《热力学与传热学》考试答案Word下载.docx
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随后发生泄漏,压力降至p2=4.901x105Pa时被发现,而温度T2=「未变。
试问到发现为止共漏去多少kg氧气?
[氧气&
=260」/此.1<
)]
2.在可逆热力循环1-2-3-1中,1-2为左容过程,2-3为绝热过程,3-1为左压过程。
工质为空气,Ti=300K,pi=0.1MPa.p2=0.4MPa,cp=1.004kJ/(kg.K),Rs=0.287kJ/(kg.K)«
试求
(1)循环净功Wo:
(2)循环热效率nt:
(3)在p-v图及T-s图上左性地画出该循环。
3.初始温度为20°
C的热电偶突然放入300°
C的空气中,30秒种后热电偶的指示温度为160°
Cu试求
(1)该热电偶的时间常数:
(2)热电偶指示温度上升到290°
C所需的时间。
4.容积为V=0.027m3的刚性储气简内装有压力为0.5MPa、温度为27°
C的氧气。
筒上装有一排气阀,压力达到0.8MPa时就开启,压力降为0.75MPa时才关闭。
若由于外界加热的原因造成阀门开启,试问:
(1)当阀门开启时的筒内温度:
(2)因加热造成阀门开闭一次期间而损失掉的氧气量。
设筒内气体温度在排气过程中保持不变。
氧气,Rg=260J/(kg.K)。
5.一泄量的空气,经过下列四个可逆过程组成的循环1-2-3-4-1o试求:
(1)填充表中所缺的数据:
(2)循环功:
(3)循环热效率。
过程
Q(kJ)
△U(kJ)
W(kJ)
1T2
1210
2->
3
250
3T4
-980
4T1
6.冷却水以2m/s的流速在内径为d=20mm的直铜管内流动,其进口温度为20°
C,铜
管内壁温度为80°
C,试求水被加热到60°
C时所需的管长。
特征数关联式:
条件:
Re;
>
10\%»
50
(2)层流:
Nuf=1.86(RefPrf-)5(^-)014
1久
Rez<
2200,Re,Pr,y>
10
水的物性参数:
t
P
cp
Xx102
l]x106
Vx106
Pr
°
C
kg/m3
kJ/(kgK)
W/(mK)
kg/(m.s)
m2/s
20
998.2
4.1826
59.9
I004.2
1.006
7.02
30
995.7
4.1784
61.9
801.20
0.805
5.42
40
992.2
63.4
653.12
0.659
4.31
988.1
64.8
549.17
0.556
3.54
60
983.2
4.1868
65.9
469.74
0.478
2.99
70
977.8
4.1910
66.8
406.00
0.415
2.55
80
971.8
4.1952
67.5
355.00
0.365
2.21
90
965.3
4.2035
6&
314.79
0.326
1.95
7.一台燃气轮机从大气中吸入温度为17°
C.压力为0.1MPa的空气,然后在压气机中进行绝热压缩,使空气压力提髙到0.9MPa。
若压气机内空气稳立流动、不计进出口动能和重力位能的变化且比热容取龙值,试求压气机消耗的轴功。
空气cp=1.004kJ/(kgK),k=1.40a
有一厚度为20cm的炉墙,墙体材料的热导率为1.3W/(mK)a为使敬热损失不超过15OOW/m2,需紧贴墙外壁而加一层热导率为0.1W/(mK)的保温层。
已知该复合壁内、外两侧壁而温度分别为800°
C和50。
。
试确左该保温层的厚度。
9.某种火警报警器的有效部位是一个半径为R的小金属球,其熔化温度为ts=500°
C.密度为p=7200kg/m\比热为c=400J/(kgK)、热导率为Z=200W/(mK)o正常状态下金属球的温度为t0=25°
C,当突然受到温度为tw=675°
C的烟气加热后,为保证在20秒内发出警报,问金属球的半径R应为多少?
设烟气与球表而间的对流换热系数为h=25W/(m2K).提示:
利用集总参数法分析计算。
10.一循环,工质从髙温热源吸热3.4x106kJ,输岀功率1.1x106kJ。
试计算该循环的热效率乐。
若循环是在温度分别为577°
C和30°
C的恒温热源间完成的,试计算该循环的热效率心与同温限下卡诺循环的热效率氐之比。
11.水以1.8m/s的速度从内径为12mm的铜管内流过。
已知铜管壁面温度为60C进口水温为30°
C,试确左将水加热到50°
水的有关物性及管内换热关系式如下:
不冋温度下水的物性参数
T
Cp
kJ/(kgK)
A
w/(mK)
nxio4kg/(ms)
vx106
4.174
0.618
8.02
0.634
6.54
0.648
5.49
4.179
4.70
经验关联式:
⑴层流:
Nuf=1.86(RezPr.-)3(—)0J4
1仏
适用条件:
Re,<
2200,Re,Prf(彳)>
10
fm=0.4
(2)紊流:
Nuf=O.O23Rez08Pr/[鸞製ffffl流体被冷却
9m=0.3
参考答案
一、判断题
XvXXXXXv
1.N”数和口数均可写成丛的形式,二者有何区别?
2
答:
(1)Nu数中的入为流体的热导率;
Bi数中的九为导热物体的热导率。
(2)Nu数中的h为待左参数,Nu为待立特征数:
Bi数中的h为已知参数,由第三类边界条件确宦,Bi为已泄特征数。
(3)物理意义不同。
Nu表示贴壁流体的无呈:
纲的温度梯度,在其它条件相同的情况下,Nu数可反映对流换热的强弱。
Bi数表示第三类边界条件下物体内部导热热阻和表面处换热热阻的比值。
强制对流换热强度与流体壁而之间的相对速度有关,相对速度越大,对流换热越强。
与步行相比,骑摩托车时相对速度较大,对流换热强度大,因此人体会散失较多的热疑从而感到更冷些。
皮手套和护膝,由于导热系数小且有一泄厚度,增加了一层较大的导热热阻,使总传热热阻增大,从而可降低散热量,从而起到保护作用。
“=”、“〉”表示)
(1)层流<
蓋流
(2)水>
空气
(3)光滑管_粗糙管(4)直管<
弯管
(5)层流入口段>
层流充分发展段
『Tds『jy
4.答:
由图可知,s2>
s1,则q」宀>
0,吸热;
v2>
v1.则w」"
'
0,对外作功;
T2<
T1,则An=ICvdI<
o,热力学能降低。
5・答:
在相同压力下,
(1)t=200°
C>
ts,处于过热蒸气状态;
(2)t=160°
C<
ts,处于
未饱和水状态:
(3)干度x=0.6e(0,1)>
处于湿饱和蒸气状态。
吩厶-(空)g
6.答:
“dY:
表征壁而处流体无量纲过余温度变化率的大小,可反映对流换热的强弱。
7.有人将一碗热稀饭置于一盆凉水中进行冷却。
应该搅拌碗中的稀饭。
这是一个传热过程。
相对而言,稀饭侧的对流换热系数较小、换热热阻较大。
搅拌稀饭时增大了其对流换热系数,最大限度的降低总传热热阻,可显著地增强传热,加速冷却速率。
不对。
因为对于圆筒壁的保温,存在一个临界热绝缘直径决问题。
当圆简壁外径大于临界热绝缘直径决时,加保温层一圧能降低散热量;
但当圆筒壁外径小于临界热绝缘直径氏时,在一泄的保温层厚度范用内,其散热量是增加的。
1.
解:
理想气体状态方程:
pV=mRsT
260x294
初态时氧气质量为川严型■「恥二I()二()」以3=0.254kg
R®
则漏去的氧气质量为Am=mi-m2=0.254-0.181=0.073kg
2.
解:
对于空气,k=1.4cv二Cp・Rg=0・7仃kJ/(kgK)
v/2-3=-Au2-3=Cv(T2-T3)=0.717x(1200-807.54)=281.39kJ/kg
W3•佇p,(v「V3)=Rg(Ti-T3)=0.287x(300-807.54)=-145.66kJ/kgv/net=v/1-2+v/2-3+W3-i=0+281.39-145.66=135.73kJ/kg
(2)热效率m
qi.2=Au1.2=Cv(T2-Ti)=0.717x(1200-300)=645.3kJ/kg
循环吸热量qi=q1-2=645.3kJ/kg
q3.1=Ah3.1=Cp(T1-T3)=1.004x(300-807.54)=-509.57kJ/kg
循环放热虽:
q2=Iq3-iI=409.17kJ/kg
T]t=Wnet/qi=135.73/645.3=21.03%或qt=1-q2/qi=1-509.57/645.3=21.03%
⑶图示
3・
本题求时间常数,可认为满足Bi<
0.1o
⑴求时间常数:
一—
1A
代入数据,
160-300--
=e「
20-300
pVc_
='
-43.28(秒)
hAIn0.5
7=144.22(秒)
4.
pV=mRsTTi=27+273.15=300.15Kpi=0.5MPa⑴设阀门开启时,筒内气体为温度为T2‘K。
又p2=0.8MPaV2=V1=V
则T2‘=P2/PiTi=0・8/0・5x300・15=480.24K
t2=T2-273.15=480.24-273.15=207.09°
(2)设损失掉的氧气质量为Amkg。
阀门开启又关闭后氧气质量为m2,又T2=T2=480.24Kp2=0.75MPaV2=Vi=V
则损失掉的氧气质量为△nwn叶口2二0・1730162=0.0门kg
5.
(1)填充表中所缺的数据
对每一过程有:
Q二MJ+W对循环有jdU=0Q=W;
)
Q
(kJ)
AU
W
1-2
(1210)
2-3
C250)
3-4
•980
(-980)
4-1
(20)
(-20)
(2)循环净功
Wo=VV1.2+W2.3+W3.4+W4.i=O+25O+O-2O=23OkJ
或Wo=Qo=1210+0-980+0=230kJ
(3)循环热效率
tv
Qi=1210kJ7=_L=J^_=o」9=19%
cQ{1210
6.解:
这是一个管内强迫对流换热问题。
(1)查物性流体平均温度t,==色乜=40°
C壁温U=80°
-22
Pr/=4.31
水的物性参数:
P、=992.2kg/n?
cpf=4174J/(kg-K)=0.634W/(m・K)vf=0.659x10“m/s
〃「=653.3x10"
6kg/(m.s)rjw=355.1x10"
6kg/(m.s)
(2)判断流态
Re=2x0.02=6x1q4>
1q4为湍流
vz0・659xl0"
(3)选择公式,讣算表面传热系数
fw>
t/9流体被加热时,n=0.11:
假设满足^/>
50>
则Nuf=0.023Re?
-8Pr;
u(—)0JI
7m
=295.925
=0.023x(6.0698x10“严x(4.31严
Afo634,
/,=M^=295.925x—=9395.63W/(m2K)
(4)计算管长
热平衡方程:
=^d2ulpfcpf(t;
-/;
•)=h^l(tw-tf)
(5)校核:
%=4.%02=220.4>
50成立,计•算可靠。
7.
稳泄流动能量方程式:
q=A/?
H—+gAz+叫
1.
不计进出口动能和位能的变化,则-Ac;
^O^Az^O:
绝热过程,<
7=0:
则可简化为△/?
+w'
j=0,贝I]=-zV?
=/?
!
-h2=cp(Tx-T2)
又绝热压缩过程,且Ti=17+273=290K.Pl=0.1MPa,p2=0.9MPa,贝I]
代TQq141
T.=T.=290x(—)~^=543.3K
‘门01
则压气机消耗的轴功为叫=一叱=—1.004x(300-543.3)=254.31kJ/kg
8.
这是一个通过两层平壁的导热过程。
设保温层厚度为S2mm,则
热流密度°
=叟=心一心=800—5095oow/n?
A4&
0.20d
—+—
人人1.30.1
保温层厚度5,=(心一心2_虫)几,>
(竺二£
_22)x0.1=0.0346m=34.6m
q15001.3
9.
假设Bi<
0.1成立,可用集总参数法汁算。
对于球体.V/A=R/3,
则乔
_hA_3h
-/_「一
Z0~Zx
=3.97xl0-4m=0.397nun
-5.208xlO-4亠-650
hR?
SxQ7xif)-4
校核:
/亍「^_=。
.496汕<
」成立,计算可靠。
相应卡诺循坏的热效率:
7.亠尹-冷^=。
•曲234%
二者比值为:
色=323%=0.5028
①M.34%
11.解:
流体平均温度/1=乞乞=巴二巴=40°
C壁温U=60°
22
查得水的物性参数为:
p(=992.2kg/n?
c”=4174J/(kgK)
Pr.=4.31"
/=6.54xIO"
4kg/(m.s)%=4.70x10^kg/(m.s)
rc空=.1XlOO12=3.2777x1(T>
1(T为湍流
vf0.659x10"
tw>
tft流体被加热时,m=0.4:
假设满足%»
50,则
Nuf=0.023Ref沖时"
=°
血3>
<
(3.2777xIO4)08x(4.31)04=169.034
nA34
h=N\=169.034x—=8930.62W/(m2K)
Jd0.012
热T•衡方程:
一/;
)=/?
4(几一『/)[q,„=p;
itf
/=“W;
_/;
)=992.2x1.8x0.012x4174x(50-30)
"
4/i(fw-ry)-4x8930.62x(60-40)
A=/rd!
]
=2.504[m]
%=2.50%0]2=208.68>
50成立。
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