第二章传热过程分析
1题
解：
由题意已知水蒸气：T 1＝100℃，T 2＝100℃，
盐溶液：t 1＝20℃，t 2＝50℃
操作时的平均温度差计算：T 1－t 2＝100－50＝50℃，T 2－t 1＝100－20＝80℃
取 801=?t ℃，502=?t ℃
83.635080ln 50-80ln 2
121=???-?=? t t t t t m ℃
5815
152.460025.0930111121++=++=αλδαK ，122.769--??=k m W K 盐溶液W t t C q p m 332111072.8)2050(100935.23600
500)(?=-???=
-?=Φ m t KA ?=Φ 23
1776.083
.632.7691072.8m A =??=
21776.0038.014.3m l A =??= 所需加热钢管长度m l 49.1038
.014.31776.0=?=
2题
解：解：
由题意已知溶剂苯：T 1＝80℃，T 2＝50℃，
水溶液：t 1＝20℃，t 2＝30℃
操作时的平均温度差计算：T 1－t 2＝80－30＝50℃，T 2－t 1＝50－20＝30℃
取 501=?t ℃，302=?t ℃
14.393050ln 30-50ln 2
121=???-?=? t t t t t m ℃ 苯W t t C q p m 432111064.5)5080(1088.136003600)(?=-???=
-?=Φ m t KA ?=Φ
124
65.32114
.3948.41064.5--??=??=k m W K
3题 解：11567.02
52.0614.0--??=+=
k m W λ W t A 8.20048
.0302001567.0=-??=?=Φδλ
4题
解： 221130-30
-75δλδλT A A =Φ==Φ
W T 7.1462
.030-1163.005.030-751163.021=??=Φ=??=Φ
壁面温度T=210℃
5题
解：
钢管面积m m lr A π2=
222111
2
1t -m m A A t λδλδ+=Φ
m r m 0285.0027
.003.0ln 027.003.01=-= 21179.00285.0114.322m lr A m m =???==π
m r m 0472.003
.007.0ln 03.007.02=-= 222296.00472.0114.322m lr A m m =???==π
W A A t m m 93.79296.012.004.0179.050003.020110t -222111
2
1=?+?-=+=Φλδλδ
每秒每米管路散失热量为79.93J
6题
解：空气侧给热速率方程()15-111T A α=Φ
总传热速率方程m t KA ?=Φ
综合题目已知1α=K ；连续稳态传热过程1Φ=Φ；T t m -=?134
假定1A A =
则联立方程得：T=74.5℃
另仿5题：
钢管面积m m lr A π2=
222111
2
1t -m m A A t λδλδ+=Φ
m r m 0475.0045
.005.0ln 045.005.01=-= 212983.00475.0114.322m lr A m m =???==π
m r m 0638.005
.008.0ln 05.008.02=-= 222401.00638.0114.322m lr A m m =???==π
5.1-1104
.005.003.02983.050005.0110t -222111
2
1T T A A t m m =?+?-=+=Φλδλδ 空气侧给热速率方程()()()1502.415-08.012815-111-=???==ΦT T T A πα 连续稳态传热过程1Φ=Φ
则联立方程得：T=28.5℃
对比两种方法，方法2更精确合理。
习题7
解：反应釜直径较大且壁薄，因此可按平面壁处理。
[]
22.185.00005.050005.0130150-?=+-=?=Φ=∑m kW t A q λδ 若没有污垢，其他条件不变
[]
220050005.0130150-?=-=?=Φ=∑m kW t A q λδ 若釜体为不锈钢（有污垢）
[]
27.145.00005.014005.0130150-?=+-=?=Φ=∑m kW t A q λδ 若釜体为铜（有污垢）
[]
28.195.00005.0400005.0130150-?=+-=?=Φ=∑m kW t A q λδ 计算表明：热阻主要存在于污垢层，即使材料的导热系数有几倍的变化，对热传导的影响也不起重大作用。
8题
解（图略）
本题目属于热负荷计算问题
溶剂单位时间内吸收热量为
W t t C q p m 52111087.2)2075(9.23600
10806)(?=-???=-?=Φ 134.2℃饱和水蒸气的凝结热r=2165kJ/kg
故每秒所消耗的水蒸气的量为：
[]
12
m 133.021651087.2-?=?=s kg q
9题
在某一化工生产流程中，换热器采用一种高温流体来预热原料液，将原料由25℃预热到180℃；而高温流体经过换热，由300℃降至200℃。试计算采用逆流操作与并流操作时的平均温度差，并进行比较。
解（图略）
由题意已知高温流体：T 1＝300℃，T 2＝200℃，
原料液：t 1＝25℃，t 2＝180℃
逆流操作时的平均温度差计算：T 1－t 2＝300－180＝120℃，T 2－t 1＝200－25＝175℃
取 1751=?t ℃，1202=?t ℃
利用式（2－21）计算：
146120175ln 120175ln 2
121=???-?=?－＝逆t t t t t m ℃ 因为120
175/21=
??t t < 2， 可以用算术平均温度差代替对数平均温度差，其值为 5.1472
120175=+=
?m t ℃ 由以上计算可以看出，采用算术平均温度差与对数平均温度差的误差只有1％。
并流操作平均温度差的计算：
T 1－t 1＝300－25＝275℃，T 2－t 2＝200－180＝20℃ 取 2751=?t ℃，202=?t ℃
20
275/21=??t t > 2，只能用对数平均温度差计算： 5.9720275ln 20275ln 2
121=???-?=?－＝并t t t t t m ℃ 根据总传热方程m t A K ???=Φ，若在传热速率相同、传热系数也相同的条件下，比较采用并流操作与逆流操作所需传热面积，可得
5.1497.15
.97146≈??＝＝＝并逆逆并
m m t t A A 并流操作所需传热面积为逆流操作时1.5倍。
10题
解：
由题意已知A 流体：T 1＝350℃，T 2＝300℃，
B 流体：t 1＝300℃，t 2＝320℃
逆流操作时的平均温度差计算：T 1－t 2＝350－320＝30℃，T 2－t 1＝300－290＝10℃
取 301=?t ℃，102=?t ℃
2.181030ln 10-30ln 2
121=???-?=? t t t t t m ℃
70
.1185.0111121+=+=ααK ，1212567567.0---?-??=??=k m W k m kW K W t t C q p m 532111019.1)300350(109.125.1)(?=-???=-?=Φ
m t KA ?=Φ
25
53.112
.185671019.1m A =??= 以管外表面积为基准，212355.03025.014.3m A =??= 所需管子根数96.482355
.053.11==n 根
习题11.
解：可将冷凝区和冷却区分开计算
1求冷却水用量。乙醇蒸气冷凝放热量为：
W Q 53
110222.13600
10880500?=??= 液态乙醇冷却放热量为：
W Q 421089.13600
)305.78(2800500?=-?= 冷却水用量为
14
568.1)
1535(42001089.11022.1-?=-?+?s kg 2 求传热平均温度差。
通过冷却区时，冷却水升温：
7.268
.142001089.14
=??℃
通过冷凝区时，冷却水升温：
3.1768
.1420010222.15
=??℃ 温度变化可用图示表示（略）
冷却区传热平均温度差：
7.3215
307.175.78ln )1530()7.175.78()(2=-----=?m t ℃ 冷凝区传热平均温度差：
3.527
.175.78355.78ln )7.175.78()355.78()(1=-----=?m t ℃ 3 求传热总系数及传热面积 传热管为薄壁管，则K 可用平壁公式计算。 1217783500
1100011
--??=+=K m W K 1224127001100011
--??=+=K m W K
25
111101.33
.527781022.1)(m t K Q A m =??=?= 24
24.17
.324121089.1m A =??=
共需换热面积4.41m 2
12题
解：对于两侧相变换热过程
m t KA ?=Φ或m
t A K ?Φ= 其中，A=1m 2；4.236.110-134==?m t ℃ 甲苯气化过程W 431002.2105.3633600
200?=??=
Φ
换热器总传热系数124
8634
.2311002.2-?-??=??=?Φ=k m W t A K m
134℃饱和水蒸气的凝结热r=2165kJ/kg
故每秒所消耗的水蒸气的量为：
[]
1m 01.0%9021652.20-?=?=s kg q
13题
解：
由题意已知苯：T 1＝80℃，T 2＝30℃，
冷却水：t 1＝20℃，t 2＝50℃
逆流操作时的平均温度差计算：T 1－t 2＝80－50＝30℃，T 2－t 1＝30－20＝10℃
取 301=?t ℃，102=?t ℃
2.181030ln 10-30ln 2
121=???-?=? t t t t t m ℃
75
.01450025.01400111121++=++=αλδαK ，1275.0--??=k m W K W t t C q p m 532111019.1)3080(109.125.1)(?=-???=-?=Φ
m t KA ?=Φ
25
87182
.1875.01019.1m A =??=
习题2若炉灶的炉壁顺序地由24cm 的耐火砖(λ=0.90 W·m －1·K －1)、12cm 的保温(绝热)砖(λ=0.20 W·m －1·K －1)和24cm 的建筑砖(λ=0.63 W·m －1·K －1 )砌成，传热稳定后，耐火砖的内壁面温度为940℃，建筑砖的外壁面温度为50℃。试求保温砖60mm 处传热面的温度。
解：图略
根据多层平面壁热传导公式得： []271363
.024.020.012.090.024.050940-?=++-=?=∑m W t q λδ 求耐火砖和保温砖的交界面温度t 2: []C q t t 011129.74990
.024.0713940=?-=-=λδ 求保温砖60mm 处传热面的温度t ： []
C q t t 00020.53620.006.07139.749=?-=-=λδ
习题 4 某精馏塔顶全凝器，要求每小时冷凝乙醇720kg ，乙醇的凝结温度为78.5℃，凝结热为8801-?kg kJ ，乙醇蒸气侧在该条件下的传热膜系数为350012--??K m W ，冷却水（逆流）初始温度为20℃，排出温度为35℃，水侧的传热膜系数为100012--??K m W 。管壁及污垢热阻可忽略。水的定压比热容为4.2 11--??K kg kJ 。试计算完成任务所需冷却水的用量及必需的换热面积。
解：乙醇凝结放热速率：
W h kJ Hq m 5111076.1/633600720880?==?=?=φ
水吸热速率：()1222t t Cp q m -=φ
因为 φφφ==21
()()
S kg h kg t t Cp q m /79.2/1005720352.47208801222==-?=-=φ 温度
变化： 2078.535
78.5 6.505.435.58ln 5.435.58=-=?m t ℃
(2) 100013500111
121+=+=ααK ，128.777--??=k m W K m t KA ?=φ
2547.46.508.7771076.1m A =??=
陶文铨 数值传热学 第二版 第五章 5-2
精确解： p=[1,5,10]; x=0:1/19:1; for i=1:1:3 for j=1:1:20 y(i,j)=(exp(p(1,i)*19*x(1,j))-1)/(exp(p(1,i)*19)-1); end plot(x,y(i,:)); hold on ; end 由题对中心差分、一阶迎风、混合格式进行模块编程： 他们之间可以通用，只需更改ae 关于p 的函数即可： 程序如下: (1)中心差分 p=[1,5,10]; for i=1:1:3 ae=1-0.5*p(1,i); x/L (Φ-ΦL )/(Φ0-ΦL ) 精确解图像
aw=p(1,i)+ae; ap=ae+aw; for i=1:1:18 for j=1:1:20 a(i,j)=0; end end for i=1:1:18 j=i; a(i,j)=aw; a(i,j+1)=-ap; a(i,j+2)=ae; end for i=1:1:17 n=i+1; for m=i:-1:1 b(1,1)=a(m,n); a(m,n)=-a(i+1,n)/a(i+1,n)*b(1,1)+a(m,n); a(m,n+1)=-a(i+1,n+1)/a(i+1,n)*b(1,1)+a(m,n+1); a(m,n+2)=-a(i+1,n+2)/a(i+1,n)*b(1,1)+a(m,n+2); end end F(1)=0; F(20)=1; F(19)=(-a(1,20)*F(20)-a(1,1)*F(1))/a(1,19); for i=2:1:18 F(i)=(-a(i,20)*F(20)-a(i,19)*F(19))/a(i,i); end x=0:1/19:1; y(1,:)=F; plot(x,y); hold on end
计算传热学中国石油大学(华东)第四章大作业
取步长δx=0.02。已知x=0,Φ=0;x=1,Φ=1.令k=ρｕ/Γ计算结果图表： 程序及数据结果： 追赶法： #include a[i]=2+0.02*k; b[i]=4; c[i]=2-0.02*k; f[i]=0; } tdma(a,b,c,f,x); for(i=0;i 4-1 解：采用区域离散方法A 时；网格划分如右图。内点采用中心差分 23278.87769.9 T T T === 22d T T=0dx - 有 i+1i 12 2+T 0i i T T T x ---=? 将2点,3点带入 32122 2+T 0T T T x --=? 即321 209T T -+= 432322+T 0T T T x --=?4321322+T 0T T T x --=? 即4 321 209 T T T -+-= 边界点4 （1）一阶截差 由x=1 1dT dx =，得 431 3 T T -= （2）二阶截差 11B M M q x x x T T S δδλλ -=++ 所以 434111. 1. 36311 T T T =++ 即 431 22293 T T -= 采用区域离散方法B 22d T T=0dx - 由控制容积法 0w e dT dT T x dT dT ????--?= ? ????? 所以代入2点4点有 322121011336 T T T T T ----= 即 239 028T T -= 544431011363 T T T T T ----= 即 34599 02828T T T -+= 对3点采用中心差分有 432 32 2+T 013T T T --=?? ??? 即 23499 01919 T T T -+= 对于点5 由x=1 1dT dx =，得 541 6 T T -= （1）精确解求左端点的热流密度 由 ()2 1 x x e T e e e -= -+ 所以有 ()22 20.64806911x x x x dT e e q e e dx e e λ -====- +=-=++ （2）由A 的一阶截差公式 21 0.247730.743113 x T T dT q dx λ =-=-= =?= （3）由B 的一阶截差公式 0 0.21640 0.649213 x dT q dx λ =-=-= = （4）由区域离散方法B 中的一阶截差公式： 210.108460.6504()B B T T dT dx x δ-?? ==?= ? ?? 通过对上述计算结果进行比较可得：区域离散B 有控制容积平衡法建立的离散方程与区域离散方程A 中具有二阶精度的格式精确度相当！ 4-3 解：将平板沿厚度方向3等分，如图 参考文献 [1]金国淼等.除尘设备[M].北京:化学工业出版社,2002:1-300 [2]Louis E. Stein, Alex. C. Hoffmann.旋风分离器-原理、设计和工程应用 [M].北京,化学工业出版社,2004:1-78 [3]国家环保局标准处.中华人民共和国国家标准环境空气质量标准[J],油气田环境保护,1996(04 ) [4]姚玉英,黄凤廉,陈常贵等.化工原理[M].天津:天津大学出版社,1999:138 [5]舒帆.影响旋风除尘器除尘效率的因素分析[J],粮食加工.2008, 33 (3):73-75 [6]韩占忠,王敬,兰小平.FLUENT流体工程仿真计算实例与应用[M].北京：北京理工大学出版社,2004:20 [7]魏志军,张平.旋风分离器气相流场的数值模拟[J].北京理工大学学报.2000, 20 (5):19-21 [8]嵇鹰,张红波,田耀鹏等.进口位置对旋风分离器特性影响的数值模拟[J].金属矿山,2008, 387 (3):127-129 [9]岑可法,倪明江,骆仲泱等.循环流化床锅炉理论设计与运行[M].北京:中国电力出版社, 2002:511-540 [10]陈明绍，吴光兴，张大中等.除尘技术的基本原理与应用[M].北京：中国建筑工业出版社，1981:333-518 [11]钱付平,章名耀.基于边界层理论旋风分离器分离效率的改进模型[J],中国电机工程学报.2007, 27 (5):71-74 [12]Hoffmann A C, Stein L E. Gas cyclones and twirl tubes：principles，design and operation [M]. Springer-Verlag，Berlin，Heidelberg，2002，169． [13]Leith D, Licth W. The collection efficiency of cyclone type particle collector. A new theoretical approach[J]. AIChE Symp Series,1972，126 (68)：196-206． [14]Obermair S，Woisetschlager J，Staudinger G．Investigation of the flow pattern in different dust outlet geometries of a gas cyclone by laser Doppler anemometry[J].Powder Technology，2003，2-3 (138):239-251 [15]Zhao Bingtao．Development of a new method for evaluating cyclone 【2-1】一食品冷藏室由内层为19 mm 厚的松木，中层为软木层，外层为51 mm 厚的混凝土所组成。内壁面温度为-17.8 ℃,混凝土外壁面温度为29.4 ℃。松木、软木和混凝土的平均热导率分别为, 3, W/(m ·K)，要求该冷藏室的热损失为15W/m 2。求所需软木的厚度及松木和软木接触面处的温度。 解：三层平壁的导热。 1）所需软木的厚度2b 由 ∑=-=3141i i i b T T q λ 得 151 .0019.00433.0762.0051.08.174.29152+++=b 解得： m b 128.02= 2）松木和软木接触面处的温度3T 由 151 .0019 .08.17153+==T q 解得：9.153-=T ℃ 解题要点：多层平壁热传导的应用。 【2-2】为减少热损失，在外径为150 mm 的饱和蒸汽管道外加有保温层。已知保温材料的热导率λ=+ 198 T(式中T 为℃),蒸汽管外壁温度为180 ℃,要求保温层外壁温度不超过50 ℃,每米管道由于热损失而造成蒸汽冷凝的量控制在1×10-4 kg/(m ·s)以下,问保温层厚度应为多少(计算时可假定蒸汽在180 ℃下冷凝)。 解：保温层平均热导率为： )./(126.02 501801098.1103.04K m W =+??+=-λ 由于本题已知的是蒸汽管道外壁面温度，即保温层内壁面温度，故为一层导热。 由 )()(21 221r r Ln T T L Q -=λπ 得： )()(21 221r r Ln T T L Q -=πλ （1） 式中：m W L Wr L Q /9.2011 103.20191013 4=???==- 将其及其它已知数据代入式（1）得： )075 .0()50180(126.029.2012r Ln -??=π 解得：m r 125.02= mm m 5005.0075.0125.0==-=∴δ壁厚 解题要点：单层圆筒壁热传导的应用。 【2-8】烤炉内在烤一块面包。已知炉壁温度为175 ℃，面包表面的黑度为,表面温度为100 ℃,表面积为 5 m 2，炉壁表面积远远大于面包表面积。求烤炉向这块面包辐射 传递的热量。 解：两物体构成封闭空间，且21S S <<，由下式计算辐射传热量： W T T S Q 0.65)448373(0645.085.01067.5) (448424111012-=-????=-=-εσ 负号表示炉壁向面包传递热量。 解题要点：辐射传热的应用，两个灰体构成的封闭空间。 【2-10】在逆流换热器中，用初温为20 ℃的水将1.25 kg/s 的液体［比热容为 kJ/(kg ·K)、密度为850 kg/m 3 ］由80 ℃冷却到30 ℃。换热器的列管直径为Φ25 mm ×2.5 mm,水走管内。水侧和液体侧的对流传热系数分别为850 W/（m 2·K ）和1 700W/（m 2·K ）,污垢热阻可忽略。若水的出口温度不能高于50 ℃，求水的流量和换热器的传热面积。 传热学基础试题及答案-传热学简答题及答 案 传热学基础试题 一、选择题 1．对于燃气加热炉：高温烟气→内炉壁→外炉壁→空气的传热过程次序为 A.复合换热、导热、对流换热 B.对流换热、复合换热、导热 C.导热、对流换热、复合换热 D.复合换热、对流换热、导热2．温度对辐射换热的影响（）对对流换热的影响。 A.等于 B.大于 C.小于 D.可能大于、小于 3．对流换热系数为1000W/（m2·K）、温度为77℃的水流经27℃的壁面，其对流换热的热流密度为（） A.8×104W/m2 B.6×104 W/m2 C.7×104 W/m2 D.5×104W/m2 4．在无内热源、物性为常数且温度只沿径向变化的一维圆筒壁 (t 1 >t 2 ,r 1 6．有一个由四个平面组成的四边形长通道，其内表面分别以1、2、3、4表示，已知角系数X1，2=0.4,X1，4=0.25，则X1，3为（）。 A. 0.5 B. 0.65 C. 0.15 D. 0.35 7.准则方程式Nu=f(Gr,Pr)反映了( )的变化规律。 A.强制对流换热 B.凝结对流换热 C.自然对流换热 D.核态沸腾换热 8．当采用加肋片的方法增强传热时，将肋片加在（）会最有效。 A. 换热系数较大一侧 B. 热流体一侧 C. 换热系数较小一侧 D. 冷流体一侧 9. 某热力管道采用两种导热系数不同的保温材料进行保温，为了达到较好的保温效果，应将( )材料放在内层。 A. 导热系数较大的材料 B. 导热系数较小的材料 C. 任选一种均可 D. 不能确定 10．下列各种方法中，属于削弱传热的方法是( ) A.增加流体流速 B.管内加插入物增加流体扰动 C. 设置肋片 D.采用导热系数较小的材料使导热热阻增加 11.由炉膛火焰向水冷壁传热的主要方式是( ) A.热辐射 B.热对流 C.导热 D.都不是 12.准则方程式Nu=f(Gr,Pr)反映了( )的变化规律。 A.强制对流换热 B.凝结对流换热 C.自然对流换热 D.核态沸腾换热 13.判断管内紊流强制对流是否需要进行入口效应修正的依据是( ) A.l/d≥70 B.Re≥104 C.l/d<50 D.l/d<104 14.下列各种方法中，属于削弱传热的方法是( ) A.增加流体流度 B.设置肋片 C.管内加插入物增加流体扰动 D.采用导热系数较小的材料使导热热阻增加 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除谢谢3 05第五章传热过程基 础 第五章 传热过程基础 1．用平板法测定固体的导热系数，在平板一侧用电热器加热，另一侧用冷却器冷却，同时在板两侧用热电偶测量其表面温度，若所测固体的表面积为0.02 m 2，厚度为0.02 m ，实验测得电流表读数为0.5 A ，伏特表读数为100 V ，两侧表面温度分别为200 ℃和50 ℃，试求该材料的导热系数。 解：传热达稳态后电热器的加热速率应与固体的散热（导热）速率相等，即 L t t S Q 21-=λ 式中 W 50W 1005.0=?==IV Q m 02.0C 50C 200m 02.0212=?=?==L t t S ，，， 将上述数据代入，可得 ()()()()C m W 333.0C m W 5020002.002.05021??=??-??=-=t t S QL λ 2．某平壁燃烧炉由一层400 mm 厚的耐火砖和一层200 mm 厚的绝缘砖砌成，操作稳定后，测得炉的内表面温度为1500 ℃，外表面温度为100 ℃，试求导热的热通量及两砖间的界面温度。设两砖接触良好，已知耐火砖的导热系数为10.80.0006t λ=+，绝缘砖的导热系数为20.30.0003t λ=+，W /(m C)??。两式中的t 可分别取为各层材料的平均温度。 解：此为两层平壁的热传导问题，稳态导热时，通过各层平壁截面的传热速率相等，即 Q Q Q ==21 （5-32） 或 2 3221211b t t S b t t S Q -=-=λλ （5-32a ） 式中 115000.80.00060.80.0006 1.250.00032 t t t λ+=+=+?=+ 21000.30.00030.30.00030.3150.000152 t t t λ+=+=+?=+ 代入λ1、λ2得 2 .0100)00015.0315.0(4.01500)0003.025.1(-+=-+t t t t 解之得 C 9772?==t t ())()C m W 543.1C m W 9770003.025.10003.025.11??=???+=+=t λ 则 ()22111m W 2017m W 4 .0977*******.1=-?=-=b t t S Q λ 3．外径为159 mm 的钢管，其外依次包扎A 、B 两层保温材料，A 层保温材料的厚度为50 mm ，导热系数为0.1 W /(m·℃)，B 层保温材料的厚度为100 mm ，导热系数为1.0 W /(m·℃)，设A 的内层温度和B 的外层温度分别为170 ℃和 40 ℃，试求每米管长的热损失；若将两层材料互换并假设温度不变，每米管长的热损失又为多少？ 解： ()()m W 150m W 100159100502159ln 0.11159502159ln 1.014017014.32ln 21ln 212 3 21212 1=++?++?+-??=+-=r r r r t t L Q πλπλ A 、 B 两层互换位置后，热损失为 ()()m W 5.131m W 100159100502159ln 1.01159502159ln 0.114017014.32ln 21ln 212 3 21212 1=++?++?+-??=+-=r r r r t t L Q πλπλ 第五章 传热过程基础 1．用平板法测定固体的导热系数，在平板一侧用电热器加热，另一侧用冷却器冷却，同时在板两侧用热电偶测量其表面温度，若所测固体的表面积为0.02 m 2，厚度为0.02 m ，实验测得电流表读数为0.5 A ，伏特表读数为100 V ，两侧表面温度分别为200 ℃和50 ℃，试求该材料的导热系数。 解：传热达稳态后电热器的加热速率应与固体的散热（导热）速率相等，即 L t t S Q 2 1-=λ 式中 W 50W 1005.0=?==IV Q m 02.0C 50C 200m 02.0212=?=?==L t t S ，，， 将上述数据代入，可得 ()() ()()C m W 333.0C m W 5020002.002 .05021??=??-??=-= t t S QL λ 2．某平壁燃烧炉由一层400 mm 厚的耐火砖和一层200 mm 厚的绝缘砖砌成，操作稳定后，测得炉的内表面温度为1500 ℃，外表面温度为100 ℃，试求导热的热通量及两砖间的界面温度。设两砖接触良好，已知耐火砖的导热系数为10.80.0006t λ=+，绝缘砖的导热系数为20.30.0003t λ=+，W /(m C)??。两式中的t 可分别取为各层材料的平均温度。 解：此为两层平壁的热传导问题，稳态导热时，通过各层平壁截面的传热速率相等，即 Q Q Q ==21 （5-32） 或 2 32212 11b t t S b t t S Q -=-=λλ （5-32a ） 式中 115000.80.00060.80.0006 1.250.00032t t t λ+=+=+?=+ 21000.30.00030.30.00030.3150.000152 t t t λ+=+=+?=+ 代入λ1、λ2得 2.0100)00015.0315.0(4.01500)000 3.025.1(-+=-+t t t t 解之得 C 9772?==t t ()()()C m W 543.1C m W 9770003.025.10003.025.11??=???+=+=t λ 则 () 221 11 m W 2017m W 4 .0977 1500543.1=-? =-=b t t S Q λ 3．外径为159 mm 的钢管，其外依次包扎A 、B 两层保温材料，A 层保温材料的厚度为50 mm ，导热系数为0.1 W /(m·℃)，B 层保温材料的厚度为100 mm ，导热系数为1.0 W /(m·℃)，设A 的内层温度和B 的外层温度分别为170 ℃和40 ℃，试求每米管长的热损失；若将两层材料互换并假设温度不变，每米管长的热损失又为多少？ 习题4－2 一维稳态导热问题的控制方程： 022=+??S x T λ 依据本题给定条件，对节点2 节点3采用第三类边界条件具有二阶精度的差分格式，最后得到各节点的离散方程： 节点1： 1001=T 节点2： 1505105321-=+-T T T 节点3： 75432=+-T T 求解结果： 852=T ，403=T 对整个控制容积作能量平衡，有： 02150)4020(15)(3=?--?=?+-=?+x S T T h x S q f f B 即：计算区域总体守恒要求满足 习题4－5 在4－2习题中，如果25 .03)(10f T T h -?=，则各节点离散方程如下： 节点1： 1001=T 节点2： 1505105321-=+-T T T 节点3： 25.03325.032)20(4015])20(21[-?+=-?++-T T T T 对于节点3中的相关项作局部线性化处理，然后迭代计算； 求解结果： 818.822=T ，635.353=T （迭代精度为10-4） 迭代计算的Matlab 程序如下： x=30; x1=20; while abs(x1-x)>0.0001 a=[1 0 0;5 -10 5;0 -1 1+2*(x-20)^(0.25)]; b=[100;-150; 15+40*(x-20)^(0.25)]; t=a^(-1)*b; x1=x; x=t(3,1); end tcal=t 习题4-12的Matlab程序 %代数方程形式A i T i=C i T i+1+B i T i-1+D i mdim=10;%计算的节点数 x=linspace(1,3,mdim);%生成A、C、B、T数据的基数； A=cos(x);%TDMA的主对角元素 B=sin(x);%TDMA的下对角线元素 C=cos(x)+exp(x); %TDMA的上对角线元素 T=exp(x).*cos(x); %温度数据 %由A、B、C构成TDMA coematrix=eye(mdim,mdim); for n=1:mdim coematrix(n,n)=A(1,n); if n>=2 coematrix(n,n-1)=-1*B(1,n); end if n 知识点4－4 传热过程计算 【学习指导】 1．学习目的 通过本知识点的学习，掌握换热器的能量衡算，总传热速率方程和总传热系数的计算。在传热计算的两种方法中，重点掌握平均温度差法，了解传热单元数法及应用场合。 2．本知识点的重点 换热器的能量衡算，总传热速率方程和总传热系数的计算，用平均温度差法进行传热计算。 3．本知识点的难点 传热单元数法。 4．应完成的习题 4-4 在某管壳式换热器中用冷水冷却热空气。换热管为φ25×2.5 mm的钢管，其导热系数为45 W/(m·℃)。冷却水在管程流动，其对流传热系数为2600 W/(m2·℃)，热空气在壳程流动，其对流传热系数为52 W/(m2·℃)。试求基于管外表面积的总传热系数以及各分热阻占总热阻的百分数。设污垢热阻可忽略。 4-5 在一传热面积为40m2的平板式换热器中，用水冷却某种溶液，两流体呈逆流流动。冷却水的流量为30000kg/h，其温度由22℃升高到36℃。溶液温度由115℃降至55℃。若换热器清洗后，在冷、热流体量和进口温度不变的情况下，冷却水的出口温度升至40℃，试估算换热器在清洗前壁面两侧的总污垢热阻。假设： （1）两种情况下，冷、热流体的物性可视为不变，水的平均比热容为4.174 kJ/(kg·℃)； （2）两种情况下，αi、αo分别相同； （3）忽略壁面热阻和热损失。 4-6 在套管换热器中用水冷却油，油和水呈并流流动。已知油的进、出口温度分别为140℃和90℃，冷却水的进、出口温度分别为20℃和32℃。现因工艺条件变动，要求油的出口温度降至70℃，而油和水的流量、进口的温度均不变。若原换热器的管长为1m，试求将此换热器管长增至若干米后才能满足要求。设换热器的热损失可忽略，在本题所涉及的温度范围内油和水的比热容为常数。 4-7 冷、热流体在一管壳式换热器中呈并流流动，其初温分别为32℃和130℃，终温分别为48℃和65℃。若维持冷、热流体的初温和流量不变，而将流动改为逆流，试求此时平均温度差及冷、热流体的终温。设换热器的热损失可忽略，在本题所涉及的温度范围内冷、热流体的比热容为常数。 4-8 在一管壳式换热器中，用冷水将常压下的纯苯蒸汽冷凝成饱和液体。已知苯蒸汽的体积流量为1600 m3/h，常压下苯的沸点为80.1℃，气化潜热为394kJ/kg。冷却水的入口温度为20℃，流量为35000kg/h，水的平均比热容为4.17 kJ/(kg·℃)。总传热系数为450 W/(m2·℃)。设换热器的热损失可忽略，试计算所需的传热面积。 4-9 在一传热面积为25m2的单程管壳式换热器中，用水冷却某种有机物。冷却水的流量为28000kg/h，其温度由25℃升至38℃，平均比热容为4.17 kJ/(kg·℃)。有机物的温度由110℃降至65℃，平均比热容为1.72 kJ/(kg·℃)。两流体在换热器中呈逆流流动。设换热器的热损失可忽略，试核算该换热器的总传热系数并计算该有机物的处理量。 4-10 某生产过程中需用冷却水将油从105℃冷却至70℃。已知油的流量为6000kg/h，水的初温为22℃，流量为2000kg/h。现有一传热面积为10 m2的套管式换热器，问在下列两种流动型式下，换热器能否满足要求： （1）两流体呈逆流流动； （2）两流体呈并流流动。 设换热器的总传热系数在两种情况下相同，为300 W/(m2·℃)；油的平均比热容为1.9 kJ/(kg·℃)，水的平均比热容为4.17kJ/(kg·℃)。热损失可忽略。 【最新整理，下载后即可编辑】 2T 3T 4T 4-1 解：采用区域离散方法A 时；网格划分如右图。内点采用中心差分123278.8 7769.9T T T === 22 d T T=0dx - 有 i+1i 1 2 2+T 0i i T T T x ---=? 将2点,3点带入 321222+T 0T T T x --=? 即3 21 209T T -+= 432322+T 0T T T x --=?432132 2+T 0T T T x --=? 即4321 209 T T T -+-= 边界点4 （1）一阶截差 由x=1 1dT dx =，得 431 3 T T -= （2）二阶截差 11B M M q x x x T T S δδλλ -=++ 所以 434111. 1. 36311 T T T =++ 即 43122293 T T -= 采用区域离散方法B 22d T T=0dx - 由控制容积法 0w e dT dT T x dT dT ???? --?= ? ????? 所以代入2点4点有 322121011336 T T T T T ----= 即 239 028T T -= 544431011363 T T T T T ----= 即 34599 02828T T T -+= 对3点采用中心差分有 432 32 2+T 013T T T --=?? ??? 即 23499 01919 T T T -+= 对于点5 由x=1 1dT dx =，得 541 6 T T -= （1）精确解求左端点的热流密度 由 ()2 1 x x e T e e e -= -+ 所以有 ()2200 20.64806911x x x x dT e e q e e dx e e λ -====-+=-=++ （2）由A 的一阶截差公式 21 0.247730.743113x T T dT q dx λ=-=-= =?= （3）由B 的一阶截差公式 0.21640 0.649213 x dT q dx λ=-=-= = （4）由区域离散方法B 中的一阶截差公式： 210.108460.6504()B B T T dT dx x δ-??==?= ??? 通过对上述计算结果进行比较可得：区域离散B 有控制容积平衡 法建立的离散方程与区域离散方程A 中具有二阶精度的格式精确度相当！ 4-3 解：将平板沿厚度方向3等分，如图 3 由题可知该导热过程可看作无限大平板的一维稳态有源导热问题，则控制方程为 22d T +S=0dx λ x=0， T 0=75℃ x=0.1 dT =h(T-T )dx f λ- 1点 ，2点采用中心差分有 传热学基础试题 一、选择题 1．对于燃气加热炉：高温烟气→内炉壁→外炉壁→空气的传热过程次序为 A.复合换热、导热、对流换热 B.对流换热、复合换热、导热 C.导热、对流换热、复合换热 D.复合换热、对流换热、导热 2．温度对辐射换热的影响（ ）对对流换热的影响。 A.等于 B.大于 C.小于 D.可能大于、小于 3．对流换热系数为1000W/（m 2·K ）、温度为77℃的水流经27℃的壁面，其对流换热的热流密度为（ ） A.8×104W/m 2 B.6×104 W/m 2 C.7×104 W/m 2 D.5×104 W/m 2 4．在无内热源、物性为常数且温度只沿径向变化的一维圆筒壁(t 1 >t 2,r 1 A. 换热系数较大一侧 B. 热流体一侧 C. 换热系数较小一侧 D. 冷流体一侧 9. 某热力管道采用两种导热系数不同的保温材料进行保温，为了达到较好的保温效果，应将( )材料放在内层。 A. 导热系数较大的材料 B. 导热系数较小的材料 C. 任选一种均可 D. 不能确定 10．下列各种方法中，属于削弱传热的方法是( ) A.增加流体流速 B.管内加插入物增加流体扰动 C. 设置肋片 D.采用导热系数较小的材料使导热热阻增加 11.由炉膛火焰向水冷壁传热的主要方式是( ) A.热辐射 B.热对流 C.导热 D.都不是 12.准则方程式Nu=f(Gr,Pr)反映了( )的变化规律。 A.强制对流换热 B.凝结对流换热 C.自然对流换热 D.核态沸腾换热 13.判断管内紊流强制对流是否需要进行入口效应修正的依据是( ) A.l/d≥70 B.Re≥104 C.l/d<50 D.l/d<104 14.下列各种方法中，属于削弱传热的方法是( ) A.增加流体流度 B.设置肋片 C.管内加插入物增加流体扰动 D.采用导热系数较小的材料使导热热阻增加 15.冷热流体的温度给定，换热器热流体侧结垢会使传热壁面的温度( ) A.增加 B.减小 C.不变 D.有时增加，有时减小 16.将保温瓶的双层玻璃中间抽成真空，其目的是( ) A.减少导热 B.减小对流换热 C.减少对流与辐射换热 D.减少导热与对流换热 17.下列参数中属于物性参数的是( ) A.传热系数 B.导热系数 C.换热系数 D.角系数 18.已知一顺流布置换热器的热流体进出口温度分别为300°C和150°C，冷流体进 出口温度分别为50°C和100°C，则其对数平均温差约为( ) A.100°C B.124°C C.150°C D.225°C 19.有一个由四个平面组成的四边形长通道，其内表面分别以1、2、3、4表示，已知 角系数X1，2=0.4,X1，4=0.25，则X1，3为( ) A.0.5 B.0.65 C.0.15 D.0.35 20.一金属块的表面黑度为0.4，温度为227°C，它的辐射力是( )；若表面氧化 2014级西安理工大学计算流体力学作业 1.写出通用方程，并说明其如何代表各类守恒定律。 由守恒型对流-扩散方程： ()()() div U div T grad S t φφρφρφφ?+=+? 其中φ为通用变量；T φ为广义扩散系数；S φ为广义原项。 若令1;1;0T S φφφ===时，则得到质量守恒方程（mass conservation equation ） ()()()() 0u v w t x y z ρρρρ????+++=???? 若令;i u φ=时，则得动量守恒方程（momentum conservation equation ） 以x 方向为例分析，设;u P u S S x φφ?==- ?，通用方程可化为： ()()()()(2)u uu vu wu P u divU t x y z x x x ρρρρλη???????+++=-++??????? z v u u w F y x y z z x ηηρ???????????? ??+++++?? ? ????????????????? 同理可证明y 、z 方向的动量守恒方程式 若令;;T p T T S S C φφλ φ===时，则得到能量守恒方程(energy conservation equation) ()()() ()h h div Uh div U div gradT S t ρρρλφ?+=-+++? ()()()T p h div Uh div gradT S t C ρλ ρ?+=+? 证毕 2.用控制体积法离散 0)(=+++s dx dT k dx d dx dT u dt dT ，要求对S 线性化，据你的理解，谈谈网格如何划分？交界面传热系数何如何计算？边界条件如何处理？ 根据守恒型对流-扩散方程： ()()()u T S t x x x ρφρ?φ ????' +=+????，对一维模型 进行分析，则有： 0)(=+++s dx dT k dx d dx dT u dt dT 《数值传热学》作业： 顶 盖 驱 动 流 数 值 模 拟 分 析 西安科技大学能源学院安全技术及工程 申敬杰201112612 顶盖驱动流数值模拟分析 顶盖驱动流作为经典的数值计算模型，常常用来考核源程序和计算思想的正确性。这种流动边界条件简单，而且不涉及模型的影响，便于直接评价差分格式的性能。 1.引言 数值传热学，又称计算传热学，是指对描写流动与传热问题的控制方程采用数值方法，通过计算机求解的一门传热学与数值方法相结合的交叉学科。数值传热学的基本思想是把原来在空间与时间坐标中连续的物理量的场（如速度场，温度场，浓度场等），用一系列有限个离散点上的值的集合来代替，通过一定的原则建立起这些离散点变量值之间关系的代数方程（称为离散方程）。求解所建立起来的代数方程已获得求解变量的近似值。 由于实验方法或分析方法在处理复杂的流动与换热问题时，受到较大的限制，例如问题的复杂性，即无法做分析解，也因为费用的昂贵而无力进行实验测定，而数值计算的方法正具有成本较低和能模拟复杂或较理想的过程等优点，数值传热学得到了飞速的发展。特别是近年来，计算机硬件工业的发展更为数值传热学提供了坚实的物质基础，使数值模拟对流动与传热过程的研究发挥了重要的作用。 目前，比较著名的数值模拟分析应用软件有FLUENT、CFX、STAR-CD、和PHOENICS等，而FLUENT是国内外比较流行的商用CFD软件包，该软件以其市场占有率高、计算准确、界面友好、使用简单、应用领域广、物理模型多而获得较高的市场占有率和用户的肯定。 2.物理模型 在一个正方形的二维空腔中充满等密度的空气，方腔每边长为0.12m，取雷 诺数为Re=12000，由Re=vd/υ，方腔的当量直径d ，计算知d=0.12m，又υ=15.7 ×10 ﹣6m2/s，则顶盖驱动流的速度v=1.57m/s，即其顶板以1.57m/s的 速度向右移动，同时带动方腔内流体的流动，流场内的流体为紊流。计算区域示意图如图1所示。 v=1.57m/s L=0.12m 图1 计算区域示意图 传热学基础 一、填空题 1、传热的基本方式有热传导、热对流和热辐射三种。 热传导、热对流、热辐射 2、传热过程可分为不随时间变化的和随时间变化的。 稳态传热、非稳态传热 3、对流换热实质是和两种传热机理共同作用的结果。 热对流、导热 4、某瞬时物体内部各点温度的集合称为该物体的，其同温度各点连成的面称为，其法线方向上温度的变化率用表示。 温度场、等温面、温度梯度 5、当物质的种类一定时，影响导热系数大小的外因主要是和。 6、表示物体的蓄热量与界面上换热量的比值称为。 时间常数 7、在湍流传热时，热阻主要集中在，因此，减薄该层的厚度是强化的重要途径。 层流内层、对流传热 8、对流传热系数的主要影响因素有（1）（2）（3）（4）（5） 。 流体的种类和相变化的情况；流体的性质；流体流动的状态；流体流动的原因； 穿热面的形状、分布和大小 9、无相变时流体在圆形直管中作强制湍流传热，在α=0.023λ/diRe 0.8Pr n 公式中，n 是为校正的影响。当流体被加热时，n 取，被冷却时n 取。 热流方向、0.4、0.3 10、努塞尔特准数Nu 表示的准数，其表达式为，普兰特准数Pr 表示的准数，其表达式为。 对流传热系数、λ αl Nu =、物性影响、λμP C =Pr 11、蒸汽冷凝有和两种方式。 膜状冷凝、滴状冷凝 12、双层平壁定态热传导，两层壁厚面积均相等，各层的导热系数分别为1λ和2λ，其对应的温度差为1t ?和2t ?，若1t ?>2t ?，则1λ和2λ的关系为。 1λ<2λ 二、简答题 1、何谓热对流？何谓对流传热？对流换热又可分为哪两大类？ 答：热对流是指流体中质点发生相对位移而引起的热量传递。通常，对流传热是指流体与固体壁面间的传热过程，它是热对流和热传导的结合。它又可分为强制对流和自然对流两类。 2、请简述辐射换热区别于导热和热对流方式最主要的特征。 它是唯一一种非接触的传热方式；它不仅产生能量转移，而且还伴随着能量形式的转换，即发射时从热能转换为辐射能，而被吸收时又从辐射能转换为热能。 3、请简述在非稳态导热过程中物体中温度分布存在的两个阶段。 主讲陶文铨 西安交通大学能源与动力工程学院热流中心CFD-NHT-EHT CENTER 2009年9月7日,西安 数值传热学 第一章绪论 课程简介 1. 教材－《数值传热学》第二版，2001 2. 学时－45学时理论教学；10学时程序教学 3. 考核－平时作业/计算机大作业： 考试－40/60；考查－60/40 4. 方法－开放，参与，应用 5. 助手－郭东之，周文静，李兆辉 有关的主要国外期刊 1.Numerical Heat Transfer, Part A-Applications; Part B- Fundamentals 2.International Journal of Numerical Methods in Fluids. https://www.360docs.net/doc/e81366921.html,puter & Fluids 4.Journal of Computational Physics 5.International Journal of Numerical Methods in Engineering 6.International Journal of Numerical Methods in Heat and Fluid Flow https://www.360docs.net/doc/e81366921.html,puter Methods of Applied Mechanics and Engineering 8.Engineering Computations 9.Progress in Computational Fluid Dynamics 10. Computer Modeling in Engineering & Sciences (CMES) 11.ASME Journal of Heat Transfer 12.International Journal of Heat and Mass Transfer 13.ASME Journal of Fluids Engineering 14.International Journal of Heat and Fluid Flow 15.AIAA Journal数值传热学陶文铨第四章作业
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