传热学第四版课后题答案第七章

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思考题

1.什么叫膜状凝结，什么叫珠状凝结?膜状凝结时热量传递过程的主要阻力在什么地方？答：凝结液体在壁面上铺展成膜的凝结叫膜状凝结，膜状凝结的主要热阻在液膜层，凝结液体在壁面上形成液珠的凝结叫珠状凝结。

2．在努塞尔关于膜状凝结理论分析的8条假定中，最主要的简化假定是哪两条?

答：第3条，忽略液膜惯性力，使动量方程得以简化；第5条，膜内温度是线性的，即膜内只有导热而无对流，简化了能量方程。

3．有人说，在其他条件一致的状况下．水平管外的凝结换热一定比竖直管猛烈，这一说法一定成立？

答；这一说法不一定成立，要看管的长径比。

4．为什么水平管外凝结换热只介绍层流的准则式？常压下的水蒸气在?t?ts?tw?10℃的水平管外凝结，假使要使液膜中出现湍流，试近似地估计一下水平管的直径要多大?答：由于换热管径寻常较小，水平管外凝结换热一般在层流范围。对于水平横圆管：

2Re?34?dh?ts?tw??r

1临界雷诺数

?gr???4h?0.729???d?t?t???sw??

Rec?9.161d34?ts?tw??r45334?g???2314?1600

4由ts?100℃,查表：r?2257kJ/kg由

tp?953??961.85kg/m℃，查表：??0.6815W/?m?K?

?6??298.7?10kg/?m?s?

?ts?tw?g??

即水平管管径达到2.07m时，滚动状态才过渡到湍流。

233d?976.3?3r5??1?2.07m5．试说明大容器沸腾的q~?t曲线中各部分的换热机理。

6．对于热流密度可控及壁面温度可控的两种换热心形，分别说明控制热流密度小于临界热流密度及温差小于临界温差的意义，并针对上述两种情形分别举出一个工程应用实例。答：对于热流密度可控的设备，如电加热器，控制热流密度小于临界热流密度，是为了防止设备被烧毁，对于壁温可控的设备，如冷凝蒸发器，控制温差小于临界温差，是为了防止设备换热量下降。

7．试对比水平管外膜状凝结及水平管外膜态沸腾换热过程的异同。

答：稳定膜态沸腾与膜状凝结在物理上同属相变换热，前者热量必需穿过热阻较大的汽膜，后者热量必需穿过热阻较大的液膜，前者热量由里向外，后者热量由外向里。

8．从换热表面的结构而言，加强凝结换热的基本思想是什么?加强沸腾换热的基本思想是什么？答：从换热表面的结构而言，加强凝结换热的基本思想是尽量减薄粘滞在换热表面上液膜的厚度，加强沸腾换热的基本思想是尽量增加换热表面的汽化核心数。

9．在你学习过的对流换热中．表面传热系数计算式中显含换热温差的有哪几种换热方式？其他换热方式中不显含温差是否意味着与温差没有任何关系?

答：表面传热系数计算式中显含换热温差的有凝结换热和沸腾换热。不显含温差并不意味着与温差无关，温差的影响隐含在公式适用范围和物件计算中。

10．在图7-14所示的沸腾曲线中，为什么稳定膜态沸腾部分的曲线会随△t的增加而迅速上升?

答：由于随着壁面过热度的增加，辐射换热的作用越加明显。

习题

基本概念与分析

7-1、试将努塞尔于蒸气在竖壁上作层流膜状凝结的理论解式(6—3)表示成特征数间的函数

形式，引入伽里略数

Gu?23llgl3?2及雅各布数

14Ja?rcp?ts?tw?。

?gr?????h?0.725??d(t?t)??lsw??解：

3，

14?gl?cp?rNu?0.725?2..?c(t?t)?v??psw???0.725?Ga.Ja.Pr?14。

7-2、对于压力为0.1013MPa的水蒸气，试估算在?t?tw?ts?10℃的状况下雅各布数之

值，并说明此特征数的意义以及可能要用到这一特征数的那些热传递现象。

cp?4220JKg(Kg℃)，解：，r2257.1?103J?aJa?＝53.5cp(ts?tw)代表了汽化潜热与液瞙显热降之比;进4220?10，

rJa?cp?t，代表了相变潜热与相应的显热之比，在相变换热（凝一步一般化可写为

Ja?rcp(ts?tw)，r=

2257.1?103J结、沸腾、熔化、凝固等都可以用得上）。

7-3、ts?40℃的水蒸气及ts?40℃的R134a蒸气．在等温竖壁上膜状凝结，试计算离开x＝0处为0.1m、0.5m处液膜厚度。设?t?tw?ts?5℃。

1?4ul?l?tx?4?（x）???2g?rl??，近视地用ts计算物性，则：解：

对水：?l?0.635，ul?653.3?10，?l?992.2，

?6r?2407?103Jkg；

?6?6??0.0750u?4.286?10?1146.2?4912.6?10ll对R134a：，，?l?1146.2，

r?163.23?103Jkg；

?4u??tx??4?653.3?10?0.635?5??（x）??ll2??23?9.8?992.2?2407?10g?r?l??＝?对水：

＝(3.573?10?1614?614x14

?41)x4114?1.375?10x4，

X=0.1、?(x)?1.357?10?4?0.562?7.728?10?5m?7.728?10?2mm.

14?4?(x)?1.357?10?0.5X=0.5、?1.375?10?4?0.841m=1.156?10?4mm

?61?4ul?l?tx??4?4912.6?10?0.0750?5?414x?（x）????23?2?g?lr?＝?9.8?1146.2?163.23?10?对R134a：=(3.506?10X=0.1、?(x)?2.433?10?4?1614)x4114?2.433?10x4，

?41?0.1114?1.368?10?4m?1.368?10?1mm；?2.433?10?4?0.841m?2.046?10?1mm。

?4X=0.5、?(x)?2.433?10?0.547-4、当把一杯水倒在一块赤热的铁板上时．板面马上会产生大量跳动着的小水滴，而且可以维持相当一段时间而不被汽化掉。试从传热学的观点来解释这一现象[常称为莱登佛罗斯特(Leidenfrost)现象]，并从沸腾换热曲线上找出开始形成这一状态的点。解：此时在炽烈的表面上形成了稳定的膜态沸腾，小水滴在气膜上蒸发，被上升的蒸汽带动，形成跳动，在沸腾曲线上相应于qmin(见图6-11)的点即为开始形成现象的点。

凝结换热

7-5、饱和水蒸气在高度l＝1.5m的竖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为0.1m、

0.2m、0.4m、0.6m及1.0m处的液膜厚度和局部表面传热系数。

5解：水蒸气p?2.5?10Pa对应的饱和参数：ts?127.2℃r?2181.8kJ/kg

定性温度：

tm??ts?tw?/2??127.2?123?/2?125℃

?2?6????68.6?10W/mK??227.6?10kg/(ms)查表得3??939kg/m

?4???ts?tw?x?4????2g?r??由

?4?227.6?10?68.6?10?127.2?123?x?4??9.8?9392?2181.8?105??＝

?6?2111.3913?10＝??16x?14??0.00013913x?4?10?3m

1?gr?2?3?4hx????4??ts?tw?x?

?9.8?2181.8?10?939?68.6?10?4?227.6?10?6?127.2?123?x?323?61???14

解得?1.5917?1015?4???x??

xδ（㎜）hx0.10.061112320.20.07394450.40.08679420.60.09671771.00.109631617-6、饱和温度为50℃的纯净水蒸汽在外径为25.4mm的竖直管束外凝结，蒸汽与管壁的温差为11℃,每根管于长1.5m，共50根管子。试计算该冷凝器管束的热负荷。

50?(50?11)?44.5?l?990.3kg3?l?0.641W(m.k)2m，解：℃，，

3J2382.7?10?6ul?606.5?10，r＝kg，设滚动为层流，

tm??g?r??41.13??uL（t-t）fw??lｈ＝

?9.8?2383?106?990.32?0.6413?1.13???6606.5?10?1.5?11??＝Re?142l3l1?4954.8W(m2.k)

4hL?t4?4954.8?1.5?11?rul2.383?106?606.5?10?6＝226.3＜1600，故为层流。

整个冷凝器的热负荷Q=50×4954.8×3.1416×0.0254×1.5×11=326.2kW。

7-7、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，试确定每根管子的长度。

25?303?27.5??0.5105W/(m.℃)，??600.2kg/ml2解：tm=℃，，lul?2.11?10?4kg/(m.s)，r＝1145.8?103J/kg，

由hA?t?G.r，得：

2l3lL?1G.r?dh?t。设滚动为层流，则有：

?g?r??41.13??uL（t-t）fw??lｈ＝

?9.8?1145.8?10?600.2?0.65105?1.13???42.11?10?5L??＝

32314?5370.3L14，

10.009?1145.8?103L4代入L的计算式，得：L=3.1416?0.05?5?5370.3

?13129.9?4???3.293m?15370.3?所以L=?，h=5370.3?3.2934=3986.6W/(m2.k)，4?3986.6?3.293?5?1086＜16003?4Re=1145.8?10?2.11?10，故为层流。

7-8、水蒸汽在水平管外凝结。设管径为25.4mm，壁温低于饱和温度5℃，试计算在冷凝

310Pa及106Pa下的凝结换热表面传热系数。压力为5?10Pa、5?10Pa、

345解：按式（6-4）计算，各压力下的物性及换热系数之值如下表示：0.050.51.0Pc/（105Pa）tc/（℃）tm/（℃）ρt/（℃）λt/［W/（m.k）］32.434.9993.980.62681.584969.20.6764379.0299.8102.3956.70.6835277.110.0179.8182.3884.40.6730151.0ul×106/［kg/（m.s）］728.8r/（KJ/kg）242523052260202311450139331510516138h/［W/（m2.k）］7-9、饱和温度为30℃的氨蒸汽在立式冷凝器中凝结。冷凝器中管束高3.5m，冷凝温度比壁温高4.4℃。试问在冷凝器的设计计算中可否采用层流液膜的公式。物性参数可按30℃计算。

解：依照附录13，30℃的氨液的物性参数为：

?7?l?585.4kg/m3，?l?0.4583W/(m.℃)，?f?2.143?10，

?9.8?1143850?595.42?0.45833?1.13???72.143?10?3.0?4.4??先按层流计算，则：ｈ＝Re?14?4322W（/m2.k），

4?4322?3?4.4?1587＜1600?61143850?0.2143?10?595.4。确实属于层流范围。

7-10、—工厂中采用0.1MPa的饱和水蒸汽在一金属竖直薄壁上凝结，对置于壁面另—侧的物体进行加热处理。已知竖壁与蒸汽接触的表面的平均壁温为70℃，壁高1.2m．宽30cm。在此条件下，一被加热物体的平均温度可以在半小时内升高30℃，热确定这—物体的平均效容量。不考虑散热损失。解：近似地取ts=100℃，

tm?ts?tw?852℃。

，

?l?968.6kg/m3，

?l?0.677W/(m.K)3l1ul?335?10?6kg/(ms)，

r?2257.1?103J/kg

?g?r??41.13??uL（t-t）fw??l设为层流h=

?9.8?2.257?10?568.55?0.377?41.13?/m2.k）??45431.7W（?6335?10?1.2?30??=

4hL?t4?5431.7?1.2?30Re???1034.5?1600rul2.257?106?335?10?6，与假设一致。Q?Ah(ts?tw)?5431.7?1.2?30?58.66kW

62312lQ??58.66?103?1800?c????3.52?106J/K?t30平均热容量.

57-11、一块与竖直方向成30°角的正方形平壁，边长为40cm、1.013?10Pa的饱和水

蒸汽在此板上凝结，平均壁温为96℃。试计算每小时的凝结水量。假使该平板与水平方向成30°角，问凝结量将是现在的百分之几？

100?963?98??0.6829W/(m.K)，??958.5kg/ml2解：tm=℃，，lul?283.2?10?6kg/(m.s)，r＝2257?103J/kg，设为膜状凝结，

1?grsin??l2r?3?4l1.13??uL（t-t）lfw??h=

Gr?ga?td3?2?9.8?7.54?10?4?1.6?0.00353?0.293?10?14?62?5904.5

14故Nu?0.48?GrPr??0.48??5904.5?1.743??4.83

Nu?4.83?0.6832??942.8W/m2?Kd0.0035所以

q?h?t?942.8?1.6?1508.48W/m2

2与q?1728.8W/m相差达12.7％，故需重新假定△t。

h???0.8?t???t考虑到自然对流即

54在物性基本不变时．正确的温差按下式计算：

?1728.8??t?1.6???1508.48??而h??t即

140.8?2.715℃

1?2.715?42h?942.8???1076W/m?K????1.6?

?100q???90945.7W/m2?dl??0.0035?0.1(2)当??100W时，

??假定进入核态沸腾区，p?1.013?10Pa

0.70.15h?Cqp2根据公式

55＝0.5335??90945.7??1.013?100.7??0.152?8894.5W/m?K?＝

验证此时的过热度

?t?q90945.7??10.2h8894.5℃

确实在核态沸腾区。

0.67h?Cq7-27、式(7-17)可以进—步简化成，其中系数C取决于沸腾液体的种类、压力及

液体与固体表面的组合。对于水在抛光的铜、铂及化学蚀腐与机械抛光的不锈钢表面上的沸

5Cp?1.013?10Pa、4.76?105Pa、wl腾换热，式(7-17)中的均可取为0.013。试针对

10.03?105Pa、19.08?105Pa、39.78?105Pa下的大容器沸腾、计算上述情形中的系

数C，且进—步把系数C拟合成压力的幂函数形式，并与式(6－16)比较。

0.67h?Cq解：把式（6-17）写成的形式，可得：

C?cplrprl?1?1??0.013????rg(???)lv??l1.0134.221.750.33?g(?l??v)?cpl??l??0.67?0.013rprl????10.034.4171.0019.084.5550.910.33，39.784.8440.86P/（bar）Cpl/［KJ/（kg.K）］prl4.764.3131.17μl×106［/kg/（m.s）］282.5r×10-3/（J/kg）ρl/（kg/m3）ρvl/（kg/m3）σ×104/（N/m）C2257.1958.40.5977588.64.9972186.42113.1917.02.548486.67.1279153.02023.0886.95.160422.88.4097130.51898.3852.39.593354.19.6124169.91714.5799.019.99261.911.3520.223C?5p用最小二乘法拟合得，p的单位为bar。

7-28、在所有的对流换热计算式中．沸腾换热的试验关联式大约是分歧最大的。就式(6—17)而言、用它来估计q时最大误差可达100％。另外，系数Cwl的确定也是引起误差的一个方面。今设在给定的温差下，由于Cwl的取值偏高了20％，试估算热流密度的计算值会引起

的偏差。假使规定了热流密度，则温差的估计又会引起多大的偏差？通过具体的计算来说明。

0.330.33Cq?Cq??twlwl12，解：（1）由于其它条件不变，给出么计算时，应有

?????q2??q即?1????0.33?(Cwl)1q111?,?2???57.553.03(CWL)21.2q11.21.7375％，即偏低42.5％。

?6（2）当给定q，由式（6-17）确定?t时，Cwl的误差与?t的误差成线性关系。

7-29、用直径为1mm、电阻率??1.1?10??m的导线通过盛水容器作为加热元件。试

确定，在ts=100℃时为使水的沸腾处于核态沸腾区，该导线所能允许的最大电流。

62q?1.1?10W/mmax解：按下题的计算，达到临界热流密度时，每米长导线上总换热量

?＝3.1416×0.001×1.1×106＝3456W，每米长导线的电阻：1?34562I???2468.6R?1.1??1.4?2R1.43.1416?1/4，按Ohm定律，,

I?2468.6?49.7A。

7-30、在试验室内进行压力为1.013X105Pa的大容器沸腾试验时，采用大电流通过小直径

不锈钢管的方法加热。为了能在电压不高于220v的情形下演示整个核态沸腾区域，试估算所需的不锈钢管的每米长电阻应为多少，设选定的不锈钢管的直径为3mm，长为l00mm。解：

r?2257.1?103J/kg33??958.4kg/m??0.5977kg/mlv，，，

??588.6?10?4N/m，qmax??24?2257.1?10?0.5977?9.8?588.6?10?（958.4??0.5977）＝1.1?106W/m23??4?14?＝?dlqmax?3.1416?0.003?0.1?1.1?106＝1037W。达到临界热流密度时，换热总量：

U2U22202??IR?R???46.67?R?1037依照ohm定律，，故该件的电阻，即每米长电

阻应为466.7?。

7-31、试计算当水在月球上并在105Pa及10X105Pa下作大容器饱和沸腾时，核态沸腾的最大热流密度(月球上的重力加速度为地球的1／6)比地球上的相应数值小多少？解：按式（6-20），qmax～g上该压力下

14625q?1.1?10W/mP?10Pamax，地球上时，，故月球

qmax114?()?1.1?106＝0.6398?1.1?106＝0.703?106W/m26；在压力为

33310?105Pa时，r?2023?10J/kg，?l?886.9kg/m，?v?5.16kg/m，??422.8?10?4N/mqmax?3.14161??62?2023?103?5.16??9.8??422.8?10?4?（886.9??5.16）＝1.674?10W/m?246??149.814。两种情形下月球的qmax均为地球上相应情形下的倍。

7-32、在一氨蒸发器中，氨液在—组水平管外沸腾，沸腾温度为-20℃。假设可以把这—沸腾过程近似地作为大容器沸腾对待，试估计每平方米蒸发器外表面所能承受的最大制冷量。-20℃时氨从液体变成气体的相变热(潜热)r?1329kJ/kg，表面张力??0.031N/m,密度

?9.8???6??14?0.639?v?1.604kg/m3。

3t??20??666.7kg/msl解：℃时，。

由式（6-20）得：

qmax??24r?v?g?(?l??v)?2114

?3.1416?14＝8.31?105W/m2?1329?103?1.604??9.8?0.031?（666.7－1.604）24。

7-33、—直径为5cm、长10cm的钢柱体从温度为1100℃的加热炉中取出后，被水平地置于压力为1.013X105Pa的盛水容器中(水湿已近饱和)。试估算刚放入时工件表面与水之间的换热量及工件的平均温度下降率。钢的密度??7790kg/m，比热容c?470J/?kg?K?，

3发射率??0.8。

解：工件置于水容器得瞬间形成了稳定得瞙态沸腾，得

3tm?1100?100?600℃2，由式（6-21），

314?9.8?2257.1?10?0.3852?（958.4－0.3852）?0.04223?hr?0.62??2.067?10－5?0.05?（1100?100）??辐射换热系数按式（8-16）计算：

?96.77W/(m2.K)115.67?10－8?（13734－3734）hr????＝160.3W（/m2?K）111T?Tb1000??1w＋1－1?1?20.8

2故h?96.77?160.3?257.1W/(m?K)。总换热量：

0.052??(?dl??2)h?t?(0.05?0.1＋)?3.1416?257.1?1000＝5048W42。

?d23.1416?0.052?cV?l?cp??0.1?7790?4＝718.89J/℃44工作得热容量。

故平均的温度下降率为5048/718.89＝7.02℃/s。

7-34如附图所示，在轧制钢板的过程中，当钢板离开最终一副轧滚后，用水(冷却介质)冲射到钢板上进行冷却，然后再卷板。由于钢板温度很高，水膜离开喷嘴不远即在其下形成汽膜。不考虑运动的影响，并把钢板看成直径为1.1m的圆柱表面。试

?0(Tw4?Tb4)?d2估计每平方米钢板与水的贴壁射流间的换热量。钢板表面的温度900K，发射率为0.50。

?gr?v(?l??v)??hc?0.62???d(t?t)vws??解：用瞙态沸腾换热的公式h343v14，

hr?tm???(Tw4?Tb4)Tw?Ts，

取ts?100℃，tw?973?273?700℃，

7-35、水在1.013x105Pa的压力下作饱和沸腾时，要使直径为0.1mm及1mm的汽泡能在水中存在并长大，加热面附近水的过热度各为多少?(利用克拉贝龙方程导出最小汽泡半径算式的过程，可见本书第一版4－4节。)

?h43?hrh13

100?700?4002℃，

R＝解：气泡内介质与周边流体达到热平衡时，有

2?Ts2?TsT1?Ts?r?v?T1?Ts?，即Rr?v，

要使气泡长大，应使

T1?Ts?2?TSRr?v，

?43100℃时，有：??588.6?10Nm，r?2257.1kJkg，?v?0.5977kgm，

2?588.6?10?4?373?t??0.325℃，?43℃．0.1?10?2257.1?10?0.5977因而：当R＝1mm，?t?0.0325综合分析

7-36、—种冷却大规模集成电路块的方法的示意图如附图所示。集成电路块被浸入一种低沸点的非电介质中，该介质受热沸腾后所产生的蒸汽在其上部空间的竖直表面上凝结。这些表

2

面的温度tc维持在低于饱和温度的温度上。今有若干块面积为25mm的集成电路块浸入一

3种制冷刑中。已知ts＝50℃，制冷剂物性为?l?1650kg/m，cp,l?1000J/?kg?K?，

?l?6.85?10?4kg/?m?s?，?l?0.06W/?m?K?，Prl?11，??6?103N/m，

r?1.05?105J/kg，Cwl?0.004，s?1.7，集成电路块的表面温度tw＝70℃。冷凝表

面的温度t0=15℃(采用其他冷却剂对其进行冷却而得以维持)，每个冷凝表面高45mm。试确定：(1)每个集成电路块的发热量；(2)冷却200个集成电路块总的所需要的冷凝表面面积(m2)。

?g(?l??v)?q??1r?????解：（1）按Rohsenow公式

12?C?l?t??CrPr1.7l?wl????，把物性和?v?0代

331000?20?9.8?1650?2???45q?6.85?10?1.05?10????3?51.7??6?10??0.004?1.05?10?11?入得：

?4532?6.85?10?10?1641.6?(47.62/58.93)?62289W/m

?6?l?25?10?62289?200?1.56?200?312W。

1

??25?10?6?62289?1.56W，假设200块芯片相互不干扰，则：

11?gr?l2?3?lh?0.943???H(t?t)lsw??（2）

4?9.8?1.05?10?1650?0.06?4?0.943???4?6.85?10?0.045?(50?15)?

15231124?0.943?(5.6087?10)?0.943?865.4?816W/(m?K)，

2q?h?t?816?35?28562.5W/m，

所需面积为：312/28562.5?1.092?10m?10920mm。

7-37、平均温度为15℃、流速为1.5m／s的冷却水，流经外径为32mm、内径为28mm的

?222水平放置的铜管。饱和压力为0.024xl05Pa的水蒸汽在铜管外凝结，管长1.5m。试计算每小时的凝结水量(铜管的热阻可不考虏)。

解：此题需要假设壁温tw，正确的壁温值应使管内与管外的对流换热量相等。管内对流换热系数按式（5-54）计算，15℃的水物性为：

??0.587W/(m?K)，Pr?8.27，

??1.156?10?6m2/s，?0.587h?0.023??363320.8?8.270.4?4994W/(m2?K)0.028；

30?25.5t??27.753mt?25.5??9.93Kg6/mw2l设℃，℃，

?l?847.1?10?6kg/(m?s)，??0.614W/(m?k)，r?0430.9?103J/kg，

?9.8?2430.9?10?996.3?0.0614?h?0.725???6847.1?10?0.032?(30?25.5)??32314Re?ud?1.5?0.028?36332?61.156?10，

，

?10552W/(m2?K)，

?1?hlAl?tl?4994?3.1416?0.028?1.5?(25.5?15)?4994?0.1319?6919W，?n?hnAn?tn?10552?3.1416?0.032?1.5?(30?25.5)?7160W。

?n与?1之差大于3％；

改设tw=25.6℃，则物性变化甚微，ho与hl可以认为不变，于是：

?n与?1之差小于2％，取

冷

凝

??7001?6982?6992W2，

量

：

水

G?6992?2.877?10?3kg/s?10.4kg/h32430.9?10。

7-38、热虹吸管(又称重力热管)是一种封闭、竖直放置的容器，其沸腾段吸收的热量在其冷凝段放出，如附图所示。今用抛光的不锈钢制成一热虹吸管，d＝20mm、lb?20mm，

lc?40mm,li?40mm。设1.013xlo5Pa压力下的饱和水在沸腾

段沸腾．热流密度q是临界热流值的30％。试计算：(])沸腾段的平均壁温twb；(2)凝结段的平均壁温twc；(3)冷凝液的质量流量(kg／s)。

解：设冷凝段液膜为层流，且按平壁公式计算，计算温度取为

100℃，热虹吸管顶管绝热，

Cpl?4220J/(kg?K)，?l?958.4kg/m3，?v?0.5977kg/m3，r?2257.1?103J/kg

??588.6?10?4N/m，?l?282.5?10?6kg/(m?s)，?l?0.683W/(m?K)，

Prl?1.75。

（1）沸腾段热负荷取qcr的30％：q?0.30?1.17?10?3.51?10W/m。

652应用Rohsenow公式，取Cwl?g(?l??v)?2?Cpl(twh?ts)?q??lr???CrPrn???0.006，???wl?，n?1.0，

13

再取

?t1?70℃,t1//?210℃，t1m＝245℃，?＝0.689kgm3,cp?1.108kj?kg?K?,??4.38?10W?m?K?,??38.65?10ms,Pr?0.66,

319600?t1??69.8℃0.689?1108?0.6?10，与70℃十分接近。

?2?62

?Prfud10?0.046?Re＝??10?21086?Pr?18.97空气侧，略去?w0.20.2????14的影响，则有：

?s1??2?0.60.360.60.36?Nu?0.35?RePr?0.35???21086?0.696?s??1.5??2?

?0.35?1.059?393.0?0.878?127.8，

127.8?0.029h0??92.7Wm2?K0.04。

ud10?0.04Re???106?10349?38.65烟气侧：，

81.83?0.0434Nu?0.35?1.059?103490.6?0.660.36?81.83,hg??89.6Wm2?K,0.04????总热阻：

Rf?

dd211111111?ln2???ln????1?1A0h02??l1d1Aa?a2??l2d1AghgAchcAeheAg?g

?114011?ln??3.14?1?0.04?92.72?3.14?40?1373.14?1?0.04?25003.14?1?0.04?2500140111?ln???2?3.14?40?1372?3.14?0.04?1?89.63.14?1?0.037?50003.14?1?0.037?500010.07796110.07796111????????0.1256?92.7251.2314314251.20.1256?89.60.1162?50000.1162?5000?8.589?10?2?3.10?10?4?3.185?10?3?3.185?10?3?3.10?10?4?8.886?10?2?2?1.721?10?3?858.9?10?4?3.10?10?4?31.85?10?4?31.85?10?4?3.10?10?4?888.6?10?4?2?17.21?10?4?1851.82?10?4。

?tm189.6200?180.219.84????10?1024.9?tm???189.6,htRf1851.82ln?202380.2?0.1043单根

20?15根?m?1024.9?20?15?307470W`，

?tm与?m相差小于4%，可取其平均值作为换热量。假使不计污垢热阻，

则：

Rf??858.9?3.10?888.6?17.21?2??10?4?1788.12?10?4KW,

?ht?189.6?104?300?318KW//t1788.122与319.6KW相差小于0.4％，故可取?80℃。

小论文题目7-53、对于如附图所示的饱和蒸汽在竖管内的膜状凝结问题，试从圆柱坐标的纳维—斯托克斯方程式出发，对x方向的动量方程作数量级比较，并利用轴对称的条件．导出稳态下适合本例的动量方程：

??2u1?u?????r2?r?r?????l??v?g?0??

u?1进一步，利用两个边界条件，导出截面上的速度分布公式为

?2?4

其中δ为液膜边界层厚度。

解：利用轴对称的条件，x方向的动量方程可简化为：

12122??l??v?g?????R?r?R??ln?r?R??

采用类似于Nusselt分析中的假定，略去惯性力不计，则上式左

端等于零，

?u?u?p?2u1?u?2u?(??u)??lg???(2???)?r?x?xr?r?x2?r?p1??u?2u??vg(r)2?r，另外?x，?x＜＜r?r?2u1?u?(2?)?g(?l??v)?0r?r?r于是上式即简化为：，

1??u?(r)??g(?l??v)把此式改写成为：r?r?r，两边乘以r并积分两次得：

g(?l??v)2?uu??r?c1lnr?c2r?R,u?0;r?(R??),?04??r，边界条件为，由此得：c1?g(?l??v)g(?l??v)(R??)2c2??(R??)2lnR2?2?，，

将这两个表达式代入u得计算式整理之即得所证得结果。

4h?h/n，导出冷凝n17-54、试据在同一铅垂面内n排管子的平均表面传热系数的公式

器中不同铅垂面内的管排数不相等时，计算平均管排数的公式为

?n1?n2???nz?nm???n0.75?n0.75??n0.75??12z??

假定每根管子的温差都一样。

解：假设每根管子的平均壁温都一样，则温差(tf?tw)为常数，设第一个垂直排中有n1根管子，其次垂直排中有n2根，余类推，则总的平均换热系数可表示为：

4hm?hn1n1?hn2n2???hnznzn1?n2???nzhn1?c，另一方面由习题16知道，

114n1，

hn2?c1n214,?

同样把平均换热系数hm表示成平均排数的nm的函数形式，即

hm2?c1nm4，于是上式为：

1(1hm?n114)n1?(1n2n1?n2??nz41)n2???(1nz14)nz0.754n?(n/n)。??mii，即：

7-55、试验研究发现，沸腾换热的临界热流密度与液体的汽化潜热、蒸汽密度、表面张力及汽泡直径参数

1?/?g??l??v??有关。试用量纲分析法证明：

?112??22qcr?Cr?v{?/?g?l??v?}?

式中C为待定常数。

证明：qmax?f(r,?,?,Db),其中Db代表b??g??l??v??，这一

关系式中共有三个基本量纲：L，M，T．试将qmax的表达式写成为

cdqmax?Cra?vDb?，并将各量的量纲代入得：

?MT???LT??ML??L??MT?，整?MT???L??M??T?，于是有：

?32?2a?1bc?2d?32a?3b?cb?d?2a?2d理之后得：

b?d?1,?3??2a?2d,2a?3b?c?0，由此解得：

b?1113?2a9?10a2a?1b?,c??,d?,c?,d?222，因而临界热222，如取a?1,则得

12v?1212流密度可能取得如下表达式形式：

12qmax?Cr?DB??Cr?v???g??l??v????12?12．

7-56一个直径为10mm的铜球，初始温度为ti，突然被置于一大气压下饱和水的水浴中，试用集总参数法分析银球(1)从ti＝600℃冷却到270℃，(2)从ti＝600℃冷却到130℃及(3)从ti＝600℃冷却到140℃所需的时间。提醒：利用教材中的图6－11，并用三段折线来代替该曲线。取三段折线的4个端点的q—△t值如下：q=6×105W／m2，△t＝500℃；q＝2×105W／m2，△t＝170℃；q=1.17×106W／m2，△t＝32℃；q＝5×104W／m2，△t＝4℃。

nq?C?t每一段折线均可用的形式来迫近。

解：

（1）利用图6-11并将其简化为四段折线，如上图所示，每一段均可以用q?C?t来近

视，C、n之间可由各段的初始值求出。

551?2，q1?6?10，q2?2?10，?t1?500，?t2?700，C?1059.7，n?1.02。5?t2?170,?t3?32，q3?1.17?106，C?3.768?107，2?3q2?2?10，n??1.02。

643?4，q3?1.17?10，q4?5?10，?t3?32，?t4?4，C?376.9，n?2.364。

3c??8930kg/mc?386J/(kg?K)p利用集总参数法，取铜球的近视为常数，，

?V?V?d3/6d?c??dt??qd???6，?A??d2，A?2?cd?2d??cd?cdd??????dt??qd???6??1q66，1??2??1????21d??cd??6CC?n???21d??n，

?cd1??6C1?n1?n11?n??2?。

对于1?2过程：

?2??1?8930?386?0.0111??5001?1.02?1701?1.02?30.9s61059.71?1.02；

??对于2?3过程：

?3??2?8930?386?0.01111?1.021?1.02??170?32?2.33s763.768?101?1.02；

??对于3?4过程：

?4??3?8930?386?0.0111??321?2.364?41?2.364?1.59s6376.91?2.364。

??从t?600℃冷却到270℃，需30.9s；从t?600℃冷却到130℃，需33.23s；从t?600℃冷却到104℃，需34.82s；

利用D-B公式计算hl：

?0.63568.06?0.635hl?0.023Re0.8Pr0.4?0.023??105120.8?4.310.4??4322W/(m2?K)d0.010.0110?2.25?103?3.14?0.01?L?4322??tw?35?ln???tw?45?，

L?16.581010L?16.58?tw?35??t?35?lnln?w???t?45t?45?w?。?w?即，

?9.8?84400?1619?0.0535?2.25?10?0.725???63.14?0.01L(t?t)440?10?0.01(t?t)swsw??另一方面：

32314，

65141.92086.4?6.859?10?465141.9??0.725?1?L(57?t)L(57?tw)(57?t)w(57?tw)4，w??，31.221?1(57?tw)?16.58(57?tw)410?tw?35?ln???tw?45?81，

1101.883??(57?tw)4?57?tw?t?35?ln?w?t?45?w?，

经试凑计算，得tw?45.5℃。

?tm?1010??3.28545.5?353.0445??16.58ln?L??5.047m??45.5?45?3.285℃，，

1验算：水侧?r?3.14?0.010?5.047?4322?3.285?2250W；

?9.8?84400?1619?0.0535?42ho?0.725??1133W/(m?K)??6?440?10?0.011(57?45.5)?制冷剂侧，

?0?Ao?tho?1133?3.14?0.011?5.047?(57?45.5)?2271W

23?r2250??0.9906?o2271。

沸腾表面平均温度twb?81.3℃；冷凝表面平均温度twc?45.5℃；

?2q?5.391?10kg/s?194.08kg/h；冷凝段长度L?5.05cm。m冷却水量

7-46、一种测定沸腾换熟表面传热系数的试验装置见附图。试验表面系一铜质圆柱的断面(λ

=400W(m·K))，在x1＝10mm及x2＝25mm处安置了两个热电偶以测定该处的温度。柱体四周绝热良好。在一稳态工况下测得了以下数据：t1＝133.7℃，t2＝158.7℃，试确定：(1)

式(6－17)中的系数Cwl；(2)式(6—19)中要用到的换热表面的Pp之值。解：（1）按一维稳态导热处理

q???t??400?158.7?133.7?6.66?105W0.015，

158.7?tw133.7?tw?x2x1，10?(158.7?tw)?25?(133.7?tw)，

?10?158.7?25?133.7?25tw?10tw，15tw?3342.5?1587?1755.5，q6.66?105h???39135W/(m2?K)tw?117.03℃，?t117.03?100，

3一个大气压下饱和水物性：?l?958.4kg/m，?v=0.5977kg／m3，

?＝588.6×10-4N／m，r?2257.1?103J/kg,??0.683W/(m?K)，cp?4220J/(kg?K),??282.5?10?6kg/(m?s)，pr?1.75。?4220?(117?100)6.66?105?Cwl?3?62257.1?103?1.752257.1?10?282.5?10??Cwl?0.01354.

?588.6?10?9.8?(958.4?0.59977)???40.33

m0.67?0.5?0.55h?90qM?P?(?lgP)rr(2)式（6-19），Pcr?221MPa，

1.013Pr??4.584?10?352221，M?18，q?6.66?10，h?39135W/(m?K)，

39135?90?(6.66?105)0.67?10?0.5?Pr??lg(4.548?10?3)Prm?m???0.55，

39135?0.3691?3m106019.8，(4.584?10)?0.3691，ln0.3691?0.4328m???0.185ln(4.584?10?3)?2.3388，m?0.12?0.21lgRP,0.185?0.12?0.21lgRp，0.21gRp?0.12?0.185??0.06506，

lgRp??0.3253，Rp?10?0.3253?0.473?m。

7-47、一块厚??2.5mm的硅芯片用饱和温度为50℃的制冷剂冷却，芯片的

??135W/?m?K?，芯片底面上的电路产生的功率在硅

片的上表面上形成了一个均匀的热流密度q＝55X104W

／m2，硅片的侧面及底面绝热良好。已知制冷剂

cpl?1100J/?kgK?，，

r?84400J/kg，，

?l?1619kg/m3?l?0.0535W/?mk?。Cwl?v?13.5kg/m3??8.2?10?3N/m，?l?440?10?6kg/?ms?，?0.005，Pr?9.0，s?1.7，试计算芯片底面温度t0。芯片

底面上的电路可近似地看成厚0.05mm、具有均匀内热源的薄层。解：如下图：

利用式（6-17）计算tw：

?1100?t5.5?104?0.005?1.7?684400?9.084400?440?10???8.2?10?3?9.8(1619?13.5)??0.33

2.9698?10?4?t?0.005?1.486，?t?25.02℃，tw?50?25.02?75.02℃，

由通过芯片的稳态导热确定t1：

135?t1?tw4?5.5?102.45?10?3，t1?tw?0.9999?tw?1?76.02℃，

?x2t???c1x?c22?电路层中的导热是有内热原的平板导热，据二章五节，有：，

?5.5?10493??12dt????1.1?10W/mt???c?0?c1?012?10.05?10?3x?0，dx2?，，，

??12(0.05?10?3)2?1.1?109t0?c2?t1??76.02??76.02?0.01?76.032?2?135℃。

7-48、随着空间飞行技术的发展，零重力下的传热问题研究越来越得到重视，其中零重力下

的凝结与沸腾是一个重要的课题。对于管内强制对流凝结，在零重力下可以认为液膜均匀地分布在管子四周并不断地沿滚动方向增厚，直到全部凝结(见附图)。设在6－1节的分析中，假设(1)、(3)、(4)、(5)、(6)及(8)仍成立。同时设：(1)同一截面的汽、液压力均匀，压力只沿轴向变化；(2)在汽—液相界面存在蔚切应力?vl。试：(1)列出液膜中的动量守恒、质量守恒及能量守恒方程；(2)写出y＝0及y＝?处速度及温度的边界条件；(3)求解动量方程得出轴向流速u的分布及其平均值的计算式(式中可包含压力梯度及界面切应力)。

?2udp?l2?dx（a）解：（1）液膜动量方程：?y?u?v??0