间供应，供水管道外直径为160mm。为防止冬天水在管道内结冰，在管道外包裹导热系数? = 0.12W/(m?K)的沥青蛭石管壳。保温层外表面的复合换热表面传热系数h0 = 35 W/(m2?K)。该厂室外空气温度达-15℃，此时水泵的出口水的温度为4℃。试确定为使冷却水不结冰的最小保温层厚度。忽略管壁热阻及管内水的对流换热热阻。 9-7 一种工业流体在顺流换热器中被油从300℃冷却到140℃，而此时油的进、出口温度分别为44℃和124℃。试确定：

(1)在传热面积足够大的情况下，该流体在顺流换热器中所能冷却到的最低温度； (2)传热面积足够大时，该流体在逆流换热器中所能冷却到的最低温度；

9

(3)在相同的流体进口、出口温度下顺流和逆流换热器传热面积之比。假定两种情形的传热系数和传热量均相同。

'\9-8 有一台1-2型壳管式换热器用来冷却11号润滑油。冷却水在管内流动，t2=20℃，t2 =50℃，流量为'\3kg/s；热油的进出口温度为t1=100℃、t1=60℃，传热系数k = 350W/(m2?K)。试计算：①油的流量；②所传递的热量；③所需的传热面积。

''9-9 在一台逆流式水-水换热器中，t1= 87.5℃，t2= 32℃，qm1 = 9000kg/h，qm2 = 13500kg/h，k = 1740W/(m2?K)，A = 3.75m2。试确定热水的出口温度。

''9-10 欲采用套管式换热器使热水与冷水进行热交换，并给出t1=200℃，qm1 = 0.0144kg/s，t2=35℃，qm2 = 0.0233kg/s。取总传热系数k = 980 W/(m2?K)，A = 0.25m2，试确定采用顺流与逆流两种布置时换热器所交换的热量、冷却水出口温度及换热器的效能。

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