中国石油大学奥鹏远程教育期末复习题(9)

400?5012??0.1ln2?3.14?0.04W/(m?K)0.1?160W/l，解之，得： ??36.6mm

6-6 某过热蒸汽管道的内，外直径分别为150 mm和160 mm，管壁材料的热导率为45 W/(m.K)，管道外包两层保温材料。第一层材料厚度为40 mm，热导率为0.1 W/(m.K).；第二层厚度为50 mm，热导率为0.16 W/(m.K)。蒸汽管道内壁面温度为400℃，保温层外壁面温度为50℃。试计算（1）各层材料导热热阻；（2）每米长蒸汽管道的散热损失。

解（1）首先计算各层材料的导热热阻： 管道层：Rt1?12??1lnd21160??ln?2.28?104m.K/W d12??45150lnd31240??ln?0.646m.K/W d22??0.1160d41340??ln?0.347m.K/W d32??0.16240第一保温层：Rt2?12??212??3第二保温层：Rt3?ln（2）单位长度热流量：

?L?tw1?tw4400?50??352.7W/m 。

?Rt2.28?104?0.646?0.3476-7 蒸汽管道的外直径d1=30mm，准备包扎两层厚度都是15mm的不同材料的热绝缘层。a种材料的导热系数λa = 0.04 W/(m.K)，b种材料的导热系数λb = 0.1W/(m.K)。若温差一定，试问从减少热损失的观点看下列两种方案：（1）a在里层，b在外层；（2）b在里层，a在外层，哪一种好，为什么？

解（1）第1种方案，a在里层，b在外层，单位管长的热损失为：

ql1??t12??alndd21?ln3d12??bd2??t?t?，

11601903.4(ln?ln)2?0.04300.160（2）第2种方案，b在里层，a在外层，单位管长的热损失为：

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《工程热力学与传热学》——期末复习题——答案

ql2??t12??blndd21?ln3d12??ad2??t?t， ?11601902.7(ln?ln)2?0.1300.0460t0h tfδtHV比较两种方案的热损失：

ql2?t/2.7??1.26 ql1?t/3.4H因ql2?ql1，故从减少热损失的观点看，第1种方案好。

6-8 采用套管式热电偶温度计测量管道内的蒸汽温度，套管长H=6cm，直径为1.5cm，壁厚为2mm，导热系数为40W/(m.K)，温度计读数为240℃。若套管根部温度为100℃，蒸汽与套管壁的换热系数为140W/(m2.K)。如果仅考虑套管的导热，试求管道内蒸汽的真实温度。

解：伸入蒸汽管道中的温度计套管可视为一空心等截面直肋，温度计读数为套管顶端的壁温tH, 测量温差就是套管顶端的过余温度 θH=tH-tf。 由于套管细而长，肋端散热可忽略不计。 套管的截面积为：A?D?4(D2?d2)??4(0.0152?0.0112)?8.164?10?5m2

?2套管的换热周长为；P??D?3.14?0.015?4.71?10m

hP140?4.71?10?2?1m???44.936m?5求m: ?A40?8.164?10mH?44.936?0.06?2.696直接计算: ch(mH)?ch2.696?7.473 由 ?H??011, 可得: tH?tf?(t0?tf)

ch(mH)ch(mH)可得管道内蒸汽的真实温度为:

tf?tHch(mH)?t0240?7.473?100??261.6?C

ch(mH)?17.473?1对比温度计的读数,测温的绝对误差为21.6%,相对误差为8.3%。

6-9 用热电偶测量气罐中气体的温度。热电偶近似为球形，直径为0.2mm。热电偶的初始温度为20℃，与气体表面的传热系数为10 W/(m2.K)。试计算插入气体中10s后，（1）热电偶的过余温度为初始过余温度的百分之几？（2）要使热电偶过余温度不大于初始过余温度的1%，至少需要多长时间？已知热电偶焊丝的λ= 67 W/(m.K)，ρ=7310 kg/m3，c=228 J/(kg.K)。

解（1）首先判断可否用集总热容系统求解。

R10W/(m2.K)?0.2?10?3m3Bi???4.98?10?6?0.033 ?2?3?67W/(m.K)h?故可采用集总热容系统求解。

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《工程热力学与传热学》——期末复习题——答案

?c计算时间常数为：?c?R3?33?7310kg/m?228J/(kg.K)?0.1?10?5.56s h3?10W/(m2.K)??t?t????e?c 根据热电偶温度分布的表达式：

?0t0?t????e5.56?16.6% 知插入10s后，?010若使

?t?t???e?0t0?t????c?1%，解之得：??25.6s

6-10 用热电偶测量气体的温度。热电偶近似为球形，直径为0.5mm，初始温度为25℃，被突然放于表面传热系数为95 W/(m2.K)，温度为120℃的气流中。试计算：（1）热电偶的过余温度为初始过余温度的1% 时需要多少时间？（2）这时热电偶指示的温度是多少？已知热电偶材料的 ?=67 W/(m.K)，ρ= 8930 kg/m3, 比热c = 400 J/(kg.K)。

解（1）首先判断可否用集总热容系统求解。

R95W/(m2.K)?0.5?10?3m3Bi???0.12?10?3?0.033 ?2?3?67W/(m.K)h?故可采用集总热容系统求解。

?c计算时间常数为： ?c?R3?33?8930kg/m?400J/(kg.K)?0.25?10?3.13s h3?95W/(m2.K)?c?t?t????e?根据热电偶温度分布的表达式：

?0t0?t?

知当

?t?t???e?0t0?t????c?1%时，

两边取对数，得需要时间：??4.605?c?4.605?3.13?14.43s。

热电偶指示的温度：t?t??0.01(t0?t?)?120?0.01(25?120)?119.05?C 6-11 温度为50℃，压力为1.013×105Pa的空气，平行掠过一块表面温度为100℃的平板上表面，平板下表面绝热。平板沿流动方向长度为0.2ｍ，宽度为0.1ｍ，按平板长度计算的雷诺数为4×104。试确定：（1）平板表面与空气间的表面传热系数和传热量；（2）如果空气流速增加一倍，压力增加为10.13×105Pa，计算表面传热系数和传热量。设空气的普朗特数变化不大，近似按（1）问选取。

已知：流体外掠等壁温平板层流换热特征数关联式为：Nu?0.664RePr

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1213 《工程热力学与传热学》——期末复习题——答案

11流体外掠等热流平板层流换热特征数关联式为：Nu?0.680Re2Pr3 41流体外掠等壁温平板湍流换热特征数关联式为：Nu?(0.037Re5?871)Pr3

干空气的热物理性质表（p=1.013×105Pa）（见书附表部分） 解：流动为外掠平板强制对流换热，

已知雷诺数：Re?4?104?5?105，为层流流动， 空气定性温度：ttw?t?m?2?75?C，查空气物性参数：??0.03005W/(m.?C),Pr?0.693，

11Nu?0.664Re2Pr3?117.9，则：h?17.6W/(m2.?C)，

传热量：Q?hA(tw?t?)?17.6W，

（2）若流速增加一倍，雷诺数Re?8?105?5?105，属湍流流动，

1特征数关系式：Nu?（0.037Re0.8?870)Pr3?961，h?143.6W/(m2.?C)， 传热量：Q?hA(tw?t?)?143.6W

6-12 空气横掠一光滑管束空气换热器。已知管束有22排，每排24根管；管子外径为25mm，管长为1.2m；管束叉排布置，管子间距s1=50mm，s2=38mm；管壁温度为100 ℃；空气最大流速umax=6m/s，平均温度为30℃。试求（1）管束的平均表面传热系数；（2）对流换热量。

附：计算管束平均表面传热系数的关联式为：Nuf?CRemPr0.36ff(Prf0.25Pr)?n

w该式适用范围：1?Re6f?2?10,0.6?Prf?500，空气物性可查阅书附表。 解：首先确定空气的物性量：以流体的平均温度tf=30℃为定性温度，查空气物性量表得，??0.0267W/m.K,??16.0?10?6m2/s,Pr?0.701。 计算雷诺数：ReumaxD6m/s?0.025mmax???16.0?10?6?9375

又：

s1s?5038?1.32?2 2根据雷诺数Re，叉排，s1/s2值，。管排22排>16排，查表6-8，有：

Nuf?0.35(s10.2s)Re0.60.36Prf0.25fPrf()?78.67 2Prw 29 / 31

《工程热力学与传热学》——期末复习题——答案

表面传热系数：h??f0.0267dNuf??78.67?84.02W/m20.025.K

求热流量，换热面积为：A?N?n???d?l?22?24????0.025?1.2?49.76m2 则热流量：Q?hA(tw?tf)?84.02?49.76?(100?30)?292.66kW

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