热工基础课后答案第十章doc.docx
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热工基础课后答案第十章doc
第十章
10-1水和空气都以速度1=1m/s分别平行流过平板，边界层的平均温度都为50°C,试求距平板前沿100mm处流动边界层及热边界层的厚度。
解：
对水：
由zw=50（）C查附录3水的物性表得到：
/l=64.8xlO'2M^?
v=0.556xl0—6
5=5.0xRe_2x=5x（1.8xl05）—2x0.1=0.001179m=1.179mm
_i,、i
6r=3Pr3=0.00179x（3.54）]=0.00077m=0.77mm
对空气：
由=50QC查附荣2空气的物性表得到:
/l=2.83xlO'2V^/v=17.95xl0'6m^/,Pr二0.698
Re=^=—1X01（=0.0557lxlO5v17.95xl0~6
S=5.0xRe2x=5x（0.05571x105）2xO.l=0.006699m=6.699mm
_2z、i
S{=S?
r3=0.006699x（0.698）^=0.007552m=1.552mm10-2试求水平行流过长度为0.4m的平板时沿程％=0.1、0.2、0.3、0.4m处的局
部表面传热系数。
己知水的来流温度为1=20°C,速度为人=1m/s,平板的壁面温度/、v=60。
（3。
..+G60+20
=40°C査附录3水的物性表得到:
当x=O.lz?
2时，=422.63x（0.1）1=1336.447
当x=0.2m时，汉'=422.63x（0.2）1=945.032
当x=0.3m时，ax=422.63x（0.3）1=771.615
当;v=0.4m时，6^=422.63x（0.4）1=668.239
10-3如果将上题中的水改为空气，其它参数保持不变，试计算整个平板的平均表面传热系数以及单位宽度平板的换热量，并对比这两种情况的计算结果。
平均表面换热系数为汉=2久=2x3.122=6.244^/2/}Q单位平板宽度的换热量为：
Q=ax（zu.-c）A=6.244x40x0.4=99.9w/m
10-4如果用特征长度为原型1/5的模型来模拟原型中速度为6m/s、温度为200°C的空气强迫对流换热，模型中空气的温度为20°C。
试问模型中空气的速度应为多少？
如果测得模型中对流换热的平均表面传热系数为200W/（m2i）,求原型屮的平均表面传热系数值。
解：
由附录2得到：
当空气温度为20°C时，
A=2.59xl0-2^v=15.06xl0_6m^/
当空气温度为200uC时，
A=3.93xl0-2^/1/=34.85xlO-6
（1）由相似原理：
Re=Re*,
u^L=uJL'
Vv'
=12.964m/s
，乙Uv’6x5x15.06所以有uj=——=——
vL'34.85
（2）由相似原理：
Nu=Nu,
aL
2/T
5x2.59
久=259.0xl（r62,Pr=2.99
2
所以，a=Nut=9192d
校核：
Q'=aF\tm=9192xx0.014x2.5x49.33=49829.44W
重新假定出口温度为lOOt,则有:
Af=110-50=60°C,Ar"=110-100=100C
所以有^@=^^=60.69W、
110-27.9=82.10C
査附录水的物性表冇:
”70.4%，c^4.197%0c；2=0.675%Oc
r=0.357X10-6=347x1（T6〜乂2，
-6
//u=259.0xl0-6^V2,Pr=2.155
50980.4
dud1.3x0.014
Mg——21—
r0.357x10
采用紊流换热关系式：
A
所以，6z=M/-=10218.7d
校核：
Q,=^FArw=31338.9W
Q2=Gcp、t，，-tf^=p-Cp[t/'-tfJ=31331.8W
可见CUUQ」相差很小，所以z/^lOO^C
10-6用内径为0.016m、长为2.5m的不锈钢管进行管内对流换热实验，实验时直接对不锈钢管通以直流电加热，电压为5V,电流为900A,水的进U温度为20°C,流速为0.5m/s,管外用保温材料保温，忽略热损失。
试求管内对流换热的表面传热系数及换热温差。
解：
假定出口温度为40°C,则有：
△r’=l10-50=6OoC,
tf=K=110-27.9=82.1（）C查附泶水的物性表有：
P:
觀％，C^4-I97%.»c>2=0-675%.«cr=0.357X10-6=347xl0-6〜乂2，
//u=259.0xl0_6yv-^/2,Pr=2.155
=50980.4
nud1.3x0.014
Mg——21—
r0.357xIO-6
采用紊流换热关系式:
0.14
Nuf=0.027Re,08Pr/么=211.94
IAJ
A
所以，=10218.7d
校核：
2,=^FArw=31338.9W
Q2=Gcp{tf--tf•）=31331•8W
可见Qi和Q：
i相差很小，所以/y"=100°C
10-7空气以1.3m/s述度在内径为22mm、长为2.25m的管内流动，空气的平均温度为38.5°C,管壁温度为58°C,试求管内对流换热的表面传热系数。
解：
tf=38.5°C
查附录空气的物性表有：
/?
=1.13355^3,=1.005
r=16.816xl0_6^,/zz=19.025x10_6；v-^/2,Pr=0.6993
^.=58°C,//lv=20xl0-6^-^/2,
Re=-^=1.3x0.022=1700.7<2300为层流，v16.816xl0'6
采用常壁温层流换热关系式：
Nuf=3.66
所以，a=Nu^=4.569^20（：
10-8如果上题中空气的流速增加到3.5m/s,空气的平均温度为58°C,管壁温度为90°C,试求管内对流换热的表面传热系数。
解：
tf=58°C
查附录空气的物性表有：
^-l-005%,c）2=0.02886^（）c
v=18.766xl（r6"%,/zr=20x10'6/v-^/2,Pr=0.6964
tw=90°C,jL/w=21.5x10_6W-^/2,
Re=^=3.5x0.022=41032>2300为过渡流，r18.766x1O'6
采用过渡流换热关系式:
=0.0214（Re/8-100）Pr/41+
10-9水以2m/s的速度流过长度为5m、内径为20mm、壁面温度均匀的直管水温从25°C被加热到35°C,试求管内对流换热的表面传热系数。
查附录水的物性表有:
/zz=801.5xl0-6^V2,Pr=5.42
90°C,久，=21.5xl（r6
Nuf=0.023Re/8Pr/4=258.43
A
所以，汉=施一=7985.4d
10-10一套管式换热器，内管外径式=12mm,夕卜管内径木=16mm,管长为400
mm,在内外管之间的环形通道内水的流速^=2.4m/s、平均温度=73°C,内
管壁温zw=96°C，试求内管外表面处对流换热的表面传热系数。
解：
10-11有一外径为25mm、L<:
为200mm的水平圆管横置在风洞之中进行空气横掠的对流换热实验，管内用电加热器加热。
已测得圆管外壁面的平均温度为100°C,来流空气温度为20°C、流速为5m/s。
试计算閫管外壁面对流换热的表面传热系数和电加热器的功率。
解：
本题采用试算法进行，具体计算过程如下表：
（木题缺少条件，需要知道空气的流量，才可以进行计算）
（定性温度为主流温度，不用进行试算；但不可求电加热器功率）
计算项目
Z/’=40
空气平均温度
30
空气物性数据
+X）
Pr/
Pr,
0.0267
16X10-6
0.701
0.688
Re:
竽
7812.5
，.-CRe'U
49.612
—u
52.99
校核计算换热量
e.=成m
58.23
校核计算获得热量
Q2=Gcp（tf，，-tf，、
52.99
偏差
10-12在一锅炉烟道中有一6排管顺排构成的换热器。
已知管外径rf=60mm,管间距二么/J二2,管壁平均温度100°C,烟气平均温度500°C,
管间最窄通道处的烟气流速w=8m/s。
试求管束外壁面和烟气间对流换热的平均表面传热系数。
解：
tf=500°C
查附录空气的物性表有：
C，hO93%.oC，A=O.O574%，C
v=79.38xio-6"%，jL/f=36.2x10^n'^2jPr,=0.687
，Prlv=0.688
tw=100°C,//H=21.9xl0-6^-
Re
v79.38x10—6釆用管朿换热关系式：
10-13室内有一外径为76mm的水平暖气管道，壁面温度为80°C,室内空气温度为20°C,试求暖气管外壁面处自然对流换热的表面传热系数及单位管长的散热量。
解：
特征温度为：
由
查附录2空气的物性表得到:
y=17.95xIO-6=19.6x1（T62，Pry=0.698
3
Gf.PY=g0^tdPr=L731179xl（y
=C（Gr•Pr）"=0.48x（1.731179x10卞=17.4112
单位管长的换热量：
g=o^{tw）=瓜tox60=92.88
10-14室内火炉上烟囱的外径为15cm,垂直段高度为1.6m，壁面平均温度为150°C,水平段长度为5m,壁面平均温度为100QC。
室内空气温度为18°C。
试求每小时烟囱与室内空气间的对流换热量。
解：
垂直段换热量为：
特征温度为：
由==
22
査附录2空气的物性表得到：
^0.031^/Oc
r=21.59xl0-6m2/s，"，二2L3xl（T6W•么2,Pr,=0.691
a=—=—]—=0.002801/C-1Tm273+84
GrPr=（⑽"?
Pr=2.2x10'°
Nuf=C（Gr-Pr）。
=O.lx（2.2xlO10）^=280.21
所以，a=M^=5.43%2（）c
垂直管段一小时的换热量：
2,=aA（tw-tf）t=Tidlax132x3600=19452147
水平段换热量为：
特征温度为：
由/w=^^=122±^=59。
c22
查附录2空气的物性表得到：
^=1005%.«cu=0-029%.«c
v=18.97X10—6州jLif=20.1x10^^'^,Prz=0.696
a=—=—!
_=0.003012AT-1Tm273+59
Gr.Pr二‘⑽.Pr=1.58xl07
Nuf=C（Gr-Pr）n=0.125x（1.58xl07）'=31.37
所以，a=Nu^=6.06o^,
水平管段一小时的换热量：
Q2=oA（tw-tf}t=Ttdlax82x3600=42178817
Ql（）l=2,+g2=1945214+4217881=61630957
10-15一块面积为0.2x0.2m2的正方形薄板垂直置于室内空气温度为20°C的大房间中，薄板内镶嵌一块大小与薄板一样、功率为120W的电加热片，对薄板均匀加热（即热流密度均匀分布），试确定薄板的最高温度。
（提示：
在常热流条件下壁而温度是不均匀的，首先应判断何处温度最高；由于壁而温度未知，定性温度无法确定，可采用试算法，首先假设一定性温度。
）
解：
显然，薄板顶端处的温度为最高。
假定待征温度为=210（＞C,则zlv=400°C:
查附录2空气的物性表得到：
^=1-O26%.oc'A=OO393l%.«c
v=34.85x10-6ml/s^i=26.0xlO-6^乂2，pr,=0.680
a=—=——i——=0.002114/T1T…273+200
•Pr=1.42x10°
=C（Gr-Pr）"=0.60x（1.42x109）5=40.59
所以，a=Nu^=l.^w/m2，c由热平衡计算得到实际的壁面温度为:
计算得到：
Zm；=396°C
所以原假设正确，最高壁温为Zh/=396gC
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