材料科学工程基础计算题

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材料科学工程基础计算题

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℃,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?

(1)

解得

即红砖的厚度应增加到370mm 才能维持原散热热流密度不变。

2-2某厂蒸汽管道为Ø175×5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.℃,管道内表面的温度为300℃,保温层外表面温度为50 ℃。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:

2-3试求通过如图3-108所示的复合壁的热流量。假设热流是一维的;已知各材料的导热系数为:λA=1.2、λB=0.6、λC=0.3、λD=0.8w/m・℃。

2-4平壁表面温度tw1=450℃,采用石棉作为保温层的热绝缘材料,导热系数λ=0.094+0.000125t,保温层外表面温度tw2=50℃,若要求热损失不超过340w/m2℃,则保温层的厚度应为多少?

解:平壁的平均温度为:

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/m3,混凝土导热系数为1.5W/m℃,假设两壁温度为20℃,限制墙中心温度不得超过50℃。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

2-6一电炉炉膛长×宽×高=250×150×100mm,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900℃,炉体外表面温度为80℃。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:

2-7有两根用同样材料制成的等长度水平横管,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103~109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

2-8根据隧道窑模型实验,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20℃,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20C时的物性参数为:

2-9一条半圆拱式烟道,长10m,烟道内宽800mm,两侧墙高300mm,拱高400mm。今有烟气以1800Nm3/h的流量通过该烟道,已知烟气平均温度为350℃,烟道内壁面平均温度为240 ℃,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:

2-10 60℃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℃)

解:设水出口处的温度为70C,则水的定性温度为:

查得水的物性参数为:

与原假设相差不大,所以可以认为水的出口温度为72.8℃。如果要求的精确度更高,可以再假设水的出口温度为71.4℃,继续进行计算,直

到满意为止。

2-11 两无限大平面,其表面温度分别为20℃及600℃,黑度均为0.8,在这两块平面间安放一块黑度为0.8或0.05的遮热板,试求这两无限大平行平面间的净辐射热量。

解:使用电网络单元法

2-12 已知裸气管的表面温度为440℃,直径为

0.3m,黑度为0.8,周围环境温度为10℃,在

裸气管的周围安放遮热管(黑度为0.82,直径为0.4)

(1)求裸气管的辐射散热损失。

(2)如果同时考虑对流换热损失,已知遮热管对流换热系数为35W/m2·℃,裸气管的散热损失为多少?

2-13有一平板,水平放置在太阳光下,已知太阳投射到平板上的热流量为700W/m2,周围环境温度为25℃。如果忽略对流换热,试求下列情况下的平板表面温度:

⑴平板表面涂有白漆。

⑵平板表面涂有无光黑漆。

⑶如果将上述平板放置在工业炉的热辐射

下,当辐射热流量仍为700W /m2,环境温度仍为25℃时。

已知白漆对于太阳辐射的吸收率为0.14,白漆对于低于2000℃的热辐射的吸收率为0.90,无光黑漆对于太阳辐射的吸收率为0.96,无光黑漆对于低于2000℃的热辐射的吸收率为0.95。

解:根据克希霍夫定律,黑体和灰体的吸收率等于同温度下的黑度,

平板的散热量为:

处于热平衡时:

2-14 热空气在Φ426×9mm的钢管中流过,热空气的温度用一个装在外径为15mm的瓷保护管中的热电偶来测量,为了减小测量误差,把热电偶保护瓷管用薄铝圆筒屏蔽,屏蔽筒的黑度为0.3,面积为保护瓷管的4倍。

空气向屏蔽筒的对流换热系数为35w/m2·℃,已知钢管内壁温度为110℃,热电偶读数(即瓷管温度)为220℃,瓷管的黑度为0.8,空气向瓷管的对流换热系数为52.4w/m2·℃,设瓷管本身的热传导可忽略

不计。试求热电偶的测量相对误差,并求出空气的实际温度。

解:设薄铝圆筒(遮热罩)F1温度t3、表面积F3,管道内热空气与热接点之间的对流换热量

管道内热空气与遮热罩两表面之间的对流换热量

热电偶接点与遮热罩之间的辐射换热量:

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