冶金传输原理-热量传输-试题库

1、第7章对流换热题7-1 一个大气压下20C的空气,以1.5m/s的速度流过温度为100 C的平面炉墙外表, 炉宽1.0m,长2.0m,假设不计自然对流影响,求炉墙的对流换热量.在60C下空气的有关物性为18.97 10 6m2/s;2.90 10 2W/(m C); Pr 0.69611一解：Tm §(Tf Tw) 2(100 20) 60 C对长L=2.0m的平板,有_v°L1.5 2.055ReL 6 1.58 1055 105 层流18.97 10由 Nu 0.664 Re0.5 Pr130.664 l 1 Pr13ReX223.39W/(m2 C)22.90 101

2、/35 1/20.664 0.696 1/3 (1.58 105) 1/22.0于是传热热量为Q h(TW Tf)A 3.39 (100 20) 2.0 1.0 542.4W题7-2 一个大气压下24C的空气,以60m/s的速度流过温度为 216 C的平面炉墙外表, 炉宽1.0m,长0.4m,假设不计辐射换热,求炉墙的对流换热量.在 120C下空气的有关物 性为25.45 10 6m2/s;3.34 10 2W/(m C); Pr 0.686一_1一_1 一一 一-解：Tm -(Tf Tw) -(216 24) 120 C所以,对长L=0.4m的平板有60 0.4559.43 1055 105

3、 湍流10 625.45从而有Nu (0.037 Re.8871) Pr13 0.037(9.43 105 )0.8 871 0.6861/31196h Nu /l 1196 3.34 10 2/0.4 99.9 W/(m2 C)于是传热热量为Q h(TW Tf)A 99.9 (216 24) 0.4 1.0 7672.32W题7-3水在内径d=0.03m、长度l 2.0m的水平直管中流动,管内水流速u 0.04m/ s,60 C,水与空气分别从管中流过,管中水的流速为 0.3m/s,空5/0.08 62.5 60,故不考虑入口段修正.水： Reud空气：Reud0.3 °.085

4、29813 0.805 10 54.5 0.08 15720 22.9 10 6均为旺盛湍流Re10000),采用式(7.31 )h - 0.023Re0.8 Pr0.4 d 空气061808042-0.023 2981305.421326.6W/(m2 C)0.08平均温度Tf20 C,当管壁温度为Tw 60 C时,求对流换热系数.Tf 20 C时,水的物性参数为1.006 10 6m2/s;0.599W/(m C);1.82 10 41/ C; Pr 7.02当Tw 60 C时,PrW 2.98; W 4.699 10 4 kg/(m s)ud 0.04 0.03 解：Ref 6 1192

5、 2300 层流1.006 10 6d0.03Ref Prf1192 7.02 一 125.52 10l2可以选式(7.39)计算Nuf 1.86(Ref Prf d/l)1/3( fw)0'4 1.86 5.01 0.59 2.860 5999故 h Nu 2.86 -. 57.1W/(m2 C)d0.03题7-4 一直管内径为0.08m,管长为5m,管壁温度保持 试分别计算水和空气从 20C加热到40 C时对流换热系数. 气流速为4.5m/s.在30C下水的有关物性为在30C下空气的有关物性为22.910 6m2/s;2.6710 2W/(m C); Pr 0.701解：Tf1 一

6、十、2 (Tf 1 Tf 2)1 -(2040) 30 CTTw Tf 603030 C故不考虑因粘度引起的误差修正.0.618W/(m C); Pr5.42又对于直管0.805 10 6m2/s;0.80.4h 0.023Ref Prf d2.67 100.080.023 157200.8 0.7010.415.2W/(m2 C)题7-5长12m,外径0.3m的垂直蒸汽管外外表温度为管单位长的散热量.在 40C下空气的有关物性为60 C,试求在20 C的空气中此16.96 10 6m2/s;0.0276W/(m C); Pr0.69911一Nu0.1(Gr Pr)0.1 (5.25 10 )

7、1hNu 1739H0.02762 24.0W/(m C)Qh(Tw Tf) d4 (60 20) 3.14 0.32垂直圆柱管,定型尺寸为管长150.72W /m解：Tm (Tw Tf) *60 20) 40 CGr Pr -"l3 Pr v39.81 (60 20) 12(273 40) (16.96 10 6)25.251012109湍流查表1可得：C 0.1,n1 一,那么3L=12m .0.699表1实验得到的C,邪值外表状配定壁尺寸Mia 值G JV脸围C10 1】乎Affl 以 10 A£由圈50. IQ痕定塞自阖柱板成柱木度H-)0*屡凌0. 95 a ft

8、xTID* 1 cP0. io1 y10 110*由圈10. 11成定由阁10. t境定水平圆柱外控-10'M±T-IN0, 132 T木平板魏的向上诚建彩板取两也氐平2 X IO*8 X 10*JA0. 54T水平板冲面向下均值L风板尊CM6 X 10( IO110. 15xy水平版想囱向下或 水平is曲面阿h珈形ei取的边长平IO1o. sa_L1"故题7-6水以0.8kg/s的流量在内径为 d=2.5cm的管内流动,管子的内外表温度为90C,30 C时,水的物进口处水的温度为 20C,试求水被加热至40C时所需的管长. Tf性参数为0.805 10 6m2/s

9、;61.8 10 2W/(m C);801.5 10 6kg/(s m), W 314.9 10 6kg/(s-3 -995.7kg/m ; Pr 5.42m), Cp4.174kJ /(kg C)解:Tm1 _1 一 _2(Tw Tf) 2(20 40) 30 C4 0.8-22(2.5 10 )995.71.64m/sReud1.64 2.5 10 20.80510 65.09641010流动为湍流.由于温差为60 C,故要作修正.Nuf 0.023 Re0.80.4f Pr0.11 f0.023 (5.09 104)0.80.45.420.11801.5-291.97314.9根据热平衡

10、方程：流体得到或失去的热量=流体与管壁间的对流换热量MCp(Tf'Tf)1.96h d(Tw Tf)1 96 一 一 78.4 60 2.5 10 2又-d故不必进行管长修正.题7-7长10m,外径为0.3m的包扎蒸汽管,外外表温度为55C,求在25 C的空气中水平与垂直两种方式安装时单位管长的散热量.在40 C下空气的有关物性为16.96 10 6m2/s;2.76 10 2W/(m C); Pr 0.699解：1水平安装时,特征尺寸为管子外径,即一g T 3Gr Pr 土 L3 Prv6.169 107 1099.81 (55 25)(273 40) (16.96 10 6)2层流

11、d=0.3m,贝 U0.330.699查表1 得：C 0.53, nNu0.53.一 7 1 4 一 一(6.169 10 )46.97h Nu_22.76 1046.97 d0.34.32W/(m2 C)h(TwTf) d 4.32 (55 25)3.14 0.3W/m 122.1W/m垂直安装时,特征尺寸为管子长度,即L=10m,那么3Gr Pr 2 vg T9.81 (55 25) 10L Pr 0.699(273 40) (16.96 10 6)22.2851012 109湍流1查表 1 得：C 0.1,n -o 312 1 3Nu 0.1 (2.285 10 )13172h Nu 1

12、317 3.64W/(m2 C)d10 h(TW Tf) d 3.64 (55 25) 3.14 0.3W/m 102.9W/m (3)以简化公式计算1) 水平安装时为层流,查表 1得计算公式为11/4h 1.33 41.33 55 254.21W/(m2 C)d0.32) 垂直安装时为湍流,查表 1得计算公式为1h 1.13 T3 1.13 55 25 1/3 3.51W/(m2 C) 计算误差均未超过土 5%.题7-8 一水平放置的热力管道在厂房中散热.管道外径d=108mm,其外外表温度Tw 80 C,厂房内空气温度Tf 10 C.试计算每米管道由自然对流换热方式散失的热量. 解：此题符

13、合采用专用式(7.23)的条件 平均换热系数I7014oh 1.34( T/l)14 1.34 6.76W/(m2 C)0.108每米长管道自然对流换热的散热量为Q h(TW Tf) d 6.76 700.108 160W/m题7-9 一台蒸汽轮机用冷凝器铜管根数n=6000,管外径为23mm,壁厚1mm.冷却水进口处水温和管内壁温度分别为Tf'27.4 C,TW 29.4 C,冷却水出口处水温和管内壁温度分别为Tf''34.6 C,Tw 35.6 C,冷却水流量Q 2500kg/s.冷凝器内冷却水为两个f流程.试计算管内壁与水之间的平均对流换热系数.,水在 31C时的

14、物性参数为： 0.79 10 6m2/s,0.62W/(m K),995.4kg /m3, Pr 5.31,f 786.7 10 6Pa s, W 764.4 10 6 Pa s提示：冷凝器过流截面积为 一d2 竺°42解udRe QdA2500 (0.023 0.001 2)流动为湍流. _2995.4 看(0.023 0.001 2)2对流换热系数为4_4cEC6.43 104 104600060.79 102h 0.023Re0.8Pr0.4 0.023 062 (6.43d0.021104)0.8 5.310.4 9299W/(m2 K)题7-10水式量热计为一外径d 15m

15、m的管子,用空气斜向吹过.空气速度V0 2m/s,与管子轴线的交角为60o.空气温度为 20C.稳定时量热计管子外壁温度Tw 80 C,试计算管壁对空气的对流换热系数及单位管长的对流换热量.在50 C下空气的有关物性为17.95 1062_m /s;0.0283W/(m K); Pr 0.698 1 一解：Tm2(TW_1_-Tf) - (80 20) 50 C167117.95 10 6查表2得c 0.606, n 0.466.由4 =60o查图1得 0.94 .于是对流换热系数为h 0.606Re0.466 Pr130.466130.0283- 0.606 16710.6980.94 d0

16、.015.一230.3W/(m K)单位管长的对流换热量idh(Tw Tf)0.015 30.3 (80 20) 85.7W/m&C4-400.购0.38540-40000.6064 000-40 0000.1710.6LB40 000-250 0000.023 90.805心 横傍同柱圆管遇制对斑换热中的cMnttLO90*3(rso,平图l圆柱面冲击角修正系数题7-11、30C的空气以50m/s的速度外掠一块平板,平板保持210C的板面温度,板长0.5m.试求平均换热系数.不计辐射换热.在120 C下空气的有关物性为25.45 10 6m2/s;3.34 10 2W/(m C);

17、Pr 0.68611一解：Tm 2(Tw Tf) 2(210 30) 120 Cvl 50 0.555Re6 9.82 1055 10525.45 10 6平板后部以到达湍流区,全长平均换热系数为Nu (0.037Re08 871) Pr13 0.037(9.82 105)08 871 0.68613 1261h Nu /l 1261 3.34 10 2 /0.5 84.23W/(m2 C)题7-12、某高炉冷却壁,其冷却水管内径d=58mm有效长度L=1.75m,水在管内的流速v=1.5m/s,进出口平均温度 Tf=40C,管壁温度Tw=47C.试求水与管壁间的对流换热系数？已解：Re Vd

18、知水在 40C时物性参数为：0.635w/(m C),0.659 10 6m2/s, Pr 4.31 o1.5 0.0584、,山、“7- 132021 1 10 滞流 0.659 10 6T Tw Tf47 40 7 C,不需做温差修正.Nuf 0.023 Re0.8h Nu 530.7d由式(7.31 )得Pr0.40.023 1320210.8 4.310.4 530.70.6352 -5810.4W/(m2 C)0.058题7-13、水流过长L=5m的直管时,从Tf 25.3 C被加热到Tf" 34.6 C .管子的内径d 20m,水在管内的流速为2m/s,求对流换热系数.水

19、在30C时物性参数为:0.618W/(m C),cp4.174kJ /(kg C),995.7kg/m3,0.805 10 6 m2/s,Pr 5.42. '"TfTf 25.3 34.6解：Tf 30 C22vl 2 0.0244、,山、*Re 6 4.97 105 10 滞流0.805 10Nuf0.023Re0.8 Pr：4 0.023 (4.97 104)0.8 5.420.4 258h Nu 258 0618 7895W/(m2 C)d0.02题7-14、一个大气压下,20C下的空气以15m/s的流速流过平板,板面温度为 60 Co求距 板端0.5m处的对流换热系数

20、及单位板宽的传热量.查得40C时空气的有关物性参数为：粘度 16.96 10 6m2/s,热导率 2.76 10 2W/(m C),Pr=0.699 .解:Nuux Re 15 0.516.96 10 6110.664Pr3Re20.6645_54.422 105 5 105 层流110.6993 (4.422 105)'392Nu 392L2.76 100.521.62、W/(m2 C)设板宽为B,那么Qh(Tw Tf )Blc vDRe 1 0.0217.95 10 61114.2Q言 21.6 (60 20) 0.5 432 W/m题7-15、空气正面横掠外径 d=20mm的圆管

21、.空气流速为 1m/s.空气温度t°=20C,管 壁温度tw=80 C,试求平均外表传热系数. 2-.-6 2温度为 50 C时,入 m=2.83X 10 W/ (m C) , u m=17.95X 10 m/s解：定性温度Tm虹上哄50C22n=0.466 ,所以查表知,当 Re=404000 时,c=0.606 ,n0.466Nu c Re 0.606 (1114.2)15.9h Nu 15.9D"3 1022.55W/m2.C0.02答：平均外表传热系数为 22.55W/m2.C .61583710622.1横掠水平圆管nNu cReMil自燃对床摸嫌中的?及x值跟找

22、与位置£；及推敷H还用慈蚤c*-SV J*JSSt0.10X4± 3W -NF-呻圜柱18as14水平檀鸠临上直择而朝FJ1LM0. 16,L 4_L 34 x Kf - 3 x未平推妙曲朝F或持由朝上DM1俨.人b【题7-16】温度为25C的空气,以7m/s的流速,分别横掠水平圆管和外掠平板.水平圆管的外径 d为50mm,平板的长为1m,外壁温度均为155C.试求两种情况下对流 换热系数.( 90C的空气,入=0.0313 W/(m. C), u =22.1 x 10-6 m2/s, Pr=0.69)表7,2强制对流换热中的c_及nRecn4 400.S09O.3S54D

23、- 4 (K»0,6060.4664 (MJO 40 OCX)0-E0.6LS40 000 250 U000.02J 9U.«05解：定性温度：Tm (Tf Tw)/2 (155 25)/2 90 C(1)计算横掠水平圆管的对流换热系数 ud 7 0.05查表的c = 0.171,(2)Ren = 0.618Nu 0.0313 0.171 (15837)0.618 42.2d 0.05计算外掠平板的对流换热系数uLW/(m2.C)外掠平板7 1553.16742 105 5 10522.1 106流动属于层流.0.51 /3Nu 0.664 Re PrRe 一 h2 -Nu

24、L0.0313 0.664 (316742)05 (0.69)1/3 10.3 W/(m2.C)1【题7-16】25C的空气以6m/s的速度流入平板,板长宽均为1m,板温为50C, 试计算距板端0.1m,0.5m,1各点的平板与空气的对流传热量.解：查附录7的25C空气的物性参数如下：2.63 10 2W/ m C ,Pr 0.702,15.53 10 6m2 /s(1)距板端0.1m的平板 计算$诺数ReU0L1故可采用式(7.24)6 0.1515苗布 °.38 10计算对流换系数5 105Nu 0.664 Re0.5Pr13 0.6640.38 10515.5310 63.22

25、.Nu 3.22 2.63 10 220.1 0.85 W/ m平板与空气的对流换热量为q h Tf Tw0.85 50 2521.25W/(2)距板端0.5m的平板 计算$诺数6 0.557 1.9 105 15.53 106故可采用式(7.24)计算对流换系数Nu 0.664 Re0.5Pr13 0.6641.9 105 萼Re°.5U0L25 1056 1315.53 1037.210.5Nu 7.21 2.63 10 2 h 0.38 W/平板与空气的对流换热量为q hTf Tw0.38 50 259.5W/ m2(3)距板端1m的平板 计算$诺数6 1.0 6 3.8 15

26、.53 106故可采用式(7.24)计算对流换系数 0.515 0.5Nu 0.664 Re Pr 3 0.6643.8 10Re°.5U0 L2105_55 1056 1315.53 10310.18Nu10.18 2.63 10 21.020.27 W/ m C平板与空气的对流换热量为2q h Tf TW0.27 50 25 6.75W /m2【题7-17】某一长为1m,宽为0.5m热板,在空气中进行冷却热面朝上.试 求当热板外表温度为300C,环境温度为20C时热板自然对流散热量.解：计算热板自然对流散热量,先必须确定 Gr Pr乘积得数值,以判别流态 而选用c和n得值1Tm

27、- 300 202定性温度查附录7得相关物性参数为：2m 3.64 10 2W/ m Cm 30.09 1062m /s, Prm 0.682空气的体积膨胀系数 V按11计算,故 T1V 160 2731433由此可算出:Grm 蚪m1 0.59.81 2433 30.092 10 123300 202.96 109G- Prm2.96 109 0.682 2.02 109按表7.1处丁湍流流态,c0.15,n %,那么Num 0.15 Grm1 39 1 3Prm0.15 2.02 109190丁是平均换热系数Nu m mh l190 3.64 10 2、29.2 W/ m C1 0.5【题

28、7-18】有一根水平放置的蒸汽管道穿过厂房,其保温层外径为583mm,周围空气温度为23 C,试计算每米长保温管道由外外表平均温度为48 C 自然对流引起的散热量解：定性温度Tm48 23 ° 35.5 c查附录7有2.72 10C ,16.53 10 6m2/s, Prf 0.700空气的体积膨胀系数1 ,计算,故 TGrm gL3 v T . Vm29.81308.5一 25 16.532 10 122.91 109308.5.13按表7.1处丁层流流态时,c 0.53,Num0.53 2.9191 4109 0.700112.6丁是平均对流换热系数Nu m mh L112.6

29、2.72 10 22 八3.06W/ m C1那么每米长保温管道由自然对流引起的散热量hA T 3.060.583 1 25 140W20C的空气以10m/s流速横掠外径为50mm,40 C o横贯内均布电热器消耗的电功率为【题7-19】在稳态工作条件下, 管长为3m的圆管后,温度增至 1560VV试求横管外侧壁温.解：定性温度查附录7有由此算得雷诺数Tm20 402.6730 C10 2W/ m-62C ,16.00 10 m /s按表7.27及表7.2得丁是平均对流换热系数udRe 一10 0.05 631250 16.00 10 6Num 0.171 31250 0.618 102.51

30、02.5 2.67 10 22 八54.75 W/ m C0.05那么横管由自然对流引起的散热量hA T 54.750.05 3 Tw 201560W从而可以计算出横管外侧壁温Tw 80.5 C【题7-20】压力为1.013 105Pa的空气在内径为76mm的直管道内强制流动,入口温度为65C,入口体积流量为0.022m3/s,管壁的平均温度为180C.试问将空气加热到115C所需管长.解：定性温度Tm65 11590 c查附录7有3.13 10 2W/22.10 106m2/s Pr 0.690,cP 1.009kJ / kg0.972 kg/m3,f 21.5 10 6Pa s以管壁温度为

31、定性温度,查得空气的速度314.910 6 Pa s0.0224.85m/s2 -0.07624由此算得雷诺数Reud流动为湍流且温差为90 C较大,4.85 0.076461.67 1022.10 10 6采用式7.33计算0.25Num 0.021Re f 0.8 Prf 0.43PrfPrW0.027 1.671040.81 36 .6 0.140.69013 21.5 10 6 31.4 10 639.14丁是平均对流换热系数Nu m m39.14 3.13 10 20.076216.12 W/ m C由热平衡得mcP TfTfhA T h dL Tw Tf代入数据为0.9720.0221009 115 6516.10.076 L 180 65求得所需管长L 2.44m2m宽【题7-21】15C的空气以10m/s的速度流过一块平板的两侧,板长为 为3m,平板温度为100C,求平板的散热量.解：流体定性温度1100 1557.5 C2查附录7的有关物性参数如下2.88 10 2W/m C ,18.72 10 6m2/ s , Prf 0.968 ,计算流