传热学典型习题详解2Word文件下载.docx
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为什么?
在夏季和冬季两种情况下,虽然它们的对流温差相同,但它们的内表面的对流放热系数却不一定相等。
原因:
在夏季tf<tw,在冬季tf>tw,即在夏季,温度较高的水平壁面在上,温度较低的空气在下,自然对流不易产生,因此放热系数较低.反之,在冬季,温度较低的水平壁面在上,而温度较高的空气在下,自然对流运动较强烈,因此,放热系数较高。
二、定量计算
主要包括:
单管内强制对流换热;
外掠单管及管束的强制对流换热;
大空间自然对流换热;
有限空间自然对流换热及上述几种传热方式的综合应用等。
1、一套管式换热器,饱和蒸汽在内管中凝结,使内管外壁温度保持在100℃,初温为25℃,质量流量为0.8kg/s的水从套管换热器的环形空间中流过,换热器外壳绝热良好。
环形夹层内管外径为40mm,外管内径为60mm,试确定把水加热到55℃时所需的套管长度,及管子出口截面处的局部热流密度。
不考虑温差修正。
解:
本题为水在环形通道内强制对流换热问题,要确定的是管子长度,因而可先假定管长满足充分发展的要求.然后再校核。
由定性温度℃,得水的物性参数
W/(m.K),Pa.s
J/(kg.K),Pr=4.31
当量直径
水被加热
假设换热达充分发展,
W/(m2·
K)
换热量:
W
而
所以:
m
因,故换热已充分发展,不考虑管长修正。
2、某锅炉厂生产的220t/h锅炉的低温段管式空气预热器的设计参数为:
顺排布置,s1=76mm,s2=57mm,管子外径d0=38mm,壁厚δ=1.5mm;
空气横向冲刷管束,在空气平均温度为133℃时管间最大流速u1,max=6.03m/s,空气流动方向上的总管排数为44排。
设管壁平均温度tw=165℃,求管束与空气间的对流换热系数。
如将管束改为叉排,其余条件不变,对流换热系数增加多少?
(1)计算Ref,max
由定性温度tf=133℃查附录,得空气的物性值为λf=0.344W/(m·
℃)νf=27.0×
10-6m2/s,Prf=0.684
由tw=165℃查得Prw=0.682。
于是==8487
(2)求顺排时的对流换热系数hf
=0.27×
84870.63×
0.6840.38×
×
1×
1
解得对流换热系数为hf=63.66W/(m2·
℃)
(3)求叉排时的对流换热系数
代入数据得=0.35×
84870.60×
解得叉排时的对流换热系数为hf=66.64W/(m2·
3、水平放置的蒸汽管道,保温层外径do=583mm,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?
定性温度=35.5℃
据此查得空气的物性值为λm=0.0272W/(m·
℃),
vm=16.53X10-6m2/s,Prm=0.7
判据(GrPr)m===4.03×
108<109
流动属于层流,查表得C=0.53、n=1/4。
于是对流换热系数为=0.53×
(4.03×
108)1/4×
=3.5W/(m2·
单位管长的对流散热量为ql=hπdo(tw-t∞)=3.5×
3.14×
0.583×
(48-23)=160.2W/m
4、温度分别为100℃和40℃、面积均为0.5×
0.5m2的两竖壁,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换热量?
(1)空气的物性值
定性温度℃,据此,查附录得空气的物性值为λm=0.0296W/(m·
ρm=1.029kg/m3,μm=20.60×
10-6kg/(m·
s),βm==2.915×
10-3K-1,Prm=0.694,
由此,运动粘度为m2/s
(2)等效导热系数λe
因(GrδPr)m=1.003×
104<2×
105,流动属层流。
努谢尔特准则为=0.197×
(1.003×
104)1/4×
=1.335
等效导热系数λe为λe=Numλm=1.335×
0.0296=0.0395W/(m·
(3)自然对流换热量
Φ==×
(0.5×
0.5)×
(100-40)=39.5W
5、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℃,测得电加热功率为20W/m。
假定除对流外其他热损失可忽略不计。
试确定此时的来流速度。
解本题为空气外掠圆柱体强制对流换热问题。
由题意,=20W/m,由牛顿冷却公式
定性温度:
℃
空气的物性值:
,m2/s,
由此得:
假设Re数之值范围在40-4000,有:
,其中C=0.683,n=0.466
即:
,得Re=233.12符合上述假设范围。
故:
m/s
三、本章提要
以下摘自赵镇南著,高等教育出版社,出版日期:
2002年7月第1版《传热学》
本章介绍了工程中最常见的几类对流换热问题的基本特征和换热计算关系式与计算方法,它们是掌握对流换热工程设计的基础。
学习本章时,应注意掌握各种类型对流问题的流动特征,边界层的特点,流态的判别,换热机理及主要的影响因素,适用边界条件,已准则的适用范围,特征尺寸与定性温度的选取方法。
1.管内强迫对流换热
(1)流动状况不同于外部流动的情形,无论层流或者湍流都存在流动入口段和充分发展段,两者的长度差别很大。
计算管内流动和换热时,速度必须取为截面平均速度。
(2)换热状况管内热边界层也同样存在入口段和充分发展段,只有在流体的Pr数大致等于1的时候,两个边界层的入口段才重合。
理解并准确把握两种典型边界条件(恒壁温与恒热流)下流体截面平均温度的沿程变化规律,对管内对流换热计算有着特殊重要的意义。
(3)特征数方程式要注意区分不同关联式所针对的边界条件,因为层流对边界条件的敏感程度明显高于湍流时。
还需要特别指出,绝大多数管内对流换热计算式5f对工程上的光滑管,如果遇到粗糙管,使用类比率关系式效果可能更好。
(4)非圆截面管道仅湍流可以用当量直径的概念处理非圆截面管道的对流换热问题。
层流时即使用当量直径的概念也无法将不同截面形状管道换热的计算式全部统一。
2.绕流圆柱体的强迫对流换热
流体绕圆柱体流动时,流动边界层与掠过平板时有很大的不同出现脱体流动和沿程局部Nu数发生大幅度升降变化的根本原因。
横掠单根圆管的对流换热计算式还被扩展到非圆管的情形。
3.绕流管束的强迫对流换热
这是工程中用得最多的流体换热方式之—。
它的流动和换热的基本特征与单管时相同,但增加了排列方式、管间距以及排数三个新的影响因素。
除了光管管束以外,在气体外部绕流换热的场合,各种型式的肋片管柬在工程领域里用得越来越普遍。
肋片的型式极多,已经公开发表的计算式不一定与实际使用的肋片管相同,选择计算公式时应注意这个问题。
4.自然对流换热
因温度差引起的自然对流边界层和强迫流动明显不一样,它具有单峰形状,这种速度分布是在密度差和流体粘性的共同作用下形成的。
自然对流换热时速度场和温度场相互锅合,因此求解比强迫流动更困难些。
自然对流换热计算中出现了一个新的已定特征数—Gr数。
它是决定自然对流流动状态的基本因素。
自然对流换热对物体的形状、朝向特别敏感,选取特征数方程时应给予足够的注意。
极限情况下甚至可能转变成纯导热。
近年在自然对流换热领域出现较多形式复杂、自变量覆盖面广的新特征数关联式,它们适应了计算机计算的需要。
有限空间中的自然对流是流动和换热形态都相当复杂的—类情形,工程上经常简化为按“导热”的形式来处理,并由此引入当量导热系数的概念。
混合对流换热只要壁面与流体之间存在温度差,自然对流的影响就不可能完全避免。
这种情况F的流场和温度场也十分复杂。
工程上一般采用突出主要因素、忽略次要因素的办法来处理这个问题。
5.强化对流换热
强化传热是对流换热原理付诸工程实际应用的主要着眼点,也是传热研究中永恒的主题。
必须明确强化的重点或者突破口在哪里,然后再针对具体情况选择一种或几种强化措施。
就一般原理而言,在对流换热表面传热系数增大的同时,阻力损失会以更大的比例增加。
但是也不排除有的强化方法可以做到换热增强多而阻力变化很小。
凝结与沸腾部分
主要包括主要包括:
凝结换热的基本特点、影响因素及其强化;
沸腾换热的基本特点等。
1、当蒸汽在竖壁上发生膜状凝结时,分析竖壁高度h对放热系数的影响。
当蒸汽在竖壁上发生膜状凝结时,随着竖壁高度的不同可能发生层流凝结放热和紊流凝结放热。
(A)对层流来说:
,可见,当l增加时,放热系数h减小,h∝1/l1/4.从理论上分析,层流凝结放热总以导热方式为主.当l=0时,膜层厚度为0,这时的放热达到最大值,随着l的增加,膜层厚度δ也加厚,也即增加了导热热阻,所以放热系数随l增加而减小。
(B)对紊流而言:
平均换热系数,而Re与l也成正比,可见随着l增加,放热加强,从理论上分析,在紊流中紊流传递方式成为重要因素,因此,随l增加紊流换热得到加强。
2、为什么蒸气中含有不凝结气体会影响凝结换热的强度?
不凝结气体的存在,一方面使凝结表面附近蒸气的分压力降低,从而蒸气饱和温度降低,使传热驱动力即温差(ts-tw)减小;
另一方面凝结蒸气穿过不凝结气体层到达壁面依靠的是扩散,从而增加了阻力。
上述两方面的原因使不凝结气体存在大大降低了表面传热系数,使换热量降低。
所以实际冷凝器中要尽量降低并排除不凝结气体。
3、空气横掠管束时,沿流动方向管徘数越多,换热越强,而蒸气在水平管束外凝结时,沿液膜流动方向管束排数越多,换热强度降低。
试对上述现象做出解释。
空气外掠管束时,沿流动方向管徘数越多,气流扰动增加,换热越强。
而蒸气在管束外凝结时,沿液膜流动方向排数越多,凝结液膜越来越厚,凝结传热热阻越来越大,因而换热强度降低。
4、试述沸腾换热过程中热量传递的途径。
半径R≥Rmin的汽泡在核心处形成之后,随着进一步地的加热,它的体积将不断增大,此时的热量是以导热方式输入,其途径一是由汽泡周围的过热液体通过汽液界面输入,另一是直接由汽泡下面的汽固界面输入,由于液体的导热系数远大于蒸汽,故热量传递的主要途径为前者。
当汽泡离开壁面升入液体后,周围过热液体继续对它进行加热,直到逸出液面,进入蒸汽空间。
5、两滴完全相同的水滴在大气压下分别滴在表面温度为120℃和400℃的铁板上,试问滴在哪块板上的水滴先被烧干,为什么?
在大气压下发生沸腾换热时,上述两水滴的过热度分别是℃和℃,由大容器饱和沸腾曲线,前者表面发生的是核态沸腾,后者发生膜态沸腾。
虽然前者传热温差小,但其表面传热系数大,从而表面热流反而大于后者。
所以水滴滴在120℃的铁板上先被烧干。
膜状凝结的分析与计算;
沸腾换热的分析与计算。
1、压力为0.7×
105Pa的饱和水蒸气,在高为0.3m,壁温为70℃的坚直平板上发生膜状凝结,求平均表面传热系数及平板每米宽的凝液量。
Ps=0.7×
105Pa的饱和水蒸气对应的饱和温度ts=90℃,
液膜平均温度℃
凝液(水)的物性参数:
kg/m3,W/(m·
K),
ts=90℃对应的汽化潜热:
r=2283.1kJ/kg。
先假定液膜流动处于层流:
检验流态
所以,假设层流正确。
每米宽平板的凝液量
2、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上发生膜状凝结,假定不考虑传质的影响。
试计算每米长管子的凝结换热量。
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?
本题房间空气的相对温度为75%,因而从凝结观点有25%的不凝结气体即空气。
先按纯净蒸气凝结来计算。
25℃的饱和水蒸气压力Pa,
此时水蒸气分压力Pa
其对应饱和温度为℃
凝液物性参数,,
汽化潜热
表面传热系数:
3、在1.013×
105Pa的绝对压力下,水在表面温度为117℃的铜管外表面上进行大容器核态沸腾。
求此情况下铜管外表面上的沸腾换热系数h和单位面积的汽化率?
由饱和压力查得水的饱和温度ts=100℃,r=2257.1×
103J/kg。
沸腾换热系数为:
h=0.1425△t2.33p0.5=0.1425×
(117-100)2.33×
(1.013×
105)0.5=3.339×
104W/(m2·
单位面积的汽化率为:
就一般情况来说,沸腾和凝结都属于强对流换热方式,这两种换热类型在工业应用中占有极其重要的地位,但它们的物理机制和影响因素与单相对流换热差别很大。
1.沸腾换热
大空间饱和沸腾(也称为池沸腾)是研究的重点,其中又以核态沸腾和膜态沸腾两种形态为主。
汽泡的发生、发展、跃升并脱离加热表面的过程对池沸腾换热的强度起决定性作用。
理解水的沸腾曲线和各参数之间的相互关系将有助于掌握沸腾的基本特征。
值得特别注意的是所渭临界热流密度(CHF),以及通过调整壁面热流密度来控制沸腾过程的时候容易引起的超温问题。
核态沸腾表面传热系数的计算关系式很多,形式上差异较大,计算结果的误差甚至可能达到100%。
对加热表面状况的定量描述始终是沸腾研究的难点,也是重点之一。
目前常采用的办法仍以根据实验得出的经验常数为主。
确定临界热流密度对给出实际沸腾运行工况点提供了有益的参照。
计算膜态沸腾则必须注意与辐射传热方式相结合。
管内对流沸腾换热在工业上用途广泛、意义重大,但是其两相流动状态和传热机理太过复杂。
多组分混合液体核态沸腾受质量传递(浓度扩散)的影响很大,汽泡成长减慢,表面传热系数比单组分低得多。
影响大空间饱和核态沸腾的主要因素包括:
液体的热物性(粘度、密度、表面张力、汽化潜热和比热容等),加热表面的材料和表面状况,液体的压力,加热面的大小和朝向,液位以及不凝气体的含量等。
2.凝结换热
表面凝结有两种基本形态——膜状凝结和珠状凝结,后者的表面传热系数大大高于前者,但在工业设备中实际发生的都是膜状凝结。
努塞尔竖壁膜状凝结理论解揭示了层流膜状凝结的换热以通过膜层的导热为主的本质,这无疑为强化膜状凝结换热指明了方向。
沿竖壁或竖管的膜状凝结液膜也可能发展成湍流,使表面传热系数得以明显提高。
判断凝结液膜流动状态仍然用雷诺数,但其表达式和单相对流时很不一样。
凝结液膜从层流转变到湍流的临界雷诺数等于1600。
管内凝结换热在工业上有很广泛的用途。
和管内沸腾—样,它也与两相流的流型及表面状况等因素有关,是一个比较复杂的问题。
多组分混合物的膜状凝结同样频繁地出现在化工和制冷等重要的应用领域里。
和多组分沸腾相同,它的表面传热系数也明显地低于单一组分时。
影响膜状凝结换热强弱的主要因素包括不凝气体含量、蒸气的流速与方向(汽液界画上的切应力)以及凝结表面的状况。
珠状凝结迄今为止仍是实验室里的研究课题,主要目标在于形成并维持长期稳定的珠状凝结状态。
采用的方法不外乎改变凝结表面状况或者改变凝结液的物性。
3.强化传热技术
强化核态沸腾的基本着眼点在于设法增加活化核化点的数目。
为此主要通过对加热表面的改性处理,如多孔表面、人工粗糙表面或涂层等措施来实现。
管内沸腾换热的强化则大都采用各种内肋或者内螺纹管。
强化膜状凝结换热的出发点在于促进液膜的排泄以尽可能地使液膜厚度减薄。
格雷戈里格效应管是实现这一想法的良好典范。
后来研制的各种膜状凝结强化管大都是其思想的延续和发展。
值得注意的是,近年来对双面同时强化的技术和元件的研究日益受到重视和推祟。
热管是一种构思巧妙的高性能传热元件,要根据使用场合的具体情况正确地选择热管工质,并安排外部的换热结构。
对于冷源、热源均为气体,或者是液体的情况,主要的传热热阻显然都在外部。
热辐射基本定律部分
主要包括热辐射基本概念及名词解释、黑体辐射基本定律、实际物体辐射特性及其应用。
1、北方深秋季节的清晨,树叶叶面上常常结霜。
试问树叶上、下去面的哪一面结箱?
霜会结在树叶的上表面。
因为清晨,上表面朝向太空,下表面朝向地面。
而太空表回的温度低于摄氏零度,而地球表面温度一般在零度以上。
由于相对树叶下表面来说,其上表面需要向太空辐射更多的能量,所以树叶下表面温度较高,而上表面温度较低且可能低于零度,因而容易结霜。
2、如图所示的真空辐射炉,球心处有一黑体加热元件,试指出①,②,③3处中何处定向辐射强度最大?
何处辐射热流最大?
假设①,②,②处对球心所张立体角相同。
由黑体辐射的兰贝特定律知,定向辐射强度与方向无关。
故Il=I2=I3。
而三处对球心立体角相当,但与法线方向夹角不同,θ1>θ2>θ3。
所以①处辐射热流最大,③处最小。
3、有—台放置于室外的冷库,从减小冷库冷量损失的角度出发,冷库外壳颜色应涂成深色还是浅色?
要减少冷库冷损,须尽可能少地吸收外界热量,而尽可能多地向外释放热量。
因此冷库败取较浅的颜色,从而使吸收的可见光能量较少,而向外发射的红外线较多。
4、何谓“漫─灰表面”?
有何实际意义?
“漫─灰表面”是研究实际物体表面时建立的理想体模型.漫辐射、漫反射指物体表面在辐射、反射时各方向相同.灰表面是指在同一温度下表面的辐射光谱与黑体辐射光谱相似,吸收率也取定值.“漫─灰表面”的实际意义在于将物体的辐射、反射、吸收等性质理想化,可应用热辐射的基本定律了。
大部分工程材料可作为漫辐射表面,并在红外线波长范围内近似看作灰体.从而可将基尔霍夫定律应用于辐射换热计算中。
5、你以为下述说法:
“常温下呈红色的物体表示此物体在常温下红色光的单色发射率较其它色光(黄、绿、兰)的单色发射率为高。
”对吗?
(注:
指无加热源条件下)
这一说法不对。
因为常温下我们所见到的物体的颜色,是由于物体对可见光的反射造成的.红色物体正是由于它对可见光中的黄、绿、蓝等色光的吸收率较大,对红光的吸收率较小,反射率较大形成的.根据基而霍夫定律ελ=αλ,故常温下呈红色的物体,其常温下的红色光单色发射率较其他色光的单色光发射率要小。
6、某楼房室内是用白灰粉刷的,但即使在晴朗的白天,远眺该楼房的窗口时,总觉得里面黑洞洞的,这是为什么?
窗口相对于室内面积来说较小,当射线(可见光射线等)从窗口进入室内时在室内经过多次反复吸收、反射,只有极少的可见光射线从窗口反射出来,由于观察点距离窗口很远,故从窗口反射出来的可见光到达观察点的份额很小,因而就很难反射到远眺人的眼里,所以我们就觉得窗口里面黑洞洞的.
7、实际物体表面在某一温度T下的单色辐射力随波长的变化曲线与它的单色吸收率的变化曲线有何联系?
如巳知其单色辐射力变化曲线如图所示,试定性地画出它的单色吸收率变化曲线。
从图中可以分析出,该物体表面为非灰体,
根据基尔霍夫定律,αλ=ελ,即为同一波长线②与线①之比。
该物体单色吸收率变化曲线如图所示。
包括建立辐射换热的能量守恒关系式,兰贝特定律的应用,利用物体的光辐(即单色)射特性计算辐射换热,等等。
1、白天,投射到—大的水平屋顶上的太阳照度Gx=1100W/m2,室外空气温反t1=27℃,有风吹过时空气与屋顶的表面传热系数为h=25W/(m2·
K),屋顶下表面绝热,上表面发射率=0.2,且对太阳辐射的吸收比=0.6。
求稳定状态下屋顶的温度。
设太空温度为绝对零度。
如图所示,
稳态时屋顶的热平衡:
对流散热量
辐射散热量
太阳辐射热量
代入
(1)中得
采用试凑法,解得℃
2、已知太阳可视为温度Ts=5800K的黑体。
某选择性表面的光谱吸收比随波长A变化的特性如图所示。
当太阳的投入辐射Gs=800W/m2时,试计算该表面对太阳辐射的总吸收比及单位面积上所吸收的太阳能量。
先计算总吸收比。
单位面积上所吸收的太阳能:
3、有一漫射表面温度T=1500K,已知其单色发射率随波长的变化如图所示,试计算表面的全波长总发射率和辐射力。
,即:
查教材P208表8-1得,
所以
1.热辐射的基本概念
热辐射是以电磁波(或光量子)形式传递热量的一种方式,凡0K
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