傳熱學(xué)第七章答案

朽木易折，金石可鏤。千里之行，始于足下。第頁/共頁第七章思量題1.什么叫膜狀凝結(jié)，什么叫珠狀凝結(jié)?膜狀凝結(jié)時熱量傳遞過程的主要阻力在什么地方？答：凝結(jié)液體在壁面上鋪展成膜的凝結(jié)叫膜狀凝結(jié)，膜狀凝結(jié)的主要熱阻在液膜層，凝結(jié)液體在壁面上形成液珠的凝結(jié)叫珠狀凝結(jié)。2．在努塞爾關(guān)于膜狀凝結(jié)理論分析的8條假定中，最主要的簡化假定是哪兩條?答：第3條，忽略液膜慣性力，使動量方程得以簡化；第5條，膜內(nèi)溫度是線性的，即膜內(nèi)惟獨導(dǎo)熱而無對流，簡化了能量方程。3．有人說，在其他條件相同的情況下．水平管外的凝結(jié)換熱一定比豎直管強(qiáng)烈，這一說法一定成立？答；這一說法不一定成立，要看守的長徑比。4．為什么水平管外凝結(jié)換熱只推薦層流的準(zhǔn)則式？常壓下的水蒸氣在℃的水平管外凝結(jié)，倘若要使液膜中浮上湍流，試近似地預(yù)計一下水平管的直徑要多大?答：因為換熱管徑通常較小，水平管外凝結(jié)換熱普通在層流范圍。對于水平橫圓管：臨界雷諾數(shù)由℃,查表：由℃，查表：即水平管管徑達(dá)到2.07m時，流動狀態(tài)才過渡到湍流。5．試說明大容器沸騰的曲線中各部分的換熱機(jī)理。6．對于熱流密度可控及壁面溫度可控的兩種換熱烈形，分離說明控制熱流密度小于臨界熱流密度及溫差小于臨界溫差的意義，并針對上述兩種情形分離舉出一個工程應(yīng)用實例。答：對于熱流密度可控的設(shè)備，如電加熱器，控制熱流密度小于臨界熱流密度，是為了防止設(shè)備被燒毀，對于壁溫可控的設(shè)備，如冷凝蒸發(fā)器，控制溫差小于臨界溫差，是為了防止設(shè)備換熱量下降。7．試對照水平管外膜狀凝結(jié)及水平管外膜態(tài)沸騰換熱過程的異同。答：穩(wěn)定膜態(tài)沸騰與膜狀凝結(jié)在物理上同屬相變換熱，前者熱量必須穿過熱阻較大的汽膜，后者熱量必須穿過熱阻較大的液膜，前者熱量由里向外，后者熱量由外向里。8．從換熱表面的結(jié)構(gòu)而言，強(qiáng)化凝結(jié)換熱的基本思想是什么?強(qiáng)化沸騰換熱的基本思想是什么？答：從換熱表面的結(jié)構(gòu)而言，強(qiáng)化凝結(jié)換熱的基本思想是盡量減薄粘滯在換熱表面上液膜的厚度，強(qiáng)化沸騰換熱的基本思想是盡量增強(qiáng)換熱表面的汽化核心數(shù)。9．在你學(xué)習(xí)過的對流換熱中．表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計算式中顯含換熱溫差的有哪幾種換熱方式？其他換熱方式中不顯含溫差是否意味著與溫差沒有任何關(guān)系?答：表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計算式中顯含換熱溫差的有凝結(jié)換熱和沸騰換熱。不顯含溫差并不意味著與溫差無關(guān)，溫差的影響隱含在公式適用范圍和物件計算中。10．在圖7-14所示的沸騰曲線中，為什么穩(wěn)定膜態(tài)沸騰部分的曲線會隨△t的增強(qiáng)而疾馳升高?答：因為隨著壁面過熱度的增強(qiáng)，輻射換熱的作用越加顯然。習(xí)題基本概念與分析7-1、試將努塞爾于蒸氣在豎壁上作層流膜狀凝結(jié)的理論解式(6—3)表示成特征數(shù)間的函數(shù)形式，引入伽里略數(shù)及雅各布數(shù)。解：，。7-2、對于壓力為0.1013MPa的水蒸氣，試估算在℃的情況下雅各布數(shù)之值，并說明此特征數(shù)的意義以及可能要用到這一特征數(shù)的那些熱傳遞現(xiàn)象。解：，r=，，，代表了汽化潛熱與液瞙顯熱降之比;進(jìn)一步普通化可寫為，代表了相變潛熱與相應(yīng)的顯熱之比，在相變換熱（凝結(jié)、沸騰、熔化、凝結(jié)等都可以用得上）。7-3、℃的水蒸氣及℃的R134a蒸氣．在等溫豎壁上膜狀凝結(jié)，試計算離開x＝0處為0.1m、0.5m處液膜厚度。設(shè)℃。解：，近視地用ts計算物性，則：對水：，，，；對R134a：，，，；對水：＝＝，X=0.1、.X=0.5、對R134a：＝=，X=0.1、；X=0.5、。7-4、當(dāng)把一杯水倒在一塊赤熱的鐵板上時．板面趕緊會產(chǎn)生許多跳躍著的小水滴，而且可以維持相當(dāng)一段時光而不被汽化掉。試從傳熱學(xué)的觀點來解釋這一現(xiàn)象[常稱為萊登佛羅斯特(Leidenfrost)現(xiàn)象]，并從沸騰換熱曲線上找出開始形成這一狀態(tài)的點。解：此時在熾熱的表面上形成了穩(wěn)定的膜態(tài)沸騰，小水滴在氣膜上蒸發(fā)，被升高的蒸汽帶動，形成跳躍，在沸騰曲線上相應(yīng)于qmin(見圖6-11)的點即為開始形成現(xiàn)象的點。凝結(jié)換熱7-5、飽和水蒸氣在高度l＝1.5m的豎管外表面上作層流膜狀凝結(jié)。水蒸氣壓力為，管子表面溫度為123℃。試?yán)门麪柗治鼋庥嬎汶x開管頂為0.1m、0.2m、0.4m、0.6m及1.0m處的液膜厚度和局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。解：水蒸氣對應(yīng)的飽和參數(shù)：℃定性溫度：℃查表得由＝＝解得x0.10.20.40.61.0δ（㎜）0.0610.0730.0860.0960.109hx1123294457942717763167-6、飽和溫度為50℃的純凈水蒸汽在外徑為25.4mm的豎直管束外凝結(jié)，蒸汽與管壁的溫差為11℃,每根管于長1.5m解：℃，，，，r＝，設(shè)流動為層流，ｈ＝＝＝226.3＜1600，故為層流。囫圇冷凝器的熱負(fù)荷Q=50×4954.8×3.1416×0.0254×1.5×11=326.2kW。7-7、立式氨冷凝器由外徑為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)量為解：tm=℃，，，，r＝，由，得：。設(shè)流動為層流，則有：ｈ＝＝，代入L的計算式，得：L=所以L=，h==3986.6W/(m2.k)，Re=，故為層流。7-8、水蒸汽在水平管外凝結(jié)。設(shè)管徑為25.4mm，壁溫低于飽和溫度5℃，試計算在冷凝壓力為Pa、Pa、Pa及Pa下的凝結(jié)換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。解：按式（6-4）計算，各壓力下的物性及換熱系數(shù)之值如下表示：Pc/（105Pa）0.050.51.010.0tc/（℃）32.481.599.8179.8tm/（℃）34.984102.3182.3ρt/（℃）993.98969.2956.7884.4λt/［W/（m.k）］0.6260.67640.68350.6730ul×106/［kg/（m.s）］728.8379.02277.1151.0r/（KJ/kg）2425230522602015h/［W/（m2.k）］114501393315105161387-9、飽和溫度為30℃的氨蒸汽在立式冷凝器中凝結(jié)。冷凝器中管束高3.5m，冷凝溫度比壁溫高4.4℃。試問在冷凝器的設(shè)計計算中可否采用層流液膜的公式。物性參數(shù)可按3解：按照附錄13，30℃的氨液的物性參數(shù)為：，，，先按層流計算，則：ｈ＝，。確實屬于層流范圍。7-10、—工廠中采用0.1MPa的飽和水蒸汽在一金屬豎直薄壁上凝結(jié)，對置于壁面另—側(cè)的物體舉行加熱處理。已知豎壁與蒸汽接觸的表面的平均壁溫為70℃，壁高1.2m．寬30cm。在此條件下，一被加熱物體的平均溫度可以在半小時內(nèi)升高解：近似地取ts=100℃，℃。，，，設(shè)為層流h==，與假設(shè)一致。平均熱容量.7-11、一塊與豎直方向成30°角的正方形平壁，邊長為40cm、Pa的飽和水蒸汽在此板上凝結(jié)，平均壁溫為96℃。試計算每小時的凝結(jié)水量。倘若該平板與水平方向成30°角，問凝結(jié)量將是現(xiàn)在的百分之幾？解：tm=℃，，，，r＝，設(shè)為膜狀凝結(jié)，h==。。倘若其它條件不變，但改為與水平方向成30°角，則h為本來的=0.872=87.2﹪，因而凝結(jié)量亦將是現(xiàn)在的87.2﹪。7-12、壓力為1.013x105Pa的飽和水蒸汽，用水平放置的壁溫為90℃的銅管來凝結(jié)。有下列兩種挑選：用—根直徑為10cm的銅管或用10根直徑為1cm(1)這兩種挑選所產(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(不考慮容積的因素)。(3)上述結(jié)論與蒸汽壓力、銅管壁溫是否有關(guān)(保證兩種布置的其他條件相同)?解：水平管的凝結(jié)換熱公式兩種計劃的換熱表面積相同，溫差相等，由牛頓冷卻公式，故凝液量因此，兩種計劃的凝液量之比故小管徑系統(tǒng)的凝液量是大管徑系統(tǒng)的1.778倍。只要保證蒸氣壓力和管壁溫度在兩種情況下相同，上述結(jié)論與蒸氣壓力和銅管壁溫?zé)o關(guān)。7-13、一臥式水蒸汽冷凝器管子的直徑為20mm，第—排管子的壁溫℃，冷凝壓力為4.5xl03Pa。試計算第一排管子每米長的凝結(jié)液量。解：相應(yīng)于4.5×103Pa的飽和溫度為30.94℃，，℃。，，，，℃，h=每米長管子上的凝結(jié)水量：。7-14、飽和溫度為30℃的水蒸汽在恒定溫度的豎壁上凝結(jié)，試估算使液膜進(jìn)入湍流的解：，，，，于是有：， 之值應(yīng)滿意：，即，兩式聯(lián)立得，，＝319.2m.℃。7-15、設(shè)習(xí)題7-14中飽和水蒸汽的飽和壓力為1.013X105Pa，試重做該題。在—般工業(yè)與民用水蒸汽凝結(jié)的換熱系統(tǒng)中，沮差常在5～10℃范圍內(nèi)，由本題及習(xí)題6—14解：100℃下飽和水的物性為：，，，，，將此式與下式聯(lián)立，，得，由此得：＝18.345，＝48.3m.℃。普通工業(yè)用冷凝器大多在層流范圍內(nèi)。7-16、為估算位于同一鉛垂面內(nèi)的幾棍管子的平均凝結(jié)換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，可采用下列偏于保守的公式：其中為由上往下第1排管子的凝結(jié)換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。這里假定n根管子的壁溫相同。今有一臺由直徑力20mm的管束所組成的臥式冷凝器，管子成叉排布置。在同一豎排內(nèi)的平均管排數(shù)為20，管壁溫度為15℃，凝結(jié)壓力為4.5x103Pa解：℃。，，，，℃，，。7-17為了強(qiáng)化豎管外的蒸汽凝結(jié)換熱，偶爾可采用如附圖所示的凝結(jié)液泄出罩。設(shè)在高l的豎管外，等間距地布置n個泄出罩，且加罩前與加罩后管壁溫度及其他條件都保持不變。試導(dǎo)出加罩后全管的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與未加罩時的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)間的關(guān)系式。倘若希翼把表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)提高2倍，應(yīng)加多少個罩？倘若l／d＝100，為使豎管的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與水平管一樣，需加多少個罩？解：設(shè)加罩前平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為，加罩后為，則有：～，～，則，與欲使，應(yīng)有，設(shè)需把直管等分為幾段才干使全管平均換熱系數(shù)與水平管一樣，則有：＝，即：，段，即共需17-1＝16各泄出罩。7-18、如附圖所示，容器底部溫度為tw(＜ts＝，并保持恒定，容器側(cè)壁絕熱。假定蒸汽在凝結(jié)過程中壓力保持不變，試導(dǎo)出凝結(jié)過程中每一時刻底部液膜厚度δ的計算式，在你的推導(dǎo)過程中，“容器側(cè)壁絕熱”這一條件起了什么作用？解：據(jù)給定得條件，從汽－液分界面上釋放出得汽化潛熱均通過液瞙得導(dǎo)熱而傳究竟面上的，于是有：，其中為時光，將此式對作積分，并利用，的條件，得。此式表明液瞙厚度與成正比。容器側(cè)壁絕熱使本題可以按一維無限大平壁導(dǎo)熱問題處理。沸騰換熱7-19、直徑為6mm的合金鋼元在98℃水中淬火時的冷卻曲線如附圖所示。鋼元初溫為800℃解：AB段鋼元的溫度隨時光的變化比較平緩，代表了瞙態(tài)沸騰區(qū)的換熱特性，BC段的上半部鋼元溫度隨時光而急劇下降，展示出核態(tài)沸騰的特點，而到BC段的下部，溫度曲線再次變得平緩，反應(yīng)出對流換熱逐漸進(jìn)入以天然對流為主得區(qū)域。7-20、平均壓力為Pa的水，在內(nèi)徑為15mm的銅管內(nèi)作充足發(fā)展的單相強(qiáng)制對流換熱。水的平均溫度為100℃，壁溫比水溫高5℃解：時，℃，對應(yīng)水的物性，，按照公式＝＝由題意，要使二者熱流密度相等，在溫差相同情況下，必須表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h相等。對管內(nèi)湍流強(qiáng)制對流而所以而所以。7-21、當(dāng)液體在一定壓力下作大容器飽和核態(tài)沸騰時，欲使表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增強(qiáng)10倍．溫差(tw-ts)應(yīng)增強(qiáng)幾倍?倘若同一液體在圓管內(nèi)作單相揣流換熱(充足發(fā)展區(qū))，為使表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)提高10倍，流速應(yīng)增強(qiáng)多少倍？為維持流體流動所消耗的功將增強(qiáng)多少倍?設(shè)物性為常數(shù)。解：(1)大容器飽和沸騰(2)管內(nèi)湍流答：大容器飽和沸騰表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增強(qiáng)10倍．壁面過熱度是原值的2.69倍。圓管內(nèi)湍流強(qiáng)制對流傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增強(qiáng)10倍，流速是原值的17.78倍，這時流體的驅(qū)動功率是原值的5620.8倍。7-22直徑為5cm的電加熱銅棒被用來產(chǎn)生壓力為3.61X105Pa的飽和水蒸汽,銅棒表面溫度高于飽和溫度5℃，問需要多長的銅棒才干維持90kg／h的產(chǎn)汽率解：再3.61×105Pa的壓力下，水的物性參數(shù)為：，，，，，，，，于是有：，由此解得：q＝40770W/m2，不考慮從過冷水加熱到飽和水所需消耗的熱量，把20kg飽和水變成飽和蒸汽所需的熱量為20×2144.1×103，因而加熱棒之長為：。7-23、一銅制平底鍋底部的受熱面直徑為30cm，要求其在1.013×105Pa的大氣壓下沸騰時每小時能產(chǎn)生2.3kg飽和水蒸氣。試決定鍋底整潔時其與水接觸面的溫度。解：ts=100℃時水的物性參數(shù)為，，，，，，，，，，℃，℃。7-24、一臺電熱鍋妒，用功率為8kw的電熱器來產(chǎn)生壓力為1.43X105Pa的飽和水蒸汽。電熱絲置于兩根長為1.85m、外徑為15mm的鋼管內(nèi)(經(jīng)機(jī)械拋光后的不銹鋼管)，而該兩根鋼管置于水內(nèi)。設(shè)所參加的電功率均用來產(chǎn)生蒸汽，試計算不銹鋼管壁面溫度的最高值。鋼管壁厚1.5mm，導(dǎo)熱系數(shù)為10w／(m·K)。解：由已知條件可得，熱流密度，在1.43×105Pa壓力下：，，，，，，，。代入式（6-17）有：＝7.37℃，℃。不銹鋼管內(nèi)的熱量都是通過內(nèi)壁面導(dǎo)出的，導(dǎo)熱溫差：℃。最高壁溫位于內(nèi)壁面上，其值為127.4＋7.68＝135.1℃。7-25、直徑為30mm的鋼棒(含碳約1.5％)在100℃的飽和水中淬火。在冷卻過程中的某—眨眼，棒表面溫度為110℃,試估算此時棒表面的溫度梯度。沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可按式(6解：，這一對流換熱量系通過工作表面里層的導(dǎo)熱而傳遞到工作表面上，故有：，，負(fù)號表示溫度沿半徑方向減少。7-26向來徑為3.5mm、長100mm的機(jī)械拋光的薄壁不銹鋼管，被置于壓力為1.013X105Pa的水容器中，水溫已臨近飽和溫度。對該不銹鋼管兩端通電以作為加熱表面。試計算當(dāng)加熱功率為1.9W及100W時，水與鋼管表面間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)值。解：(1)當(dāng)加熱功率為1.9W時。這樣低的熱流密度仍處于天然對流階段。此時溫差普通小于4℃。因為計算天然對流的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)需要知道其壁面溫度，故本題具有迭代性質(zhì)。先假定溫差℃定性溫度℃物性參數(shù)故所以與相差達(dá)12.7％，故需重新假定△t。考慮到天然對流即在物性基本不變時．準(zhǔn)確的溫差按下式計算：℃而即(2)當(dāng)時，假定進(jìn)入核態(tài)沸騰區(qū)，按照公式＝＝驗證此時的過熱度℃確實在核態(tài)沸騰區(qū)。7-27、式(7-17)可以進(jìn)—步簡化成，其中系數(shù)C取決于沸騰液體的種類、壓力及液體與固體表面的組合。對于水在拋光的銅、鉑及化學(xué)蝕腐與機(jī)械拋光的不銹鋼表面上的沸騰換熱，式(7-17)中的均可取為0.013。試針對、、、、下的大容器沸騰、計算上述情形中的系數(shù)C，且進(jìn)—步把系數(shù)C擬合成壓力的冪函數(shù)形式，并與式(6－16)比較。解：把式（6-17）寫成的形式，可得：，P/（bar）1.0134.7610.0319.0839.78Cpl/［KJ/（kg.K）］4.224.3134.4174.5554.844prl1.751.171.000.910.86μl×106/［kg/（m.s）］282.5186.4153.0130.5169.9r×10-3/（J/kg）2257.12113.12013.01898.31714.5ρl/（kg/m3）958.4917.0886.9852.3799.0ρvl/（kg/m3）0.59772.5485.1609.59319.99σ×104/（N/m）588.6486.6422.8354.1261.9C4.99727.12798.40979.612411.352用最小二乘法擬合得，p的單位為bar。7-28、在所有的對流換熱計算式中．沸騰換熱的實驗關(guān)聯(lián)式大概是分歧最大的。就式(6—17)而言、用它來預(yù)計q時最大誤差可達(dá)100％。另外，系數(shù)的決定也是引起誤差的一個方面。今設(shè)在給定的溫差下，因為的取值偏高了20％，試估算熱流密度的計算值會引起的偏差。倘若規(guī)定了熱流密度，則溫差的預(yù)計又會引起多大的偏差？通過詳細(xì)的計算來說明。解：（1）因為其它條件不變，給出么計算時，應(yīng)有，即％，即偏低42.5％。（2）當(dāng)給定q，由式（6-17）決定時，Cwl的誤差與的誤差成線性關(guān)系。7-29、用直徑為1mm、電阻率的導(dǎo)線通過盛水容器作為加熱元件。試決定，在ts=100℃解：按下題的計算，達(dá)到臨界熱流密度時，每米長導(dǎo)線上總換熱量 ＝3.1416×0.001×1.1×106＝3456W，每米長導(dǎo)線的電阻：，按Ohm定律，,。7-30、在實驗室內(nèi)舉行壓力為1.013X105Pa的大容器沸騰實驗時，采用大電流通過小直徑不銹鋼管的主意加熱。為了能在電壓不高于220v的情形下演示囫圇核態(tài)沸騰區(qū)域，試估算所需的不銹鋼管的每米長電阻應(yīng)為多少，設(shè)選定的不銹鋼管的直徑為3mm，長為l00mm。解：，，，，。達(dá)到臨界熱流密度時，換熱總量：按照ohm定律，，故該件的電阻，即每米長電阻應(yīng)為。7-31、試計算當(dāng)水在月球上并在105Pa及10X105Pa下作大容器飽和沸騰時，核態(tài)沸騰的最大熱流密度(月球上的重力加速度為地球的1／6)比地球上的相應(yīng)數(shù)值小多少？解：按式（6-20），～，地球上時，，故月球上該壓力下；在壓力為時，，，，。兩種情形下月球的均為地球上相應(yīng)情形下的倍。7-32、在一氨蒸發(fā)器中，氨液在—組水平管外沸騰，沸騰溫度為-20℃。假設(shè)可以把這—沸騰過程近似地作為大容器沸騰看待，試預(yù)計每平方米蒸發(fā)器外表面所能承擔(dān)的最大制冷量。-20℃時氨從液體變成氣體的相變熱(潛熱)，表面張力密度。解：℃時，。由式（6-20）得：。7-33、—直徑為5cm、長10cm的鋼柱體從溫度為1100℃的加熱爐中取出后，被水平地置于壓力為1.013X105Pa的盛水容器中(水濕已近飽和)。試估算剛放入時工件表面與水之間的換熱量及工件的平均溫度下降率。鋼的密度，比熱容，發(fā)射率。解：工件置于水容器得眨眼形成了穩(wěn)定得瞙態(tài)沸騰，，由式（6-21），得輻射換熱系數(shù)按式（8-16）計算：故?？倱Q熱量：。工作得熱容量。故平均的溫度下降率為5048/718.89＝7.02℃/s。7-34如附圖所示，在軋制鋼板的過程中，當(dāng)鋼板離開最后一副軋滾后，用水(冷卻介質(zhì))沖射到鋼板上舉行冷卻，然后再卷板。因為鋼板溫度很高，水膜離開噴嘴不遠(yuǎn)即在其下形成汽膜。不考慮運動的影響，并把鋼板看成直徑為1.1m的圓柱表面。試預(yù)計每平方米鋼板與水的貼壁射流間的換熱量。鋼板表面的溫度900K，發(fā)射率為0.50。解：用瞙態(tài)沸騰換熱的公式，，取℃，℃，℃，7-35、水在1.013x105Pa的壓力下作飽和沸騰時，要使直徑為0.1mm及1mm的汽泡能在水中存在并長大，加熱面附近水的過熱度各為多少?(利用克拉貝龍方程導(dǎo)出最小汽泡半徑算式的過程，可見本書第一版4－4節(jié)。)解：氣泡內(nèi)介質(zhì)與周圍流體達(dá)到熱平衡時，有，即，要使氣泡長大，應(yīng)使，100℃時，有：，因而：當(dāng)R＝1mm，．綜合分析7-36、—種冷卻大規(guī)模集成電路塊的主意的暗示圖如附圖所示。集成電路塊被浸入一種低沸點的非電介質(zhì)中，該介質(zhì)受熱沸騰后所產(chǎn)生的蒸汽在其上部空間的豎直表面上凝結(jié)。這些表面的溫度tc維持在低于飽和溫度的溫度上。今有若干塊面積為25mm2的集成電路塊浸入一種制冷刑中。已知ts＝50℃，制冷劑物性為，，，，，，，，，集成電路塊的表面溫度tw＝70℃。冷凝表面的溫度t0=15℃(采用其他冷卻劑對其舉行冷卻而得以維持)，每個冷凝表面高45mm。試決定：(1)每個集成電路塊的發(fā)熱量；(2)冷卻200個集成電路塊總的所需要的冷凝表面面積(m2)。解：（1）按Rohsenow公式，把物性和代入得：，假設(shè)200塊芯片互相不干擾，則：。（2），，所需面積為：。7-37、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0.024xl05Pa的水蒸汽在銅管外凝結(jié)，管長1.5m。試計算每小時的凝結(jié)水量(銅管的熱阻可不考虜)解：本題需要假設(shè)壁溫，準(zhǔn)確的壁溫值應(yīng)使管內(nèi)與管外的對流換熱量相等。管內(nèi)對流換熱系數(shù)按式（5-54）計算，15℃的水物性為：，，，，；設(shè)℃，℃，，，，，，，。與之差大于3％；改設(shè)=25.6℃，則物性變化甚微，與可以認(rèn)為不變，于是：與之差小于2％，取，冷凝水量：。7-38、熱虹吸管(又稱重力熱管)是一種封閉、豎直放置的容器，其沸騰段吸收的熱量在其冷凝段放出，如附圖所示。今用拋光的不銹鋼制成一熱虹吸管，d＝20mm、，。設(shè)1.013xlo5Pa壓力下的飽和水在沸騰段沸騰．熱流密度q是臨界熱流值的30％。試計算：(])沸騰段的平均壁溫twb；(2)凝結(jié)段的平均壁溫twc；(3)冷凝液的質(zhì)量流量(kg／s)。解：設(shè)冷凝段液膜為層流，且按平壁公式計算，計算溫度取為100℃，熱虹吸管頂管絕熱，，，，，，，。（1）沸騰段熱負(fù)荷取的30％：。應(yīng)用Rohsenow公式，取，，，，，，℃。沸騰段總換熱量：。（2）冷凝段：，，，，，℃。這一溫度與假定值相差太大，影響到物性計算，重設(shè)℃，計算液膜的定性溫度為℃，查得，，，，，。通過類似計算得，，℃。可見對的影響不大。（3）冷凝液量：。7-39、為了查明某種肋片管的對流換熱性能，在傳熱風(fēng)洞中舉行了空氣橫掠單排肋片管的實驗。肋片管豎直布置，實驗段高30cm，在同一迎風(fēng)面上布置了5排管子，肋片管基圓直徑為20mm，內(nèi)徑為16mm，管內(nèi)以壓力為1.013x105Pa的飽和水蒸汽凝結(jié)來加熱管外氣流。在—次實驗中測得以下參數(shù)：空氣的平均溫度為30℃，總換熱量為2100W解：按給定條件，管內(nèi)水蒸汽凝結(jié)換熱量等于管外空氣換熱量。每根管子的凝結(jié)換熱量為，把100℃時水物性值代入式（6-10），得：，，由得：℃，內(nèi)壁溫度：℃，略去壁面熱阻不計，則外壁平均值亦為此值，故外表面平均換熱系數(shù)：。7-40、氟里昂152a是一種可能替代氟里昂12的綠色制冷劑．為了測定其相變換熱性能舉行了專門的凝結(jié)換熱的實驗研究。該冷凝器實驗臺系用兩根布置在同一水平面內(nèi)的黃銅管組成，管內(nèi)用水冷卻。為增強(qiáng)冷卻水進(jìn)出口溫差以提高測定確實切性，水系統(tǒng)中兩根黃銅管是串聯(lián)的。冷卻水由入口處的15℃升高到出口處的17℃。黃銅管的外徑為20mm、管壁厚為2mm，長為1m，氟里昂152a解：采用試湊法，水側(cè)℃，，，，，，。預(yù)計熱阻之比約為1：25，氟側(cè)溫差10℃，℃，℃，查物性，，，，，，。計算流程（略去管壁熱阻）：設(shè)一個流速水側(cè)換熱量外側(cè)熱流密度外側(cè)外側(cè)溫度內(nèi)側(cè)溫度對流換熱量，倘若=，則此流速即為所求。內(nèi)側(cè)：，；外側(cè)：，，，，，，，℃，℃，。，，，，℃，℃，，。，，，，℃，℃，，。，，，，℃，℃，，。，所以，熱阻之比：，R152a為水的2.15倍。7-41—根外徑為25mm、外壁平均壁溫為14℃的水平管道，穿過室溫為30℃、相對濕度為解：相對濕度為80％，因而從凝結(jié)觀點有20％的不凝結(jié)氣體即空氣。先按純凈蒸氣凝結(jié)來計算。30℃的飽和水蒸氣壓力：此時水蒸氣分壓力其對應(yīng)飽和溫度為26.3℃液膜平均溫度℃凝液物性參數(shù)，，汽化潛熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

==故每米長管道上的換熱量相應(yīng)凝結(jié)量：因為不凝氣體的存在，實際凝液量低于此值7-42、在一個氟里昂134a的大容器沸騰實驗臺中，以直徑為12mm、機(jī)械拋光的不銹鋼管作為加熱表面，其內(nèi)為水蒸氣凝結(jié)放熱。在一次實驗中，氟里昂134a的沸騰溫度為30℃，加熱表面溫度為35℃。試決定此時氟里昂134a的沸騰換熱狀態(tài)及沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。若換熱段長15cm，水蒸氣壓力為0.07375x105Pa，問所需的水蒸氣量力多少？。解：設(shè)處于核態(tài)沸騰狀態(tài)，利用Rohsenow公式，物性參數(shù)為：，，，，，，，，，。驗算：。，水蒸氣。7-43、在一臺氟里昂152a的蒸發(fā)器中．氟里昂152a在水平管束外沸騰，飽和溫度為-30℃。為使蒸發(fā)器能安全有效地工作，規(guī)定其最大熱流密度不得超過臨界熱流密度的一半，試決定此時單位管長上的最大制冷量。蒸發(fā)管外徑為22mm。。解：R152a-30℃時物性為：，，，，，，。7-44、—種冷卻計算機(jī)芯片的方式如附圖所示：芯片置于一熱虹吸管的底部，通過制冷劑的沸騰吸收其散出的熱量，在熱虹吸管的上部通過凝結(jié)換熱而把熱量傳遞給冷卻水。已知工質(zhì)為R134a，芯片處于穩(wěn)態(tài)運行，其發(fā)熱率設(shè)計為工質(zhì)臨界熱流密度為90％，芯片尺寸為20mmx20mm，直徑d=30mm，冷凝段壁溫為tw＝30℃。試計算芯片的表面溫度及冷凝段長度l。沸騰溫度為50℃，其時ρv＝66.57kg／m3，γ＝5.26×10-3N／m解：，，，。采用式（6-19）計算，，，，50℃時，，，，，,℃，℃。按40℃計算凝結(jié)換熱：，，，，，，，，，，。7-45、一種同時冷卻多個芯片模塊的主意如附圖所示。已知冷凝管內(nèi)徑d＝10mm，外徑d0=11mm，水平放置，進(jìn)水溫度為15℃,出水溫度為45℃，芯片所產(chǎn)生的熱量均通過尺寸為100mmX100mm的沸騰換熱表面〔拋光的銅表面)散失掉，其散熱率為105w／m2。冷卻劑溫度ts＝57℃，＝0.0535W／(m2·K)，＝1100J／(kg·K)，r=84400J／kg，，=13.5kg／m3，＝8.2×10-3N／m，kg/(m·s),＝0.013。s＝1．7，。管內(nèi)冷卻水的流動與換熱已進(jìn)入充足發(fā)展階段。試決定：(1)所需的冷卻水量；(2)平均的冷凝管壁面溫度；(3)平均的沸騰表面溫度；(4)所需冷卻水管的長度。冷凝管壁很?。畬?dǎo)熱熱阻可以不計。解：（1）按照式（6-17）：，，℃，℃。（2），水的定性溫度：℃。，。（3）冷凝壁面溫度，利用水管公式，，，，，利用D-B公式計算：，即，。另一方面：，，，，，經(jīng)試湊計算，得℃?！妫?，驗算：水側(cè)；制冷劑側(cè)，。沸騰表面平均溫度℃；冷凝表面平均溫度℃；冷卻水量；冷凝段長度。7-46、一種測定沸騰換熟表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的實驗裝置見附圖。實驗表面系一銅質(zhì)圓柱的斷面(λ=400W(m·K))，在x1＝10mm及x2＝25mm處安置了兩個熱電偶以測定該處的溫度。柱體四面絕熱良好。在一穩(wěn)態(tài)工況下測得了以下數(shù)據(jù)：t1＝133.7℃，t2＝158.7℃，試決定：(1)式(6－17)中的系數(shù)；(2)式(6—19)中要用到的換熱表面的解：（1）按一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱處理，，，，，℃，，一個大氣壓下飽和水物性：，=0.5977kg／m3，＝588.6×10-4N／m，J/kg,，,，。.(2)式（6-19），，，，，，，，，，,，，，。7-47、一塊厚的硅芯片用飽和溫度為50℃的制冷劑冷卻，芯片的，芯片底面上的電路產(chǎn)生的功率在硅片的上表面上形成了一個勻稱的熱流密度q＝55X104W／m2，硅片的側(cè)面及底面絕熱良好。已知制冷劑，，，，，，。，，，試計算芯片底面溫度。芯片底面上的電路可近似地看成厚0.05mm、具有勻稱內(nèi)熱源的薄層。解：如圖所示：利用式（6-17）計算：，℃，℃，由通過芯片的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱決定：，℃，電路層中的導(dǎo)熱是有內(nèi)熱原的平板導(dǎo)熱，據(jù)二章五節(jié)，有：，，，，，℃。7-48、隨著空間翱翔技術(shù)的發(fā)展，零重力下的傳熱問題研究越來越得到重視，其中零重力下的凝結(jié)與沸騰是一個重要的課題。對于管內(nèi)強(qiáng)制對流凝結(jié)，在零重力下可以認(rèn)為液膜勻稱地分布在管子四面并不斷地沿流動方向增厚，直到所有凝結(jié)(見附圖)。設(shè)在6－1節(jié)的分析中，假設(shè)(1)、(3)、(4)、(5)、(6)及(8)仍成立。同時設(shè)：(1)同一截面的汽、液壓力勻稱，壓力只沿軸向變化；(2)在汽—液相界面存在蔚切應(yīng)力。試：(1)列出液膜中的動量守恒、質(zhì)量守恒及能量守恒方程；(2)寫出y＝0及y＝處速度及溫度的邊界條件；(3)求解動量方程得出軸向流速u的分布及其平均值的計算式(式中可包含壓力梯度及界面切應(yīng)力)。解：（1）液膜動量方程：（a）質(zhì)量守恒：（b）能量守恒：（c），（2），，；，（汽/液界面應(yīng)力）。（3）對（a）積分兩次并引入邊界條件，可得速度分布：平均流速：。7-49、、已知：有儀銅-水熱管，外徑，內(nèi)徑;蒸發(fā)段長0.4m，外壁溫度為；冷凝段長0.4m，外壁溫度為，絕熱段長0.5m。設(shè)蒸發(fā)與凝結(jié)得表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)分離為、,蒸發(fā)段與冷凝段的管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)均為90。試計算該熱管的內(nèi)部熱阻在傳熱過程總熱阻中的比例。解：如圖：。內(nèi)部熱阻＝7-50、一尺寸為10mm×10mm、發(fā)熱量為100W的大規(guī)模集成電路，其表面最高允許溫度不能高于75度，環(huán)境溫度為25度，試設(shè)計一能采用天然對流來冷卻該電子元件的熱管冷卻器。解：可采用下圖冷卻裝置。冷凝段壁溫近似按75℃計，翅片尺寸為0.15×0.06㎡，10其散熱面積2×10×0.15×0.06＝0.18㎡，按天然對流豎壁計算，，。輻射換熱按空腔內(nèi)包物體模型預(yù)計，設(shè)翅片表面。，考慮到輻射計算中未計算翅片間的輻射，因而上述結(jié)構(gòu)可以認(rèn)為能滿意在天然對流情況下散發(fā)100W熱量的要求。7-51、一冷、熱流體的流動布置如圖所示的熱管換熱器，可以看成是一種異常的間壁式換熱器。熱流體從被冷卻到，而冷流體從被加熱到。試分析計算冷、熱流體間平均溫差的主意。解：按逆流計算。7-52、有一臺煙氣-空氣換熱器如圖所示。已知煙氣進(jìn)口溫度，空氣進(jìn)口為溫度，熱管外徑為40mm，壁厚1.5mm。蒸發(fā)段與冷凝段各長1m。管子采用叉排布置，