熱能學(xué)習(xí)清華大學(xué)2010級期中考試燃燒理論a卷帶答案含答案

1、熱能系學(xué)生會學(xué)習(xí)發(fā)展部熱能工程系 2010 級“燃燒理論”期中考試試卷（A 卷）Middle Term Examination of Combustion Theory (A)考試時間(Date)：2013 年 4 月 26 日班級(Class)：No.)：姓名(Name)：(Instructions(提示):1請將你的學(xué)生證放在桌子的右上角（Please put your Photodesk）ID on the2考試為開卷考試，帶教科書，作業(yè)，課件，筆記本和另外的參考書各一樣，但不能互借，答題必須完成。（The examination is OPEN BOOKS.Calculators, t

2、extbook, homework and notebook are allowed, but they can not be lent to others. You should answer the questions independently and help is not allowed）試卷共有7題，你要在120分鐘內(nèi)完成這次考試，先檢查一下你的卷子，題目3是否對，共有6頁。必須寫在答題卷上，試題卷上回答無效。答題必須明確，清晰，計(jì)算題應(yīng)給出 。（There are 11 questions on this exam with 5 pages. You have up to 120

3、 minutes to work on this exam. Please be sure that you have a complete exam package. Please work exam problems on the pages provided. Show your work neatly and write your answers. Give units for all answers requiring them.）如果試卷不對，請立即與監(jiān)考教師說明。（If a page is missing, take the exam toa proctor immediatel

4、y.）強(qiáng)烈推薦你先讀一下所有的問題，并對回答問題的時間進(jìn)行安排。答卷完成后請?jiān)僮屑?xì)檢查一下。（Budget your time for each question and be sure to first answer those questions that you know how to work. Check your work aftercompleting the exam.）456請你現(xiàn)在就在答卷紙和試卷紙上寫上你的名字與，并在你的答卷紙首頁上標(biāo)明你的試卷的類型（A或B卷）（PRINT your name NOW in the spaces atthe top of your pa

5、ges. Mark the exam type A or B）7答卷可以用中文或英文，如果是雙語的，以中文為準(zhǔn)。試卷有的，也以中文為準(zhǔn)。(The answers can be in English or. If two languages are usedin one answer, I will takeas the selection. Some of the problems havebeen translated in English. If there are any difference betweenandEnglish,is for your choice.)熱能系學(xué)生會學(xué)習(xí)發(fā)

6、展部1. 絕熱燃燒溫度的計(jì)算(18 分)1) 假設(shè)產(chǎn)物中沒有離解發(fā)生，計(jì)算下面公式所示的化學(xué)反應(yīng)在 298K，一個大氣壓情況下的絕熱火焰溫度。CH +13(0.21O + 0.79N ) ® nCO + nH O + nN + n O422CO2H O2N2O222222) 將反應(yīng)物中的氮?dú)?N2 替換為CO2 ，并再次計(jì)算絕熱火焰溫度，并簡要分析二者不同的。1.The prediction of adiabatic combustion temperature (18 points)1） Assuno dissociation of product species, determi

7、ne the adiabatic flame temperature forthe following chemical reaction at Ti = 298k , P=1atmCH +13(0.21O + 0.79N ) ® nCO + nH O + nN + n O422CO2H O2N2O222222） Change the N2 to CO2 . Determine the adiabatic flame temperature again， and brieflyexplain the difference between them.解答：1） CH4 +13(0.21

8、O2 + 0.79N2 ) ® CO2 + 2H2O +10.27N2 + 0.73O2Hreact (Ti , P) = Hprod (Tad ,P)Assume Cp 1200K2= -74831kjHreactHpro= (-393546 + (Tad - 298) ´ 56.21) + 2(-241845 + (Tad - 298) ´ 43.87) += 10.27(Tad - 298) ´ 33.71) + 0.73(Tad - 298) ´ 35.68)= -877236 + (Tad - 298) ´ 516.1981

9、3= 1852.45 KTad32) CH4 +13(0.21O2 + 0.79CO2 ) ®11.27CO2 + 2H2O + 0.73O2Hreact (Ti , P) = Hprod (Tad ,P)Assume Cp 900K= -74831-10.27´ 393546 = -4116548.42Hreact= 11.27(-393546 + (Tad - 298) ´ 53.136) + 2(-241845 + (Tad - 298) ´ 39.93)+ 0.73(Tad - 298) ´ 34.454)= -4918953.42 +

10、 (Tad - 298) ´ 703.854Hpro熱能系學(xué)生會學(xué)習(xí)發(fā)展部= 1438KTadThe main reason is that the CO2 owns higher heat capacity.2. 有一個由擴(kuò)散火焰形成的反應(yīng)器系統(tǒng)，氣流速度為 2.5m/s，反應(yīng)器截面直徑為 50mm，n-52反應(yīng)器溫度為 1200K，其中 D = 2.2´10 m / s(273K,1atm) ， Sc = 0.8 ，分別計(jì)算D這個反應(yīng)器是否是柱塞流反應(yīng)器 (10n L數(shù)( Pe =)、雷諾數(shù)，并通過D其數(shù)分)。2. A non premixed flame reacto

11、r was a one dimensional flow reactor. The gas velocity is 2.5m/s.50 mm. D = 2.2´10-5 m2 / s(273K,1atm) ,The cross sectiondiameterofthereactorisnn L DSc = 0.8 .Pe =Calculate the Peclet numberand Reynolds number, and judgeDwhether the reactor is a plug flow reactor.(10 points).2.5´ 0.05解答： P

12、e =2.2´10-5 ´ (1200 / 273)1 5= 616.534rVL2.5´ 0.051VLRe =´=uSc ´ D10.8´ 2.2´10-5 ´ (1200 / 273)1 5= 7714數(shù)較大，表明對流強(qiáng)度強(qiáng)，可其為柱塞流反應(yīng)器。23.液滴蒸發(fā)對實(shí)際裝置具有重要意義?？紤]一個直徑 100m 的正癸烷（C10H22）液滴在常溫(298K)、1atm 的干燥氮?dú)庵姓舭l(fā)的情形。液滴表面溫度為 25。試采用下式8r DC H ,NH ,s - YC H ,¥YCK =10 22210 221

13、- YC1022rlH ,s10 22來計(jì)算蒸發(fā)速率常數(shù)K 是否合理（假設(shè)此時液滴表面溫度恒定）？并說明。(12 分)注：上式中 rl 是液滴密度， r 是氣體混合物平均密度， DC是正癸烷在氮?dú)庵械亩狧,N10 22 2擴(kuò)散系數(shù)， YCH ,s 、 YC H ,¥ 分別為液滴表面和無窮遠(yuǎn)處的正癸烷蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)。取10 2210 22,¥ = 0 。計(jì)算可能用到的參數(shù)見下表。YC H 10 223. The evaporation of fuel droplet is important for practical devices. Here we consider a

14、droplet offuelMW（kg/kmol）rl （kg/m³）沸點(diǎn)boiling point（）hfg（kJ/kg）正癸烷 n-Decane142.28730174.1277熱能系學(xué)生會學(xué)習(xí)發(fā)展部n-decane(C10H22)of a diameter of 100m in dry nitrogen ambience (298K , 1atm). Thetemperature of droplet surface is the same with the ambience. Would it be reasonable to calculatethe evaporation

15、 rate constant Kby using8r DC H ,NH ,s - YC H ,¥YCK =10 22 210 2210 22rl1- YCH ,s10 22The surface temperature remains unchanged during the evaporation.Please explain it (12 points).rl is the droplet density, while r is mean density of gasmixtures. DCis the binaryH,N10 22 2diffusion coefficient

16、between n-decane and nitrogen. YCYC H and,¥ are the massH ,s10 2210 22fractions of n-decane gas near the droplet surface and at infirespectively. Assume that,¥ = 0 . The possibly used physical properties are listed in the table above.YC H 10 22解答：直接計(jì)算傳質(zhì)數(shù) BY 即可。需要首先計(jì)算液滴表面處的的 Clausius-Clapey

17、ron 方程計(jì)算：質(zhì)量分?jǐn)?shù)。利用積分形式= exp é-277000öù = 4.97 ´10-3æPsat11-ê8315 / 142.284 ç 298447.1 ÷úP(= 1atm)èøûë-3即 xA = 4.97 ´10 ，由此計(jì)算142.284Y= 4.97 ´10-3 ´= 0.0247A,s 4.97 ´10-3 ´142.284 + (1- 4.97 ´10-3) ´ 28.0

18、14= YA,s - YA,¥= 0.0247 - 0 = 0.0254 << 1BY1- Y1- 0.0247A,s 實(shí)際上ln(1+ BY ) = 0.02505 » BY ，因此可以認(rèn)為這樣近似是合理的。如果還要算下去，則需要計(jì)算氣液平均溫度下的二元擴(kuò)散系數(shù)、表面及無窮遠(yuǎn)處的平均氣體密度，代入計(jì)算 K 值。8r D1- YCH ,¥疏忽，在題目中給出的公式錯誤，成了 K =C H ,N但實(shí)際中由于10 22 21022rl1- YCH ,s10 22故而造成結(jié)果與原意完全不同。實(shí)際批改中給分如下：不合理3 分；首先（或最后）利用Clausius-

19、Clapeyron 方程最終計(jì)算出YA,s 或進(jìn)一步計(jì)算 BY6 分利用 BY 說明 ln(1+BY)和 1+BY 根本不同；或利用 K 的正確公式和題給公式分別計(jì)算，熱能系學(xué)生會學(xué)習(xí)發(fā)展部比較二者的巨大差異（40 倍），說明近似完全不合理。3 分。4.將氮氧化物生成的熱力型（或，Zeldovich）機(jī)理簡化為以N2 + O2 Û 2NO反應(yīng)：計(jì)算該反應(yīng)在 1600K、2400K 下的標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，比較熱力型 NOx 生成機(jī)理與溫度相關(guān)的變化。本題要求：只能采用下表中列出的各物質(zhì)的熱力學(xué)數(shù)值。(14 分)4. The thermal (or Zeldovich) mec

20、hanism of NOx formation is expressed by a one-step reaction:N2 + O2 Û 2NOPlease calculate the standard equilibrium constants of the reaction at 1600K and 2400K, respectively. Discuss the role of thermal mechanism during NOx formation according to the results.Attention: You can ONLY use the ther

21、modynamical data listed in the table below.(14 points)氮?dú)猓∟2），標(biāo)準(zhǔn)生成焓=0Nitrogen (N2), standard enthalpy of formation = 0氧氣（O2），標(biāo)準(zhǔn)生成焓=0Oxygen (O2), standard enthalpy of formation = 0一氧化氮(NO)，標(biāo)準(zhǔn)生成焓= 90297 kJ/kmolNitric oxide (NO), standard enthalpy of formation = 90297 kJ/kmolæDG0 ö解答：本題比較簡單，主要

22、利用公式： Kp = expç -T ÷Q2 分RuT øèT/K(h 0 (T ) - h 0 (298)f/(kJ/kmol)s 0 (T )/(kJ/(kmolK)160043317264.937240072617279.772T/K(h 0 (T ) - h 0 (298)f/(kJ/kmol)s 0 (T )/(kJ/(kmolK)160044253260.339240074467275.627T/K(h 0 (T ) - h 0 (298)f/(kJ/kmol)s 0 (T )/(kJ/(kmolK)160041899244.04824007

23、0645258.598熱能系學(xué)生會學(xué)習(xí)發(fā)展部而在本題中，計(jì)算DG0 必須采用： DG0 = DH 0 - T DS 02 分TT()，即 h (T ) = h (298) + h (T ) - h (298)0000而絕對焓由兩部分ff計(jì)算結(jié)果：（計(jì)算過程 2*2 = 4 分，結(jié)果 2*2= 4 分）可見該反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)隨溫度下降而迅速減小，故而從熱力學(xué)角度說明，熱力型NOx 生成機(jī)理只在高溫下重要。2 分5. 研究下列一組反應(yīng)：(15 分)M+Br22Br+M Br+H2HBr+HH+Br2HBr+BrH+HBrH2+Br Br+Br+MBr2+M (5)(1)(2)(3)(4)1)試說

24、明上述反應(yīng)中，哪些是鏈的激發(fā)反應(yīng)，哪些是鏈的傳遞反應(yīng)，哪些是鏈的中斷反應(yīng)（3 分）寫出上述反應(yīng)的總包反應(yīng)。（2 分）2)3)試寫出 dHBr/dt，要求用H2和Br2表示提示：假設(shè) Br 和H 處于穩(wěn)態(tài)條件。（分）10解答：1） 激發(fā)：1；傳遞：2,3,4；中斷：52） H2 + Br2 > 2HBr3） dHBr/dt = k2BrH2 + k3HBr2 k4HHBr穩(wěn)態(tài)條件：2 分dBr/dt = 2k1MBr2 k2BrH2 + k3HBr2 + k4HHBr 2k5Br2M = 02 分dH/dt = k2 BrH2 k3HBr2 k4HHBr = 0之后的推導(dǎo)過程2 分2 分1

25、2k2k3H2 Br2 ì k1ü2íBr2 ýþ結(jié)果： dHBr/dt =2 分k Br + k4HBr î k5325. As for the reactions bellows: (15 points)M+Br22Br+M Br+H2HBr+HH+Br2HBr+Br H+HBrH2+BrBr+Br+MBr2+M(1)(2)(3)(4)(5)T/KDH 0DS 0DG0TK 0p160018107625.487140296.82.63e-5240018071625.319119950.42.45e-3熱能系學(xué)生會學(xué)習(xí)發(fā)展部(1)(

26、2)(3)Please point out the chain-initiation, chain-propagating and chain-terminating reactions. Write the global reaction rate of above reactionsWrite the expression of dHBr/dt, only in terms of H2 and Br2 Hint: assume that Brand H are in steady state situation.6. 化學(xué)反應(yīng)凈生成率 wi 的理解(16 分)是kmol/m3-s, 你認(rèn)為

27、其定義式 w = dNi / V 正確嗎？并給出(1) 某組分i 凈生成率 wiidt解釋（4 分）。(2) 全混流反應(yīng)器認(rèn)為反應(yīng)器內(nèi)返混無窮大，即擴(kuò)散十分快，從而導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)各點(diǎn)和出口m的參數(shù)性質(zhì)一致，而組分守恒方程卻可寫成 wi + rV ( Xi in - Xi out ) = 0 ，即反應(yīng)器進(jìn)、出口化學(xué)反應(yīng)項(xiàng)和對流項(xiàng)的平衡，反而并沒有含擴(kuò)散項(xiàng)，您是如何理解的？(6 分)對于反應(yīng)O + O + M O2 + M，其中 M 是第三體，其濃度M保持不變。假設(shè)反應(yīng)速率常數(shù)為 k。試確定反應(yīng)速率 wO 的表，并推導(dǎo)該反應(yīng)的化學(xué)特征時間尺度 chem 的表。（均由O、M及 k 來表達(dá)）(6 分)(

28、3)6. The understanding of some issues related the net chemical production rate wi . (16 points)wi , of species i,has a unit of kmol/m3-s, do you think whether the definition of(1)= dNi / V wis right or not？Please explain it（4 points）。idt(2)The well-stirred reactor has the ideally perfect mixing in t

29、he control volume, implying the diffusion is greatly larger than the convection in the reactor. So, the composition of specieswithin the reactor is everywhere the same, while the composition at the outlet must be thesame asin the interior. The conservation equation of species i can be expressed asmrVw +( X - X ) = 0 . Note that, the