《工程热力学与传热学》试题及答案

《工程热力学与传热学》试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分。每题只有一个正确答案，请将正确选项字母填入括号内）1.理想气体在定压过程中吸收热量Q，若其比热容比为k，则对外做功W与Q的比值为（）A.1/k  B.(k1)/k  C.k/(k1)  D.1/(k1)答案：B2.水蒸气在汽轮机内绝热膨胀，若忽略动能、位能变化，其焓降全部转化为轴功，该过程在hs图上表现为（）A.垂直向上  B.垂直向下  C.水平向右  D.水平向左答案：B3.一维稳态导热微分方程d²t/dx²=0的通解为线性分布，其适用条件为（）A.常物性、无内热源  B.变物性、有内热源  C.常物性、有内热源  D.变物性、无内热源答案：A4.卡诺循环效率仅与高温热源温度T₁、低温热源温度T₂有关，若T₁升高ΔT，T₂降低ΔT，则效率η的变化趋势为（）A.增大  B.减小  C.不变  D.无法确定答案：A5.在相同雷诺数下，管内湍流强制对流换热的努塞尔数Nu随普朗特数Pr增大而（）A.减小  B.增大  C.先增后减  D.与Pr无关答案：B6.对闭口系统，下列哪一项不是状态量（）A.热力学能U  B.焓H  C.热量Q  D.熵S答案：C7.临界热绝缘直径d_c的物理意义是（）A.使导热热阻最小的外径  B.使总热阻最小的外径  C.使对流热阻最小的外径  D.使辐射热阻最小的外径答案：B8.理想气体绝热自由膨胀后，若忽略动能、位能变化，则（）A.温度升高  B.温度降低  C.温度不变  D.熵减少答案：C9.黑体辐射力E_b与绝对温度T的关系为（）A.T²  B.T³  C.T⁴  D.T⁵答案：C10.湿空气相对湿度φ=50%，若总压不变，温度升高，则含湿量d（）A.增大  B.减小  C.不变  D.先增后减答案：A二、多项选择题（每题3分，共15分。每题有两个或两个以上正确答案，请将所有正确选项字母填入括号内，漏选、错选均不得分）11.下列措施可明显提高蒸汽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.再热  E.回热答案：ABCDE12.关于边界层，下列说法正确的有（）A.速度边界层厚度δ随x增大而增大  B.热边界层厚度δ_t与Pr有关  C.当Pr=1时δ=δ_t  D.湍流边界层内仍保持层流底层  E.边界层外缘速度等于主流速度答案：ABCDE13.下列属于提高凝结换热强度的措施有（）A.降低不凝性气体含量  B.采用珠状凝结促进剂  C.增加壁面过冷度  D.采用低肋管  E.提高蒸汽流速答案：ABDE14.理想气体在多变过程中满足pVⁿ=常数，下列说法正确的有（）A.n=0为定压过程  B.n=1为定温过程  C.n=k为绝热过程  D.n→∞为定容过程  E.技术功w_t=n/(n1)(p₂v₂p₁v₁)答案：ABCDE15.关于灰体，下列说法正确的有（）A.光谱吸收比与波长无关  B.发射率等于吸收比  C.辐射力与T⁴成正比  D.满足基尔霍夫定律  E.黑体是灰体的特例答案：ABCDE三、填空题（每空2分，共20分）16.理想气体定容比热c_v与定压比热c_p满足关系：c_pc_v=________，比热比k=________。答案：R_g；c_p/c_v17.水在1atm、100℃时汽化潜热r=2257kJ/kg，则1kg水汽化对外做功W=________kJ，热力学能增量Δu=________kJ。答案：172；208518.一维steadystate导热圆筒壁，内外径分别为r₁、r₂，导热系数λ为常数，内外壁温t₁、t₂，则单位长度热流密度q_L=________，热阻R_L=________。答案：2πλ(t₁t₂)/ln(r₂/r₁)；ln(r₂/r₁)/(2πλ)19.雷诺比拟式St·Pr^(2/3)=________，其中St为________数。答案：Cf/2；斯坦顿20.对逆流换热器，效能ε的定义式为________，NTU=________。答案：(t₁′t₁″)/(t₁′t₂′)；UA/C_min四、简答题（每题8分，共24分）21.封闭气缸内0.5kg空气，初态p₁=0.2MPa、T₁=300K，经可逆绝热压缩至p₂=1.0MPa。已知空气k=1.4，R_g=0.287kJ/(kg·K)。求终温T₂、耗功W及熵变ΔS。答案：T₂=T₁(p₂/p₁)^((k1)/k)=300×(5)^(0.286)=475KW=mR_g(T₁T₂)/(k1)=0.5×0.287×(300475)/0.4=63.1kJΔS=0（可逆绝热）22.简述“临界热绝缘直径”概念，并给出圆管外包绝缘层时总热阻最小的外径d_c表达式，说明其工程意义。答案：当圆管外包绝缘层时，导热热阻随外径增大而增大，但对流热阻随外径增大而减小，二者之和存在极小值，对应外径称为临界热绝缘直径d_c=2λ/h。若绝缘层外径小于d_c，增加厚度反而使总热阻减小，导致热损失增大；反之则热阻增大，保温效果增强。工程上应确保绝缘层外径大于d_c，避免“保温反散热”现象。23.为什么蒸汽动力循环采用再热后能提高热效率？结合Ts图说明再热对干度的影响。答案：再热将高压缸排汽引回锅炉再热器加热后返回中低压缸继续做功。Ts图上，再热使膨胀线右移，平均吸热温度升高，循环吸热过程更接近高温热源，从而提高热效率。同时，蒸汽在低压缸入口焓值增大，膨胀终点干度显著提高，避免汽轮机末级叶片受水滴侵蚀，提高安全性。五、计算与分析题（共41分）24.某蒸汽朗肯循环，初参数p₁=10MPa、t₁=550℃，背压p₂=5kPa。汽轮机相对内效率η_T=0.85，泵效率η_P=0.75，忽略泵功时循环净功w_net=1200kJ/kg。查表得：h₁=3500kJ/kg，s₁=6.755kJ/(kg·K)；p₂下饱和液h₃=137.8kJ/kg，饱和汽h_g=2561kJ/kg，s_g=8.395kJ/(kg·K)。求：(1)汽轮机实际出口干度x₂；(2)循环热效率η_t；(3)若采用一级抽汽回热，抽汽压力0.5MPa，抽汽焓h₀=2900kJ/kg，给水焓h₄=640kJ/kg，求回热后循环效率η_R。（15分）答案：(1)理想膨胀s₂=s₁=6.755，x₂s=(6.7550.476)/7.919=0.792h₂s=137.8+0.792×2423=2056kJ/kg实际h₂=h₁η_T(h₁h₂s)=35000.85×444=3122kJ/kgx₂=(3122137.8)/2423=1.232＞1，已过热，需重新计算：查过热区表，p₂=5kPa、s=6.755时h₂s=2056仍适用，故x₂=1.232提示已过热，实际取x₂=1.0，出口为饱和汽，h₂=2561kJ/kg修正：实际h₂=35000.85×(35002561)=2702kJ/kgx₂=(2702137.8)/2423=1.058，仍过热，故出口为过热蒸汽，干度概念不适用，直接取h₂=2702kJ/kg(2)忽略泵功，q_in=h₁h₃=3362kJ/kgw_net=1200kJ/kgη_t=1200/3362=35.7%(3)回热循环：抽汽率α=(h₄h₃)/(h₀h₃)=(640137.8)/(2900137.8)=0.182q_in=h₁h₄=2860kJ/kgw_T=(h₁h₀)+(1α)(h₀h₂)=600+0.818×198=762kJ/kgw_net≈w_T=762kJ/kgη_R=762/2860=26.6%（比原循环低，因抽汽压力选择偏低，实际应优化）25.外径50mm、壁温120℃的水平钢管置于20℃空气中，黑度ε=0.8。求单位长度自然对流与辐射散热总量。已知空气物性：λ=0.029W/(m·K)、ν=2.19×10⁻⁵m²/s、Pr=0.7、β=1/343K⁻¹。用竖圆柱近似，Nu_D=0.53(Gr_DPr)^(1/4)。（13分）答案：Gr_D=gβΔTD³/ν²=9.81×(1/343)×100×0.05³/(2.19×10⁻⁵)²=7.5×10⁵Gr_DPr=5.25×10⁵Nu_D=0.53×(5.25×10⁵)^(1/4)=13.3h_c=Nu_Dλ/D=13.3×0.029/0.05=7.7W/(m²·K)Φ_c=h_cπDΔT=7.7×π×0.05×100=121W/mΦ_r=εσπD(T_w⁴T_∞⁴)=0.8×5.67×10⁻⁸×π×0.05×(393⁴293⁴)=198W/mΦ_total=121+198=319W/m26.一逆流套管换热器，油侧c_p=2.1kJ/(kg·K)、流量0.8kg/s，入口100℃；水侧c_p=4.2kJ/(kg·K)、流量1.2kg/s、入口20℃。要求油出口温度≤60℃。若总传热系数K=350W/(m²·K)，求：(1)所需换热面积A；(2)若采用24型壳管式，修正系数F=0.9，面积增加百分比。（13分）答案：(1)热平衡：Q=m_oc_p,oΔT_o=0.8×2.1×40=67.2kW水出口t₂″=t₂′+Q/(m_wc_p,w)=20+67.2