传热传质部分习题.doc

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传热传质部分习题

传热传质部分习题 习题1. 在如图所示的“水-壁板”体系中,在x=x1处的稳态温度分布为t=60sin((y/2),(0≤y≤1),式中t和y的单位分别为℃和m。水无流动时,求:在该处通过壁板的热流密度(水在38℃时的导热系数(1=0.54 kcal/hr·m·K,比热为1 kcal/kg·℃)。 解: (1)简单地,用38℃时的导热系数(1代替x1处的导热系数,则有: 在x=x1处的温度梯度为: 通过x=x1处的热流密度为: 答:在x=x1处通过平板的热流密度为50.89kcal/hr.m2。 (2)确切地说,由于体中给出的水的导热系数是38℃时的数值;同时,我们注意到,在x=x1处,温度分布与时间无关,可视为稳态温度场,于是可以认为通过各等温面的热流量相等,热流密度也相等,所以有如下求解: 由于t=60sin((y/2),那么水温等于38℃处的y坐标为: m x=x1,y=0.43663处的温度梯度为: 通过x=x1处的热流密度为: 答:在x=x1处通过平板的热流密度为39.39kcal/hr.m2。 习题2. 假设两小时内通过152mm×152mm×13mm(厚度)的实验板的导热量为20.16kcal,板的两面温度分别为19℃和26℃。求:实验板的导热系数。 解: 已知导热面积为:A=152×152mm2=23104mm2=0.0231 m2 小时导热量为:Q=20.16÷2=10.08kcal/hr 实验板厚:(y=13mm=0.013m 根据傅立叶定律:,即: 答:实验板的导热系数为:0.9423 。 习题3. 在稳定状态下双层平壁体系内的温度分布如图所示。如果稳定态热流密度为10850 kcal/m2(hr,材料Ⅰ的导热系数(1=45 kcal/m(hr(K。求:材料Ⅱ的导热系数。 解: 稳态导热条件下,通过材料Ⅰ的导热量Q1与通过材料Ⅱ的导热量Q2相等,即Q1=Q2=10850=10850 kcal/m2(hr,。设材料紧密相连,连接处温度为t,根据傅立叶定律有: 答:材料Ⅱ的导热系数为33.46 J/m· s·K。 习题4. 设有厚度为s的无限大平板,无内热源,材料均匀,(=(0(1+b t),平板两侧温度分别为t1和t2,由固体导热微分方程求解平板内的温度分布方程。 解:对(≠const.的情况,稳态固体导热微分方程为: 对一维导热,有,固体导热微分方程变为: ,积分并分离变量得:,式中C1为积分常数。 设:,则有: 对上式在(0,x)区间积分,并注意到,于是有: ,由x=s,t=t2可求得C1 ,代入上式并整理得: 习题5. 已知球坐标系下的热量传输微分方程为: 试确定通过一实心球壳的稳态传热的热流量Q(J/s)的表达式。设球壳的内外半径和温度分别为R1、R2和t1、t2,材料的导热系数为(且不随温度变化。 解: 依题意有: υr=υ(=υ(=0,,在球坐标系下为固体一维稳态导热问题。于是,球体的导热微分方程可以写作: (1) 边界条件 (2) 对(1)式作不定积分得: (3) 分离变量,再作不定积分得: 代入边界条件(1),求解C1、C2得: 将C1代入(3)式,得,于是通过球壳的热流量为: 习题6. 有一半径为R的球体置于静止的流体中,流体无任何对流,球体表面温度为tR,流体的平均温度为tf,导热系数为((常数)。 确定球体周围流体内部的温度分布式; 确定该情况下的努塞尔特准数Nu。 解: 依题意,该题为球坐标系下的一维稳态导热问题,导热微分方程为: (1) 边界条件为: (2) 对(1)式作二次不定积分,得: ,将边界条件(2)代入,得 ,于是有: 流体与球体间的热流量可写作如下两种形式: 比较两式,得: 习题7. 由傅立叶定律证明:对t1t2、厚度为s的一维平板导热问题,如果导热系数可表示为(=(0(1+b t),则中的。 证明: 根据傅立叶定律,有:,从0~s积分有: 又,故有: 证毕。 习题8. 某圆筒型炉壁由两层耐火材料组成,第一层为镁碳砖,第二层为粘土砖,两层紧密接触。第一层内外壁直径为2.94m、3.54m,第二层外壁直径为3.77m,炉壁内外温度分别为1200℃和150℃。求:导热热流与两层接触处温度(已知(1=4.3-0.48×10-3t,(2=0.698+0.5×10-3t w/m(℃)。 解: 按已知条件,t1=1200℃,t3=150℃,并假设t2=760℃,则有: 符合工程误差要求,即导热热流为57874.2 w/m,两层接触处温度为760℃。 习题9. 一蒸汽管外敷两层隔热材料,厚度相同,若外层的平均直径为内层的两倍,而内层材料的导热系数为外层材料的两倍。现若将两种材料的位置对换,其他条件不变,问:两种情况下的散热热流有何变化? 解: 设管道内径为d1

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