習(xí)題與作業(yè)5-6

1、第五章 對(duì)流換熱思考題1、在對(duì)流換熱過程中，緊靠壁面處總存在一個(gè)不動(dòng)的流體層，利用該層就可以計(jì)算出交換的熱量，這完全是一個(gè)導(dǎo)熱問題，但為什么又說對(duì)流換熱是導(dǎo)熱與對(duì)流綜合作用的結(jié)果。答：流體流過靜止的壁面時(shí)，由于流體的粘性作用，在緊貼壁面處流體的流速等于零，壁面與流體之間的熱量傳遞必然穿過這層靜止的流體層。在靜止流體中熱量的傳遞只有導(dǎo)熱機(jī)理，因此對(duì)流換熱量就等于貼壁流體的導(dǎo)熱量，其大小取決于熱邊界層的厚薄，而它卻受到壁面流體流動(dòng)狀態(tài)，即流動(dòng)邊界層的強(qiáng)烈影響，故層流底層受流動(dòng)影響，層流底層越薄，導(dǎo)熱熱阻越小，對(duì)流換熱系數(shù)h也就增加。所以說對(duì)流換熱是導(dǎo)熱與對(duì)流綜合作用的結(jié)果。2、試引用邊界層概念來分

2、析并說明流體的導(dǎo)熱系數(shù)、粘度對(duì)對(duì)流換熱過程的影響。答：依據(jù)對(duì)流換熱熱阻主要集中在熱邊界層區(qū)域的導(dǎo)熱熱阻。層流邊界層的熱阻為整個(gè)邊界層的導(dǎo)熱熱阻。紊流邊界層的熱阻為層流底層的導(dǎo)熱熱阻。導(dǎo)熱系數(shù)越大，將使邊界層導(dǎo)熱熱阻越小，對(duì)流換熱強(qiáng)度越大；粘度越大，邊界層（層流邊界層或紊流邊界層的層流底層）厚度越大，將使邊界層導(dǎo)熱熱阻越大，對(duì)流換熱強(qiáng)度越小。3、由對(duì)流換熱微分方程知，該式中沒有出現(xiàn)流速，有人因此得出結(jié)論：表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h與流體速度場(chǎng)無關(guān)。試判斷這種說法的正確性?  答：這種說法不正確，因?yàn)樵诿枋隽鲃?dòng)的能量微分方程中，對(duì)流項(xiàng)含有流體速度，即要獲得流體的溫度場(chǎng)，必須先獲得其速度場(chǎng)，“流動(dòng)與換

3、熱密不可分”。因此表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)必與流體速度場(chǎng)有關(guān)。4、試引用邊界層概念來分析并說明流體的導(dǎo)熱系數(shù)、粘度對(duì)對(duì)流換熱過程的影響。  答：依據(jù)對(duì)流換熱熱阻主要集中在熱邊界層區(qū)域的導(dǎo)熱熱阻。層流邊界層的熱阻為整個(gè)邊界層的導(dǎo)熱熱阻。紊流邊界層的熱阻為層流底層的導(dǎo)熱熱阻。導(dǎo)熱系數(shù)越大，將使邊界層導(dǎo)熱熱阻越小，對(duì)流換熱強(qiáng)度越大；粘度越大，邊界層（層流邊界層或紊流邊界層的層流底層）厚度越大，將使邊界層導(dǎo)熱熱阻越大，對(duì)流換熱強(qiáng)度越小。5、對(duì)管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱，為何采用短管和彎管可以強(qiáng)化流體的換熱?  答：采用短管，主要是利用流體在管內(nèi)換熱處于入口段溫度邊界層較薄，因而換熱強(qiáng)的特點(diǎn)，即所謂的“入

4、口效應(yīng)”，從而強(qiáng)化換熱。而對(duì)于彎管，流體流經(jīng)彎管時(shí)，由于離心力作用，在橫截面上產(chǎn)生二次環(huán)流，增加了擾動(dòng)，從而強(qiáng)化了換熱。  6、其他條件相同時(shí)，同一根管子橫向沖刷與縱向沖刷相比，哪個(gè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大，為什么？  答：橫向沖刷時(shí)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大。因?yàn)榭v向沖刷時(shí)相當(dāng)于外掠平板的流動(dòng)，熱邊界層較厚，而橫向沖刷時(shí)熱邊界層薄且存在由于邊界層分離而產(chǎn)生的旋渦，增加了流體的擾動(dòng)，因而換熱強(qiáng)。 7、在地球表面某實(shí)驗(yàn)室內(nèi)設(shè)計(jì)的自然對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn)，到太空中是否仍然有效，為什么？  答：該實(shí)驗(yàn)到太空中無法得到地面上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。因?yàn)樽匀粚?duì)流是由流體內(nèi)部的溫度差從而引起密度差并在重力的作用下引

5、起的。在太空中實(shí)驗(yàn)裝置格處于失重狀態(tài)，因而無法形成自然對(duì)流，所以無法得到頂期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 8、管束的順排和叉排是如何影響換熱的?  答：這是個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的問題,可簡(jiǎn)答如下：叉排時(shí),流體在管間交替收縮和擴(kuò)張的彎曲通道中流動(dòng),而順排時(shí)則流道相對(duì)比較平直,并且當(dāng)流速和縱向管間距s2較小時(shí),易在管的尾部形成滯流區(qū).因此,一般地說,叉排時(shí)流體擾動(dòng)較好,換熱比順排強(qiáng).或：順排時(shí)，第一排管子正面受到來流的沖擊，故=0處換熱最為激烈，從第二排起所受到的沖擊變?nèi)酰芰虚g的流體受到管壁的干擾較小，流動(dòng)較為穩(wěn)定。叉排時(shí)每排管子受到的沖擊相差不大，但由于流體的流動(dòng)方向不斷改變，混合情況比順流好，一般情況下，差

6、排的平均換熱系數(shù)比順排時(shí)為大。  9、空氣沿豎板加熱自由流動(dòng)時(shí),其邊界層內(nèi)的速度分布與空氣沿豎板受迫流動(dòng)時(shí)有什么不同,為什么?  答：在自由流動(dòng)時(shí),流體被壁面加熱,形成自由流動(dòng)邊界層.層內(nèi)的速度分布與受迫流動(dòng)時(shí)不相同.流體溫度在壁面上為最高,離開壁面后逐漸降到環(huán)境溫度,即熱邊界層的外緣,在此處流動(dòng)也停止,因此速度邊界層和溫度邊界層的厚度相等,邊界層內(nèi)的速度分布為,在壁面上及邊界層的外緣均等于零.因此在層內(nèi)存在一個(gè)極大值(見圖1).受迫流動(dòng)時(shí),一般說速度邊界層和溫度邊界層的厚度不相等.邊界層內(nèi)的速度分布為壁面處為零,.而外緣處為u(見圖2)。   10、試

7、討論在無限空間自由流動(dòng)紊流換熱時(shí)對(duì)流換熱強(qiáng)度與傳熱面尺寸的關(guān)系,并說明此關(guān)系有何使用價(jià)值。  答：當(dāng)在無限空間自由流動(dòng)紊流換熱時(shí),換熱面無論是豎壁、豎管、水平管或熱面向上的水平板,它們的對(duì)流換熱準(zhǔn)則方程式 Nu=C(Gr.Pr)n中的指數(shù)n都是1/3,因此方程等式兩邊的定型尺寸可以消去,表明自由流動(dòng)紊流換熱時(shí),換熱系數(shù)與傳熱面尺寸(定型尺寸)無關(guān).利用這自動(dòng)?；卣?在自由流動(dòng)紊流換熱實(shí)驗(yàn)研究中, 可以采用較小尺寸的物體進(jìn)行試驗(yàn),只要求實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的GrPr值處于紊流范圍。  11、在對(duì)流溫度差大小相同的條件下,在夏季和冬季,屋頂天花板內(nèi)表面的對(duì)流放熱系數(shù)是否相同?為什么? &

8、#160;答：在夏季和冬季兩種情況下,雖然它們的對(duì)流溫差相同,但它們的內(nèi)表面的對(duì)流放熱系數(shù)卻不一定相等。原因:在夏季tftw,在冬季tftw,即在夏季,溫度較高的水平壁面在上,溫度較低的空氣在下,自然對(duì)流不易產(chǎn)生,因此放熱系數(shù)較低.反之,在冬季,溫度較低的水平壁面在上,而溫度較高的空氣在下,自然對(duì)流運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)烈,因此,放熱系數(shù)較高。 課后習(xí)題5-2 對(duì)于油、空氣及液態(tài)金屬，分別有Pr>>1、Pr1、Pr<<1。試就外掠等溫平板時(shí)的層流邊界流動(dòng)，畫出三種流體邊界層中速度分布與溫度分布的大致圖像。5-3 流體在兩平行平板間作層流充分發(fā)展的對(duì)流換熱（見附圖）。試畫出下列三種情形

9、下充分發(fā)展區(qū)域截面上的流體溫度分布曲線：（1）qw1= qw2；（2）qw1= 2qw2；（3）qw1= 0解：qw1= qw2 qw1= 2qw2 qw1= 05-7 取外掠平板邊界層的流動(dòng)從層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鞯呐R界雷諾數(shù)（Rec）為5×105，試計(jì)算25的空氣、水及14 號(hào)潤滑油達(dá)到Rec 時(shí)所需的平板長度，取u=1m/s。解：25 時(shí)三種流體的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)為： 水v = 0.9055×106m2 / s 、空氣v = 15.53×106m2 / s 、14 號(hào)潤滑油v = 313.7 ×106m2 / s達(dá)到臨界所需板長：水、空氣、油5-25 一常物性

10、的流體同時(shí)流過溫度與之不同的兩根直管1 與2，且d1=2d2，流動(dòng)與換熱均已處于紊流充分發(fā)展區(qū)域。試確定在下列兩種情形下兩管內(nèi)平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的相對(duì)大?。海?）流體以同樣流速流過兩管；（2）流體以同樣的質(zhì)量流量流過兩管。解：設(shè)流體是被加熱的，則以式（5-54）為基礎(chǔ)來分析時(shí)，有：對(duì)第一種情形，u1=u2，d1=2d2，則對(duì)第二種情形，m1=m2，d1=2d2，因?yàn)椋援?dāng)流體被冷卻時(shí)，因Pr 不進(jìn)入對(duì)比的表達(dá)式，所以上述各式仍有效。5-42 溫度為0的冷空氣以6m/s 的流速平行的吹過一太陽能集熱器的表面。該表面呈方形，尺寸為1m×1m，其中一個(gè)邊與來流方向垂直，如果表面平均溫度為2

11、0，試計(jì)算由于對(duì)流所散失的熱量。解：定性溫度tm=(0+20)/2=10，=0.0251w/m·，v=14.16×10-6m2/s，Pr=0.705所以Nu = 0.664× (Re)0.5 (Pr)0.333 = 384.7 Q=1×9.66×20=193W5-51 一個(gè)優(yōu)秀的馬拉松長跑運(yùn)動(dòng)員可以在2.5h 內(nèi)跑完全程（41842.8m）。為了估計(jì)他在跑步過程中的散熱損失，可以做這樣簡(jiǎn)化：把人體看成高1.75m，直徑為0.35m 的圓柱體，皮膚溫度為柱體表面問題，取為31；空氣是靜止的，溫度為15，不計(jì)柱體兩端面的散熱，試據(jù)此估算一個(gè)馬拉松長

12、跑運(yùn)動(dòng)員跑完全程后的散熱量（不計(jì)出汗散熱部分）。解：平均速度u 4.649m/ s定性溫度tm=(31+15)/2=23，空氣的物性為：=0.0261w/m·，v=15.34×10-6m2/sPr=0.702所以Nu = 0.0266× (Re)0.805 = 295.5Q=Aht=3.1416×0.35×1.75×22×16=677.3W第六章 凝結(jié)與沸騰換熱思考題1、當(dāng)蒸汽在豎壁上發(fā)生膜狀凝結(jié)時(shí),分析豎壁高度h對(duì)放熱系數(shù)的影響。  答：當(dāng)蒸汽在豎壁上發(fā)生膜狀凝結(jié)時(shí),隨著豎壁高度的不同可能發(fā)生層流凝結(jié)放熱和紊流凝

13、結(jié)放熱。  (A)對(duì)層流來說:，可見,當(dāng)l增加時(shí),放熱系數(shù)h減小,h1/l1/4.從理論上分析,層流凝結(jié)放熱總以導(dǎo)熱方式為主.當(dāng)l=0時(shí),膜層厚度為0,這時(shí)的放熱達(dá)到最大值,隨著l的增加,膜層厚度也加厚,也即增加了導(dǎo)熱熱阻,所以放熱系數(shù)隨l增加而減小。  (B)對(duì)紊流而言:平均換熱系數(shù) ,而Re與l也成正比,可見隨著l增加,放熱加強(qiáng),從理論上分析,在紊流中紊流傳遞方式成為重要因素,因此,隨l增加紊流換熱得到加強(qiáng)。  2、為什么蒸氣中含有不凝結(jié)氣體會(huì)影響凝結(jié)換熱的強(qiáng)度?  答：不凝結(jié)氣體的存在，一方面使凝結(jié)表面附近蒸氣的分壓力降低，從而蒸氣飽和溫度降低，使

14、傳熱驅(qū)動(dòng)力即溫差(ts-tw)減?。涣硪环矫婺Y(jié)蒸氣穿過不凝結(jié)氣體層到達(dá)壁面依靠的是擴(kuò)散，從而增加了阻力。上述兩方面的原因使不凝結(jié)氣體存在大大降低了表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，使換熱量降低。所以實(shí)際冷凝器中要盡量降低并排除不凝結(jié)氣體。  3、空氣橫掠管束時(shí)，沿流動(dòng)方向管徘數(shù)越多，換熱越強(qiáng)，而蒸氣在水平管束外凝結(jié)時(shí)，沿液膜流動(dòng)方向管束排數(shù)越多，換熱強(qiáng)度降低。試對(duì)上述現(xiàn)象做出解釋。  答：空氣外掠管束時(shí)，沿流動(dòng)方向管徘數(shù)越多，氣流擾動(dòng)增加，換熱越強(qiáng)。而蒸氣在管束外凝結(jié)時(shí)，沿液膜流動(dòng)方向排數(shù)越多，凝結(jié)液膜越來越厚，凝結(jié)傳熱熱阻越來越大，因而換熱強(qiáng)度降低。  4、試述沸騰換熱過程中熱量

15、傳遞的途徑。  答：半徑RRmin的汽泡在核心處形成之后,隨著進(jìn)一步地的加熱,它的體積將不斷增大,此時(shí)的熱量是以導(dǎo)熱方式輸入, 其途徑一是由汽泡周圍的過熱液體通過汽液界面輸入, 另一是直接由汽泡下面的汽固界面輸入,由于液體的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于蒸汽,故熱量傳遞的主要途徑為前者。 當(dāng)汽泡離開壁面升入液體后,周圍過熱液體繼續(xù)對(duì)它進(jìn)行加熱,直到逸出液面,進(jìn)入蒸汽空間。  5、兩滴完全相同的水滴在大氣壓下分別滴在表面溫度為120和400的鐵板上，試問滴在哪塊板上的水滴先被燒干，為什么?  答：在大氣壓下發(fā)生沸騰換熱時(shí)，上述兩水滴的過熱度分別是20和300，由大容器飽和沸騰曲線，

16、前者表面發(fā)生的是核態(tài)沸騰，后者發(fā)生膜態(tài)沸騰。雖然前者傳熱溫差小，但其表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大，從而表面熱流反而大于后者。所以水滴滴在120的鐵板上先被燒干。 課后習(xí)題6-7 立式氨冷凝器有外徑為50mm 的鋼管制成。鋼管外表面溫度為25。冷凝溫度為30，要求每根管子的氨凝結(jié)量為0.009kg/s，試確定每根管子的長度。解：設(shè)tw=25，tm=(25+30)/2=27.5，r=1145.8×103J/kg，l=600.2，l=2.11×10-4kg/m.s，=0.5105w/m·，由At=Gr，得L=(Gr)/(dt)設(shè)流動(dòng)為層流，則代入L 的計(jì)算式，得L=3.293m；則h

17、=3986.6W/m2.KRe=1086<1600，故確為層流。6-12 壓力為1.013×105Pa 的飽和水蒸氣，用水平放置的壁溫為90的銅管來凝結(jié)。有下列兩種選擇：用一根直徑為10cm 的銅管或用10 根直徑為1cm 的銅管。試問：（1）這兩種選擇所產(chǎn)生的凝結(jié)水量是否相同？最多可以相差多少？（2）要使凝結(jié)水量的差別最大，小管徑系統(tǒng)應(yīng)如何布置（不考慮容積因素）（3）上述結(jié)論與蒸汽壓力、銅管壁溫是否相關(guān)（保證兩種布置的其它條件相同）解：由公式（6-4）知，其它條件相同時(shí)又Q=hAt，At 相同，所以（1）小管徑系統(tǒng)的凝結(jié)水量最多可達(dá)大管徑情形的1.778 倍。（2）要達(dá)到最大

18、的凝結(jié)水量，小管徑系統(tǒng)應(yīng)布置成每一根管子的凝結(jié)水量不落到其它管子上。（3）上述結(jié)論與蒸汽壓力、銅管壁溫?zé)o關(guān)。6-28 一直徑為3.5mm、長100mm的機(jī)械拋光的薄壁不銹鋼管，被置于壓力為1.013×105Pa 的水容器中，水溫已接近飽和溫度。對(duì)該不銹鋼管兩端通電以作為加熱表面。試計(jì)算當(dāng)加熱功率為1.9w 和100w 時(shí)，水與鋼管表面間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。解：當(dāng)Q=1.9w 時(shí)，這樣低的熱流密度仍處于自然對(duì)流換熱階段。設(shè) t=0.6 ， 則tm=100.8 ， 物性值=0.6832w/m·，=0.293×10-6m2/s，Pr=1.743，=7.54×10-

19、4,根據(jù)表（5-12）Nu=0.53(GrPr)1/4=0.53×0.6832t（10292）1/4/0.0035=1042 w/ m2·q=t=1042×16=1667w/m2,與1728 差3.5%，在自然對(duì)流工況下， t (q)0.8 ，在物性基本不變時(shí)，正確的溫度值可按下列估算得到，t=1.6×（1728/1667）0.8=1.647，而 (t) ，所以=1042×（1.647/1.6）0.25=1050 w/ m2·當(dāng)Q=100w 時(shí)， ，這時(shí)已進(jìn)入核態(tài)沸騰區(qū)，采用式（6-17）得：得1.0684×10-3t=2.17×10-4q0.33，即q0.67×1.0684×10-3=2.17×10-4×（q/t），所以=10338 w/ m2·6-40 平均溫度為15、流速為1.5m/s 的冷卻水，流經(jīng)外徑為32mm、內(nèi)徑為28mm的水平放置的銅管。飽和壓力為0.0424×105Pa 的水蒸氣在銅管外凝結(jié)，管長1.5m。試計(jì)算每小時(shí)的凝結(jié)水量（銅管的熱阻不考慮）。解：本題中需