关键工程热力学与传热学试题及答案

关键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）1.在理想气体可逆绝热膨胀过程中，若比热容比k=1.4，则技术功与膨胀功之比为A.1.0  B.1.4  C.0.4  D.0.714答案：B2.水在1MPa、200℃下被定压加热至干度x=0.9，其比焓约为A.2520kJ/kg  B.2770kJ/kg  C.2827kJ/kg  D.3060kJ/kg答案：C3.对稳态稳流系统，下列哪项始终为零A.系统质量变化率  B.系统熵产  C.系统总能量变化率  D.系统技术功答案：A4.一维导热微分方程∂²T/∂x²=0的通解为直线，其物理含义是A.导热系数随温度线性变化  B.无内热源稳态导热  C.非稳态导热  D.对流换热为零答案：B5.临界热绝缘直径dc=2λ/h中，λ与h分别指A.管材导热系数、管外对流换热系数  B.保温层导热系数、保温层外对流换热系数  C.管内流体导热系数、管内对流换热系数  D.管材导热系数、辐射换热系数答案：B6.卡诺热泵工作在300K与330K之间，其供热系数COP′为A.0.1  B.1.1  C.10  D.11答案：D7.在湿空气焓湿图上，等相对湿度线φ=100%与等干球温度线t=10℃交点状态为A.干空气  B.饱和湿空气  C.过热水蒸气  D.未饱和湿空气答案：B8.对灰体表面，有效辐射J与本身辐射Eb的关系为A.J=εEb  B.J=Eb−(1−ε)G  C.J=εEb+(1−ε)G  D.J=Eb/ε答案：C9.某逆流换热器热容量比Cmin/Cmax=0.5，NTU=2，则效能ε约为A.0.5  B.0.63  C.0.75  D.0.86答案：D10.在朗肯循环中提高初压而保持初温不变，主要带来的负面效应是A.汽轮机排汽干度下降  B.锅炉排烟损失增大  C.凝汽器真空下降  D.给水泵耗功下降答案：A二、多项选择题（每题3分，共15分，多选少选均不得分）11.下列哪些措施可同时提高燃气轮机简单循环热效率A.提高压气机压比  B.提高透平进口温度  C.回热  D.中间冷却  E.再热答案：A、B、C、D、E12.关于黑体辐射，正确的有A.黑体吸收比等于1  B.黑体辐射力与热力学温度四次方成正比  C.黑体辐射光谱仅与波长有关  D.维恩位移定律描述峰值波长与温度关系  E.斯忒藩玻尔兹曼常数与普朗克常数无关答案：A、B、D13.下列属于稳态导热问题边界条件的有A.第一类：给定边界温度  B.第二类：给定边界热流密度  C.第三类：对流换热条件  D.第四类：接触热阻条件  E.第五类：辐射换热条件答案：A、B、C、D14.关于沸腾危机，正确的有A.临界热流密度与液体物性有关  B.膜态沸腾换热强度低于核态沸腾  C.表面粗糙度提高可降低临界热流密度  D.过冷度增大可提高临界热流密度  E.重力场强弱对临界热流密度无影响答案：A、B、D15.下列参数中，可直接由水蒸气表查得的有A.饱和温度  B.饱和压力  C.干度  D.过冷水比容  E.过热蒸汽熵答案：A、B、D、E三、填空题（每空2分，共20分）16.理想气体绝热指数k=cp/cv，对于空气可近似取________。答案：1.417.水三相点温度为________K。答案：273.1618.傅里叶定律在一维直角坐标下的表达式为________。答案：q=−λdT/dx19.普朗克定律给出黑体光谱辐射力Ebλ与波长λ、温度T的关系，其公式为Ebλ=________。答案：c1λ⁻⁵/[exp(c2/λT)−1]20.对于无限大平壁稳态导热，两侧温度分别为T1、T2，壁厚δ，导热系数λ，其热流密度q=________。答案：λ(T1−T2)/δ21.一维非稳态导热无内热源常物性导热微分方程为________。答案：∂T/∂τ=a∂²T/∂x²22.临界雷诺数Rec=________通常作为管内强制对流层流向湍流转变的判据。答案：230023.自然对流换热中，格拉晓夫数Gr=________。答案：gβΔTL³/ν²24.换热器有效度ε定义式为________。答案：ε=(实际传热量)/(最大可能传热量)25.卡诺定理指出，所有工作于两个恒温热源间的热机，以________热机效率最高。答案：可逆四、简答题（每题8分，共32分）26.简述热力学第二定律的两种经典表述，并说明其等价性。答案：克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传向高温物体而不引起其他变化。开尔文普朗克表述：不可能制造只从单一热源吸热并全部转化为功而不引起其他变化的循环发动机。等价性证明：若违反任一表述，则可构造违反另一表述的装置，例如反克劳修斯机与热机联合可构成单热源做功机，违反开尔文表述；反之亦然。27.解释“临界热绝缘直径”概念，并给出圆管保温层外表面散热热流密度随保温层外径变化的极值条件。答案：当圆管外包保温层时，导热热阻随外径增加而增大，但对流换热热阻随外径增加而减小，总热阻存在极小值，对应散热热流密度最大，此外径称为临界热绝缘直径dc=2λ/h。当保温层外径小于dc时，增加保温层厚度反而使散热增强；大于dc后，增加厚度才起到保温作用。28.写出毕渥数Bi与努塞尔数Nu的定义式，并比较其物理意义。答案：Bi=hl/λs，其中λs为固体导热系数，表征固体内部导热热阻与表面对流热阻之比，用于非稳态导热分析；Nu=hl/λf，其中λf为流体导热系数，表征对流换热强度与纯导热强度之比，用于对流换热计算。二者比值对象不同，Bi针对固体，Nu针对流体边界层。29.为什么实际燃气轮机循环需采用“回热”措施？说明回热器效能σ的定义及提高σ的途径。答案：简单燃气轮机循环排气温度高，导致大量热能直接排向环境，热效率低。回热器利用高温排气预热压气机出口空气，降低燃料消耗。回热器效能σ=(T3′−T2)/(T4−T2)，其中T3′为预热后空气温度，T2为压气机出口温度，T4为透平排气温度。提高σ途径：增大传热面积、提高传热系数、采用逆流布置、减小流动阻力、优化流道结构。五、计算题（共63分）30.（12分）1kg空气在气缸内经历可逆绝热膨胀，初态p1=0.8MPa、T1=1173K，终压p2=0.1MPa，已知cp=1.005kJ/(kg·K)，cv=0.718kJ/(kg·K)。求：(1)终态温度T2；(2)膨胀功w；(3)技术功wt。答案：(1)T2=T1(p2/p1)^((k−1)/k)=1173×(0.1/0.8)^(0.4/1.4)=648K(2)w=cv(T1−T2)=0.718×(1173−648)=377kJ/kg(3)wt=cp(T1−T2)=1.005×525=528kJ/kg31.（13分）一台蒸汽锅炉产生10kg/s、8MPa、500℃的过热蒸汽，给水温度为120℃。若锅炉效率ηb=0.9，燃料低位发热量Qnet,p=40MJ/kg，求：(1)锅炉吸热量Q；(2)燃料消耗量B；(3)若排烟温度140℃、环境温度25℃，估算排烟损失百分比。答案：查表：h1(8MPa、500℃)=3398kJ/kg，h0(120℃)=503kJ/kg(1)Q=m(h1−h0)=10×(3398−503)=28.95MW(2)B=Q/(ηbQnet,p)=28.95/(0.9×40)=0.804kg/s(3)排烟损失q2≈(mfg/m)cp,g(Tg−Ta)，取mfg/m≈18，cp,g=1.1kJ/(kg·K)，则q2≈18×1.1×(140−25)=2.277MJ/kg燃料，百分比=2.277/40=5.7%32.（12分）一无限大平壁厚δ=0.2m，导热系数λ=45W/(m·K)，两侧分别维持Tw1=250℃、Tw2=50℃。壁内均匀内热源Φ=2×10⁵W/m³。求：(1)壁内最高温度位置；(2)最高温度值；(3)两侧热流密度。答案：(1)由对称性，最高温度在中心x=δ/2=0.1m(2)Tmax=Tw1+Φδ²/(8λ)=250+2×10⁵×0.2²/(8×45)=250+22.2=272.2℃(3)q|x=0=−λdT/dx|x=0=−λ[−Φδ/(2λ)]=Φδ/2=2×10⁵×0.1=2×10⁴W/m²（两侧相等，方向相反）33.（13分）一逆流套管换热器用热油加热水。油：进口160℃、出口100℃、流量2kg/s、cp=2.3kJ/(kg·K)；水：进口20℃、流量1.5kg/s、cp=4.18kJ/(kg·K)。若总传热系数U=800W/(m²·K)，求：(1)换热器传热量Q；(2)水的出口温度；(3)所需传热面积A。答案：(1)Q=mocpo(Tin−Tout)o=2×2.3×(160−100)=276kW(2)Q=mwcpw(Tout−Tin)w⇒Tout=20+276/(1.5×4.18)=64.1℃(3)ΔTlm=[(160−64.1)−(100−20)]/ln[(160−64.1)/(100−20)]=56.3℃，A=Q/(UΔTlm)=276000/(800×56.3)=6.13m²34.（13分）一块边长1m、厚5mm的方形金属板，正面受太阳辐射Gs=800W/m²，背面绝热。板表面发射率ε=0.9，对流换热系数h=12W/(m²·K)，环境温度Tf=25℃，天空有效温度Tsky=−5℃。求稳态板温Tp。答案：能量平衡：αGs=εσ(Tp⁴−Tsky⁴)+h(Tp−Tf)取α=ε=0.9，σ=5.67×10⁻⁸W/(m²·K⁴)0.9×800=0.9×5.67×10⁻⁸(Tp⁴−268⁴)+12(Tp−298)化简得：5.103×10⁻⁸Tp⁴+12Tp−4563=0迭代解得Tp=329K=56℃六、综合分析题（共50分）35.（25分）某电厂采用再热回热朗肯循环，初参数16MPa/600℃，再热到600℃，背压6kPa，采用两级混合式加热器，抽汽压力分别为2MPa、0.2MPa。给水终温为220℃。试：(1)画出Ts图并标出各状态点；(2)计算各抽汽系数α1、α2；(3)求循环热效率；(4)与无再热简单朗肯循环比较效率提升幅度。答案：(1)图略，状态点：1—高压缸入口；2—高压缸抽汽2MPa；3—再热器出口；4—中压缸抽汽0.2MPa；5—低压缸排汽；6—凝汽器出口；7—第一级泵出口；8—第二级泵出口；9—锅炉入口。(2)查表得：h1=3578kJ/kg，h2=3130kJ/kg，h3=3678kJ/kg，h4=2820kJ/kg，h5=2120kJ/kg，h6=151kJ/kg，h7=h6+v6(p2−p5)=153kJ/kg，h8=908kJ/kg，h9=944kJ/kg，加热器能量平衡：α1(h2−h8)+(1−α1)(h7−h8)=h9−h8⇒α1=0.162α2(h4−h6)+(1−α1−α2)(h5−h6)=(1−α1)(h7−h6)⇒α2=0.138(3)汽轮机功wt=(h1−h2)+(1−α1)(h3−h4)+(1−α1−α2)(h4−h5)=1720kJ/kg热效率η=wt/[h1−h9+(1−α1)(h3−h2)]=1720/3010=57.1%(4)无再热简单朗肯循环η0=45.2%，提升Δη=11.9个百分点，相对提升26.3%。36.（25分）一台燃气轮机叶片内部采用U形通道冷却，通道当量直径de=5mm，长L=200mm，壁温Tw=900℃，冷却空气进口温度Tin=400℃，压力pin=1.5MPa，质量流量m=0.02kg/s。假设流动充分发展，求：(1)判断流动状态；(2)计算对流换热系数h；(3)求冷却空气出口温度；(4)若允许壁温降至800℃，估算所需流量变化倍数。答案：(1)查400℃空气物性：ρ=1.5×10⁵/(287×673)=0.776kg/m³，μ=3.25×10⁻⁵kg/(m·s)，Pr=0.68，λ=0.057W/(m·K)，Re=4m/(πdeμ)=4×0.02/(π×0.005×3.25×10⁻⁵)=1.57×10⁵>2300，湍流(2)采用Gnielinski公式：f=(0.79lnRe−1.64)⁻²=0.016，Nu=(f/8)(Re−1000)Pr/[1+12.7(f/8)^0.5(Pr^(2/3)−1)]