热工基础B卷真题2007年

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20℃；(b)水温60℃。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1800℃，来自压气机的压缩空气的温度为220℃。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得超过850℃。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cp,1=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-15℃、室内温度18℃，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22℃，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。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工质的热量：2．热机放给大气的最小热量Q2；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0℃，有人却发现地面上结有一层薄冰，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，从动量微分方程导出边界层厚度的如下变化关系式，其中。七、某厂由于生产需要，将冷却水以20×103～25×103kg/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λ=0.12W/(m·K)的沥青蛭石管壳。保温层复合换热表面的传热系数h0=35W/(m2·K)。该厂室外空气温度达-15℃，此时水泵的出口水的温度为4℃。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，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：1．2．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。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=mcp△t，在W相同情况下，两种情况的mcp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m1，压缩空气质量为m2，由能量守恒m1cP,1△t1=m2cP,2△t2，因此有m1×1.170×(1800-850)=m2×1.004×(850-220)，所以，三、解：①使用冬季热泵情况下：TR=273+18=291K，△T=18-(-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。②室内外热交换的热流量：③夏季热泵以空调方式下工作：TR=273+22=295K，△T=T0-295热泵最大制冷系数为因此室外温度最高为T0=328K。四、解：1．烟气放热为Q1=mcp(t2-t1)=6×1.4×(527-37)=4116×103J=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方法2：热机为可逆机时Q2最小，由卡诺定理得即3．输出的最大功为：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：由于Ta＞0℃，而Tsky＜0℃，因此，地球表面温度Te有可能低于0℃，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。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(1)由于u～u∞,x～x,y～δ，而由连续性方程(2)可知，因此，动量微分方程(1)式中各项的数量级如下：在边界层内，粘性力项与惯性力项具有相同数量级，即即所以七、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0℃的时刻，且此时水的质量流量最低(20×103kg/h)。水由4℃降至冰点时的放热量：定性温度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=20℃。从保温层内壁温twi到外部空气温度tf=-15℃，中间有保温层的导热热阻及空气侧复合换热热阻，即：而d0=di+2δ，δ为保温层厚度。即：利用迭代法(试凑法)求得δ=0.0372m=37.2mm。八、解：这是三个表面组成封闭系的辐射换热问题，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X1,2=0.62X1,3=X2,3=1-0.62=0.38。吸收热量面积分别为对于J1，J2列节点方程：其中J3=Eb3=σT34=5.67×10-8×3004=459.27W/m2，Eb1=σT14=5.67×10-8×50043543.75W/m2。节点间的热阻分别为因而(1)，(2)式成为解得：等温圆盘1的表面辐射热流：图8-(a)图8-(b)