工程热力学与传热学试卷及答案

工程热力学与传热学试卷及答案1.单项选择题（每题2分，共20分）1.1理想气体经历一等温膨胀过程，其技术功wt与膨胀功w的关系为A.wt=w  B.wt>w  C.wt<w  D.无法确定答案：A1.2水蒸气在汽轮机内绝热膨胀，若忽略动能、位能变化，其出口干度x2下降，则表明A.汽轮机相对内效率升高  B.汽轮机相对内效率降低C.汽轮机相对内效率不变  D.与效率无关答案：B1.3对闭口系统，下列哪一项不是状态参数A.温度  B.热量  C.压力  D.比容答案：B1.4在相同进口参数及背压下，提高朗肯循环初温t1，则循环热效率ηt与排汽干度x2分别A.ηt↑，x2↑  B.ηt↑，x2↓  C.ηt↓，x2↑  D.ηt↓，x2↓答案：A1.5一维稳态导热微分方程d²t/dx²=0的适用条件是A.常物性、无内热源  B.常物性、有内热源C.变物性、无内热源  D.变物性、有内热源答案：A1.6Biot数Bi→0时，固体内部温度梯度可忽略，此时可采用A.集总参数法  B.分离变量法  C.有限差分法  D.积分法答案：A1.7黑体辐射力Eb与绝对温度T的关系为A.Eb∝T  B.Eb∝T²  C.Eb∝T³  D.Eb∝T⁴答案：D1.8逆流式换热器的对数平均温差Δtm在相同进出口温度下A.大于顺流  B.等于顺流  C.小于顺流  D.与顺流无关答案：A1.9对理想气体，定熵指数k等于A.cp/cv  B.cv/cp  C.cpcv  D.cp+cv答案：A1.10在蒸气压缩制冷循环中，若蒸发温度不变而冷凝温度升高，则制冷系数COPA.增大  B.减小  C.不变  D.先增后减答案：B2.多项选择题（每题3分，共15分；多选少选均不得分）2.1下列措施可提高朗肯循环热效率的有A.提高初压  B.提高初温  C.降低背压  D.采用再热答案：ABCD2.2关于Grashof数Gr，正确的有A.表征自然对流浮升力与粘性力之比B.与特征长度三次方成正比C.与温差成正比D.与流体密度成反比答案：ABC2.3下列属于提高凝结传热强度的措施A.形成珠状凝结  B.降低不凝性气体含量C.增加表面粗糙度  D.采用纵向沟槽管答案：ABD2.4对理想混合气体，下列正确的是A.分压定律成立  B.分容积定律成立C.内能等于各组元内能之和  D.熵等于各组元熵之和答案：ABCD2.5关于热辐射，正确的有A.黑体吸收比等于1  B.灰体发射率与波长无关C.实际物体发射率小于1  D.辐射换热不需介质答案：ABCD3.填空题（每空2分，共20分）3.1卡诺循环热效率只与________和________有关。答案：高温热源温度、低温热源温度3.2水在100℃、1atm下的汽化潜热约为________kJ/kg。答案：22573.3一维稳态导热热流量Q=________，其中A为面积，Δt为温差，δ为厚度。答案：λAΔt/δ3.4雷诺数Re=________，其物理意义为________。答案：ρuL/μ，惯性力与粘性力之比3.5普朗克定律揭示了黑体________按________的分布规律。答案：单色辐射力、波长3.6对数平均温差Δtm=________。答案：(ΔtmaxΔtmin)/ln(Δtmax/Δtmin)3.7蒸气压缩制冷循环四大件为________、________、________、________。答案：蒸发器、压缩机、冷凝器、节流阀3.8理想气体绝热过程方程为________。答案：pv^k=常数3.9比湿度d定义为________与________之比。答案：水蒸气质量、干空气质量3.10临界热绝缘直径dc=________。答案：2λ/h4.判断改错题（每题2分，共10分；先判对错，若错则改正）4.1热量是状态参数。答案：错；热量是过程量。4.2对理想气体，cpcv=R。答案：对。4.3自然对流换热系数随特征长度增大而增大。答案：错；自然对流h随L增大而减小。4.4黑体辐射力与方向无关。答案：对。4.5再热循环一定可以提高循环热效率并降低排汽干度。答案：错；再热可提高ηt并提高x2。5.简答题（每题6分，共30分）5.1简述提高火用效率的三种工程措施并说明理由。答案：①提高初参数（温度、压力）以增加工质火用；②减少不可逆损失如温差传热、摩擦、节流；③采用回热、再热、联合循环等多级能量梯级利用方式。5.2写出傅里叶定律的一般矢量形式并解释各项物理意义。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。5.3说明珠状凝结比膜状凝结传热强度高的原因。答案：珠状凝结液滴表面张力大，液滴脱落快，液膜薄且不断更新，热阻小；膜状凝结形成连续液膜，热阻大。5.4画出蒸气压缩制冷循环的lgph图并标出各状态点。答案：1→2：等熵压缩；2→3：等压冷凝；3→4：等焓节流；4→1：等压蒸发。5.5简述临界热绝缘直径的物理意义及工程应用。答案：当绝缘层外径等于dc时，导热热阻与对流热阻相等，总热阻最小，散热量最大；工程上应使绝缘外径大于dc才能起到保温作用，用于管道保温设计。6.计算题（共55分）6.1某理想气体（R=0.287kJ/(kg·K)，k=1.4）在闭口系统中由p1=0.1MPa、t1=27℃经定熵压缩到p2=0.8MPa。求：①终温t2；②单位质量压缩功；③若质量为2kg，求内能变化。（10分）答案：①T2=T1(p2/p1)^((k1)/k)=300×8^(0.286)=543.4K⇒t2=270.4℃②w=k/(k1)R(T1T2)=3.5×0.287×(300543.4)=244.3kJ/kg③ΔU=mcvΔT=2×0.717×(543.4300)=349.1kJ6.2一台汽轮机入口蒸汽h1=3450kJ/kg、s1=6.80kJ/(kg·K)，出口压力p2=0.01MPa，相对内效率ηri=0.85。求：①理想出口干度x2s；②实际出口焓h2a；③每千克蒸汽做功wi。（10分）答案：①s2s=s1=6.80，0.01MPa下sf=0.649，sg=8.150⇒x2s=(6.800.649)/(8.1500.649)=0.820②h2s=191.8+0.820×2392.8=2153.9kJ/kgh2a=h1ηri(h1h2s)=34500.85×(34502153.9)=2348.3kJ/kg③wi=h1h2a=1101.7kJ/kg6.3一平板稳态导热，厚δ=0.2m，导热系数λ=0.6W/(m·K)，一侧维持t1=200℃，另一侧与流体对流换热，h=20W/(m²·K)、tf=30℃。求：①热流密度q；②壁面温度t2。（8分）答案：①q=(t1tf)/(δ/λ+1/h)=170/(0.333+0.05)=443.3W/m²②t2=t1qδ/λ=200443.3×0.333=52.2℃6.4一水平管外径50mm，表面温度120℃，空气温度20℃，求单位管长自然对流散热。已知：Gr=1.2×10⁶，Pr=0.70，λ=0.03W/(m·K)，c=0.53，n=0.25。（8分）答案：Nu=c(GrPr)^n=0.53×(1.2×10⁶×0.7)^0.25=19.2h=Nuλ/d=19.2×0.03/0.05=11.52W/(m²·K)q=hπdΔt=11.52×π×0.05×100=181.0W/m6.5一逆流套管换热器，油侧：qm1=2kg/s，cp1=2.1kJ/(kg·K)，t1′=150℃，t1″=80℃；水侧：t2′=20℃，t2″=60℃。求：①换热量Q；②所需传热面积A，已知k=400W/(m²·K)。（9分）答案：①Q=qm1cp1(t1′t1″)=2×2.1×70=294kW②Δt1=15060=90℃，Δt2=8020=60℃Δtm=(9060)/ln(90/60)=74.1℃A=Q/(kΔtm)=294000/(400×74.1)=9.92m²6.6某辐射换热系统，两无限大平行灰板，发射率ε1=0.8，ε2=0.5，板1温度T1=800K，板2温度T2=500K，求单位面积净辐射换热量q12。（10分）答案：q12=σ(T1⁴T2⁴)/(1/ε1+1/ε21)=5.67×10⁻⁸×(800⁴500⁴)/(1.25+21)=5.67×10⁻⁸×(4.096×10¹¹6.25×10¹⁰)/2.25=8.72kW/m²7.综合分析题（共30分）7.1某电厂采用回热循环，抽汽压力1MPa，给水温度从150℃升至200℃，抽汽量为总汽量20%，忽略泵功。已知主蒸汽h1=3400kJ/kg，抽汽h2=3000kJ/kg，饱和水h3=762kJ/kg，排汽h4=2200kJ/kg。求：①循环热效率；②与无回热相比效率提高幅度；③画出Ts示意图并标出各状态。（15分）答案：①回热加热量q=h2h3=3000762=2238kJ/kg给水吸热=0.2×2238=447.6kJ/kg锅炉吸热qB=(h1h3)447.6=3400762447.6=2190.4kJ/kg汽轮机做功wT=(h1h2)+0.8(h2h4)=(34003000)+0.8×800=400+640=1040kJ/kgηt=wT/qB=1040/2190.4=47.5%②无回热：qB′=h1h3=2638kJ/kg，wT′=h1h4=1200kJ/kg，ηt′=1200/2638=45.5%提高Δη=2.0%③图略：1→2抽汽，2→3给水加热，3→1锅炉，4→5冷凝，5→6泵。7.2一台新型微通道换热器用于CPU冷却，通道当量直径0.5mm，水速2m/s，壁温恒定为60℃，进水温度30℃，出水温度50℃。已知：ρ=1000kg/m³，cp=4.18kJ/(kg·K)，μ=7×10⁻⁴Pa·s，λ=0.6W/(m·K)，Pr=4.8。求：①判断流态；②计算单通道换热系数h；③若芯片热流密度为100W/cm²，求所需微通道数目N。（15分）答案：①Re=ρud/μ=1000×2×0.0005/7×10⁻⁴