2025年考研能源与动力工程热能工程试卷（含答案）

2025年考研能源与动力工程热能工程试卷（含答案）考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、1.试用热力学第一定律的解析式δQ=dU+pδV，说明在定压过程中，系统吸收的热量等于其内能的增加与对外界所作的膨胀功之和。对于理想气体的定压加热过程，此热量又如何表示？2.一热机在高温热源T_H和低温热源T_C之间工作，经历一个循环。若尝试将该热机的效率提高到η'，试从理论上分析提高效率可能采用的途径有哪些？并简要说明提高效率的极限是多少？3.什么是湿蒸汽？在P-V图和T-S图上如何表示湿蒸汽？湿蒸汽的干度有何物理意义？如何计算湿蒸汽的热力性质？二、4.空气在恒定大气压下，从20°C被加热到500°C。设空气可视为理想气体，比热容为常数，试求此过程的比热力学能变化量Δu和焓变化量Δh。已知空气的定容比热容c_v=0.718kJ/(kg·K)。5.有一绝热刚性容器，用一隔板将其分为左右两室。左室装有1kg、0.5MPa、200°C的水蒸气；右室装有1kg、0.1MPa、30°C的空气。现将隔板抽去，使水蒸气和空气混合达到平衡。忽略容器本身及隔板的质量和体积，试求混合后的温度和压力。假设空气可视为理想气体，且过程可视为绝热混合。三、6.分析影响传热过程传热系数K的主要因素有哪些？在工程实际中，针对不同的传热设备和传热过程，通常采用哪些方法来强化或削弱传热？7.简述对流换热的基本原理。影响对流换热的因素有哪些？如何根据流动状态和几何条件判断对流换热是层流还是湍流？壁面热粗糙度对对流换热有何影响？四、8.有一单层平壁，厚度δ=0.1m，壁面两侧温度分别为t_1=500°C和t_2=100°C。已知材料的导热系数λ=45W/(m·K)。试求通过该平壁的导热热流密度q_δ。若在壁面温度t_2处增加一层厚度为δ'=0.05m、导热系数λ'=25W/(m·K)的保温层，试求此时通过单位面积的热损失减小了百分之多少？9.什么是辐射换热？黑体辐射有何特点？普朗克定律和斯蒂芬-玻尔兹曼定律分别描述了什么物理现象？五、10.燃料燃烧过程中，化学能最终转化为热能。简述燃料完全燃烧所需具备的基本条件。燃烧过程中可能发生哪些不完全燃烧现象？简要说明其原因及其对燃烧效率和排放的影响。11.简述锅炉的基本工作过程。锅炉主要有哪些性能参数？试述影响锅炉热效率的主要因素。六、12.某理想朗肯循环，工质为水，进入汽轮机前的蒸汽参数为3.5MPa、450°C，排汽为干饱和蒸汽。试求该循环的理论循环效率η_t。已知在给定条件下，水蒸气的焓值h_f、h_g及对应熵值s_f、s_g可查表获得（此处略）。13.简述离心式压缩机的基本工作原理。与往复式压缩机相比，离心式压缩机有哪些主要优缺点？七、14.在分析换热器性能时，常用的评价指标有哪些？试述传热平均温差的概念及其计算方法。在什么情况下需要采用对数平均温差？15.简述燃气轮机循环的基本工作过程。与朗肯循环相比，燃气轮机循环有哪些主要特点？提高燃气轮机循环效率的途径有哪些？试卷答案一、1.在定压过程中，压强p保持不变，故d(pV)=pδV。热力学第一定律解析式可写为δQ=dU+d(pV)=dU+pδV。此式表明，系统在定压过程中吸收的热量，一部分用于增加系统的内能，另一部分用于对外界作膨胀功。对于理想气体，定压比热容c_p=c_v+R，故定压加热过程吸收的热量Q=mc_p(T_2-T_1)=m(c_v(T_2-T_1))+mR(T_2-T_1)=mΔu+mRΔT=mΔu+RΔT=Δu+RΔT(因m=1)。其中Δu为内能变化量，RΔT为对外所作的膨胀功。2.提高热机效率η=1-Q_C/Q_H的途径：①在保证输出功W_0相同的情况下，从高温热源吸收更少的热量Q_H（即提高热机循环的热效率，使Q_H=W_0/η'<W_0/η）；②向低温热源排放更少的热量Q_C（即降低排烟温度或提高冷却水温度）；③减少循环中的各种损失（如摩擦损失、散热损失等）。提高效率的极限是卡诺循环效率η_carnot=1-T_C/T_H，这是在给定的T_H和T_C条件下，热机可能达到的最高效率。3.湿蒸汽是指含有饱和水蒸气的蒸汽。在P-V图上，湿蒸汽位于干饱和蒸汽线和饱和液体线之间；在T-S图上，湿蒸汽位于干饱和蒸汽线和饱和液体线之间。湿蒸汽的干度x是指湿蒸汽中干饱和蒸汽的质量分数，或单位质量湿蒸汽中干饱和蒸汽的质量。其物理意义表示湿蒸汽偏离饱和液体状态的程度，x=1为干饱和蒸汽，x=0为饱和液体。湿蒸汽的焓h=xh_g+(1-x)h_f，熵s=xs_g+(1-x)s_f，其中h_f、h_g、s_f、s_g分别为饱和液体的焓、熵和干饱和蒸汽的焓、熵。二、4.空气视为理想气体，内能仅是温度的函数，故Δu=c_v(T_2-T_1)=0.718kJ/(kg·K)×(500-20)K=313.24kJ/kg。焓变Δh=c_p(T_2-T_1)=(c_v+R)(T_2-T_1)=(0.718+0.287)kJ/(kg·K)×(500-20)K=405.36kJ/kg。(注：此处假设空气比热容为定值，实际计算中可能需要考虑温度对比热容的影响)。5.绝热混合，系统总熵增ΔS=0。设混合后温度为T，压力为p。由质量守恒和能量守恒，混合后水的质量为m_w=1kg，空气的质量为m_a=1kg。混合前水蒸气焓为h_1，空气焓为h_2；混合后焓为h_m。由h_m=(m_wh_1+m_ah_2)/(m_w+m_a)，查表得h_1≈1645.5kJ/kg,h_2≈300.19kJ/kg。则h_m=(1×1645.5+1×300.19)/2=971.845kJ/kg。混合后为湿蒸汽，其温度即为混合温度T。查水蒸气表，根据h_m=971.845kJ/kg，找到对应的温度T≈179.9°C。混合过程绝热，系统总熵变为零，即ΔS=m_ws_w+m_as_a-(m_ws_w'+m_as_a')=0。查表得s_1≈6.7266kJ/(kg·K),s_2≈7.2899kJ/(kg·K)。设混合后湿蒸汽干度为x，则s_m=xs_2+(1-x)s_w'。混合后湿蒸汽温度为T=179.9°C，查表得s_w'=1.8320kJ/(kg·K),s_g'=7.3594kJ/(kg·K)。联立s_m=m_ws_w+m_as_a-(m_ws_w'+m_as_a')=0，即xs_g'+(1-x)s_w'=s_1+s_2-(s_w'+s_a')，代入数值解得x≈0.974。混合后压力p可由T=179.9°C及干度x=0.974查湿蒸汽表获得，p≈0.815MPa。三、6.影响传热系数K的因素：流体的性质（密度、比热容、粘度、导热系数等）、流体的流动状态（层流或湍流）、流体的对流换热方式、流体的相变情况（有无相变）、传热面的几何形状、尺寸和粗糙度、流体的流道几何形状和相对位置（如管内流动、管外流动、叉排、顺排等）、流体的物性随温度的变化、传热过程的表面状况（清洁度、结垢等）。强化传热的方法：增大传热温差、增大传热面积、提高传热系数K。具体措施如：增大流速、采用扰流元件、增加翅片、选择合适的流道布置、改善表面光洁度、利用相变传热等。削弱传热的方法：减小传热温差、减小传热面积、降低传热系数K。具体措施如：增加保温层、选用导热系数小的材料、减少表面辐射换热等。7.对流换热是指流体流过固体壁面时，由于流体与壁面之间存在温度差，导致流体内部发生宏观流动，从而发生热量传递的现象。影响因素：流体的物理性质（密度、比热容、粘度、导热系数）、流体的流态（层流或湍流）、流体与壁面的温差、流体的流动状态（强制对流或自然对流）、壁面的几何形状、尺寸和位置。判断流动状态依据雷诺数Re=pd/ν。通常Re<2300为层流，Re>10000为湍流，2300<Re<10000为过渡流。壁面热粗糙度会影响近壁面流体的流动状态和边界层厚度，从而影响对流换热的阻力。一般而言，在湍流情况下，适度的粗糙度可能增大对流换热系数；在层流情况下，粗糙度影响较小，甚至可能减小对流换热系数。四、8.导热热流密度q_δ=λ(t_1-t_2)/δ=45W/(m·K)×(500-100)°C/0.1m=18900W/m²。增加保温层后，总厚度为δ_total=δ+δ'=0.1+0.05=0.15m。设保温层外表面温度为t'_2。根据串联平壁导热，Q_1/Q_2=(δ'/λ')/(δ/λ)。由于Q_1=Aq_δ，Q_2=Aq_δ'，故q_δ'/q_δ=(δλ')/(δ'λ)。代入数值，q_δ'/18900=(0.1×25)/(0.05×45)=10/22.5=2/4.5=4/9。q_δ'=(4/9)×18900=8400W/m²。热损失减小量Δq=q_δ-q_δ'=18900-8400=10500W/m²。减小的百分比Δ(%)=(Δq/q_δ)×100%=(10500/18900)×100%≈55.56%。9.辐射换热是指物体之间通过电磁波（主要是红外线）的形式进行的热量传递，不需要介质。黑体是能完全吸收所有入射辐射能的理想化物体。黑体辐射的特点是：①单色辐射力在全波长范围内最大；②黑体的总辐射力与其绝对温度的四次方成正比（斯蒂芬-玻尔兹曼定律）；③黑体的辐射光谱分布只与温度有关（普朗克定律）。普朗克定律描述了在给定温度下，黑体辐射能量按波长分布的规律。斯蒂芬-玻尔兹曼定律描述了黑体总辐射能力与其温度的关系。五、10.燃料完全燃烧需具备：①充足的助燃剂（通常是空气中的氧气）；②足够的燃烧时间，使燃料与助燃剂充分混合接触；③良好的燃烧温度，维持燃烧过程持续进行。不完全燃烧是指燃料未能与助燃剂充分反应，导致燃烧产物中存在CO、H_2、碳黑等未燃尽物质。原因：氧气供应不足、燃烧温度过低、燃烧时间过短、燃料与空气混合不充分、燃烧设备结构不合理等。影响：降低了燃烧效率（化学能未能完全转化为热能），增加了烟气量，可能产生毒害性气体（CO），污染环境，并可能造成设备腐蚀。11.锅炉基本工作过程：燃料在燃烧室（炉膛）中燃烧产生热烟气，热量通过炉墙传递给水（水冷壁），水吸热变成饱和蒸汽（过热器进一步将饱和蒸汽加热成过热蒸汽），高温高压蒸汽经汽轮机做功，做功后的乏汽在凝汽器中凝结成水，凝结水经给水泵送回锅炉重新加热，构成一个循环。锅炉主要性能参数：①蒸发量（产汽量）；②蒸汽参数（压力、温度）；③热效率；④燃料消耗量。影响锅炉热效率的主要因素：①锅炉本身的制造水平，如受热面吸热效率、炉墙保温性能等；②燃料特性；③燃烧过程组织是否良好；④汽水循环是否正常；⑤各个热力过程的完善程度（如给水温度、排烟温度、蒸汽过热度等）。六、12.朗肯循环由等压膨胀（在汽轮机中）、绝热膨胀（在汽轮机中）、等压冷凝（在凝汽器中）、绝热压缩（在给水泵中）四个过程组成。根据题意，进入汽轮机的蒸汽为3.5MPa、450°C的过热蒸汽，查表得h_1=3394.3kJ/kg,s_1=6.6865kJ/(kg·K)。绝热膨胀至干饱和蒸汽，s_2=s_1=6.6865kJ/(kg·K)。查3.5MPa的湿蒸汽表，得x_2=(s_2-s_f')/(s_g'-s_f')=(6.6865-1.6717)/(7.7693-1.6717)≈0.759，p_2=3.5MPa。干饱和蒸汽焓h_g'=2784.3kJ/kg。由能量方程W_t=h_1-h_2=3394.3-2784.3=610kJ/kg。循环净功W_0=W_t+W_p=610+v(T_2'-T_1')。查表得饱和压力3.5MPa对应的饱和温度T_2'=175.43°C，饱和液体的比容v_f'=0.001157m³/kg。给水泵功W_p=v_f'(p_1-p_2)=0.001157×(10+3.5)=0.015kJ/kg(假设凝结水压力为10kPa)。循环净功W_0≈610+0.015=610.015kJ/kg。理论循环效率η_t=W_0/Q_H=W_0/(h_1-h_1')=610.015/(3394.3-504.7)=610.015/2889.6≈0.2112=21.12%。13.离心式压缩机利用高速旋转的叶轮对气体做功，使气体获得能量，压力升高。基本工作原理：气体被吸入叶轮中心，随叶轮高速旋转，在离心力作用下被甩向外缘，压力升高，然后沿扩压器流道进一步扩压，能量进一步转换为压力能。优点：流量范围广，可连续调节；结构简单，无易损件；运行可靠，维护方便；可自吸；可制造大型机组；启动方便。缺点：效率通常低于往复式压缩机（尤其在小流量时）；所需启动功率较大；存在喘振现象（当流量过小时）；结构较复杂，成本较高；气体压力提高有限（受结构限制）。七、14.分