材料加工冶金傳輸原理(吳樹森版)習(xí)題答案

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0.02S-

+_2.1.3 0.1<15006.沖天爐熱風(fēng)管道的內(nèi)/外直徑分別為160mm和170mm，管外覆蓋厚度為80mm的石棉隔熱層，管壁和石棉的熱導(dǎo)率分別為％=58.2W/(m℃)，%=0.116W/(m℃)。已知管道內(nèi)表面溫度為240℃，石棉層表面溫度為40℃，求每米長(zhǎng)管道的熱損失。解：由多層壁圓管道導(dǎo)熱熱流量公式(9-22)知所以每米長(zhǎng)管道的熱損失為2兀(T—T) 所以每米長(zhǎng)管道的熱損失為2兀(T—T) 1-d1nd+1—3—d14

nd 2入22X3.14X(240—40)10.17~~l0.33

n016+n0.17

58.2 0.1162x3.14x2000.001+5.718=219.6w/m7．解：查表已知.外徑為100mm的蒸汽管道覆蓋隔熱層采有密度為20Kg/m3的超細(xì)玻璃棉氈，已知蒸汽管外壁溫度為400℃，要求隔熱層外壁溫度不超過50℃，而每米長(zhǎng)管道散熱量小于163W，試確定隔熱層的厚度。解：已知查附錄C知超細(xì)玻璃棉氈熱導(dǎo)率由圓筒壁熱流量計(jì)算公式(9-20)知：得而得出.解：UI.在如圖9-5所示的三層平壁的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱中，已測(cè)的t1,t2,t3及t4分別為600℃，500℃，200℃及100℃，試求各層熱阻的比例解：根據(jù)熱阻定義可知而穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱時(shí)各層熱流量相同，由此可得各層熱阻之比為=100：300：100=1：3：1解：(參考例9-6)查表，代入式得kk12．液態(tài)純鋁和純銅分別在熔點(diǎn)(鋁660℃，銅1083℃)澆鑄入同樣材料構(gòu)成的兩個(gè)砂型中，砂型的密實(shí)度也相同。試問兩個(gè)砂型的蓄熱系數(shù)哪個(gè)大？為什么？答：此題為討論題，砂型的蓄熱系數(shù)反映的是材料的蓄熱能力，綜合反映材料蓄熱和導(dǎo)熱能力的物理量，取決于材料的熱物性。兩個(gè)砂型材料相同，它們的熱導(dǎo)率為和比熱容c及緊實(shí)度都相同，故兩個(gè)砂型的蓄熱系數(shù)一樣大。注：鑄型的蓄熱系數(shù)與所選造型材料的性質(zhì)、型砂成分的配比、砂型的緊實(shí)度及冷鐵等因素有關(guān)！考慮溫度影響時(shí)，澆注純銅時(shí)由于溫度較純鋁的高，砂型的熱導(dǎo)率會(huì)增大，比熱和密度基本不變，從而使得砂型蓄熱系數(shù)會(huì)有所增大13.試求高0.3m,寬0.6m且很長(zhǎng)的矩形截面銅柱體放入加熱爐內(nèi)一小時(shí)后的中心溫度。已知：銅柱體的初始溫度為20℃,爐溫1020℃,表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)a=232.6W/(m2.℃),入=34.9W/(m?℃),c=0.198KJ/(Kg?℃),p=780Kg/m3。解：此題為二維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題,參考例9.8,可看成兩塊無限大平板導(dǎo)熱求解,銅柱中心溫度最低，以其為原點(diǎn)，以兩塊平板法線方向?yàn)樽鴺?biāo)軸，分別為x,y軸。則有：熱擴(kuò)散率4/s查9-14得,,鋼鏡中心的過余溫度準(zhǔn)則為中心溫度為=0.036*(293-1293)+1293=1257k=984℃15.一含碳量Wcx0.5%的曲軸，加熱到600℃后置于20℃的空氣中回火。曲軸的質(zhì)量為7.84Kg,表面積為870cm2,比熱容為418.7J/(Kg?℃),密度為784Kg/m3,熱導(dǎo)率為42W/仙℃),冷卻過程的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)取為29.1W/(m2.℃),問曲軸中心冷卻到30℃所經(jīng)歷的時(shí)間(原題有誤)解：當(dāng)固體內(nèi)部的導(dǎo)熱熱阻小于其表面的換熱熱阻時(shí),固體內(nèi)部的溫度趨于一致,近似認(rèn)為固體內(nèi)部的溫度t僅是時(shí)間t的一元函數(shù)而與空間坐標(biāo)無關(guān)，這種忽略物體內(nèi)部導(dǎo)熱熱阻的簡(jiǎn)化方法稱為集總參數(shù)法。通常，當(dāng)畢奧數(shù)Bi<0.1M時(shí)，采用集總參數(shù)法求解溫度響應(yīng)誤差不大。對(duì)于無限大平板M=1,無限長(zhǎng)圓柱M=1/2,球體M=1/3。特性尺度為3=V/F。經(jīng)上述驗(yàn)算本題可以采用此方法計(jì)算溫度隨時(shí)間的依變關(guān)系。參閱楊世銘編《傳熱學(xué)》第二版，P105-106，公式（3-29）其中F為表面積，a為傳熱系數(shù)，t為時(shí)間，tf為流體溫度，V為體積。代入數(shù)據(jù)得：s第十章對(duì)流換熱某窖爐側(cè)墻高3m，總長(zhǎng)12m，爐墻外壁溫t卬=170℃。已知周圍空氣溫度tf=30℃，試求此側(cè)墻的自然對(duì)流散熱量（熱流量（注：原答案計(jì)算結(jié)果有誤，已改正。）解：定性溫度℃定性溫度下空氣的物理參數(shù)：℃，，特征尺寸為墻高h(yuǎn)=3m.則：故為湍流。查表10-2，得，一根L/d=10的金屬柱體，從加熱爐中取出置于靜止的空氣中冷卻。試問：從加速冷卻的目的出發(fā)，柱體應(yīng)水平還是豎直放置（輻射散熱相同）？試估算開始冷卻的瞬間兩種情況下自然對(duì)流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)之比（均為層流）解：在開始冷卻的瞬間，可以設(shè)初始溫度為壁溫，因而兩種情形下壁面溫度相同。水平放置時(shí)，特征尺寸為柱體外徑；豎直放置時(shí)，特征尺寸為圓柱長(zhǎng)度，L>d。近似地采用穩(wěn)態(tài)工況下獲得的準(zhǔn)則式來比較兩種情況下自然對(duì)流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，則有：c=0.53（1）水平放置.，，1-n=14c2=0.59（2）豎直放置.，，n=14由此可知：對(duì)給定情形，水平放置時(shí)冷卻比較快。所以為了加速冷卻，圓柱體應(yīng)水平放置。一熱工件的熱面朝上向空氣散熱。工件長(zhǎng)500mm，寬200mm，工件表面溫度220℃，室溫20℃，試求工件熱面自然對(duì)流的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)（對(duì)原答案計(jì)算結(jié)果做了修改）解：定性溫度℃定性溫度下空氣的物理參數(shù)：，特征尺寸， L=500+200=350mm=0.35m2熱面朝上：故為湍流。查表得上題中若工件熱面朝下散熱，試求工件熱面自然對(duì)流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)解：熱面朝下：,層流，查表得有一熱風(fēng)爐外徑D=7m,高H=42m,當(dāng)其外表面溫度為200℃,與環(huán)境溫度之差為40℃,求自然對(duì)流散熱量（原答案缺少最后一步，已添加）解：定性溫度定性溫度下空氣的物性參數(shù)為：,依題應(yīng)為垂直安裝，則特征尺寸為H=42m.,為湍流.查表得自然對(duì)流散熱量為在外掠平板換熱問題中，試計(jì)算25℃的空氣及水達(dá)到臨界雷諾數(shù)各自所需的板長(zhǎng)，取流速v=1m/s計(jì)算，平板表面溫度100c（原答案計(jì)算有誤，已修改）解：定性溫度為.對(duì)于空氣查附錄計(jì)算得TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"R=vl：vnl=R*vv=5x105x19.23x10-61=9.62me8 e 8.對(duì)于水則有：v =f0.478-0.478-0.415x2.5]x10-6=0.462x10-6m2/s\o"CurrentDocument"。CI 10 ）\o"CurrentDocument"Re=vl：vnl=Re*vv=5x105x0.462x10-61=0.231m8 8在穩(wěn)態(tài)工作條件下，20℃的空氣以10m/s的速度橫掠外徑為50mm,管長(zhǎng)為3m的圓管后，溫度增至40℃。已知橫管內(nèi)勻布電熱器消耗的功率為1560W,試求橫管外側(cè)壁溫（原答案定性溫度計(jì)算有誤,已修改）解：采用試算法假設(shè)管外側(cè)壁溫為60℃,則定性溫度為查表得即:與假設(shè)不符，故重新假設(shè)，設(shè)壁溫為.則定性溫度查表得，，，，即：與假設(shè)溫度誤差小于5%，是可取的。即壁面溫度為79.80℃.壓力為1.013*105Pa的空氣在內(nèi)徑為76mm的直管內(nèi)強(qiáng)制流動(dòng)，入口溫度為65℃,入口體積流量為0.022m3/s,管壁平均溫度為180℃,試問將空氣加熱到115c所需管長(zhǎng)為多少？解：強(qiáng)制對(duì)流定性溫度為流體平均溫度流體平均溫度，查查附錄F得為旺盛湍流。由于流體溫差較大應(yīng)考慮不均勻物性的影響，應(yīng)采用實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)則式(10-23或24)計(jì)算Nuf即=56.397質(zhì)量流量散熱量Q=qC(T—T)=0.0214x1.009x103x(115—65)=1079.63Jmp2 1因?yàn)?，所以需要進(jìn)行入口段修正。入口段修正系數(shù)為所需管長(zhǎng)：解：

12.管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流湍流時(shí)的換熱，若Re相同，在tf=30℃條件下水的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)比空氣的高多少倍？解：定性溫度℃查附錄D得到：查附錄F得到：為湍流，故相同在該條件下，水的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)比空氣高52.46倍。第十一章輻射換熱1.100W燈泡中鎢絲溫度為2800K,發(fā)射率為0.30。（1）若96%的熱量依靠輻射方式散出，試計(jì)算鎢絲所需要最小面積；（2）計(jì)算鎢絲單色輻射率最大時(shí)的波長(zhǎng)解：（1）鎢絲加熱發(fā)光，按黑體輻射發(fā)出連續(xù)光譜,將數(shù)據(jù)代入為：A1=9.2*10-5tf（2）由維恩位移定律知，單色輻射力的峰值波長(zhǎng)與熱力學(xué)溫度的關(guān)系m.k,當(dāng)T=2800k時(shí)，=1.034*10-6m.一電爐的電功率為1KW,爐絲溫度為847℃,直徑為1mm,電爐的效率（輻射功率與電功率之比）為0.96,爐絲發(fā)射率為0.95,試確定爐絲應(yīng)多長(zhǎng)？解：由黑度得到實(shí)際物體輻射力的計(jì)算公式知：.試確定圖11-28中兩種幾何結(jié)構(gòu)的角系數(shù)X12解：①由角系數(shù)的分解性得:由角系數(shù)的相對(duì)性得：所以對(duì)于表面B和（1+A）,X=1.5解：①由角系數(shù)的分解性得:由角系數(shù)的相對(duì)性得：所以對(duì)于表面B和（1+A）,X=1.5、Y=1.5、Z=2時(shí)，，查表得，對(duì)于表面B和A,X=1.5,Y=1.5查表得，所以，。對(duì)表面（2+B）和（2+B）,A,X=1.5,Y=2.5,Z=1,,查表得，所以，Z=1,,(1+A),X=1.5Y=2.5,Z=2,,查表得。對(duì)于表面②由角系數(shù)的分解性,,對(duì)表面2和A,X=1.5,Y=l,Z=l,,查表得。對(duì)面2和（1+A）,X=1.5,Y=l,Z=2,,查表得，代入數(shù)據(jù)得，所以.兩塊平行放置的大平板的表面發(fā)射率均為0.8,溫度分別為q=527C和tz=27C,板的間距遠(yuǎn)小于板的寬與高。試計(jì)算（1）板1的本身輻射（2）對(duì)板1的投入輻射（3）板1的反射輻射（4）板1的有效輻射（5）板2的有效輻射（6）板1與2的輻射換熱量解：由于兩板間距極小，可視為兩無限大平壁間的輻射換熱，輻射熱阻網(wǎng)絡(luò)如圖，包括空間熱阻和兩個(gè)表面輻射熱阻?！?a=0.8,輻射換熱量計(jì)算公式為（11-29）國1J.中/E ? 」 L■ 31 _打工1-.11-七二布」*3國,2■*1^2,① （E-J）.1-81-8其中J1和J2為板1和板2的有效輻射，將上式變換后得丁「 1-8 …（300）4y1-0.8J=E+q 2=5.67x +1517.7x 2 b2%28 （100） 0.82=4253.4W/m2故：（1）板1的本身輻射為（2）對(duì)板1的投入輻射即為板2的有效輻射（3）板1的反射輻射為，P1=1-a=0.2,（4）板1的有效輻射為（5）板2的有效輻射為（6）由于板1與2間的輻射換熱量為：.設(shè)保溫瓶的瓶膽可看作直徑為10cm高為26cm的圓柱體，夾層抽真空，夾層兩內(nèi)表面發(fā)射率都為0.05。試計(jì)算沸水剛注入瓶膽后，初始時(shí)刻水溫的平均下降速率。夾層兩壁壁溫可近似取為100℃及20℃解：，代入數(shù)據(jù)得w,而，查附錄知100℃水的物性參數(shù)為代入數(shù)據(jù)得℃/s.兩塊寬度為W,長(zhǎng)度為L(zhǎng)的矩形平板，面對(duì)面平行放置組成一個(gè)電爐設(shè)計(jì)中常見的輻射系統(tǒng)，板間間隔為S,長(zhǎng)度L比W和S都大很多，試求板對(duì)板的角系數(shù)解：（參照例11-1）作輔助線ac和bd,代表兩個(gè)假想面，與、組成一個(gè)封閉腔，根據(jù)角系數(shù)完整性:，同時(shí)可把圖形看成兩個(gè)由三個(gè)表面組成的封閉腔，對(duì)的角系數(shù).一電爐內(nèi)腔如圖11-29所示，已知頂面1的溫度t1=30℃,側(cè)面2(有陰影線的面)的溫度為t2=250℃,其余表面都是重輻射面。試求?1)1和2兩個(gè)面均為黑體時(shí)的輻射換熱量；(2)1和2兩個(gè)面為灰體￡1=0.2,￡2=0.8時(shí)的輻射換熱量解：將其余四個(gè)面看成一個(gè)面從而構(gòu)成一個(gè)由三個(gè)表面組成的封閉系統(tǒng)當(dāng)1、2兩個(gè)面均為黑體，另一個(gè)表面絕熱，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖如下先求1對(duì)2的角系數(shù):X=4000,Y=5000,Z=3000,,查表得，，代入數(shù)據(jù)得(為J1、J2之間的當(dāng)量熱阻)，w/m?w/m?w(負(fù)號(hào)表示熱量由2傳導(dǎo)1)(2)當(dāng)1、2面為灰體，另一表面為絕熱面，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖如下負(fù)號(hào)表示熱量從2面?zhèn)飨?面。9.直徑為0.4m的球殼內(nèi)充滿N2,CO2，和水蒸氣(H2O)組成的混合氣體，其溫度tg=527℃。組成氣體的分壓力分別為PN2=