63 习题作业 第七章 相变对流传热.pdf

第1页：第七章基本概念与分析

第七章基本概念与分析7-1、试将Nusselt关于蒸气在竖壁上作层流膜状凝结的理论解式(7-3)表示成特征数间的gl3函数形式，引入Galileo（伽里略）数Ga=2及Jakob（雅各布）数Ja=rcp(ts-tw)。

)14lsw解：h=0.725ηd(t-tgrρ2λ3λl，gl3ηc14Nu=0.725××prcp(ts-tw)2λ=0.725[Ga×Ja×Pr]14。

凝结传热7-9、饱和温度为3O℃的氨蒸汽在立式冷凝器中凝结。

冷凝器中管束高3.5m，冷凝温度比壁温高4.4℃。

试问在冷凝器的设计计算中可否采用层流液膜的公式。

物性参数可按30℃计算。

解：按附录11，30oC的氨液的物性参数为：3llρ=595.4kgm，λ=0.4583Wm×Kl()，=2.143×10-7，先按层流计算，则：9.8×1143850×595.42×0.4583314h=1.13=4322W(m2×K)，2.143×10-7×3.0×4.44×4322×3×4.4Re=1143850×0.2143×10-6×595.4=1587<1600。

确是属于层流范围。

7-10、一工厂中采用0.1MPa的饱和水蒸汽在一金属竖直薄壁上凝结。

对置于壁面另一侧的物体进行加热处理。

已知竖壁与蒸汽接触的表面的平均壁温为70℃。

壁高1.2m，宽30㎝。

在此条件下，一被加热物体的平均温度可以在半小时内升高3O℃，试确定这一物体的平均热容量。

不考虑散热损失。

2sm解：近似地取t=100oC，t=ts+tw=85oC。

第2页：ρ=968.6kgm

3ρ=968.6kgm，llλ=0.677Wm×K()，μl=335×10kg(m×s)，r=2257.1×103Jkg，-6)14335×10×1.2×309.8×2.257×106×968.552×0.677314=1.13-6lswll设为层流h=1.13μL(t-tgρ2rλ3=5431.7W(m2×K)，Re=4hLΔt=4×5431.7×1.2×30lrμ2.257×106×335×10-6=1034.5<1600，与假设一致。

Φ=Ah(ts-tw)=5431.7×1.2×0.3×30=58.66kW，6平均热容量ρΦΔτ58.66010301800cV===3.52010JKΔt30。

7-13、一卧式水蒸汽冷凝器管子的直径为20mm，第一排管子的壁温tw=15℃冷凝压力为4.50103Pa。

试计算第一排管子每米长的凝结液量。

2=30.94+15=22.9723oC，m解：相应于4.5×103Pa的饱和温度为30.94oC，tlλ=0.605Wm×K3l()，ρ=997.5kgm，l-6μ=943.3×10kgm×s()，r=2438.5×103Jkg，Δt=30.94-15=15.94oC，9.8×2438.5×103×997.52×0.605314h=0.725943.3×10-6×0.02×15.94=8340W(m2×K)，每米长管子上的凝结水量：G=πdhΔt=3.1416×0.02×8340×15.94=3.425×10-3kgs=12.33kgh。

r2438.5×1037-17、为了强化竖管外的蒸汽凝结换热，有时可采用如附图所示的凝结液泄出罩。

设在高l的竖管外，等间距地布置了n个泄出罩，且加罩前与加罩后管壁温度及其他条件都保持不变。

试导出加罩后全管的平均表面传热系数与未加罩时的平均表面传热系数间的关系式。

如果希望把表面传热系数提高2倍，应加多少个罩？

如果l/d=100，为使竖管的平均表面传热系数与水平管一祥，需加多少个罩?

第3页：解：设加罩前平均表面传热系数为

解：设加罩前平均表面传热系数为h0，加罩后为hn，则有：1414h0~(1L)，hn~{1�L(n+1)�}1414=(n+1)0h{1�L(n+1)�}(1L)14，则n=h；

欲使hn=2，应有(n+1)14=2，n+1=24，n=16-1=15；

h0设需把直管等分为几段才能使全管平均换热系数与水平管一样，则有：14lll0.725ll=1.13μ(100dn)ΔtμldΔtgρ2rλ314gρ2rλ3100，即：0.725=1.13n14，=16.917段，即共需17-1=16个泄出罩。

1.130.7254n=100沸腾传热7-21、当液体在一定压力下作大容器饱和核态沸腾时，欲使表面传热系数增加10倍，温差tw-ts应增加几倍？

如果同一液体在圆管内作单相湍流换热〔充分发展区〕，为使表面传热系数提高10倍，流速应增加多少倍。

为维持流体流动所消耗的功将增加多少倍？

设物性为常数。

解：按式（7-17），Δt~q0.33，即Δt~(hΔt)0.33，由此得h~Δt0.670.33=Δt2.03，所以h增加到原来的10倍，则Δt应增加到原来的1012.03=3.11倍，管内紊流强制对流h~u0.8，h增加到原来的10倍要求u增加1010.8=17.78倍，Δp正比于ξu2，即正比于u1.75~u2.0。

泵耗~Δp×u，因而泵耗~u2.75到u3.0之间，如流速增加到原来的10倍，则泵功消耗要增加到原来的u2.75到u3.0倍，即562~1000倍之间。

7-23、一铜制平底锅底部的受热面直径为3Ocm，要求其在1.0130105Pa的大气压下沸腾时每小时能产生2.3㎏饱和水蒸气。

试确定锅底干净时其与水接触面的温度。

习题7-17附图

第4页：osl解：t=100C时水的物性参数为P

osl解：t=100C时水的物性参数为Pr=4.220103J(kg0K)，pl=1.75，cr=2257.1×103Jkg，ρ=958.4kgm3，ρ=0.5977kgm3，lvγ=588.6×10-4Nm，ηl=282.5×10kg(m×s)，Cwl=0.013。

-6Φ2.3×2257.1×103×4q===2040WmA3.1416×0.32×36002，=5.29oC，cplCrPrqγ0.33Δt=wllηlrg(ρl-ρv)otw=ts+Δt=100+5.29=105.3C。

7-30、在实验室内进行压力为1.0130105Pa的大容器沸腾实验时，采用大电流通过小直径不锈钢管的方法加热。

为了能在电压不高于220V的情形下演示整个核态沸腾区域，试估算所需的不锈钢管的每米长电阻应为多少、设选定的不锈钢管的直径为3mm，长为100mm。

解：r=2257.1×103Jkg，ρ=958.4kgm3，ρ=0.5977kgm3，lvγ=588.6×10-4Nm，140.5977×[9.8×588.6×10×(958.4-0.5997)]-43max24πq=×2257.1×10×=1.1×106Wm2。

达到临界热流密度时，总换热量：Φ=πdlqmax=3.1416×0.003×0.1×1.1×10=1037W。

6R2按Ohm定律，Φ=IR=U，∴该试件的电阻Φ103746.6722=U=220=RΩ，即每米长电阻应为466.7Ω。

综合分析7-36、一种冷却大规模集成电路块的方法的示意图如附图所示。

集成电路块被浸入一种低沸点的非电介质中，该介质受热沸腾后所习题7-36附图

第5页：产生的蒸汽在其上部空间的竖直表面上凝结

产生的蒸汽在其上部空间的竖直表面上凝结。

这些表面的温度tc维持在低于饱和温度的温度上。

今有若干块面积为25mm2的集成电路块浸入一种制冷剂中。

已知ts=50℃，制冷剂物性为ρl=1650kg/m3,cp,l=1000J/(kg0K)，ηl=6.85010-4kg/(m0s)，λl=0.06W/(m0K)，Prl=11，γ=6010-3N/m，r=1.050105J/kg，Cwl=0.004，s=1.7，集成电路块的表面温度tw=70℃。

冷凝表面的温度tc=15℃(采用其他冷却剂对其进行冷却而得以维持)，每个冷凝表面高45mm。

试确定:(l)每个集成电路块的发热量；

• (2)冷却200个集成电路块总的所需要的冷凝表面面积(㎡)。

123swllpllvrPrCcΔtγg(ρ-ρ)解：（1）按Rohsenow公式q=ηlr，把物性和ρv0代入得：39.8×1650121000×206×10-30.004×1.05×105×111.7q=6.85×10-4×1.05×105×=6.85×10-4×105×1641.6×(47.6258.93)3=62289Wm2，Φ=25×10-6×62289=1.56W，假设200块芯片相互不干扰，则：Φ=25×10-6×62289×200=1.56×200=312W。

t)14ll（2）h=0.943grρ2λ3lswηH(t-t6.85×10×0.045×(50-15)9.8×1.05×105×16502×0.06314=0.943-4=0.943×(5.6087×1011)14=0.943×865.4=816W(m2×K)，q=hΔt=816×35=28562.5Wm2，所需面积为：31228562.5=1.092×10-2m2=10920mm2。