高等工程热力学试卷和答案

高等工程热力学试卷和答案1.单项选择题（每题2分，共20分）1.1在相同温度T与压力p下，下列工质中比熵最大的是A.饱和水B.饱和蒸汽C.过冷水D.过热蒸汽答案：D1.2对理想气体可逆绝热过程，若比热比k=1.4，则技术功与膨胀功之比wt/w为A.kB.k/(k−1)C.1D.k−1答案：A1.3某Rankine循环采用再热，再热压力一般选为A.临界压力B.初压的20%～30%C.终压的5倍D.终压的0.5倍答案：B1.4在湿空气h–d图上，已知状态点，若仅加热不加湿，该过程线A.垂直向上B.水平向右C.沿等d线向上D.沿等h线向右答案：C1.5对实际气体，焦耳—汤姆逊系数μJT>0表示A.节流后温度升高B.节流后温度降低C.节流后温度不变D.与温度变化无关答案：B1.6燃气轮机理想回热循环的效率η与回热度σ的关系为A.η随σ线性增加B.η随σ增加但存在上限C.η与σ无关D.η随σ降低答案：B1.7某蒸汽压缩制冷循环，蒸发温度−15°C，冷凝温度30°C，若采用R134a，其理论COP约为A.2.1B.3.8C.5.5D.7.2答案：B1.8在LNG再气化过程中，若采用中间介质气化器，其热力学第二效率降低的主要原因是A.传热温差大B.压力损失C.介质泄漏D.环境散热答案：A1.9对于临界点附近工质，下列说法正确的是A.(∂p/∂T)v→∞B.(∂p/∂v)T→0C.cp→0D.βT→0答案：B1.10在超临界CO₂布雷顿循环中，减小压缩机入口温度可A.降低循环效率B.提高循环效率并降低压缩机耗功C.仅降低压缩机耗功D.仅提高透平出力答案：B2.多项选择题（每题3分，共15分；多选少选均不得分）2.1下列措施可同时提高Rankine循环热效率和比功的是A.提高初压B.提高初温C.降低背压D.采用再热E.采用回热答案：B、C2.2关于湿空气，下列状态参数中属于独立变量的是A.干球温度B.湿球温度C.含湿量D.水蒸气分压E.相对湿度答案：A、C2.3实际气体对理想气体行为的偏离可由下列系数表征A.压缩因子ZB.焦耳—汤姆逊系数μJTC.等熵指数ksD.体积膨胀系数βE.等温压缩系数κT答案：A、B、E2.4在燃气—蒸汽联合循环中，提高联合循环效率的关键在于A.提高燃气轮机初温B.提高蒸汽侧主蒸汽压力C.降低余热锅炉排烟温度D.增大汽轮机排汽干度E.提高凝汽器真空答案：A、C2.5关于吸收式制冷，下列说法正确的是A.发生过程需外加热源B.吸收过程为放热过程C.溶液泵耗功远小于压缩机制冷D.可采用低品位热能驱动E.性能系数COP一定大于蒸汽压缩式答案：A、B、C、D3.填空题（每空2分，共20分）3.1某理想气体经历可逆等温压缩，温度T=400K，压力由0.1MPa升至0.8MPa，则单位质量熵变Δs=________kJ·kg⁻¹·K⁻¹。答案：−0.574（R=0.287kJ·kg⁻¹·K⁻¹，Δs=−Rln(p₂/p₁)）3.2水的临界压力为________MPa，临界温度为________°C。答案：22.064，3743.3在湿空气绝热饱和过程中，湿球温度________（填“升高”“降低”或“不变”）。答案：不变3.4某蒸汽动力厂采用七级回热，若忽略泵功，则循环效率η与无回热相比可提高约________%。答案：8～12（取10）3.5对于CO₂，当温度低于________K时，节流过程才可能产生冷效应。答案：304.1（反转温度）3.6在超临界压力锅炉中，水冷壁管内工质处于________区，不存在________现象。答案：超临界，相变3.7燃气轮机叶片内部冷却采用________冷却与________冷却相结合的方式。答案：对流，气膜3.8某逆卡诺热泵，低温热源−10°C，高温热源40°C，其COP为________。答案：6.28（COP=Tₕ/(Tₕ−Tₗ)=313/50）3.9根据吉布斯相律，三元单相系统自由度为________。答案：43.10在LindeHampson空气液化系统中，关键节能部件是________换热器。答案：逆流回热4.简答题（封闭型，每题6分，共18分）4.1写出稳定流动系统的㶲平衡方程，并指出各项物理意义。答案：ṁe₁+ĖQ−Ėw−Ėd=ṁe₂其中：ṁe₁、ṁe₂为流入、流出㶲流率；ĖQ为热量㶲输入率（ĖQ=∫(1−T₀/T)δQ̇）；Ėw为输出轴功率；Ėd为由于不可逆性引起的㶲损率。4.2说明再热循环对汽轮机排汽干度的影响，并给出干度提升的定量表达式。答案：再热使高压缸排汽进入再热器吸热后返回中低压缸，干度显著提高。设初态3→再热后4′，则低压缸入口h₄′>h₄，若背压不变，排汽干度x₅′=(h₅′−hₗ)/(hᵥ−hₗ)，其中h₅′由再热后状态决定，显然x₅′>x₅。4.3解释“温度滑移”对非共沸混合制冷剂循环性能的影响。答案：非共沸混合工质相变过程温度连续变化，产生温度滑移。在蒸发器与冷凝器中，滑移使制冷剂与热源/冷源温度曲线更好匹配，减小传热不可逆性，可提高COP约5%～15%，但需考虑组分迁移与泄漏问题。5.简答题（开放型，每题8分，共16分）5.1结合燃气轮机叶片冷却技术，论述如何在提高初温的同时控制㶲损，并给出提高联合循环第二效率的途径。答案：提高初温可显著提升燃气轮机效率，但叶片材料耐温极限成为瓶颈。采用内部对流冷却、气膜冷却及热障涂层，可将金属基体温度控制在1100°C以下，而燃气初温达1600°C。冷却空气抽取自压气机，造成㶲损，需优化冷却通道减少冷却流量。进一步采用蒸汽冷却（H级）或闭式空气冷却，可减少高品质冷却空气量，降低㶲损。联合循环第二效率提升途径：①提高燃气侧初温与压比匹配；②余热锅炉三压再热，降低排烟温度至90°C；③汽轮机采用二次再热、七级回热；④采用湿冷或空冷联合循环降低背压；⑤CO₂捕集与压缩过程集成，利用余热驱动再沸器，减少额外㶲输入。5.2针对超临界CO₂布雷顿循环，分析压缩机入口温度接近临界点（31°C）时的热力学利弊，并提出抑制流动不稳定性的工程措施。答案：利：接近临界点密度高，压缩机耗功显著降低，循环效率可提升至50%以上；传热系数高，换热器紧凑。弊：物性剧烈变化，导致压缩机入口温度微小波动引起密度大幅变化，诱发流量振荡；临近液态，易产生冷凝冲击；对冷却系统温控精度要求极高。抑制措施：①压缩机入口设置高效回热器与低温冷却器，控温±0.5K；②采用变频压缩机快速响应；③入口管道加装蓄压器与阻尼孔板，抑制压力脉动；④选用高镍合金防止CO₂腐蚀；⑤控制CO₂纯度>99.99%，避免杂质成核；⑥采用级间抽气冷却，降低压缩机温升梯度。6.计算题（共71分）6.1理想气体混合（10分）某绝热容器被隔板分成A、B两室，A室2kgN₂，300K，0.2MPa；B室3kgCO₂，400K，0.1MPa。抽去隔板混合，求混合后温度与压力及总熵产。答案：Cv,N₂=0.743kJ·kg⁻¹·K⁻¹，Cv,CO₂=0.653kJ·kg⁻¹·K⁻¹能量守恒：m_N₂Cv,N₂T_N₂+m_CO₂Cv,CO₂T_CO₂=(m_N₂Cv,N₂+m_CO₂Cv,CO₂)T_mixT_mix=356.4K总容积V=V_A+V_B=2×0.287×300/200+3×0.189×400/100=1.29m³p_mix=mRT̄/V=5×0.235×356.4/1.29=0.325MPaΔS=N₂:mCvln(T_mix/T_A)+mRln(V_mix/V_A)+CO₂类似，得总熵产0.482kJ·K⁻¹6.2蒸汽Rankine循环（12分）初压15MPa，初温600°C，背压5kPa，再热压力3MPa，再热至600°C，求循环效率、汽轮机排汽干度、净比功。答案：h₁=3658kJ·kg⁻¹，s₁=7.167kJ·kg⁻¹·K⁻¹高压缸s₂=s₁，p₂=3MPa，h₂=3112kJ·kg⁻¹再热后h₃=3682kJ·kg⁻¹，s₃=7.508kJ·kg⁻¹·K⁻¹低压缸s₄=s₃，p₄=5kPa，x₄=0.924，h₄=2405kJ·kg⁻¹泵功w_p≈15.1kJ·kg⁻¹净比功w_net=(h₁−h₂)+(h₃−h₄)−w_p=1823kJ·kg⁻¹q_in=(h₁−h₄′)+(h₃−h₂)=3533kJ·kg⁻¹η=51.6%6.3燃气轮机理想回热（10分）压比18，初温1500K，T₀=300K，k=1.4，求带理想回热时的循环效率及比功。答案：τ=1500/300=5，π=18η=1−τ⁻¹π^((k−1)/k)=1−(1/5)×18^0.286=0.612比功w=c_pT₀(τ−τπ^((1−k)/k)−π^((k−1)/k)+1)=730kJ·kg⁻¹6.4吸收式制冷（10分）LiBr–H₂O单效循环，发生器温度90°C，蒸发温度5°C，冷凝温度40°C，吸收温度35°C，求理论COP。答案：h_gen=2650kJ·kg⁻¹，h_cond=167.5kJ·kg⁻¹，h_evap=2510kJ·kg⁻¹COP=(h_evap−h_cond)/(h_gen−h_cond)=0.7986.5湿空气混合（9分）新风5000m³·h⁻¹，35°C，φ=60%，回风3000m³·h⁻¹，24°C，φ=50%，求混合后含湿量、焓及相对湿度。答案：d₁=21.6g·kg⁻¹，h₁=90.5kJ·kg⁻¹d₂=9.3g·kg⁻¹，h₂=47.8kJ·kg⁻¹质量流量比m₁/m₂=1.15混合d=16.4g·kg⁻¹，h=71.2kJ·kg⁻¹，t=30.5°C，φ=58%6.6超临界CO₂压缩机（10分）入口31°C，7.5MPa，出口80°C，20MPa，流量2kg·s⁻¹，求压缩功率、多变效率（n=1.25），并判断冷却量。答案：h₁=322kJ·kg⁻¹，h₂=410kJ·kg⁻¹P=ṁ(h₂−h₁)=176kWn=1.25，η_p=(h₂s−h₁)/(h₂−h₁)=0.82q=ṁ(h₁−h₂)+P=−176kW（需冷却176kW）6.7㶲分析（10分）某锅炉燃用天然气，热值50000kJ·kg⁻¹，效率92%，蒸汽产出参数为10MPa，550°C，h=3500kJ·kg⁻¹，s=6.76kJ·kg⁻¹·K⁻¹，环境温度25°C，求单位质量蒸汽的燃料㶲、输入㶲及㶲效率。答案：e_f=50000×0.92=46000kJ·kg⁻¹e_steam=(h−h₀)−T₀(s−s₀)=3500−105−298(6.76−0.367)=1532kJ·kg⁻¹η_ex=e_steam/e_f=3.33%7.综合设计与论述题（20分）7.1某沿海600MW燃气—蒸汽联合循环电厂拟利用LNG冷能进行CO₂捕集与压缩。请给出系统集成方案，包括：①LNG冷能梯级利用温位匹配；②CO₂捕集工艺（胺法）与冷能耦合点；③超临界CO₂压缩过程冷却；④整体㶲效率提升定量估算。要求画出流程简图，标出关键节点温度与㶲流，计算年节省标煤量。答案：①LNG−160°C→−40°C用于CO₂液化与干冰副产；−40°C→5°C用于燃气轮机入口空气冷却；5°C→15°C用于胺液低温冷却