中国石油大学北京工程热力学与传热学试题

中国石油大学（北京）2006-2007学年度第一学期石工2004《工程热力学与传热学》期末试卷 A卷（闭卷）工程热力学部分.判断对错（每题1分，共计6分）TOC\o"1-5"\h\z孤立系统的热力状态不能发生变化；（ ）气体吸热后热力学能一定升高；（ ）一切可逆热机的热效率均相同；（ ）如果从同一状态到同一终态有两条途径：一为可逆过程，一为不可逆过程，则不可逆过程的嫡变大于可逆过程的嫡变；（ ）知道了温度和压力，就可确定水蒸气的状态；（ ）当湿空气的相对湿度为0时，表示空气中完全没有水蒸气。（ ）.问答题（共计20分）将满足空气下列要求的多变过程表示在 p-v图和T-s图上理想气体的定温，定压，定容和定嫡过程；n=的膨胀过程，并判断q,w,u的正负。（6分）TOC\o"1-5"\h\z写出两个与热力学第二定律相对应的数学表达式，并对表达式进行简单说明。（ 4分）解释湿空气的露点温度，说明将未饱和湿空气转变为饱和湿空气的方法。（ 4分）分析提高朗肯循环热效率的方法有哪些，解释再热循环的目的。（ 6分）.计算题（共计29分）一绝热刚性汽缸（如图），被一导热的无摩擦活塞分成两部分。最初活塞被固定在某一位置上，汽缸的一侧储有压力为 MPa,温度为300K的0.01m3的空气；另一侧储有同体积，同温度的空气，其压力为 MPa。去除钉钉，放松活塞任其自由移动，最后两侧达到平衡。设空气的比热容为定值。试计算:平衡时的温度为多少？平衡时的压力为多少？两侧空气的嫡变值及整个气体的嫡变值为多少？（ 14分）图示为一烟气余热回收方案。 设烟气比热容Cp=kJ/,Cv=kJ/。试求：烟气流经换热器时传给热机工质的热量；热机放给大气的最小热量Q2;热机输出的最大功W。（本题15分）

传热学部分.回答问题（共计17分）TOC\o"1-5"\h\z比较下列三种物质：空气，金属，水导热系数的大小。（ 2分）写出Nu,Fo,Bi准则的表达形式及物理意义。（ 6分）说明影响对流换热的因素有哪些。分析在相同的流动和换热壁面条件下，导热系数大的流体，表面传热系数是大还是小。（2分）对管内强制对流换热，为何采用短管可以强化流体的换热？（ 3分）分析组成辐射换热网络的热阻有哪两类，如何表示，当辐射表面为黑体时，热阻如何表示。 （4分）.计算题（共计28分）蒸汽管道的外直径di=30mm,准备包扎两层厚度都是15mm的不同材料的热绝缘层。a种材料的导热系数入a=W/,b种材料的导热系数入b=。若温差一定，试问从减少热损失的观点看下列两种方案：a在里层，b在外层b在里层，a在外层，哪一种好，为什么？（本题12分）发射率分别为和的两个大平行平板，其温度分别维持在 800C和370C,在它们之间放置一个两面发射率均为的辐射遮热板。试计算：没有辐射遮热板时，单位面积的辐射换热量是多少？有辐射遮热板时，单位面积的辐射换热量是多少？辐射遮热板的温度。绘制无，有遮热板的辐射网络图。（本题16分）中国石油大学（北京）2006-2007学年度第一学期石工2004《工程热力学与传热学》期末试卷一一A卷答案工程热力学部分1.判断对错（每题1工程热力学部分1.判断对错（每题1分，共计6分）1X;2X;3X;4X; 5X;6.问答题（共计20分）（6分）Q<0放Tt ©O（V）热；W>0膨胀对外 1\jy 作功；u<0热力 0学能减少。 2V। -0片:二、s\膨胀过程 ,/p|oOO、^^p匕,1.6、\膨胀过程 _.y01 :2 (4分)答：(1)克劳修斯积分式： C—0。用于判断一个循环是否可能，是否可逆。式中等号用于可逆循环，不等号用于不可逆循环。2Q(2)热力过程嫡的变化： S -Qo用于判断过程能否进行，是否可逆。等号适用于可逆T过程，不等号适用于不可逆过程。(3)孤立系统嫡增原理： Siso0。孤立系统的嫡只能增大，或者不变，绝不能减小。等号用于可逆过程，不等号用于不可逆过程。(4)卡诺循环热效率： 01T2。根据卡诺定理一：在相同的高温热源和低温热源间工作Ti的一切可逆热机具有相同的热效率，与工质的性质无关；定理二：在相同的高温热源和低温热源间工作的任何不可逆热机的热效率，都小于可逆热机的热效率。以上相应数学表达式写出任意两个即可。(4分)答：湿空气中水蒸气分压力 pv所对应的饱和温度，称为露点温度。将未饱和湿空气转变为饱和湿空气的方法有两种：法1：湿空气温度T一定时，增加水蒸气分压力 pvPvmaxPs(T),法2：保持水蒸气含量pv不变，降低湿空气温度TTs(pv)o(6分)答：提高朗肯循环热效率的方法有：(1)保持蒸汽的初压P1,终压P2不变，提高蒸汽的初温「；(2)保持蒸汽的初温T1，终压p2不变，提高蒸汽的初压p1；(3)保持蒸汽的初压P1,初温T1不变，降低蒸汽的终压 P2；(4)在朗肯循环的基础上，改进循环，如采用再热循环，回热循环等。再热循环的目的：在于增加蒸汽的干度，以便在初温度限制下可以采用更高的初压力，从而提高循环热效率。三.计算题(共计29分)(14分)解：(1)取整个汽缸为闭口系，因汽缸绝热，所以Q=0,又活塞导热无摩擦， W=0。由闭口系能量方程QWU,得UUA因为平衡时A,B两侧温度应相等，即TA2 TB2 T2则有：mAcV(T2TA1) mBcV(T2Tbi) 0,因此：Tai TA2T1 300K,既是终态平衡时，两侧的温度均为:T2T1 300K(2)当终态时，两侧压力相等，为PA2PB2P2,对A侧:P2VA2 mARgT2,(a)对B侧:p2VB2 mBRgT2(b)将(a)+(b)两式相加，得:P2(VA2VB2) (mAmB)RgT2,即：p2(mAmB)RgT2VA2VB2pA1VAi pB1VBiVA1 VB1代入数据:，得:p23 30.2MPa0.01m0.1MPa0.01m__ 3 __ 30.01m30.01m30.15MPa(3)嫡变化:整个汽缸绝热系的嫡变:2 (15分)解：(1)烟气放热为:Qimcp&L)6kg1.4kJ/(kg(2)环,由孤立系统嫡增原理得:SH其中:T2QT1TSEK)(52737)K4116kJ若使Q2最小，则热机必须是可逆循SisoShSL SESWT2dTT1mcpTmcplnT2

pTi6kg1400J/(kgK)ln(37273)K(527273)K0, Sw 07.964kJ/K于是： Siso 7.964kJ/K-Q^0300K解得：Q2 2389.2kJ热机输出的最大功： WQ1|Q2|（41162389.2）kJ1726.8kJ传热学部分四.回答问题（共计17分）TOC\o"1-5"\h\z（2分）答：空气，金属，水的导热系数大小比较： 金属水空气（6分），「hl答：Nu一，物理意义为：表征流体在壁面外法线方向上的平均无量纲温度梯度，其大小反映对流换热的强弱。a 2一FoF,分子为从非稳态导热过程开始到 时刻的时间，分母可理解为温度变化涉及到 面积所需要的时间。是非稳态导热过程的无量纲时间。hlBi一，物理意义为：物体内部的导热热阻 /与边界处的对流换热热阻1/h之比。TOC\o"1-5"\h\z（3分）答：影响对流换热的因素有：流动的起因（自然对流或强迫对流），流动的状态（层流和湍流），流体有无相变，流体的物理性质（如： ,,,c,等），换热表面的几何因素。导热系数愈大的流体，导热热阻愈小，对流换热愈强烈。（3分）答：管内强制对流换热，采用短管，主要是利用流体在管内换热处于入口段温度边界层较薄， 因而换热强。（4分）1 1答：组成辐射换热网络的热阻有：（ 1）空间辐射热组——,（2）表面辐射热组--oAXi,2 a1 1当辐射表面为黑体时， 1,表面辐射热阻——0,只有空间辐射热阻 。A AXi,2五.计算题（共计28分）（12分）解（1）第1种方案，a在里层，b在外层，单位管长的热损失为:qiiln曳

di1 In2bd3d20.04ln60300.190In—)

60 ,3.4(2)第2种方案，b在里层，a在外层,单位管长的热损失为：qi2ln%d1d3ln—d20.1in史

300.04,90、in)60t2.7比较两种方案的热损失:强31.26ql1t/3.4因qi2 qi1,故从减少热损失的观点看，第 1种方案好。(16分)AX解：先绘制出有无辐射遮热板时辐射换热AX网络图：无遮热板：A1 AX1,3 A3①1-3-2A1 AX1,3 A3①1-3-2b2A3 AX3,2 A2依题意：X1,2 1,X1,3X3,2 1,网络中的热阻为:10.30.32.333,1X1,