精品第六章单项流体对流换热及准则关联式.docx

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精品第六章单项流体对流换热及准则关联式

第六章单项流体对流换热及准则关联式

复习题

1．试定性分析下列问题:

（1）夏季与冬季顶棚内壁的表面传热系数是否一样？

（2）夏季与冬季房屋外墙外表面的表面传热系数是否一样？

（3）普通热水或蒸汽散热器片型高或矮对其外壁的表面传热系数是否有影响？

（4）从传热观点看，为什么散热器一般都放在窗户的下面？

（5）相同流速或者相同流量的情况下，大管和小管（管内或管外）的表面传热系数会有什么变化？

（6）分析太阳能平板集热器可能涉及的传热问题。

（有条件时应参照实物）

2．传热学通常把“管内流动”称为内部流动，将“外掠平板，外掠圆管”等称为外部流动，请说明它们的流动机制有什么差别。

这些对流换热问题的数学描写有什么不同？

3．是否可以把管内流动也视为边界层型问题，采用边界层微分方程求解？

为什么？

4．图6－16为带有不同垂直隔断的空间，左右两壁温度t1>t2,内隔断不绝热，但前后壁、上顶及地面均为绝热面，试绘出这些空间内空气自然对流循环图。

图6－17是三种散热器热水进出口方法，试从受迫对流，自然对流，混合对流的机理分析这些散热器内的流动情况，稳定性及可靠性。

5．试设计测定管断面和全管长流体平均温度的实验方法。

6．试设计使供热设备表面为常壁温和常热流条件的方案。

7．垂直管内流体向上或向下流动被加热或被冷却时，自然对流对速度场的影响如何？

试作速度场变化示意图.

8．一个热的竖壁在空气中垂直向上运动，假定运动速度相当于它静止时表面空气自然对流边界层的平均速度，试分析运动对它的表面自然对流速度场的影响如何。

试作速度场变化的示意图。

运动使其表面传热系数与静止壁相比时增加还是减小？

如果竖壁时向下运动又如何？

9．自然对流时因为温度差引起的，Pr≠1时δ≠δt,试说明在边界层里δ与δt区域内的流动情况和温度分布。

10．试推导垂直壁层流自然对流动量微分方程式，设tw

11．流体在管内流动而被加热，已知管长l，m，管径d，m，管内流体质流量M，kg/m2，进口温度t`f，管壁为常热流边界条件，热流密度为q，W/㎡，请写出计算表面传热系数h及管子进出口端壁温t`w,t``w的详细步骤。

12．关于管内对流换热的热进口段长度有集中表达方式，它们各适应什么条件？

（1）从管子进口到热边界层在管中心闭合前的一段长度；

（2）当

和h=const前的一段长度;（3）l/d=0.05Re.Pr.

外掠平板紊流局部表面传热系数沿板长的变化（图5－7）与管内紊流进口段局部表面传热系数沿管长的变化（图6－1）两者有明显的差别，请作一些分析。

13．以薄壁不锈钢管作导体通电加热在管内流动的气体，管子裸露置于室内，试写出在稳定情况下，该管dx长微元段的热平衡关系。

已知钢管电阻微R，Ω/m；电流微I，A。

14．进口温度为10℃，质流量为0.045kg/s的空气在直径51mm，长2m的管内被加热，壁温保持200℃，试用式（6－4）计算它的表面传热系数和出口温度。

15．黄铜管式冷凝器内径12.6mm，管内水流速1.8m/s，壁温维持80℃，冷却水进出口温度分别为28℃和34℃，管长l/d>20，请用不同的关联式计算表面传热系数。

16．已知锅炉省煤器管壁平均温度为250℃，水的进出口温度为160℃和240℃，平均流速要求为1m/s，热流密度q=3.84×105W/㎡，试求所需管内径和长度（提示：

先按紊流计算，再校核Re）。

17．一盘管式换热器，蛇形管内径d＝12mm，盘的直径D＝180mm（以管中心距离计），共有四圈盘管。

若管内水进口温度为20℃，平均流速为1.7m/s，壁温为90℃，试估计冷却水出口温度。

18．水在热交换器管内被加热，管内径14mm，管长2.5m，壁温保持为110℃，求水在进口温度为60℃及流速u=1.3m/s时，通过热交换器后的温度。

19．管式实验台，管内径0.016m，长为2.5m，为不锈钢管，通以直流电加热管内水流，电压为5V，电流为911.1A，进口水温47℃

，水流速u=0.5m/s，试求它的表面传热系数及换热温度差。

（管子外绝热保温，可不考虑热损失）

20．2.5kg/s的40℃的水进入50mm内径的管子，壁温85℃，管壁粗糙度为0.0002，若管长为10m，计算出口水温及全管热流量。

21．空气在管内受迫对流换热，已知管径d=51mm，管长l=2.6m，空气质流量M＝0.0417kg/s，进口温度t`f＝30℃，管壁的热流密度q=12120W/㎡,求该管的平均表面传热系数h，空气在管子进口和出口端的表面传热系数h`，h``，出口温度t``f，管壁进口和出口端的壁温t`w,t``w。

实验点

空气温度

管壁温度

最窄截面风速

换热量（W）

管径（mm）

1

23.0

184.8

11.05

288.0

25

2

9.5

152.0

12.67

286.0

25

3

9.1

107.7

25.69

282.0

25

4

21.0

112.4

25.04

282.0

25

5

17.6

105.0

27.60

287.0

25

6

20.6

151.5

13.98

283.0

25

7

23.0

195.0

13.70

520.0

50

8

10.8

160.8

15.65

523.0

50

9

9.6

117.6

29.38

510.0

50

10

21.0

155.0

20.02

517.0

50

11

14.3

136.0

24.04

536.0

50

12

20.2

119.1

34.35

533.0

50

13

21.0

125.0

31.83

519.0

50

14

10.8

104.0

36.94

523.0

50

15

9.5

124.0

17.20

284.0

25

16

21.0

102.0

31.39

280.0

25

22．水以1.3m/s的速度通过内径19mm，长为5.5m的管子，压降为42mmHg,管壁平均温度为80℃，管内水平均温度55℃，试从类比律求表面传热系数，并与光滑管进行比较。

23．空气在管内以1.27m/s速度流动，平均温度tf＝38.5℃，tw＝57.9℃，管内径d=22mm,长2.5m，试求空气的表面传热系数。

24．上题空气流速增加到u=3.5m/s，此时tf＝58.1℃，tw＝90.6℃，试求表面传热系数。

25．套管换热器，内管外径d1＝12mm，外管内径d2=16mm，管长400mm，内外管之间的环形流道内水流速u=2.4m/s，平均温度tf＝73.1℃，内管壁温tw＝96℃，试求内管外表面的表面传热系数。

26．空气以0.0125kg/s流量流过直径50mm，长为6m的圆管，温度由23.5℃加热到62℃，试求在常壁温换热条件下管壁温度tw，表面传热系数h及换热量Ф。

（建议用式（6－5）计算表面传热系数）

27．已知椭圆管的长轴2a=26mm，短轴2b=13mm,用它做成的换热器每根管子的水流量为4×10-4m3/s。

要求在壁温90℃时，把水从32℃

加热到48℃。

计算一根管的长度。

如果采用与该椭圆管周长相同的圆管在同样条件下完成水的加热，有需多长的圆管，两者相比差多少（%）?

并分析引起差别的原因是什么？

28．空气横向外掠单圆管换热研究试验台，实验管长0.3m，管径有50mm和25mm两种，现测得如下表列的16个实验点数据。

试由数据整理出该次实验得到的空气横向外掠单圆管换热准则关联式。

并构思这种实验台的构造及测试系统。

29．空气以25.5m/s的速度横向外掠直径35mm长0.5m的单圆管，对流换热量为900W，管子前后空气平均温度25.3℃。

试确定管壁温度。

30．直径14mm，长1.5m的管状电加热器垂直至于速度为3m/s的水流中，水流过管子前后的平均温度为55℃，设加热器管表面允许最高温度为95℃，计算它的最大允许电功率。

31．空气横向掠过单管，管外径12mm，管外最大流速u=14m/s，空气温度tf＝30.1℃,壁温tw＝12℃。

求空气的表面传热系数。

32．空气横向掠过6排顺排管束，管束中最窄截面处流速u=15.5m/s，空气平均温度为19.4℃，壁温tw＝67.8℃，管间距S1/d=S2/d=1.2，d=19mm，求空气表面传热系数。

33．水横向掠过5排叉排管束，管束中最窄截面处流速u=4.87m/s，平均温度t1=20.2℃,壁温tw=25.2℃，管间距S1/d=S2/d=1.25，d=19mm，求水的表面传热系数。

34．空气横向掠过12排管子组成的叉排加热器，管径d=25mm,管间距S1

=50mm,S2=45mm。

管束的最窄截面处流速u=5m/s,空气平均温度tf=60℃，试求管束平均表面传热系数。

如管束改为顺排，其他条件不变，则表面传热系数为多少？

35．试求空气掠过黄铜管束的表面传热系数及出口温度。

已知管束为叉排，共4排，每排16根管，管长1m,管外径25mm，管间距S1=50mm，S2=37.5mm,管内为1.43×10-5Pa绝对压力的蒸汽，空气进口温度tf1=15℃,流量Vo=7500Nm3/h。

（提示：

计算中略去蒸汽及管壁热阻）。

36．试确定上题空气掠过管束时消耗的功率、单位面积换热量与功率消耗之比。

已知该叉排管束的阻力系数为

=0.75Re–0..2

流过管束的压强降Δp=f2ρu2（μf/μw）0.14m,N/m2

式中m为排数，u为管间最大流量，m/s.

37．改变地37题中的管间距，令S1、S2按比例缩小或扩大，比例为0.85、0.95、1.05、1.25、及1.5等，在其他条件均不改变的情况下，求单位面积换热量与功率消耗之比的变化。

38．由圆翅片管束（见图5-1）制成的蒸汽—空气加热器。

管束及翅片管的换热及流动阻力计算关联式为

Nu=0.134Re0.681Pr1/3[（H-δ）/H]0.3[（H-δ）/δ]0.1134（Re=103~2×104）

Nu=0.189[1+0.1（S1/d0-2）]Re0.685Pr1/3（δ/H）0.304（Re=2×104~5×104）

F=37.86Re-0.316（S1/d0）-0927（S1/S2）0.515

上述关联式定性温度为流体平均温度，定型尺寸为管外径do

。

已知管束参数为：

正三角形排列，管间距S1=70mm，6排，每排20根，管长1.5m，do=25mm，翅片厚δ=0.5mm，翅片高H=20mm，翅片间距（节距）b=3.5mm，空气质流量M=1.8kg/s,管壁温度tw=110℃，空气进口温度tf1=10℃,试计算换热量及功率消耗。

39．一厚壁紫铜管，内置电加热器，悬吊于大于水槽中进行水平圆筒壁自然对流换热实验研究，实验中管壁温度可作为常壁温处理，求水在横管外自然对流表面传热系数，已知管外径d=30mm,水的平均温度tf=37.1℃，壁温tw=64.5℃。

在这种情况下的实验数据为什么可以作为常壁温处理？

40．直径50mm的立管，高0.5m，表面温度90℃，空气温度20℃，试求管外壁空气自然对流表面传热系数。

41．水平蒸汽输送管外径d=0.3m，tw=450℃，环境温度tf=30℃，试求每米长管子的自然对流散热损失。

42．外径76mm的暖气管，横穿室内，tw=100℃，室内温度tf=18℃，计算管壁自然对流表面传热系数及单位管长散热损失。

43．顶棚表面温度13℃，室内温度25℃，顶棚4m×5m,试求自然对流换热量及其表面传热系数。

44．倾斜放置，温度为45℃的1m×1m平板,热面朝上接受辐射热300W/m2，辐射热被全部吸收，然后以自然对流方式散出，环境温度为0℃，板背面绝热。

试求稳态时，该板平均温度能达到的最大值。

45．某实际工程设备是一个水平圆筒，其直径达5.5m，表面温度

355℃，放置在周围空气温度为35℃的环境中，现需要知道它的自然对流表面传热系数，但因为实际设备太大，只能依靠模化实验研究它的表面自然对流换热，为此需要确定模化实验的圆筒模型最小直径是多少？

根据现有条件，有两个模化方案可供选择，第1方案是：

模化实验在空气中进行，模型表面温度为80℃，室内空气温度控制为20℃。

第2方案是：

圆筒表面温度控制为80℃，并采用温度保持20℃的水代替空气在水槽中进行实验。

请计算这两个方案模化所用的实验圆筒直径各为多少？

并对方案的优缺点进行分析。

46．一常壁温竖式散热器，已知高度为650mm，在室温15℃时，它的平均自然对流表面传热系数为4.82W/（m2·℃），散热面积2m2，试确定表面温度。

该散热器内充油，热源为市电，请计算它的自然对流散热的电动率。

47．面积为1×1（m2）的加热板，垂直吊放在空气中，每边的功率3100W，设其中1/2是以自然对流方式散出的，空气温度为20℃，试计算板的局部表面温度及局部表面传热系数沿板高的变化，并绘出它的变化曲线（可每隔0.1m为一个计算点）。

48．若上述电热板置于水中情况如何？

如果再将功率增加10倍，板表面局部温度及局部表面传热系数又如何？

49．将49题中的板作为常壁温边界条件处理，计算它的壁面温度[用式（6-19）计算]。

并与作为常热流条件处理时，板的半高度处的壁温相比较。

50．一辐射采暖板tw1=120℃，空气温度tf=13℃，板高0.75m，宽1.8m，热面倾斜45º，求它的自然对流表面传热系数及其对流换热量。

51．某建筑物墙壁内空气夹层厚δ=75mm，高2.5mm，两侧壁温分别为tw1=15℃，tw2=5℃，求它的当量表面传热系数及每平方米通过夹层的热量。

52．在Grδ<2000时，垂直空气夹层的换热过程相当于纯导热过程，试求在这种情况下到热量为最小时的夹层厚度。

已知tw1=15℃，tw2=5℃，并求导热量。

53．计算垂直空气夹层的热流密度随夹层厚度的变化，要求每隔1mm为一个计算点，厚度有1mm到50mm，其他条件同例题6-8，即夹层高度为0.5m，两壁温度分别为-15℃和15℃，将计算结果绘制成图线，并分析热流密度随厚度的变化趋势。

54．计算热面在下的水平空气层的热流密度随夹层厚度的变化，要求每隔1mm为一个计算点，厚度有1mm到50mm，已知夹层宽度远大于厚度，两壁温度分别为-15℃和15℃，将计算结果绘制成图线，并分析热流密度随厚度的变化趋势。

55．垂直平壁高2.5mm，表面温度为30℃，空气温度10℃。

试确定空气自下而上掠过此壁的速度高于若干m/s时，该壁的换热可作为受迫对流换热处理？

低于若干m/s时，可作为纯自然对流换热处理？

56．上题中设空气受迫对流速度为0.6m

/s，则在什么壁温下可以忽略受迫对流的影响？

设空气物性保持不变。