材料科学工程基础计算题.docx
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1、1热工基础习题解答第二章:传热学2-1某窑炉炉墙由耐火粘土砖、硅藻土砖与红砖砌成,硅藻土砖与红砖的厚度分别为40mm和250mm,导热系数分别为0.13和0.39W/m C,如果不用硅藻土层,但又希望炉墙的散 热维持原状,则红砖必须加厚到多少毫米?解:设炉墙内外表面妁 温虔分别为J粘土砖、 硅藻土砖和红砖的厚度和导热系数分别为不 耳 右 和话、g g则三髀材料榔便用时炉墻的散热热流 密度为:的横越热流密度为:当晖使用硅焦土砖吋,为了维持炉墙的散热热流 密度苹变,设红晔的厚 度应増加到规 此叶炉墙(2)_L十由于qI由fD式和式得解得也奢恥"x罟+叫370顾即红砖的厚度应增加到 370
2、mm才能维持原散热热流密 度不变。2-2 某厂蒸汽管道为 ?175X 5的钢管,外面包了一层95mm厚的石棉保温层,管壁和石棉的 导热系数分别为50、0.1w/m. C,管道内表面的温度为300C,保温层外表面温度为50C。试求每米管长的散热损失。在计算中能否略去钢管的热阻,为什么?解:石棉保温层和钢管在每米长度方向上产生的热阻分别为:R.二一!一In 业二 一1 X In = tt.000187m/ w旳 £ lxX14x5D)65二-J ln = -' xd 365九 rf, IxJJJxOJ175通过每米管长的峨热损失为:300-50(1.000187 + 1J7=21
3、3 艸 i m由于北远小于治,所以钢管的热阻可以略去2-3试求通过如图3-108所示的复合壁的热流量。假设热流是;已知各材料的导热系数为:入 a=1.2、入 b=0.6、入 c=0.3、入 D=0.8w/m?C。解:各种材抖的热阻分别为:5巧 L2x0一0.075几对F.0.6x0.05-&0,075-(L3x(L05 ”(L054.998°C/ w也20胪C7牌忍九F“ 0.8x040.625°C / w总热阻为:7 +詐”=2,5°C/»v5签誥+心热!流量为:370-6625= 122 幡2-4平壁表面温度tw仁450 C,采用石棉作为保温
4、层的热绝缘材料,导热系数 入=0.094+0.000125t,保温层外表面温度tw2=50 C,若要求热损失不超过 340w/m 2C,则保温层的厚度应为多少?解:平壁的平均温度为:450 + 502'=25O°C石棉的平均导热系数为:=; 0.094 + IKO(MJ125rflb -OOV4+OJMIO125 x 250 -O,125h-/wC通过平壁的热流密度为:欲使热损失不超过给定值,则有:340即保温层的厚度应至少为 147mm。2-5浇注大型混凝土砌块时,由于水泥的水化热使砌块中心温度升高而导致开裂,因此,砌 块不能太大。现欲浇注混凝土墙,水泥释放水化热为100w
5、/m3,混凝土导热系数为1.5W/m C,假设两壁 温度为20 C,限制墙中心温度不得超过 50 C。试问 墙厚不得超过 多少米?解:由于墙的两侧温度相等,所以墙内的温度分布为将X吐辛代入上式得到墙中心温度为:2r =!虫$卡ff *欲使C M 50叱,则有:即墙厚不得超过1也.2-6一电炉炉膛长X宽X高=250 x 150X 100mm,炉衬为230mm厚的轻质粘土砖(密度为800kg/m3)。已 知内壁平均温度为900C,炉体外表面温度为 80C。 试求此电炉的散热 量。解:通过该电炉的散热量可以表示为:将该电炉视为中空长方体,则其核算面积为:J +2.165( 4-ja + JJ + L
6、2J2-2(0.25x0.15 +0,25x04+0J5x0J)+ 2J6x<E23x(Ot25+OJ5 + 0.1)+L2x023z-0.44688查得厂和0储/卅的粘土砖的导热系数为:2 HL26 中 0.23x1 (尸 tW / m °C炉壁的平均温度为:900 + S0= 490°C在该泯度下粘土持的导热系数为:xfl h=0J6 + 0J3 xl0"'x 490 = 0J727通过该电炉时散拈董为:4? = g 巴亿6)n 3727=二x 0-46688 x (900-80) = 620fF0.232-7有两根用同样材料制成的等长度水平横管
7、,具有相同的表面温度,在空气中自然散热, 第 一根管子的直径是第二根管子直径的10倍,如果这 两根管子的(GrPr)值均在103109之间,且可用准数方程式Nub=0.53Grb。试求两根管子的对流换 0.25热系数比值和热损失的比值。解:对于与圆管进行对流换热的情形,空气的由于横管的表面温度相同,并且空气温度相同,所以均相等,可得0Q3G衬驚0536)= 5.62由于人1犷甲*所以那么:Ad%血"2 -" Alrr U£t2£N叫 M10散热更0 = £加乩所说:鱼 工仃M = o,562x 10 = 5,62Qt a冲2-8根据隧道窑模型实
8、验,确定了圆柱形料垛对流换热系数的准数方程式为: Nuf=0.0146Ref0.85。 现用空气强制冷却圆柱形料垛,空气温度为20C,空气流速为1.28m/s,料垛直径为0.118m。试求圆柱形 料垛对空气的对流换热系数。解:查得空气在20 C时的物性参数为:p = 1*2051®/jm A -239x 1<FJ WI tn °Cx 106 pa 彳凹2E1如0化血5518,lx IO-6=0r0146=0.0146xl0055°5 =36.80J182-9条半圆拱式烟道,长 10m,烟道内宽800mm ,两侧墙高300mm ,拱高400mm。今有烟 气以1
9、800Nm3/h的流量通过该烟道,已知烟气平均温度为350C,烟道内壁面平均温度为240 C,试求烟气对壁面的对流换热系数及传热量。解:烟道的截面积和周长分别为:F = ix3.14x0.82 + 0.8 x 0.3 = 0.4912/w2 8r = |x3.14x 0.8 +0.8+2x03 = 2.656加当量直径为:4F 4x0.4912匚二二二=()a74/n2.656烟气在烟道内流动的速度为:232m/s皿+価0x(1 +篇0.4912x3600 一- - 一F查得烟气在35()。(7时的物性参数为: p-0.57Ug/m 右列).0527炉/刖 °C, “/2995xl0
10、 6Pa.s,Prz =0.645在烟道壁面温度240。(7时的物性参数为:= 0.66piv/ 0.571x2.32x0.74”为鴻流由于烟气温度校离,所以采用米海耶夫关系式:AW/-0.021 RePrHl=0.021 x 3273 严 x 0.645' x0.6450.66O.2S= 70.770.7x0.1)527<k74由于w» 13.5<511,属于短管*闵须进行杖正,<0.74查得校正系救£严口土所以实际的对流换热系數。为;Ji =-Qc对就换热肚为:y =«L7A/ = 5.63x10x2.656x(350-240) =
11、16148jr.2-1060C的水进入一内径为 25.4mm的管子,水的流速为 2cm/s。试计算水的出口温度(已知管长3m,管壁温度恒 定为80 C)解:设水出口处的温度为 70C,则水的定性温度为:60 + 702=65°C查得水的物性参数为:p -9N0.45A« / m '» A = 0.663Smj I m °C t - 437 xW' 卩z n、Pr = 2.77t= 3.54 x 10 4- a » Cp = 4.183AJ / kg.aCr4J7x10"属层址根据判别式确定计算式:R<?>1
12、14flx2.77x岂理=26.7> 107 f !J傥用賽泰公式:游丹=4必(R专P»卢(%*巴严*i 0 O2S4 - J 37"齢呻山朴(亍和宜宀皿a =也今匸妙也竺.1輻胪治M(I0,0254根攥能篁中嚏原理:JZ如g _f”= 0r = C*M 7J4变形得:, Aalt-Tf4xHRx3x(8O65)1 Cp " 9H(Ms7i)?01760254 x 41S13 x 1CT + 1-72J°C与原假设相差不大,所以可以认为水的出口温度为72.8C。如果要求的精确度更高,可以再假设水的 出口温度为714C,继续进行计算,直到满意为止。2
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