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完整版冶金传输原理热量传输第7章试题库
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100C的平面炉墙表面,炉宽1.0m,长2.0m,若不计自然对流影响,求炉墙的对流换热量。
已知在60C下空气的有
关物性为
18.97106m2/s;2.90102W/(mC);Pr0.696
11
解:
TmTw)J。
。
20)60C
对长L=2.0m的平板,有
ReL泌
上羊1.58
18.9710
1055105层流
Nu0.664Re0.5Pr13
0.664l1Pr13ReX20.664
2
2.90100.6961/3(1.58105)1/2
2.0
3.39W/(m2C)
于是传热热量为
Qh(TWTf)A3.39(10020)2.01.0542.4W
题7-2一个大气压下24C的空气,以60m/s的速度流过温度为216C的平面炉墙表面,炉宽1.0m,长0.4m,若不计辐射换热,求炉墙的对流换热量。
已知在120C下空气的有关物
性为
25.45106m2/s;3.34102W/(mC);Pr0.686
11
解:
Tm^(TfTw)^(21624)120C
ReLV01
60
0.4
25.45
106
从而有
所以,对长L=0.4m的平板有
55
9.4310510湍流
Nu(0.037Re0.8871)Pr13
c081/3
[0.037(9.4310).871]0.686
1196
22
hNu/l11963.3410/0.499.9W/(mC)
于是传热热量为
Qh(TWTf)A99.9(21624)0.41.07672.32W
题7-3水在内径d=0.03m、长度I2.0m的水平直管中流动,管内水流速u0.04m/s,
平均温度Tf20C,当管壁温度为Tw60C时,求对流换热系数。
已知Tf20C时,水
的物性参数为
624
1.00610mIs;0.599W/(mC);1.82101/C;Pr7.02
当T
W
60C时,
PrW
2.98;
W
4.699
104kg/(ms)
ud
0.04
003
解:
Ref
611922300层流
1.006
106
d0.03
RefPrf11927.02125.5210
l2
可以选式(7.39)计算
Nuf1.86(RefPrfd/l)1/3(fW)0.141.865.010.592.86
05992
故hNu—2.8657.1W/(m2C)
d0.03
题7-4一直管内径为0.08m,管长为5m,管壁温度保持60C,水与空气分别从管中流过,试分别计算水和空气从20C加热到40C时对流换热系数。
已知管中水的流速为0.3m/s,空
气流速为4.5m/s。
已知在30C下水的有关物性为
0.805106m2/s;0.618W/(mC);Pr5.42
水:
Re
ud
空气:
Re
ud
0.30.08
0.80510
4.50.08
22.9106
29813
15720
均为旺盛湍流(Re
10000),采用式(7.31)
在30C下空气的有关物性为
22.9
106m2/s;
2.67
102W/(mC);Pr0.701
解:
Tf
1
2(Tf1Tf2)
1
—(20
2
40)
30C
T
TWTf60
30
30C
故不考虑因粘度引起的误差修正。
又对于直管Ld5/0.0862.560,故不考虑入口段修正。
水
0618
h-0.023Re0.8Pr0.40.023298130.85.420.41326.6W/(m2C)
d0.08
空气
0.80.4
h0.023RefPrfd
2.6710
0.08
0.023157200.80.7010.415.2W/(m2C)
题7-5长12m,外径0.3m的垂直蒸汽管外表面温度为管单位长的散热量。
在40C下空气的有关物性为
60C,试求在20C的空气中此
16.96106m2/s;
0.0276W/(mC);Pr0.699
11
解:
Tm㊁佩Tf)㊁(6020)40C
垂直圆柱管,定型尺寸为管长L=12m。
gT3
GrPr2L3Pr
v
5.251012109
3
0.699
9.81(6020)12
(27340)(16.96106)2
湍流
1
查表1可得:
C。
仆3,则
131213
Nu0.1(GrPr)0.1(5.2510)1739
NuH
1739
0.0276
12
4.0W/(m2
C)
故Qh(TWT」d
4(6020)3.140.3
150.72W/m
視1
实號得到的C"僅
Mia«
oj
veai
C
101
—
由用laioA£
由圄50.10抉宣
H
〜)0*
yit
I
T
ID*
—10竝
o.io
1丁
101
710*
由斛10.11决足
由HI10.11淮审
水平冒桂
0
F10'
山药
丄
T
)0*
0,13
1
T
曲平板菸M向上咸
距形板取两边氏平
2X10*
—«X10*
J^A
0.54
1
T
水字価禅術向下
6X10*IO11
聲滇
0*15
IT
水平価典面向F戒水平氧呼面网h
101
J9«
o.sa
1
T
题7-6水以0.8kg/s的流量在内径为d=2.5cm的管内流动,管子的内表面温度为90C,
进口处水的温度为20C,试求水被加热至40C时所需的管长。
已知Tf30C时,水的物
性参数为
622
0.80510m/s;61.810W/(mC);
66
801.510kg/(sm),W314.910kg/(s
3
995.7kg/m;Pr5.42
m),Cp
4.174kJ/(kgC)
解:
11
Tm2(TWTf)2(2°40)30C
40.8
2~2
(2.510)
995.7
1.64m/s
流动为湍流。
1.642.5102
0.805
106
5.09
64
1010
由于温差为
60C,
故要作修正。
0.80.4
NUf0.023RefPr
0.11
f
0.023(5.09104)0.8
0.4
5.42
0.11
801.5
291.97
314.9
根据热平衡方程:
流体得到(或失去)的热量=流体与管壁间的对流换热量
MCp(TfTf)
1.96
又丄
d
故不必进行管长修正。
平与垂直两种方式安装时单位管长的散热量。
已知在
40C下空气的有关物性为
hd(TwTJ
196
278.460
2.5102
题7-7长10m,外径为0.3m的包扎蒸汽管,外表面温度为55C,求在25C的空气中水
16.96106m2/s;2.76102W/(mC);Pr0.699
解:
(1)水平安装时,特征尺寸为管子外径,即d=0.3m,则
GrPr
L3Pr
3
9.81(5525)0.3
(27340)(16.96106)2
0.699
6.169107109层流
查表
1得:
1
C0.53,n
4
Nu
0.53
71-4
(6.16910)46.97
2
2.7610
hNu—46.97
4.32W/(m2C)
d0.3
L
h(TW
Tf)d4.32(5525)
3.140.3W/m122.1W/m
⑵
垂直安装时,特征尺寸为管子长度,即
L=10m,则
3
GrPr2
v
gT9.81(5525)10
LPrl0.699
1)水平安装时为层流,查表
1
T4
h1.33-
d
(27340)(16.96106)2
2
.2851012109湍流
查表1得
:
C
0.1,n
1
—。
3
Nu
0.1
(2.285
1012)131317
2
2.7610
h
Nu—
1317
3.64W/(m
d
10
—
h(Tw
Tf)d
3.64(5525)3.14
得计算公式为
1
0.3W/m102.9W/m
(3)以简化公式计算
2C)
1/4
1.33
55252
4.21W/(mC)
0.3
得计算公式为
1/32
55253.51W/(mC)
2)垂直安装时为湍流,查表
1
h1.13T31.13
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。
已知管道外径d=108mm,其外表面温度
Tw80C,厂房内空气温度Tf10C。
试计算每米管道由自然对流换热方式散失的热量。
解:
本题符合采用专用式(7.23)的条件
平均换热系数
7014
h1.34(T/l)141.346.76W/(m2C)
0.108
每米长管道自然对流换热的散热量为
Qh(TWTJd6.76700.108160W/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T;27.4C,TW29.4C,冷却水出口处水温和管内壁温
度分别为T;34.6C,Tw35.6C,冷却水流量Q2500kg/so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。
已知,水在31C时的物性参数为:
623
0.7910m/s,0.62W/(mK),995.4kg/m,Pr5.31,
66
f786.710Pas,W764.410Pas
(提示:
冷凝器过流截面积为一d26000)
42
流动为湍流。
Qd
A
2500(0.0230.0012)
995.4才(0.0230.0012)2
对流换热系数为
cccc6.43104104
60006
0.7910
2
hO.°23严f4
°.。
23牆“3
104)0.85.310.49299W/(m2K)
题7-10水式量热计为一外径d15mm的管子,用空气斜向吹过。
空气速度
Vo2m/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
Tw80C,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。
已知在50C下空气的有关物性为
62
17.9510m/s;0.0283W/(mK);Pr0.698
11
解:
Tm2(TwTf)2(8020)50C
20.015
1671
17.9510
查表2得c0.606,n0.466。
由0=60o查图1得0.94。
于是对流换热系数为
h0.606Re0.466Pr13
0.60616710.4660.698130.940.0283
d0.015
2
30.3W/(mK)
单位管长的对流换热量
ldh(TWTf)
0.01530.3(8020)85.7W/m
中的cMntt
屉
c
n
4-40
0.809
0.385
40-4000
0.606
氏466
4000-40000
0J7I
0.6LB
40000-250000
0.0239
图I圆拄面冲击角確正系数
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。
已知在120C下空气的有关物性为
25.45106m2/s;3.34102W/(mC);Pr0.686
11
解:
Tm^(TwTf)2(21030)120C
vl500.555
Re69.821055105
25.45106
平板后部以达到湍流区,全长平均换热系数为
Nu(0.037Re08871)Pr13[0.037(9.82105)0.8871]0.686131261
hNu/l12613.34102/0.584.23W/(m2C)
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?
已知水在40C时物性参数为:
0.635w/(mC),0.659106m2/s,Pr4.31。
解:
Re
vd
1.50.058
0.659106
1320181104湍流
TTwTf47407C,不需做温差修正。
由式(7.31)得
Nuf0.023Re;.8Pr0.40.0231320180.84.310.4530.7
NUd
530.7
0.635
0.058
5810.4W/(m2C)
题7-13、水流过长L=5m的直管时,从Tf'25.3C被加热到Tf"34.6C。
管子的
0.618W/(mC),Cp
Pr5.42。
4.174kJ/(kgC),
995.7kg/m3,0.805106m2/s,
解:
T
Tf'Tf
2
25.334.6
2
30C
Re
vl
20.02
6
0.80510
4.971045104湍流
Nu
0.023Re0.8Pr0.4
0.023(4.97104)085.420.4258
NUd
258
0.618
0.02
7895W/(m2C)
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60C。
求距
板端0.5m处的对流换热系数及单位板宽的传热量。
查得40C时空气的有关物性参数为:
622
粘度16.9610m/s,热导率2.7610W/(mC),
Pr=0.699。
解:
Nu
150.5
16.96106
11
0.664Pr3Re20.664
ReUX
4.422
1
0.6993
1055105层流
1
(4.422105)"392
Nu—392
L
2.76102
0.5
21.6
W/(m2C)
设板宽为B,则
Qh(TwTf)Bl
Q21.6(60
B
20)0.5432W/m
题7-15、空气正面横掠外径d=20mm的圆管。
空气流速为1m/s。
已知空气温度to=2OC,管壁温度tw=80C,试求平均表面传热系数。
262
已知温度为50C时,入m=2.83X10-W/(mC),um=17.95X10-m/s
解:
定性温度Tm如f802050C
22
Re
vD
10.02
17.95106
1114.2
查表知,当Re=40~4000时,c=0.606,n=0.466,所以
NucRen0.606(1114.2)0.46615.9
Nu—
D
15.9
2.8310
0.02
22.55W/m2.C
答:
平均表面传热系数为22.55W/m2.C.
Mil自曲对糞摘第中的€泾x曲
加踞豪血
c
*
*
丿
JSSt
0.10
丄
4
丄
3
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叽沪
橋圆芬
紀
as
丄
Kidl旷
4
水平版拾上应
J1L
M
0血
1
4
】叭3icf
0.16
1
3
水平牡轉齒朗F或
撐向朝上
二人b
Q/M
1
【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。
已知
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。
(已知90C的空气,入=0.0313W/(m.C),u=22.1x10-6m2/s,Pr=0.69)
表7.2强制对流换热中的c及n
Re
C
n
4^40
0.S09
O.3S5
4D-4000
0,606
0.466
4(MJO~40OIXJ
0.J7I
0.6LS
40000250UOO
(J.O2J9
0.805
解:
定性温度:
Tm(TfTw)/2(15525)/290C
(1)计算横掠水平圆管的对流换热系数
Re
ud
70.05
22.1
106
15837
横掠水平圆管NucRen
查表的c=0.171,n=0.618
h1Nu0.03130.171(15837)0.61842.2W/(m2.C)
d0.05
(2)计算外掠平板的对流换热系数
ReuL乙丄帀3.167421055105流动属于层流。
22.1106
外掠平板Nu0.664Re0.5Pr1/3
h2LNu
0.03130.664(316742)0.5(0.69)1/310.3W/(m2「C)
【题7-16】
试计算距板端
解:
查附录7的25T空气的物性参数如下
2.63102W/m
C,Pr0.702,
62
15.5310m/s
25C的空气以6m/s的速度流入平板,板长宽均为1m,板温为50C,0.1m,0.5m,1各点的平板与空气的对流传热量。
(1)距板端0.1m的平板计算雷诺数
Re0.1
UoJ
故可采用式(7.24)
60.1
60.38105
15.53106
计算对流换系数
5105
Nu0.664Re。
,30.6640.38105°5
15.53
106
3.22
0.1
h虬3.222.63100.85W/m2
L
平板与空气的对流换热量为
qhTfTw
0.85502521.25W/
(2)距板端0.5m的平板计算雷诺数
60.55
61.9105
15.53106
故可采用式(7.24)计算对流换系数
Nu0.664Re°.5p/30.6641.9105*
Re0.5
U0L2
5105
15.53106"3
7.21
0.5
h虬7.212.63100.38W/
L
平板与空气的对流换热量为
qhTfTw
0.3850259.5W
/m2
(3)距板端1m的平板计算雷诺数
61.0—
63.8
15.53106
故可采用式(7.24)计算对流换系数
0.51350.5
Nu0.664RePr30.6643.810
Re°.5
u0L2
105
5105
15.531061‘
10.18
1.0
h虬10.182.63100.27w/m2
平板与空气的对流换热量为
qhTfTW0.2750256.75W/m
【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)。
试求当热板表面温度为300E,环境温度为20E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GrPr乘积得数值,以判别流态而选用c和n得值
1
定性温度Tm-30020160C,
2
查附录7得相关物性参数为:
m3.64102W/mC
m30.0910
6m2/s,Prm0.682
空气的体积膨胀系数V按
1
-计算,故
T
1
V160273
1
433
由此可算出:
Grm曲厂
m
9.81』
2
43330.0921012
3
30020
2.96109
GrmPrm2.961090.6822.02109
按表7.1处于湍流流态,
c0.15,n13,则
Num0.15GrmPrm130.152.02109"190
于是平均换热系数
NUmm
l
1903.6410
9.2W/m2C
【题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,外表面平均温度为48C。
已知周围空气温度为23T,试计算每米长保温管道由自然对流引起的散热量。
解:
定性温度
4823
Tm35.5C
2
查附录7有
2
2.7210W/mC
62
16.5310m/s,Prf0.700
空气的体积膨胀系数V按V
1
〒计算,故
GrmgL3VTVm2
9.81
1
308.5
-2516.53210122.91109
308.5.
13
按表7.1处于层流流态时,
c0.53,
n14,则
Num
0.532.91
1090.70014112.6
于是平均对流换热系数
112.62.72103.06W/m2C
则每米长保温管道由自然对流引起的散热量
hAT3.06
0.583125140W
【题7-19】在稳态工作条件下,管长为3m的圆管后,温度增至1560W试求横管外侧壁温。
解:
定性温度
20E的空气以1
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