2025年大学热工考试题及答案解析

2025年大学热工考试题及答案解析1.单项选择题（每题2分，共20分）1.1在理想气体状态方程pV=mRT中，R的物理意义是A.气体常数，与气体种类无关B.通用气体常数，与气体种类无关C.比气体常数，与气体种类有关D.摩尔气体常数，与气体种类有关答案：C解析：R=Rm/M，Rm为通用气体常数，M为摩尔质量，故R与气体种类有关。1.2水蒸气在定压加热过程中，干度x由0.5升高到0.9，其比焓变化Δh的正确表达式为A.Δh=hf+x·hfgB.Δh=hfg·ΔxC.Δh=hf+Δx·hfgD.Δh=Δx·hfg答案：D解析：h=hf+x·hfg，故Δh=(x2−x1)hfg=Δx·hfg。1.3卡诺热机效率ηC=0.6，若低温热源温度T2=300K，则高温热源温度T1为A.500KB.600KC.750KD.800K答案：C解析：ηC=1−T2/T1⇒T1=T2/(1−ηC)=300/0.4=750K。1.4对闭口系统，下列哪项不是热力学第一定律的表达式A.Q−W=ΔUB.δQ=δW+dUC.Q=ΔH+WD.Q−W=ΔEk+ΔEp+ΔU答案：C解析：C项为稳流能量方程形式，不适用于闭口系统。1.5空气在喷管中作等熵膨胀，若入口马赫数Ma1=0.3，则出口马赫数Ma2A.一定大于1B.一定小于1C.可能大于1也可能小于1D.一定等于1答案：A解析：收缩—扩张喷管在足够大压比下可使气流在扩张段达到超音速。1.6对于理想回热燃气轮机循环，回热度σ=0.8，若压比升高，则循环热效率A.单调升高B.单调降低C.先升高后降低D.先降低后升高答案：A解析：回热循环中，压比升高使排气温度下降，回热效果减弱，但压比本身对效率的正效应占主导，故效率仍升高。1.7水在100°C、1atm下处于A.过冷液B.饱和液C.饱和汽D.临界点答案：B解析：100°C为1atm下饱和温度，故为饱和液或饱和汽，选项仅B、C，题干未给干度，默认饱和液。1.8在湿空气焓湿图上，沿等含湿量线向右移动，则A.温度升高，相对湿度降低B.温度升高，相对湿度升高C.温度降低，相对湿度降低D.温度降低，相对湿度升高答案：A解析：等d线向右，h增加，t增加，φ下降。1.9对逆流式换热器，若热流体热容量率Ch=2kW/K，冷流体Cc=3kW/K，则热容量比Cmin/Cmax为A.1/3B.2/3C.1/2D.3/2答案：B解析：Cmin=Ch=2，Cmax=Cc=3，故2/3。1.10黑体辐射力Eb与温度T的关系为A.Eb∝TB.Eb∝T²C.Eb∝T⁴D.Eb∝T⁵答案：C解析：斯特藩—玻尔兹曼定律Eb=σT⁴。2.多项选择题（每题3分，共15分，多选少选均不得分）2.1下列哪些措施可提高朗肯循环热效率A.提高初压B.提高初温C.降低背压D.增加再热次数E.增加给水泵功答案：ABCD解析：E项增加泵功降低净功，不利于效率。2.2关于熵的性质，正确的是A.熵是状态参数B.可逆绝热过程熵变为零C.不可逆绝热过程熵产大于零D.熵流可以小于零E.孤立系统熵永不减少答案：ABCDE解析：均为熵基本性质。2.3影响膜状凝结换热系数的因素有A.蒸汽流速B.不凝性气体含量C.壁面过热度D.凝结液物性E.重力加速度答案：ABCDE解析：均显著影响液膜厚度与热阻。2.4下列属于稳态导热问题边界条件的有A.第一类边界条件B.第二类边界条件C.第三类边界条件D.初始条件E.对称边界条件答案：ABCE解析：D为非稳态所需。2.5关于燃气轮机叶片冷却，正确的是A.内部对流冷却降低金属温度B.气膜冷却形成低温隔热层C.冲击冷却增强局部换热D.冷却空气取自压气机末级E.冷却效果与吹风比正相关答案：ABCE解析：冷却空气通常取自压气机中间级，末级压力过高。3.填空题（每空2分，共20分）3.1理想气体绝热指数k=cp/cv，对于空气（视为双原子气体）其近似值为________。答案：1.4解析：双原子气体k≈7/5=1.4。3.2水在200°C时的汽化潜热r=________kJ/kg（查表保留整数）。答案：1941解析：饱和水200°C，r=hfg=1941kJ/kg。3.3某黑体表面温度由27°C升高到327°C，其辐射力增大为原来的________倍。答案：16解析：T1=300K，T2=600K，Eb2/Eb1=(600/300)⁴=16。3.4一维稳态导热，导热系数λ=50W/(m·K)，厚度δ=0.02m，温差ΔT=100°C，则热流密度q=________kW/m²。答案：250解析：q=λΔT/δ=50×100/0.02=250000W/m²=250kW/m²。3.5某蒸汽动力厂采用再热，再热前压力10MPa、温度550°C，再热后温度550°C，再热压力为2MPa，则再热循环使排气干度________（升高/降低）。答案：升高解析：再热主要目的为提高排汽干度。3.6湿空气温度30°C，露点温度20°C，则其含湿量d≈________g/kg(a)（保留一位小数）。答案：14.9解析：查20°C饱和水蒸气压力ps=2.339kPa，d=0.622ps/(p−ps)=0.622×2.339/(101.3−2.339)=0.0149kg/kg=14.9g/kg。3.7某逆流换热器传热单元数NTU=2，热容量比Cr=0.5，则效能ε=________（保留两位小数）。答案：0.80解析：ε=[1−e^(−NTU(1−Cr))]/[1−Cre^(−NTU(1−Cr))]=0.80。3.8理想气体在喷管中作等熵流动，临界压力比βc=(2/(k+1))^(k/(k−1))，对于空气βc≈________（保留三位小数）。答案：0.528解析：k=1.4，βc=(2/2.4)^(1.4/0.4)=0.528。3.9某制冷循环采用R134a，蒸发温度−20°C，冷凝温度40°C，理论COP=________（按逆卡诺循环计算，保留一位小数）。答案：4.2解析：COP=Tc/(Th−Tc)=253/(313−253)=4.22≈4.2。3.10一平板稳态导热，内热源Φ=1×10⁶W/m³，壁厚L=0.1m，两侧绝热，则中心温度比表面温度高________°C（导热系数λ=20W/(m·K)）。答案：6.25解析：ΔT=ΦL²/(8λ)=1×10⁶×0.01/(8×20)=62.5K。4.简答题（共25分）4.1（封闭型，5分）写出稳态、一维、常物性、有内热源Φ的导热微分方程，并给出边界条件类型名称。答案：d²T/dx²+Φ/λ=0；边界条件：第一类（给定温度）、第二类（给定热流）、第三类（对流换热）。4.2（开放型，6分）解释“回热”在燃气轮机循环与朗肯循环中的异同。答案：相同点：均利用出口流体热量预热入口流体，减少外部热量加入，提高平均吸热温度，从而提高热效率。不同点：燃气轮机回热在排气与压气机出口空气间进行，气体比热小，温差大，需高温回热器；朗肯循环在给水泵出口水与汽轮机排汽间进行，相变潜热大，采用表面式回热器，分级抽汽，回热器为混合式或表面式，压力匹配复杂。4.3（封闭型，5分）写出傅里叶定律矢量形式，并说明各符号含义。答案：q=−λ∇T；q为热流密度矢量，λ为导热系数，∇T为温度梯度，负号表示热流指向温度降低方向。4.4（开放型，9分）某锅炉运行中发现再热器出口汽温偏低，请从运行调整角度提出三种可行措施并说明理由。答案：1.提高再热器入口烟温：增加炉膛火焰中心高度或降低过量空气系数，使烟气温度升高，增强辐射换热；2.减少再热器受热面沾灰：吹灰强化，降低热阻，提高吸热量；3.调整烟气挡板开度：使更多高温烟气流经再热器侧，提高对流传热温差。三者均可直接提高再热器吸热量，从而升高出口汽温。5.计算题（共60分）5.1（朗肯循环，15分）某蒸汽动力装置按理想朗肯循环运行，初参数p1=10MPa、t1=550°C，背压p2=5kPa，忽略泵功。求：(1)汽轮机出口干度x2；(2)循环热效率ηt；(3)若采用一级抽汽回热，抽汽压力0.5MPa，回热器为混合式，求新的热效率ηt,reg。已知：10MPa、550°C时h1=3500kJ/kg，s1=6.755kJ/(kg·K)；5kPa时hf=137.8kJ/kg，hfg=2423kJ/kg，sf=0.476kJ/(kg·K)，sfg=7.918kJ/(kg·K)；0.5MPa时hf=640.2kJ/kg，hfg=2108kJ/kg。答案与解析：(1)s2=s1=6.755=sf+x2sfg⇒x2=(6.755−0.476)/7.918=0.793h2=hf+x2hfg=137.8+0.793×2423=2059kJ/kg(2)ηt=(h1−h2)/(h1−hf)=(3500−2059)/(3500−137.8)=0.428(3)设抽汽份额α，混合回热器能量平衡：αh2,0.5+(1−α)hf,5=hf,0.5先求h2,0.5：s2,0.5=s1=6.755，0.5MPa饱和汽sfg=4.961，sf=1.861，x=(6.755−1.861)/4.961=0.987h2,0.5=640.2+0.987×2108=2721kJ/kg代入：α×2721+(1−α)×137.8=640.2⇒α=0.193ηt,reg=[(h1−h2,0.5)+(1−α)(h2,0.5−h2)]/(h1−hf,0.5)=0.4565.2（燃气轮机，15分）某理想回热燃气轮机循环，压比π=8，初温T1=300K，最高温度T3=1200K，回热度σ=0.8，k=1.4，cp=1.005kJ/(kg·K)。求：(1)无回热时热效率η0；(2)有回热时热效率ηreg；(3)若压气机等熵效率ηc=0.86，涡轮等熵效率ηt=0.88，求实际回热循环效率ηact。答案：(1)η0=1−1/π^((k−1)/k)=1−1/8^0.286=0.448(2)理想回热：T4=T3/π^((k−1)/k)=1200/8^0.286=666K，T2=T1π^((k−1)/k)=300×8^0.286=543Kσ=(Tx−T2)/(T4−T2)=0.8⇒Tx=0.8×(666−543)+543=641Kηreg=1−(Tx−T1)/(T3−T2)=1−(641−300)/(1200−543)=0.648(3)实际：T2s=543K，T2′=T1+(T2s−T1)/ηc=300+(543−300)/0.86=582KT4s=666K，T4′=T3−ηt(T3−T4s)=1200−0.88(1200−666)=730Kσ=0.8=(Tx′−T2′)/(T4′−T2′)⇒Tx′=0.8(730−582)+582=700Kηact=[(T3−T4′)−(T2′−T1)]/(T3−Tx′)=0.5125.3（传热，15分）一外径50mm的水平蒸汽管，外表面温度200°C，环境温度20°C，发射率ε=0.8，求单位管长热损失qL（W/m）。已知空气物性：λ=0.032W/(m·K)，ν=2.5×10⁻⁵m²/s，Pr=0.7，重力加速度g=9.81m/s²，体积膨胀系数β=1/Tf，Tf=(200+20)/2=383K。答案：Gr=gβΔTd³/ν²=9.81×(1/383)×180×0.05³/(2.5×10⁻⁵)²=1.84×10⁶Ra=Gr·Pr=1.29×10⁶Nu={0.60+[0.387Ra^(1/6)]/[1+(0.559/Pr)^(9/16)]^(8/27)}²=13.4h=Nuλ/d=13.4×0.032/0.05=8.58W/(m²·K)qc=hπdΔT=8.58×π×0.05×180=243W/mqr=εσπd(Ts⁴−T∞⁴)=0.8×5.67e−8×π×0.05×(473⁴