中国石油大学(北京)工程热力学与传热学-试题0

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
一. 判断对错（每题1分，共计6分）
1孤立系统的热力状态不能发生变化；（）
2气体吸热后热力学能一定升高；（）
3一切可逆热机的热效率均相同；（）
4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，则不可逆过程的熵变大于可逆过程的熵变；（）
5知道了温度和压力，就可确定水蒸气的状态；（）
6当湿空气的相对湿度为0时，表示空气中完全没有水蒸气。

（）
二. 问答题（共计20分）
1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
（1）理想气体的定温，定压，定容和定熵过程；
（2）n=1.6的膨胀过程，并判断q，w， u的正负。

（6分）
2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）
3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）
4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）
三. 计算题（共计29分）
1一绝热刚性汽缸（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0.2 MPa，温度为
300K的0.01 m3的空气；另一侧储有同体积，同温度的空气，其压力为
0.1 MPa。

去除销钉，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：（1）平衡时的温度为多少？
（2）平衡时的压力为多少？
（3）两侧空气的熵变值及整个气体的熵变值为多少？（14分）
2图示为一烟气余热回收方案。

设烟气比热容Cp = 1.4
kJ/(kg.K)，Cv = 1.0 kJ/(kg.K)。

试求：
（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；
t
t t
热机
大气
=27℃
p
=0.1MPa
Ｑ
１
Ｑ
２
Ｗ
1
=527℃
p
1
=0.1MPa
m=6kg
2
=37℃
p
2
=0.1MPa
A
0.2
MPa
B
0.1
MPa
（3）热机输出的最大功W。

（本题15分）
传热学部分
四. 回答问题（共计17分）
1比较下列三种物质：空气，金属，水导热系数的大小。

（2分）
2写出Nu，Fo，Bi准则的表达形式及物理意义。

（6分）
3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）
4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）
5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）
五. 计算题（共计28分）
1蒸汽管道的外直径d1=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λ a = 0.04 W/(m.K)，b种材料的导热系数λ b = 0.1W/(m.K)。

若温差一定，试问从减少热损失的观点看下列两种方案：
（1）a在里层，b在外层
（2）b在里层，a在外层，哪一种好，为什么？（本题12分）
2发射率分别为0.3和0.5的两个大平行平板，其温度分别维持在800 ℃和370℃，在它们之间放置一个两面发射率均为0.05的辐射遮热板。

试计算：
（2）没有辐射遮热板时，单位面积的辐射换热量是多少？
（3）有辐射遮热板时，单位面积的辐射换热量是多少？
（4）辐射遮热板的温度。

（5）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——A卷答案
工程热力学部分
一. 判断对错（每题1分，共计6分）
1X；2 X；3 X；4 X； 5 X；6 √。

二. 问答题（共计20分）
1 （6分）
Q<0 放热；W>0膨胀对外作功；∆U<0 热力学能减少。

2 （4分）
答：（1）克劳修斯积分式：
⎰
≤0T
Q
δ。

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。

（2）热力过程熵的变化：⎰
≥
∆2
1
T
Q
S δ。

用于判断过程能否进行，是否可逆。

等号适用于
可逆过程，不等号适用于不可逆过程。

（3）孤立系统熵增原理：0≥∆iso S 。

孤立系统的熵只能增大，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：1
2
1T T c -
=η。

根据卡诺定理一：在相同的高温热源和低温热源间工作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。

3 （4分）
答：湿空气中水蒸气分压力v p 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 )(max T p p p s v v ==, 法2：保持水蒸气含量v p 不变，降低湿空气温度)(v s p T T =。

4 （6分）
答：提高朗肯循环热效率的方法有：
（1）保持蒸汽的初压1p ，终压2p 不变，提高蒸汽的初温1T ； （2）保持蒸汽的初温1T ，终压2p 不变，提高蒸汽的初压1p ；
.膨胀过程
p
v
T
s v
p n=1.61
2
n=1.6
T
2
s
.
p
v
1
T
s 膨胀过程
（3）保持蒸汽的初压1p ，初温1T 不变，降低蒸汽的终压2p ；
（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）
1 （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U W Q ∆+=，得B A U U U ∆+∆=∆。

因为平衡时A ，B 两侧温度应相等，即222T T T B A == 则有：0)()(1212=-+-B V B A V A T T c m T T c m ， 因此：K T T T A A 300121===，
既是终态平衡时，两侧的温度均为：K T T 30012==。

（2） 当终态时，两侧压力相等，为222p p p B A ==， 对A 侧：222T R m V p g A A =，（a ） 对B 侧：222T R m V p g B B = （b ）
将（a ）+（b ）两式相加，得：2222)()(T R m m V V p g B A B A +=+， 即：1
11
1112
22
2)(B A B B A A B A g B A V V V p V p V V T R m m p ++=
++=
，
代入数据：，得：MPa m
m m MPa m MPa p 15.001.001.001.01.001.02.03
33
32=+⨯+⨯= （3） 熵变化：
K J MPa
MPa
K m Pa p p T V p p p R m S A A A A A g A A /918.115.02.0ln 30001.0102.0ln ln
3
6
211111
2=⨯⨯==
-=∆
K J MPa
MPa
K m Pa p p T V p p p R m S B B B B B g B B /352.115.01.0ln 30001.0101.0ln ln
3
6
211111
2
-=⨯⨯==
-=∆
A
0.2 MPa 300K
B 0.1 MPa 300K
整个汽缸绝热系的熵变：
K J S S S B A /566.0918.115.0=+=∆+∆=∆
2 （15分）
解：（1）烟气放热为：
kJ
K K kg kJ kg t t mc Q p 4116)37527()/(4.16)
(121=-⨯⋅⨯=-=（2）若使2Q 最小，则热机必须是可逆循环，
由孤立系统熵增原理得：0=∆+∆+∆+∆=∆W E L H iso S S S S S
其中：
K
kJ K
K
K kg J kg T T mc T dT
mc T
Q
S p T T p
T T H /964.7)273527()27337(ln
)/(14006ln 1
22
1
2
1
-=++⋅⨯====∆⎰⎰
δ
K
Q K Q T Q S L 300)27327(2
222=+==
∆ 0=∆E S ，0=∆W S 于是：0300/964.72
=+-=∆K
Q K kJ S iso
解得：kJ Q 2.23892=
（4） 热机输出的最大功：kJ kJ Q Q W 8.1726)2.23894116(21=-=-=
传热学部分
四. 回答问题（共计17分）
1 （2分）
答：空气，金属，水的导热系数大小比较：空气水金属λλλ>> 2 （6分） 答：λ
hl
Nu =
，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。

2
δ
τ
a Fo =
，分子为从非稳态导热过程开始到τ时刻的时间，分母可理解为温度变化涉及到2
δ面
积所需要的时间。

是非稳态导热过程的无量纲时间。

t t t 热机
大气0=27℃
p 0=0.1MPa
Ｑ１
Ｑ２
Ｗ
1 =527℃
p 1=0.1MPa m=6kg
2 =37℃p 2=0.1MPa
λ
hl
Bi =
，物理意义为：物体内部的导热热阻λδ/与边界处的对流换热热阻h /1之比。

3 （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：αλμρ,,,,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。

4 （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。

5 （4分）
答：组成辐射换热网络的热阻有：（1）空间辐射热组
2,11AX ，（2）表面辐射热组A
εε
-1。

当辐射表面为黑体时，1=ε，表面辐射热阻
01=-A
εε
，只有空间辐射热阻
2,11AX 。

五. 计算题（共计28分）
1 （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： 4.3)60
90ln 1.013060ln 04.01(21ln 21
ln
212
3121t
t d d d d t
q b a
l ∆=+∆=
+∆=
ππλπλ，
（2）第2种方案，b 在里层，a 在外层， 单位管长的热损失为： 7.2)60
90ln 04.013060ln 1.01(21ln 21
ln
212
3122t
t d d d d t
q a b
l ∆=+∆=
+∆=
ππλπλ，
比较两种方案的热损失：
26.14
.3/7
.2/12=∆∆=t t q q l l 因12l l q q >，故从减少热损失的观点看，第1种方案好。

2 （16分）
解：先绘制出有无辐射遮热板时辐射换热网络图： 无遮热板：
111J 2
J 1
2
,1AX E b1
1
1εεA -2
2εεA -E b2
Φ
1，2
有遮热板：
依题意：12,1=X ，12,33,1==X X ，
2
4
8
4
2
2248411/9691)273370(1067.5/75146)273800(1067.5m
W T E m W T E b b =+⨯⨯===+⨯⨯==--σσ
网络中的热阻为：
15
.05.011,1905.005
.011,1111,333.23
.03
.011223
3
2
,33,12,11
1
=-=-=-=
-====-=-εεεεεεX X X
（1） 无辐射遮热板时：22,1/151051
1333.29691
75146m W q =++-=，
（2） 有辐射遮热板时：22
,3,1/5.15101
119191333.29691
75146m W q =+++++-= （3） 辐射遮热板的温度3T ： 依能量平衡，列出下列方程式：
1
119191333.29691
75146191333.2751463+++++-=++-b E
解之：2
433/41411m W T E b ==σ，
因此：C K T ︒==6519243。

1εAX 11E b333''-εA J 3’’
J 2J 1
3,11'E b1
1
1εεA -2
2
1εεA -E b2
Φ1-3-2
J 3’2,3''AX 331'
'''-εεA。