杭电热工基础期末试卷A卷&答案 - 图文

一、 问答题（共36分）： 1、在p-v图和T-s图上，标出空气的n=1.2的吸热过程1-2和n=1.6的膨胀过程1-3的区间，并确定过程1-2和1-3中功和热量的正负号。（本题6分） S V S v T P P T 2 2 3 3 1-2过程：w>0, q>0 1-3：w>0,q<0 2、理想气体进行等温膨胀时，可将从单一恒温热源吸入的热量全部转变为功对外输出，这是否与热力学第二定律的开尔文表述有矛盾？为什么？（本题6分） 理想气体进行等温膨胀，热力学能不变，所以可将从单一恒温热源吸入的热量全部转变为功对外输出，但是这不是循环，工质状态发生了变化，所以并不违反热力学第二定律的开尔文表述。 实际上是热量中的可用能和工质的最大可用功的减少量转变成输出的功。 3、某种工质在气缸内完成循环，其中：1-2为可逆绝热过程，2-3为可逆过程，3-4为可逆绝热过程，4-1为可逆定容过程。各过程部分参数如下表，填补表内空白（本题6分） 过程 Q/kJ ΔU/kJ W/kJ 1-2 0 470.7 (-470.7) 2-3 574.3 (410.1) 164.2 3-4 0 (-671.2) (671.2) 4-1 -209.6 (-209.6) 0 4、写出Bi数和Nu数的数学表达式，并说明它们各自的物理意义，指出它们之间的区别。（本题6分） 形式上Nu与Bi完全相同，但Nu中的λ为流体导热系数，而一般h未知，Nu为待定数，Nu表示壁面附近流体的无量纲温度梯度，表示流体对流换热的强弱。 Bi中的λ为导热物体的导热系数，一般h已知，Bi为已定数，表示物体内部导热热阻与外部对流热阻的相对大小。 5、强化传热的原则是什么？试举两个个强化管内强迫对流换热的方法，并简要说明理由。（本题6分） 强化传热的主要原则就是减小传热热阻，减小传热过程的几个热阻中最大的热阻，效果最显著。 对于管内强迫对流换热，可采用： （1）改变流体流动状态，湍流换热强度大于层流换热，如增加流速，加强管内流动的扰动（波纹管，内构件等） （2）利用热进口段的入口效应，采用短管换热 （3）利用弯管产生的二次环流扰动对对流换热的强化，采用弯管段 等。 （只要在说明强化传热原则基础上，给出两个方法并说明理由即可） 6、遮热板的作用是什么？试说明其工作原理，并举一个应用实例？（本题6分） 遮热板的作用是削弱辐射换热。其原理为增加一块遮热板相当于给原来的两个表面的辐射换热增加了两个表面辐射热阻和一个空间辐射热阻，与未加遮热板相比，总辐射热阻增加，辐射换热量减少。 实例：带遮热罩的抽气式热电偶测温装置。 要求画出辐射换热网络图来说明遮热板的原理。 第 1 页 共 4 页

程线；（2）循环中各点的温度和压力；（3）循环热效率，并对比其与同温限的卡诺循环的热效率。（本题12分） （1）略 （2）v1?RgT1P1?0.287kJ/（kg.K)?(35?273.15)K100kPa?0.8844m/kg 3v2?v1??0.08844m3/kg 二、 计算和证明题（共 64 分） 1、一刚性绝热容器用隔板分成两部分，如图所示，VB=3VA。左侧有1kg空气，p1 =1MPa，T1=330K，右侧为真空。抽去隔板，气体扩散到整个容器内。系统恢复平衡后，求过程做功能力的损失。设空气的比热可取定值，T0=293K，P0=0.1MPa。（本题10分） 取全部空气为系统，为闭口系。由于容器为刚性绝热容器，B A 向真空自由膨胀，则Q=0, W=0 真空 p1 T1 因此，T1= T2=330K VB VA p2?p1???0.1MPa?101.4?2.512MPa T2?p2v2Rg?774K v3?v2?0.08844m3/kg q1T3?T2??1679.52K cp/?p3?RgT3v3?5.45MPa v1?RgT1P1?0.287kJ/（kg.K)?330K1000kPa?0.09471m3/kg 由于温度不变，V1?VA,V2?4VA， 因此终态压力p2?p1V1V2?1Mpa/4?0.25MPa 过程的熵变?s?cvlnT2v?Rgln2?0.3979kJ/kg.K T1v1v4?v1?0.8844m3/kg p4?p3(v3v4)?p3????0.217MPa ?T4?p4v4Rg?668.6K （3）??1?1???1?60.2% 过程绝热，sf=0， 因此sg??s?0.3979kJ/kg.K 过程的做功能力损失为：I?T0sg?293K?0.3979kJ/kg.K?116.57kJ/kg 2、某活塞式内燃机定容加热理想循环，已知p1 =100kPa, t1 =35℃，压缩比ε=10，加热过程中工质吸热为650 kJ/kg。假定工质为空气，比热容为定值，cp =1.005 kJ /(kg. K)，κ=1.4，气体常数Rg=0.287 kJ/（kg.K）。试求：（1）在p-v图和T-S图上画出该循环过 T1?81.7%?? 同温限下的卡诺循环热效率?c?1?T3 第 2 页 共 4 页

3、容积为0.15m3的储气罐内有氧气，初始温度t1=38℃，压力p1= 0.55MPa。罐上装有压力控制阀，罐内压力超过0.7MPa时，阀门打开维持罐内压力为0.7MPa。如对罐内氧气加热，求当罐中氧气温度为285 ℃时，对罐内共加入多少热量？（本题10分） 已知Rg=0.26kJ/(kg·K)；cV=0.657kJ/(kg·K)；cp=0.917kJ/(kg·K)。 p1V0.55?106Pa?0.15m3??1.020kg初始氧气质量 m1?RgT1260J/(kg?K)??273?38?K p3V0.7?106Pa?0.15m3 m3???0.274kgRgT3260J/(kg?K)??273?285?K285度℃时，管内氧气质量 压力阀打开之前1-2为定体积过程，过程中气体质量不变，所以 p20.7MPaT?T??311K?395.82K21 p10.55MPa QV?m1cV?T2?T1? ?1.02kg?0.657J/(kg?K)??395.85?311?K?56.84kJ 压力阀打开后2到3过程中气体压力不变，但质量改变 T3pVcpp3VT3T33 ?cdT?lnδQp?mcpdTQp??mcpdTp?T2RTT2RgT2g 917J/(kg?K)?0.7?106Pa?0.15m3(285?273)KQp?ln?127.17kJ 260J/(kg?K)395.82K总的加热量为 Q?Q?Q?56.84kJ?127.17kJ?184.01kJVp 4、用热电偶测量气罐中气体的温度。热电偶的初始温度为20℃，与气体的表面传热系数为15W/(m2.K)。热电偶近似为球形，直径为0.2mm。已知热电偶焊锡丝的导热系数λ=67 W/(m.K)，密度ρ＝7310kg/m3，比热c=228 J/(kg.K)。试计算：（1）热电偶插入5s后，热电偶的过余温度为初始过余温度的百分之几？（2）要使温度计过余温度不大于初始过余温度的2％，至少需要多长时间？（本题10分） hR/315?0.0001/3（1）Bi???7.46?10?6?0.033，可用集总参数法 ?67?cV7310?228?0.0001/3?c???3.7s hA155s的相对过余温度为（2）过余温度不大于初始过余温度2％，???exp(?)?2% ?03.7??14.5s 5、在用热线风速仪测定气流速度的试验中，将直径为 0.1mm的电热丝与来流方向垂直放置，来流温度为25℃，电热丝温度为55℃，测得电加热功率为20W/m。假定除对流外其他热损失可以忽略不计，试确定此时的气流来流速度。 已知：确定平均表面传热系数的准则式为 Nu=0.683Ref0.466Pr1/3 空气的物性参数为：λ=0.0276W/(m.K), ν=16.96×10-6 m2/s, Pr=0.699 （本题10分） Φl=20W/m 由牛顿冷却公式，Φl=hA(tw-tf)=hπd(tw-tf) h=Φl/πd(tw-tf)=20/[π*0.1/1000*(55-25)]=2122 W/m2K 因此，Nu=hd/λ=7.689,带入Nu=0.683Ref0.466Pr1/3 可求得Re=233.12 因此，气体来流速度u=Re×ν/d=39.54 m/s 6、在套管中插入温度计测定管道内的蒸汽温度。已知管道壁温为40℃，套管壁厚为2.5mm，套管的导热系数为λ=40W/(m.K)，蒸汽与套管间的表面传热系数为100 W/(m2.K)，当套管长度为80mm时，温度计读数为150℃，试求：（1）流体的实际温度及测温误差；（2）如果控制测温误差小于0.5%，温度计套管的最小长度应为多少？ （本题12分） ex?e?xch(x)? 2忽略测温套管横截面上的温度变化，并认为套管顶端绝热，套管可看成是等截面直肋 （1），t0?t?tch(mH)?t0,t??H?169.7oC ch(mH)ch(mH)?1 ???exp(?)?25.9% ?0?ctH?t?? 第 3 页 共 4 页

测温误差为t??tH169.7?150??11.6% t?169.7t?ttH?t??0.5%，tH?t??0??0.5%?t? t?ch(mH)（2）如将测温误差控制在0.5%以内，ch(mH)?t0?t?169.7?40??153 0.5%?t?0.005?169.7mH=5.72 则，H?5.72/m?0.181m?181mm 第 4 页 共 4 页