2010 熱と流体の流れの基礎

8問 • 2年前

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図は蒸気原動所の理論サイクルをh-s線図上に描いたものであり、図中の1〜6はいずれも作動流体である水の熱力学的状態を示す番号である。ここで、hは比エンタルピー、sは比エントロピー、符号'は飽和水状態、符号"は乾き飽和蒸気状態を表す。蒸気原動所の理論サイクルは( 1 )サイクルと呼ばれている。状態4においてボイラに供給された作動流体は( 2 )過程のもとで加熱され、状態6において( 3 )となった後、更に加熱されて状態1の( 4 )になる。作動流体は状態1でタービンに入り、可逆断熱過程のもとで膨張して状態2の( 5 )になる。膨張を終えた作動流体は復水器で等温かつ等圧のもとで冷却されて、状態3の( 6 )となった後、給水ポンプで加圧される。

ランキン, 等圧, 乾き飽和蒸気, 過熱蒸気, 湿り蒸気, 飽和水

ピトー管による空気流速の測定について考える。ピトー管は( 1 )の式を利用して、流れの全圧P₀と静圧Pとの差から流速を求める測定器である。ピトー管位置での流速w、空気の密度をρɢとすると次の①式が成り立つ。 P₀=P+( 2 ) -① ここで、( 2 )は( 3 )である。 ①式を使えば、全圧と静圧の差圧測定から流速wを求めるwを求めることができる。

ベルヌーイ, 1/2ρɢw², 動圧

ピトー管による空気流速の測定について考える。全圧と静圧の差圧を( 1 )で測定する場合には、その読み値(液面の高さ位置の差)H、及び差圧測定に使用する液面の密度ρʟを、重力加速度gを用いて、全圧と静圧との差圧を②式で表すことができる。 P₀-P( 2 ) -② P₀=P+ρɢw²と②式より、流速wはHを用いて、次の③式で求めることができる。 w=( 3 ) -③

マノメータ, ρʟgH, √2×ρʟ/ρɢ×g×H

管路の流れにおける圧力損失について考える。直管内に流れにおける圧力損失は、管長に( 1 )し、管内直径に( 2 )し、単位面積当たりの( 3 )に比例する。その比例係数fは( 4 )係数と呼ばれる。

比例, 反比例, 運動エネルギー, 管摩擦

管路の流れにおける圧力損失について考える。管路入口部と出口部においても圧力損失は生じる。その際の圧力損失も単位面積当たりの運動エネルギーに比例し、その比例係数Kは( ? )係数と呼ばれる。

圧力損失

定常状態での熱伝導について考える。単位面積、単位時間当たりの伝熱量を( 1 )といい、これは( 2 )の式により、温度勾配に比例する。このときの比例係数は熱伝導率と呼ばれ、( 3 )であるので物質の固有の値である。

熱流速, フーリエ, 物性値

1と3は画像のア〜キで解答すること。図のように、熱伝導率と板厚が異なる3枚の平板を密着させた積層平板壁の各面を1から4とし温度をT₁からT₄へ温度降下する熱伝導について考える。ここで平板Ⅰの熱伝導率をkⅠ,板厚をℓⅠ、平板Ⅱの熱伝導率をkⅡ、板厚をℓⅡ、平板Ⅲの熱伝導率をkⅢ、板厚をℓⅢとし、各平板の伝熱面積をいずれもAとすると、平板Ⅰの熱抵抗は( 1 )と表される。同様に、平板Ⅱ及び平板Ⅲの熱抵抗も表すことができる。積層平板壁全体での熱抵抗は3個の熱抵抗を( 2 )につないだ電気回路と等価であると考えることができ、全体での熱抵抗は( 3 )と表される。

イ, 直列, カ

熱伝導について考える。個体壁面とその面に接して流れる流体の間の熱移動は、熱伝達と呼ばれる。熱伝達による伝熱量は、伝熱面積と( 1 )に比例し、その比例係数は熱伝達率と呼ばれる。熱伝達率は流れの様子によって変化するので、浮力だけによって流れが生じる( 2 )の場合と、ポンプやファンなどによって流れを起こした場合とでは、熱伝達率は異なる。また、相変化を伴う場合には、単相の場合に比べて熱伝達率は( 3 )くなる。沸騰熱伝達の場合には、沸騰の様子に応じて、( 4 )と( 5 )という現象が生じ、熱伝達率は前者の方が後者にくらべて高くなる。

壁面と流体の温度差, 自然体流, 高, 核沸騰, 膜沸騰

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