热工基础B卷真题2007年

1、2007年硕士学位研究生入学统一考试试题热工基础B卷工程热力学一、简答题1. 写出热力学第一定律对不同系统的表达式。2 可逆过程的定义，建立可逆过程概念的好处和实际意义。3. 写出用压缩因子表示的实际气体状态方程式，说明压缩因子的物理意义。4. 卡诺定理的理论价值和实用价值。5 .用搅拌器搅拌绝热容器中的水：(a)水温20C； (b)水温60C。在搅拌器耗功相同条件下，试问两种情况哪种的不可逆损失大？为什么？6 .压气机高压比时为什么采用多级压缩中间冷却方式？二、某燃气轮机装置中燃烧室的温度为1800C，来自压气机的压缩空气的温度为220C。根据燃气轮机叶片强度的要求，进入燃气轮机的气体温度不

2、得超过 850C。试确定来自燃烧室的燃气与来自压气机的压缩空气的混合比例。(设燃烧室燃气的比热c”=1.170kJ/(kg K)，压缩空气的比热为Cp,2=1.004kJ/(kg K)。)三、冬季室外温度-15C、室内温度18C，耗电3kW的热泵能向室内提供的最大 热量是多少？夏季热泵以空调方式工作，要求室内温度为 22E，允许的室外温度 最高为多少？假定室内无热源，且室内外之间的热交换的热流量是常数。四、下图为一烟气余热回收方案。片乍27它p| - Oh-37 VPi O.lAffti设烟气比热容 Cp=1.4kJ/(kg K)，Cv=1kJ/(kg K)。求：1. 烟气流经换热器时传给热机

3、工质的热量：2. 热机放给大气的最小热量Q;3. 热机输出的最大功W传热学五、简答题1. 冬季晴朗的夜晚，测得室外空气温度Ta高于0C，有人却发现地面上结有 层薄冰，试解释原因(若不考虑水表面的蒸发)2. 有人将一碗热稀饭置于一盆凉水中进行冷却。为使稀饭凉得更快一些，你认 为应该搅拌碗中稀饭还是盆中凉水？为什么？3. 试从沸腾过程分析，为什么用电加热器加热时当加热功率q qmax时易发生壁 面被烧毁的现象，而采用蒸汽加热则不会 ？4. 写出普朗特数Pr的表达式，并说明其物理意义。5. “善于发射的物体必善于吸收”，即物体辐射力越大，其吸收比也越大。你 认为对吗？为什么？6. 设计肋片时，是否肋

4、片越长越好？六、利用数量级分析的方法，对流体外掠平板的流动，从动量微分方程肛 勿 创 导出边界层厚度的如下变化关系式兀 E，其中0七、某厂由于生产需要，将冷却水以 20X 10325X 103kg/h的质量流量向距离 3km的车间供应，供水管道外直径为160mm为防止冬天水在管道内结冰，在管 道外包裹导热系数 入=0.12W/(mK)的沥青蛭石管壳。保温层复合换热表面的 传热系数h=35W/(nV K)。该厂室外空气温度达-15C，此时水泵的出口水的温 度为4C。试确定为使冷却水不结冰的最小保温层厚度。忽略管壁热阻及管内水 的对流换热热阻。八、 两个直径为0.4m,相距0.1m的平行同轴圆盘，

5、放在环境温度保持在 300K 的大房间内。两圆盘背面不参与换热。其中一个圆盘绝热，另一个保持均匀温度 500K,发射率为0.6。且两圆盘均为漫射灰体。试确定绝热圆盘的表面温度及等温圆盘表面的辐射热流密度。(注：从传热学教材图8-9 “两同轴平行圆盘 问角系数”可知X1,2=0.62)2007年热工基础B卷参考答案工程热力学一、解：1.g 二 Az/+ 甲g = Am 十 J： pdyg = AA 中 l/2dLy1 + gz + AA +? = Aft - vdp辺=dE + H2勺三十gz)肌卅-(血+ “*辭屁槁+囲爲,2. 可逆过程：无耗散的准平衡过程。可逆过程是实际过程的理想极限、可以

6、用 来衡量实际过程的完善程度；实际过程的计算可以简化为可逆过程加一修正系 数。pv-zRT, z = 一3. 表示了实际气体的比体积与同温同压下理想气体的比体积之比，z的大小表明实际气体偏离理想气体的程度。4卡诺定理指出了热效率的极限值；指出了提高热工效率的方向；表示了在大 气环境下热功转换的极限。5情况(a)的不可逆损失大于情况(b)。因搅拌器耗功 W=mpt，在W相同情 况下，两种情况的mc相同，所以温升也相同。但低温引起的熵产大于高温引起 的熵产。6采用多级压缩、中间冷却，有如下好处：a) 可降低排气温度，压气机出口温度降低了。b) 可减少压气机耗功量。c) 对于活塞式压气机还可提高压气

7、机的容积效率，有利于压比的提高。二、解：设燃烧室燃气质量为m，压缩空气质量为m，由能量守恒mcp,iti=mcp,2t2，因此有 mX 1.170 X (1800-850) =m2X 1.004 X (850-220)，所以,叫004x(-220)“托沢旳 1.17x(1800-850)三、解：使用冬季热泵情况下：Tr=273+18=291K T=1 &(-15) =33K热泵最大制热系数为因此热泵能向室内提供的最大热量是Q=26.4kW夏季热泵以空调方式下工作:热泵最大制冷系数为室内外热交换的热流量：Tr=273+22=295K T=Td-295一丄一 295P 兀一几一2950.80（7；

8、 295） _295P7295 6因此室外温度最高为To=328K四、解：1 烟气放热为Q=m(c(t 2-t i)=6X 1.4 X (527 - 37) =4116 X 103J=4116kJ。2 方法1:若使Q2最小，则热机必须是可逆循环，由孤立系统熵增原理得A5鹹之站日+= 0血=勢叫 齐叫In#527 + 273=7.694 x 1037 / A： =-7.649W/ , A5 百=0AS =理=工生A (27 + 273)300于是解得564 +歸 0,二23892疋 方法2:热机为可逆机时Q2最小，由卡诺定理得5 F t5?2， mcndTQ = TomcP - TQmcP 1口

9、= 300x6xL4xln37 + 273527 + 273=-2389.2紗 o3 输出的最大功为：W = Qr -|QJ 二 4116 - 2389.2 = 1726.8U传热学五、解:1 假定地球温度为Te，太空温度为Tsky，设换热过程达到稳态，空气与地面的表 面传热系数为h,地球表面近似看成温度为 Te的黑体，太空可看成温度为 Tsky的 黑体，则由热平衡：h T） =T映）”由于Ta 0C,而Tsky V 0C,因此，地球表面温度Te有可能低于0C，即有可能结冰。2 从稀饭到凉水是一个传热过程。显然稀饭和水的换热在不搅拌时属于自然对 流。而稀饭的换热比水要差。因此，要强化传热增加散

10、热量，应该搅拌稀饭侧以 强化传热。3用电加热时，加热方式是控制表面的热流密度。而采用蒸汽加热则是壁面温 度可控的情形。由大容器饱和沸腾曲线可知，当加热功率q稍超过qmax值时，工况将沿大容器饱和沸腾曲线中qmax虚线跳至稳定膜态沸腾线，使壁面温度飞升， 导致设备烧毁。Pr=-、曰、.曰4. ：，动量扩散厚度与热量扩散厚度之比的一种度量。5. 基尔霍夫定律对实际物体成立必须满足两个条件：物体与辐射源处于热平衡，辐射源为黑体。即物体辐射力越大，其对同样温度的黑体辐射吸收比也越大，善于发射的物体，必善于吸收同温度下的黑体辐射。所以上述说法不正确。6. 不是。肋片长，其传出的热量较多，但过长时，会增加

11、肋片导热热阻，且再 过长部分温差很小，均会降低肋片的使用效率。六、解：由外掠平板流动的动量微分方程duIf-_ l r 1otxdy由于uux -x,y S，而由连续性方程04一 =玉Vy(2)可知 ；，因此，动量微分方程（1）式中各项的数量级如下:du duU F U = V rdy dy “XX在边界层内，粘性力项与惯性力项具有相同数量级，即所以 七、解：本题属导热和复合换热的热阻分析问题。先由管内水确定换热量，然后按热阻条 件确定绝热层厚度，最小绝热层厚度发生在管道出口水温降至 0C的时刻，且此 时水的质量流量最低(20 x 103kg/h)。水由4 C降至冰点时的放热量:=1(/ +/

12、) = ix(0 + 4) = 2C&定性温度?cp 4.208fc/(fcg*fc ) =4208X (4 -0) 9351,对应水的定压比热容考虑到忽略管壁热阻及管内对流热阻，因而保温层内壁温度近似为水的平均温 度，即 twi=20C。从保温层内壁温twi到外部空气温度tf=-15C，中间有保温层的导热热阻及空气侧复合换热热阻，即：而d=d +2 3，S为保温层厚度即：2十15)； := 93511 a冲 - + 111( )35x(0.16 + 2x3000 2x0/12x30000.16利用迭代法(试凑法)求得S =0.0372m=37.2mm八、解：这是三个表面组成封闭系的辐射换热问

13、题，表面1为漫灰表面，表面2为绝热表面，表面3相当于黑体。如图8-(a)所示。辐射网络图见8-(b)所示。计算角系数分别为Xi,2=0.62Xi,3=X2,3=1-0.62=0.38。吸收热量面积分别为= -d2 =xD42 = 01257m2,44A, =7udl =xO4xOJ=OJ257/w对于Ji, J2列节点方程：Jl节点节点A*2J(2)其中 J3=&3= c T34=5.67 X 10-8 X 3004=459.27W/m,4-842曰=c Ti =5.67 X 10 X 500 3543.75W/m。节点间的热阻分别为l-.1-0.6l = 53垃勺 0.6x0.1257 _=-=2(193544*竹 &X 空 0.1257x038=1= 12.8314Xi2 0.1257x