機械工程 91 年熱工學考古題

一絕熱剛性容器由一隔板分隔為二區，其中一區含2.5kg、60℃、600 kPa 之過壓液 態(compressed liquid)水，而另一區為真空，隔板移開後水充滿整個容器，請問最後 平衡時若壓力為10 kPa 則溫度為何？（12 分）又整個容器的體積多大？（8 分） H2O 之飽和表 溫度 飽和壓力(kPa) vf(m3/kg) vg(m3/kg) uf(kJ/kg) ug(kJ/kg) hf(kJ/kg) hg(kJ/kg) 60℃ 19.94 0.001017 7.671 251.11 2456.6 251.13 2609.6 壓力 飽和溫度(℃) vf(m3/kg) vg(m3/kg) uf(kJ/kg) ug(kJ/kg) hf(kJ/kg) hg(kJ/kg) 10 kPa 45.81 0.001010 14.67 191.82 2437.9 191.83 2584.7 600 kPa 158.85 0.001101 0.3157 669.9 2567.4 670.56 2756.8 v, u, h 分別為比容(specific volume)、比內能(specific internal energy)與比焓(specific enthalpy)之值；足標f、g 分別代表飽和液、汽態。

一汽缸活塞之裝置，內含1kg、0.5m3、100kPa 之H2O，H2O 受熱後在等溫下緩慢膨脹，直到體 積為原來的兩倍為止。請問過程中所需的熱傳量為何？（20 分） H2O 之飽和表 壓力 飽和溫度(℃) vf (m3/kg) vg (m3/kg) hf (kJ/kg) hg(kJ/kg) 100kPa 99.63 0.001043 1.694 417.46 2675.5 v, h 分別為比容(specific volume)與比焓(specific enthalpy)之值； 足標f、g 分別代表飽和液、汽態。

一卡諾熱機(Carnot heat engine)於 K 800° 溫度下輸入熱，而將廢熱以 K 300° 排放至大 氣。此卡諾熱機所有之淨功輸出被用來驅動一卡諾冷凍機(Carnot refrigerator)，此卡 諾冷凍機將低溫空間-10℃之熱以500 kJ/min 移除排放至 K 300° 之大氣。請決定： 熱機之熱輸入率(kJ/min)。（10 分） 所有熱排放至大氣速率(kJ/min)。（10 分）

100MW 的熱輸入一熱機(heat engine)，如果此熱機之廢熱排放為60MW，請決定此熱機之： （15 分） 淨功率輸出(net power output) 熱效率(thermal efficiency)

請回答下列問題： 什麼是絕熱火焰溫度(adiabatic flame temperature)。（10 分） 有何原因造成不完全燃燒，使得燃燒後溫度小於最大絕熱火焰溫度。（10 分）

有一濕空氣，開始的狀態為1atm，35℃及相對濕度80%，今將此濕空氣以等壓過程冷卻至25℃， 經查表得知開始狀態濕空氣的露點溫度(dew-point temperature)為31℃。（20 分） 請分別在乾空氣與水蒸氣的T-S 圖，畫出此等壓冷卻過程。 請在橫軸為溫度，左邊縱軸為絕對濕度(absolute humidity)，右邊縱軸為相對濕度的圖上，畫出 此濕空氣在此過程中，絕對與相對濕度的變化情形。

一頸軸承組(journal bearing)使用潤滑油，其物性如下： µ＝10-2 kg/s．m; k＝0.1 W/m．K。當軸頸與軸承的溫度皆維持在50℃，且軸以表面切 線速度10 m/s 轉動時，試求出潤滑油的最高溫度。假設軸承間隙遠小於軸頸半徑， 流動可視為Couette flow。（20 分） （請接背面） 九十一年關務人員升官等考試試題 關：20860 類 科： 機械工程 全一張 （背面）

外徑D＝18mm 之薄銅管被做為傳輸蒸氣使用。為減少熱損失將在管壁上包覆一絕緣層。所採用絕緣 層材料之熱傳導係數(thermal conductivity) k＝0.1W / m · K。假設管外對流熱傳係數(convective heat transfer coefficient) h＝10W / m2 · K，試求所包覆絕緣層之最小外徑。（20 分） （請接背面） 九十一年公務人員高等考試三級考試第二試試題 科 別： 機械工程 全一張 （背面） Properties of saturated water: Pressure Table Properties of water: Superheated-vapor Table

一個使用R134a 之理想冷凍循環(ideal refrigeration cycle)的蒸發器溫度為-20℃，凝結 器的溫度為39.4℃，請求出 壓縮機所做之功（10 分）及 R134a 在蒸發時所吸收 之熱量。（10 分） Properties of saturated refrigerant 134a (CF4H2): Temperature table (v, m3/kg; u, kJ/kg; h, kJ/kg; s, kJ/kg.k) Properties of saturated refrigerant 134a (CF4H2): Pressure table (v, m3/kg; u, kJ/kg; h, kJ/kg; s, kJ/kg.k) Properties of superheated refrigerant 134a (CF4H2) (T, C; m3/kg; u, kJ/kg; h, kJ/kg; s, kJ/kg.k)

在一個使用H2O 為工作流體之理想再加熱循環(ideal reheat cycle)中，工作流體在高壓渦輪機入口 之狀態為30bars，400℃。蒸氣在高壓渦輪機內膨脹至7bars 之後，被再加熱(reheated)至400℃， 然後，在低壓渦輪機內膨脹至0.1bars，而後進入凝結器。試求出：（25 分） 高壓渦輪機之輸出功 工作流體在再加熱時所吸收的熱量 泵對工作流體所做之功 工作流體在鍋爐中所吸收的熱量 (v, m3/kg; u, kJ/kg; h, kJ/kg; s, kJ/(kg · K); 1 bar = 0.1 MPa Perss., bars p Temp., ℃ T Sat. Liquid υf ×103 Sat. Vapor υg Sat. Liquid uf Sat. Vapor ug Sat. Liquid hf . Evap. hfg Sat. Vapor hg Sat. Liquid sf Sat. Vapor sg Specific Volume Internal Energy Enthalpy Entropy (v, m3/kg; u, kJ/kg; h, kJ/kg; s, kJ/(kg · K) Temp., ℃ υ u h s υ u h s 5.0 bars (0.50 MPa) (Tsat = 151.86℃) 7.0 bars (0.70 MPa) (Tsat = 164.97℃) 10.0 bars (1.0 MPa) (Tsat = 179.91℃) 15.0 bars (1.5 MPa) (Tsat = 198.32℃) 20.0 bars (2.0 MPa) (Tsat = 212.42℃) 30.0 bars (3.0 MPa) (Tsat = 233.90℃) 7.9299 170.4 175.4 0.6058 0.2404 289.23 639.68 359.86 405.06 251.38 2580.5 2048.0 1947.3 2736.4 3690.1 6.00