课后作业答案.docx

1-2理发吹风器的结构示意图如附图所示，风道的流通面积，进入吹风器的空气压力，温度。要求吹风器出口的空气温度，试确定流过吹风器的空气的质量流量以及吹风器出口的空气平均速度。电加热器的功率为1500W。解：1-3淋浴器的喷头正常工作时的供水量一般为每分钟。冷水通过电热器从15被加热到43。试问电热器的加热功率是多少？为了节省能源，有人提出可以将用过后的热水（温度为38）送入一个换热器去加热进入淋浴器的冷水。如果该换热器能将冷水加热到27，试计算采用余热回收换热器后洗澡15min可以节省多少能源？解：电热器的加热功率： 15分钟可节省的能量：1-10 一炉子的炉墙厚13cm，总面积为20，平均导热系数为1.04w/m.k，内外壁温分别是520及50。试计算通过炉墙的热损失。如果所燃用的煤的发热量是2.09104kJ/kg，问每天因热损失要用掉多少千克煤？解：根据傅利叶公式 每天用煤 1-11 夏天，阳光照耀在一厚度为40mm的用层压板制成的木门外表面上，用热流计测得木门内表面热流密度为15W/m2。外变面温度为40，内表面温度为30。试估算此木门在厚度方向上的导热系数。解： ，1-12 在一次测定空气横向流过单根圆管的对流换热实验中，得到下列数据：管壁平均温度tw=69，空气温度tf=20，管子外径 d=14mm，加热段长 80mm，输入加热段的功率8.5w，如果全部热量通过对流换热传给空气，试问此时的对流换热表面传热系数多大？解：根据牛顿冷却公式所以 49.33W/(m.k)1-18 宇宙空间可近似地看成为0K的真空空间。一航天器在太空中飞行，其外表面平均温度为250，表面发射率为0.7，试计算航天器单位表面上的换热量。解：=0.7W/1-19 在1-14题目中，如果把芯片及底板置于一个封闭的机壳内，机壳的平均温度为20，芯片的表面黑度为0.9，其余条件不变，试确定芯片的最大允许功率。解： P1.657W1-20 半径为0.5 m的球状航天器在太空中飞行，其表面发射率为0.8。航天器内电子元件的散热总共为175W。假设航天器没有从宇宙空间接受任何辐射能量，试估算其表面的平均温度。解：电子原件的发热量航天器的辐射散热量即： =187K热阻分析1-21 有一台气体冷却器，气侧表面传热系数95W/(m.K)，壁面厚2.5mm，水侧表面传热系数W/(m.K)。设传热壁可以看成平壁，试计算各个环节单位面积的热阻及从气到水的总传热系数。你能否指出，为了强化这一传热过程，应首先从哪一环节着手？解：则94.7，应强化气体侧表面传热。1-34一台R22的空调器的冷凝器如附图所示。温度为313K的氟利昂22的饱和蒸气在管子内流动，温度为283K的空气进入冷凝器冷却氟利昂蒸气使其凝结。该冷凝器的迎风面积为，迎面风速为。氟利昂蒸气的流量为，从凝结氟利昂蒸气到空气的总传热系数为,试确定该冷凝器所需的传热面积。提示：以空气进、出口温度的平均值作为计算传热温差的空气温度。所谓迎风面积是指空气进入冷凝器之前的流动面积。2-11提高燃气进口温度是提高航空发动机效率的有效方法。为了是发动机的叶片能承受更高的温度而不至于损坏，叶片均用耐高温的合金制成，同时还提出了在叶片与高温燃气接触的表面上涂以陶瓷材料薄层的方法，如附图所示，叶片内部通道则由从压气机来的空气予以冷却。陶瓷层的导热系数为1.3W/（mK），耐高温合金能承受的最高温度为1250K，其导热系数为25W/(mK)。在耐高温合金与陶瓷层之间有一薄层粘结材料，其造成的接触热阻为10-4K/W。如果燃气的平均温度为1700K，与陶瓷层的表面传热系数为1000W/(K)，冷却空气的平均温度为400K，与内壁间的表面传热系数为500W/(K)，试分析此时耐高温合金是否可以安全地工作？2-13 在附图所示的平板导热系数测定装置中，试件厚度远小于直径d。由于安装制造不好，试件与冷热表面之间平均存在着一层厚为的空气隙。设热表面温度，冷表面温度，空气隙的导热系数可分别按查取。试计算空气隙的存在给导热系数测定带来的误差。通过空气隙的辐射换热可以略而不计。解：查附表8得， ，无空气时有空气隙时得所以相对误差为圆筒体2-16 一根直径为3mm的铜导线，每米长的电阻为2.22。导线外包有厚为1mm导热系数为0.15的绝缘层。限定绝缘层的最高温度为65，最低温度为0。试确定在这种条件下导线中允许通过的最大电流。解：根据题意有： 解得：2-18 在一根外径为100mm的热力管道外拟包覆两层绝热材料，一种材料的导热系数为0.06，另一种为0.12，两种材料的厚度都取为75mm，试比较把导热系数小的材料紧贴管壁，及把导热系数大的材料紧贴管壁这两种方法对保温效果的影响，这种影响影响对于平壁的情形是否存在？假设在两种做法中，绝热层内外表面的总温差保持不变。解：将导热系数小的材料紧贴壁管将导热系数大的材料紧贴壁管则故导热系数大的材料紧贴管壁其保温效果好。若为平壁，则平壁由于所以不存在此问题。2-32 某种平板材料厚25mm，两侧面分别维持在40及85。测得通过该平板的热流量为1.82km，导热面积为0.2。试：确定在此条件下平板的平均导热系数。设平板材料导热系数按变化（其中t为局部温度）。为了确定上述温度范围内及b值，还需要补充测定什么量？给出此时确定及b的计算式。解：由得补充测定中心位置的温度为又所以 （1）代入数据解得 （2）将（2）代入（1）得到2-34 设一平板厚为，其两侧表面分别维持在温度及。在此温度范围内平板的局部导热系数可以用直线关系式来表示。试导出计算平板中某处当地热流密度的表达式，并对b0,b=0及btt。棒的四周保持绝热。试画出棒中温度分布随时间变法的示意曲线及最终的温度分布曲线。解：由于棒的四周保持绝热，因而此棒中的温度分布相当于厚为l的无限大平板中的分布，随时间而变化的情形定性的示于图中.36 一初始温度为t的物体，被置于室温为t的房间中。物体表面的发射率为，表面与空气间的换热系数为h。物体的体集积为V，参数与换热的面积为A，比热容和密度分别为c及。物体的内热阻可忽略不计，试列出物体温度随时间变化的微分方程式。解：由题意知，固体温度始终均匀一致，所以可按集总热容系统处理 固体通过热辐射散到周围的热量为： 固体通过对流散到周围的热量为： 固体散出的总热量等于其焓的减小 即 310 一热电偶热接点可近似地看成为球形，初始温度为250C，后被置于温度为2000C地气流中。问欲使热电偶的时间常数热接点的直径应为多大？以知热接点与气流间的表面传热系数为，热接点的物性为：，如果气流与热接点之间还有辐射换热，对所需的热接点直径有何影响？热电偶引线的影响忽略不计。解：由于热电偶的直径很小，一般满足集总参数法，时间常数为： 故热电偶的直径： 验证Bi数是否满足集总参数法 故满足集总参数法条件。 若热接点与气流间存在辐射换热，则总表面传热系数h（包括对流和辐射）增加，由知，保持不变，可使V/A增加，即热接点直径增加。315 一种火焰报警器采用低熔点的金属丝作为传热元件，当该导线受火焰或高温烟气的作用而熔断时报警系统即被触发，一报警系统的熔点为5000C，初始温度为250C。问当它突然受到6500C烟气加热后，为在1min内发生报警讯号，导线的直径应限在多少以下？设复合换热器的表面换热系数为。 解：采用集总参数法得： ，要使元件报警则 ，代入数据得D0.669mm验证Bi数：，故可采用集总参数法。316 在热处理工艺中，用银球试样来测定淬火介质在不同条件下的冷却能力。今有两个直径为20mm的银球，加热到6000C后被分别置于200C的盛有静止水的大容器及200C的循环水中。用热电偶测得，当因球中心温度从6500C变化到4500C时，其降温速率分别为1800C/s及3600C/s。试确定两种情况下银球表面与水之间的表面传热系数。已知在上述温度范围内银的物性参数为。 解：本题表面传热系数未知，即Bi数为未知参数，所以无法判断是否满足集总参数法条件。为此，先假定满足集总参数条件，然后验算（1） 对静止水情行，由，代入数据 验算Bi数,满足集总参数条件。（2） 对循环水情形，同理， 按集总参数法时 验算Bi数 ，不满足集总参数条件 改用漠渃图 此时 ，查图得326 厚8mm的瓷砖被堆放在室外货场上，并与150C的环境处于热平衡。此后把它们搬入250C的室内。为了加速升温过程，每快瓷砖被分散地搁在墙旁，设此时瓷砖两面与室内环境地表面传热系数为。为防止瓷砖脆裂，需待其温度上升到100C以上才可操作，问需多少时间？已知瓷砖地，。如瓷砖厚度增加一倍，其它条件不变，问等待时间又为多长？解：由图3-6查得 厚度加倍后， 3-51、已知：要在寒冷地区埋设水管，把地球简化成半无限大的物体，冬天用较长时间内地球表面突然处于较低的平均温度这样一种物理过程来模拟。某处地层的，地球表面温度由原来均与的15突然下降到-20，并达50天之久。求：估算为使埋管上不出现霜冻而必须的最浅埋设深度。解：埋管的深度应使五十天后该处的温度仍大于等于零度。因而得，由误差函数表查得，所以。4-3、试对附图所示的常物性，无内热源的二维稳态导热问题用高斯-赛德尔迭代法计算之值。解：温度关系式为：开始时假设取；得迭代值汇总于表迭代次数 0 20 20 15 151 26.25 22.8125 21.5625 14.843752 28.59375 23.359375 22.109375 15.11718753 28.8671875 23.49609375 22.24607565 15.185542584 28.93554258 23.53027129 22.28027129 15.202635655 28.95263565 23.53881782 22.28881782 15.206908916 28.9569089 23.54095446 22.290955445 15.20797723其中第五次与第六次相对偏差已小于迭代终止。4-9、在附图所示的有内热源的二维导热区域中，一个界面绝热，一个界面等温（包括节点4），其余两个界面与温度为的流体对流换热，h均匀，内热源强度为。试列出节点1，2，5，6，9，10的离散方程式。解：节点1：；节点2：；节点5：；节点6：；节点9：；节点10：。当以上诸式可简化为：节点1：；节点2：；节点5：节点6：；节点9：；节点10：。一维稳态导热计算4-10、一等截面直肋，高H,厚，肋根温度为，流体温度为，表面传热系数为h,肋片导热系数为。将它均分成4个节点（见附图），并对肋端为绝热及为对流边界条件（h同侧面）的两种情况列出节点2，3，4的离散方程式。设H=45cm,=50W/(m.K),，计算节点2，3，4的温度（对于肋端的两种边界条件）。解：采用热平衡法可列出节点2、3、4的离散方程为：节点2：；节点3：；节点4：肋端绝热，肋端对流。其中。将已知条件代入可得下列两方程组：肋端绝热 肋端对流 由此解得：肋端绝热，； 肋端对流，。肋端对流换热的条件使肋端温度更接近于流体温度。4-15、一直径为1cm,长4cm的钢制圆柱形肋片，初始温度为25，其后，肋基温度突然升高到200，同时温度为25的气流横向掠过该肋片，肋端及两侧的表面传热系数均为100。试将该肋片等分成两段（见附图），并用有限差分法显式格式计算从开始加热时刻起相邻4个时刻上的温度分布（以稳定性条件所允许的时间间隔计算依据）。已知43W/(m.K)，。（提示：节点4的离散方程可按端面的对流散热与从节点3到节点4的导热相平衡这一条件列出）。解：三个节点的离散方程为：节点2： 节点3：节点4：。以上三式可化简为：稳定性要求，即。，代入得：，如取此值为计算步长，则：，。于是以上三式化成为： 时间 点 12340200252525200128.8125252200128.8155.8055.093200137.9573.6472.544200143.0486.7085.30在上述计算中，由于之值正好使，因而对节点2出现了在及2时刻温度相等这一情况。如取为上值之半，则，于是有：对于相邻四个时层的计算结果如下表所示：时间 点1234020025252520076.9125252200102.8632.7032.533200116.9842.6342.234200125.5152.5751.945-2、对于油、空气及液态金属，分别有，试就外标等温平板的层流流动，画出三种流体边界层中速度分布和温度分布的大致图象（要能显示出的相对大小）。解：如下图：5-12、已知：、100的空气以v=100m/s的速度流过一块平板，平板温度为30。 求：离开平板前缘3cm及6cm处边界层上的法向速度、流动边界层及热边界层厚度、局部切应力和局部表面传热系数、平均阻力系数和平均表面传热系数。 解：定性温度 ,，。 （1）处， 动量边界层厚度 比拟理论5-13来流温度为20、速度为4m/s空气沿着平板流动，在距离前沿点为2m处的局部切应力为多大？如果平板温度为50，该处的对流传热表面传热系数是多少？62、对于恒壁温边界条件的自然对流，试用量纲分析方法导出：。提示：在自然对流换热中起相当于强制对流中流速的作用。 68、已知：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，流动与换热已处于湍流充分发展区域。求：下列两种情形下两管内平均表面传热系数的相对大小：（1）流体以同样流速流过两管：（2）流体以同样的质量流量流过两管。