Đề thi kết thúc học phần Kỹ thuật nhiệt

(Thí sinh được phép sử dụng bảng tra các tính chất nhiệt vật lý và đồ thị nhiệt động lực học. Cán bộ coi thi không giải thích gì thêm).

Câu 1 (2,0 điểm).
a) Trình bày định nghĩa và mối quan hệ giữa nhiệt dung riêng đẳng áp $c_p$, nhiệt dung riêng đẳng tích $c_v$ và hằng số chất khí $R$ của khí lý tưởng.
b) Nêu phát biểu định luật nhiệt động thứ hai theo Clausius và Thomson (Kelvin - Planck). Ý nghĩa kỹ thuật của định luật nhiệt động thứ hai trong việc đánh giá hiệu suất của động cơ nhiệt.

Câu 2 (2,0 điểm).
Một động cơ nhiệt hoạt động theo chu trình Carnot thuận chiều giữa hai nguồn nhiệt có nhiệt độ $T_1 = 800$ K và $T_2 = 320$ K. Môi chất nhận từ nguồn nóng một lượng nhiệt $Q_1 = 500$ kJ trong mỗi chu trình.
a) Tính hiệu suất nhiệt của chu trình Carnot trên.
b) Xác định công sinh ra của chu trình và lượng nhiệt thải ra cho nguồn lạnh trong mỗi chu trình.
c) Nếu động cơ này chạy ngược chiều để làm máy lạnh hoạt động giữa hai nguồn nhiệt nói trên, hãy xác định hệ số làm lạnh $\varepsilon$ của chu trình.

Câu 3 (2,0 điểm).
Khối lượng $m = 2$ kg khí không khí (được coi là khí lý tưởng có $\mu = 29$ kg/kmol, số mũ đoạn nhiệt $k = 1{,}4$) ở trạng thái ban đầu có áp suất $p_1 = 1$ bar và nhiệt độ $t_1 = 27^\circ\text{C}$ được nén đa biến với số mũ đa biến $n = 1{,}25$ đến áp suất $p_2 = 8$ bar.
Cho biết hằng số khí của không khí $R = 287$ J/(kg$\cdot$K).
a) Xác định thể tích ban đầu $V_1$ và nhiệt độ cuối quá trình nén $T_2$ (theo K và $^\circ\text{C}$).
b) Tính công kỹ thuật $L_{kt}$ tiêu tốn cho quá trình nén và lượng nhiệt $Q$ môi chất trao đổi với môi trường ngoài.

Câu 4 (2,0 điểm).
Một vách buồng đốt lò hơi phẳng gồm hai lớp:
- Lớp gạch chịu lửa dày $\delta_1 = 200$ mm có hệ số dẫn nhiệt $\lambda_1 = 1{,}15$ W/(m$\cdot$K).
- Lớp bông khoáng cách nhiệt dày $\delta_2 = 100$ mm có hệ số dẫn nhiệt $\lambda_2 = 0{,}08$ W/(m$\cdot$K).
Nhiệt độ bề mặt trong cùng của lớp gạch tiếp xúc với khói lò là $t_{w1} = 850^\circ\text{C}$, nhiệt độ bề mặt ngoài cùng của lớp cách nhiệt tiếp xúc với không khí là $t_{w3} = 50^\circ\text{C}$. Coi quá trình dẫn nhiệt là ổn định một chiều và tiếp xúc nhiệt giữa hai lớp là hoàn hảo.
a) Tính mật độ dòng nhiệt $q$ (W/m$^2$) truyền qua vách buồng đốt.
b) Xác định nhiệt độ tại bề mặt tiếp xúc $t_{w2}$ giữa hai lớp vật liệu.
c) Nếu muốn giảm mật độ dòng nhiệt $q$ đi $25\%$ mà vẫn giữ nguyên bề dày lớp gạch và các nhiệt độ bề mặt ngoài ($t_{w1}, t_{w3}$), cần tăng chiều dày lớp bông khoáng cách nhiệt thêm bao nhiêu milimét?

Câu 5 (2,0 điểm).
Một thiết bị trao đổi nhiệt loại ống chùm làm việc ngược chiều được dùng để làm nguội dầu bôi trơn từ nhiệt độ $t'_{d} = 100^\circ\text{C}$ xuống $t''_{d} = 50^\circ\text{C}$ bằng nước làm mát. Nước đi vào thiết bị ở nhiệt độ $t'_n = 20^\circ\text{C}$ với lưu lượng khối lượng $G_n = 1{,}5$ kg/s.
Lưu lượng khối lượng của dầu là $G_d = 2{,}0$ kg/s.
Nhiệt dung riêng của dầu là $c_d = 2{,}1$ kJ/(kg$\cdot$K), nhiệt dung riêng của nước là $c_n = 4{,}18$ kJ/(kg$\cdot$K). Bỏ qua tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh. Hệ số truyền nhiệt tổng quát của thiết bị là $k = 350$ W/(m$^2\cdot$K).
a) Xác định nhiệt lượng trao đổi $Q$ (kW) giữa hai môi chất và nhiệt độ ra của nước $t''_n$.
b) Tính độ chênh nhiệt độ trung bình logarit $\Delta t_{ln}$ của thiết bị.
c) Xác định diện tích bề mặt truyền nhiệt cần thiết $F$ (m$^2$) của thiết bị.

--------- HẾT ---------

Họ và tên thí sinh: ................................................ Số báo danh: ........................