西南科技大学热工基础试题库复习题答案.pdf

西 南 科 技 大 学 热 工 基 础 试 题 库 答 案 1 、 某 容 器 被 一 刚 性 壁 分 成 两 部 分 ， 在 容 器 的 不 同 部 位 安 装 有 压 力 表 ， 如 图 1 所 示 。 压 力 表 B上 的 读 数 为 7 5 k Pa, 压 力 表 C上 的 读 数 为 0 .1 1 MPa。 如 果 大 气 压 力 为 9 7 k Pa， 试 确 定 压 力 表 A上 的 读 数 及 容 器 两 部 分 内 空 气 的 绝 对 压 力 。 解 ： A、 B、 C的 读 数 均 为 表 压 ， 分 别 记 为 、 Pg A、 Pg B、 Pg C 容 器 1 和 2 的 绝 对 压 力 记 为 P1 和 P2 ， 大 气 压 力 Pa 依 题 意 ： Pg B=7 5 k Pa Pg C =0 .1 1 M Pa=1 1 0 k Pa Pa=9 7 k Pa 根 据 压 力 表 的 位 置 可 知 ： P1 = Pg C+Pa P1 = Pg B+P2 P2 = Pg A+Pa 将 Pg B 、 Pg C和 Pa的 数 值 代 入 上 式 得 ： P1 =2 0 7 k Pa P2 =1 3 2 k Pa Pg A =3 5 k Pa 图 1 2 、 如 图 2 所 示 。 气 缸 内 充 以 空 气 ， 活 塞 及 负 载 重 1 0 0 k g ， 气 缸 壁 充 分 导 热 ， 取 走 6 0 k g 负 载 ， 其 系 统 完 全 平 衡 后 ， 试 求 ： （ 1 ） 活 塞 上 升 的 高 度 L； （ 2 ） 热 力 学 内 的 变 化 U； （ 3 ） 气 体 在 过 程 中 所 做 的 功 。 （ 已 知 u k J/k g =0 .7 2 TK） 图 2 1)由 力 平 衡 ： p 1 =p b +F1 /A=7 7 1 * 1 3 3 .3 2 +1 0 0 * 9 8 1 0 0 /1 0 0 =2 .0 0 9 1 0 5 Pa V1 =A* L=1 0 0 * 1 0 * 1 0 -6 =1 0 -3 m3 p 2 =p b +F2 /A=7 7 1 * 1 3 3 .3 2 +4 0 * 9 8 1 0 0 /1 0 0 =1 .4 2 0 1 0 5 Pa T2 =T1 V2 =A* (L+L)=1 0 0 * (1 0 +L )* 1 0 -6 =(1 0 +L )* 1 0 -4 m3 过 程 中 质 量 不 变 ：m 1 = p 1 V1 /(Rg T1 )= m2 = p 2 V2 /(Rg T2 )V 2 = p 1 V1 / p 2 =2 .0 0 9 1 0 5 * 1 0 -3 /1 .4 2 0 1 0 5 =1 .4 1 4 5 * 1 0 -3 m3 =(1 0 +L )* 1 0 -4 m3 L=4 .1 4 5 cm2 ) U= m 2 u 2 - m1 u 1因 为 m 1 = m2 ， 已 知 u k J/k g =0 .7 2 TK， 而 T2 =T1 ； 所 以 U=03 ） 此 过 程 为 不 可 逆 过 程 ： W= p 2 * A* L=1 .4 2 0 1 0 5 * 1 0 0 1 0 -4 * 4 .1 4 5 1 0 -2 =5 8 .8 5 9 J 3 、 一 绝 热 刚 体 气 缸 ， 被 一 导 热 的 无 摩 擦 活 塞 分 成 两 部 分 ， 如 图 3 所 示 。 最 初 活 塞 被 固 定 在 某 一 位 置 上 ， 气 缸 的 一 侧 储 有 压 力 为 0 .2 MPa、 温 度 为 3 0 0 K的 0 .0 1 m3 的 空 气 ， 另 一 侧 储 有 同 容 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 求 ： （ 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 是 多 少 ？ 图 3解 ： （ 本 题 1 3 分 ） 1 ） 取 整 个 气 缸 为 闭 口 系 ， 因 为 气 缸 绝 热 ， 所 以 Q=0 ； 又 因 为 活 塞 导 热 而 无 摩 擦 ， W=0 ， 且 平 衡 时 A、 B两 侧 温 度 相 等 ，即 T A2 =TB2 =T2 。 有 闭 口 系 能 量 方 程 得 ：因 为 ， T A1 =TB1 =T1 =3 0 0 K， 于 是 终 态 平 衡 时 ， 两 侧 的 温 度 均 为 ：T 1 =T2 =3 0 0 K2 ) 取 整 个 气 缸 为 闭 口 系 ， 当 终 态 平 衡 时 ， 两 侧 压 力 相 等 ， 设 为 p 2 ， 则 ：3 ） 整 个 气 缸 绝 热 系 的 熵 变 ： 4 、 某 蒸 汽 动 力 厂 按 一 级 再 热 理 想 循 环 工 作 ， 新 蒸 汽 参 数 为 P1 =1 5 MPa， t1 =6 0 0 ， 再 热 压 力 PA=1 .4 MPa， 再 热 温 度 tR= t1 =6 0 0 ， 背 压 P2 =0 .0 0 5 MPa， 功 率 为 1 5 0 0 0 KW。 试 求 ： （ 1 ） 定 性 画 出 循 环 的 T-S图 ； （ 2 ） 求 循 环 热 效 率 ； （ 3 ） 每 小 时 所 需 蒸 汽 量 。 解 ： 1 ） 再 热 循 环 在 T-S图 上 的 表 示 如 图 所 示 。 2 ） 循 环 吸 热 量2 ） 根 据 ： 5 、 如 图 4 为 一 烟 气 余 热 回 收 方 案 。 设 烟 气 比 热 容 Cp =1 .4 k J/(k g .K)， Cv =1 .1 4 k J/(k g .K)。 试 求 ： （ 1 ） 烟 气 流 经 换 热 器 时 传 给 热 机 工 质 的 热 ； （ 2 ） 热 机 放 给 大 气 的 最 小 热 量 ； （ 3 ） 热 机 输 出 的 最 大 功 W。 图 4 解 ： 1 ） 烟 气 放 热 为 ：2 ） 若 使 Q 2 最 小 ， 热 机 为 可 逆 机 ， 由 卡 诺 定 理 得 ：即 ： 3 ） 输 出 的 最 大 功 为 ： 6 、 压 力 为 0 .1 MPa， 温 度 为 2 0 的 空 气 进 入 压 缩 机 ， 绝 热 压 缩 至 0 .6 MPa 后 排 入 贮 气 筒 。 试 求 ： （ 1 ） 问 压 缩 机 空 气 出 口 温 度 能 否 是 1 8 0 ？ （ 2 ） 若 将 空 气 绝 热 压 缩 至 0 .6 MPa， 2 5 0 ， 试 问 绝 热 效 率 是 多 少 ？ 可 用 能 （ 作 功 能 力 ） 损 失 为 多 少 ？ 并 用 T-S图 表 示 之 （ 环 境 温 度 t0 =2 0 ） ； （ 3 ） 压 缩 机 在 吸 气 状 态 下 的 吸 气 量 为 1 0 0 m3 /h ， 试 求 在 2 ） 情 况 下 的 压 缩 机 功 率 是 多 少 ？ 解 ： 1 ） 若 压 缩 机 出 口 温 度 为 1 8 0 ， 则 绝 热 压 缩 过 程 的 熵 产 ： 可 见 ， 压 缩 机 空 气 出 口 温 度 不 可 能 是 1 8 0 。2） 3 ） 7 、 空 气 从 T1 = 3 0 0 K、 p 1 = 0 .1 MPa压 缩 到 p 2 = 0 .6 MPa。 试 计 算 过 程 的 膨 胀 功 （ 压 缩 功 ） 、 技 术 功 和 热 量 ， 设 过 程 是 (1 ) 定 温 的 、 (2 ) 定 熵 的 、 (3 ) 多 变 的 （ n =1 .2 5 ） ， 按 定 比 热 容 理 想 气 体 计 算 ， 不 考 虑 摩 擦 。 按 附 表 1取 空 气 的 定 值 比 热 容 为 ： kJ/(kg K)， kJ/(kg K) 气 体 常 数 kJ/(kg K) （ 1） 定 温 过 程 对 等 温 过 程 ： ， 则 ： （ 2） 定 熵 过 程 对 定 熵 过 程 ： q 0， w u； wt h 由 等 熵 过 程 的 过 程 方 程 知 kJ/kg kJ/kg （ 3） 多 变 过 程 kJ/kg kJ/kg kJ/kg 8 、 已 知 活 塞 式 内 燃 机 定 容 加 热 循 环 的 进 气 参 数 为 p 1 =0 .1 MPa、 t1 =5 0 ， 压 缩 比 ， 加 入 的 热 量 q 1 =7 5 0 k J/k g 。 试 求 循 环 的 最 高 温 度 、 最 高 压 力 、 压 升 比 、 循 环 的 净 功 和 理 论 热 效 率 。 认 为 工 质 是 空 气 并 按 定 比 热 容 理 想 气 体 计 算 。 解 ： 活 塞 式 内 燃 机 定 容 加 热 循 环 的 图 示 见 a)、 b )图 示 (a)(b ) ， 理 论 热 效 率 由 (6 -5 )式 得 ： 循 环 净 功 最 高 温 度 须 先 求 出 ， 因 过 程 是 等 熵 过 程 ， 由 (3 -8 9 )式 得 因 为 所 以 最 高 压 力 须 先 求 出 和 过 程 是 定 容 过 程 ， 因 此 即 所 以 而 则 9 、 空 气 在 气 缸 中 由 初 状 态 T1 =3 0 0 K、 p 1 =0 .1 5 MPa进 行 ， 则 先 定 温 膨 胀 ， 然 后 再 在 定 容 下 使 压 力 增 到 0 .1 5 MPa， 温 度 升 高 到 4 8 0 K。 试 求 ： （ 1 ） 将 这 过 程 画 在 压 容 图 和 温 熵 图 中 ； （ 2 ） 利 用 空 气 的 热 力 性 质 表 计 算 这 过 程 中 的 膨 胀 功 、 热 量 ， 以 及 热 力 学 能 和 熵 的 变 化 。 解 ： (2 ) 对 1 1 2 即 先 定 温 膨 胀 ， 然 后 再 定 容 压 缩 过 程 有对 1 1 定 温 膨 胀 过 程 ： 所 以 对 1 2 定 容 压 缩 过 程 ： W v = 0 图 a 图 b 1 0 、 某 燃 气 轮 机 装 置 ， 已 知 其 流 量 、 增 压 比 、 升 温 比 ， 大 气 温 度 为 2 9 5 K。 试 求 理 论 上 输 出 的 净 功 率 及 循 环 的 理 论 热 效 率 （ 注 ： 认 为 工 质 是 空 气 并 按 定 比 热 容 理 想 气 体 计 算 ） 。 解 ： ，燃 气 轮 机 膨 胀 作 功 压 气 机 压 缩 耗 功 理 论 循 环 净 功 率 理 论 循 环 热 效 率 1 1 、 某 氨 蒸 气 压 缩 制 冷 装 置 （ 图 5 ） ， 已 知 冷 凝 器 中 氨 的 压 力 为 1 MPa， 节 流 后 压 力 降 为 0 .2 MPa， 制 冷 量 为 ， 压 气 机 绝 热 效 率 为 8 0 %， 已 知 冷 却 水 经 过 氨 冷 凝 器 后 温 度 升 高 8 K， 水 的 比 定 压 热 容 为 4 .1 8 7 k J/(k g k )。 试 求 ： （ 1 ） 氨 的 流 量 ； （ 2 ） 压 气 机 出 口 温 度 及 所 耗 功 率 ； （ 3 ） 制 冷 系 数 ； （ 4 ） 冷 却 水 流 量 。 图 5 解 ： 参 考 图 8-10、 8-11及 8-12，由 ， 查 图 得 由 沿 等 熵 线 向 上 与 线 交 于 点 查 得因 为 ： 则 （ 查 lgP-h图 ）(1)氨 的 流 量 ： (2)压 气 机 出 口 温 度 及 耗 功 率 ： ： 由 等 焓 线 与 等 压 线 交 点 ， 查 lgP-h图 可 得 ： (3)制 冷 系 数 理 论 ： 实 际 ： (4)冷 却 水 流 量冷 却 水 带 走 的 热 量 应 等 于 氨 气 放 出 的 热 量 ， 即 由 热 平 衡 方 程 得 ： 可 见 所 需 冷 却 水 量 是 相 当 大 的 。 1 3 、 由 三 层 材 料 组 成 的 加 热 炉 炉 墙 。 第 一 层 为 耐 火 砖 。 第 二 层 为 硅 藻 土 绝 热 层 ， 第 三 层 为 红 砖 ， 各 层 的 厚 度 及 导 热 系 数 分 别 为 1 2 3 0 mm ， 1 1 .1 0 W/(mK)， 2 5 0 mm, 2 =0 .1 0 W/(mK)， 3 2 4 0 mm, 3 =0 .5 8 W/(mK)。 炉 墙 内 侧 耐 火 砖 的 表 面 温 度 为 5 0 0 。 炉 墙 外 侧 红 砖 的 表 面 温 度 为 5 0 。 试 求 通 过 炉 墙 的 导 热 热 流 密 度 。 1 4 、 初 温 为 1 0 0 的 热 水 ， 流 经 内 径 为 1 6 mm、 壁 厚 为 1 mm的 管 子 ， 出 口 温 度 为 8 0 ； 与 管 外 冷 水 的 总 换 热 量 为 3 5 0 k W， 试 计 算 管 内 平 均 换 热 系 数 。 准 则 方 程 ：