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高考申論題 105年 [機械工程] 熱力學

第 一 題

📖 題組:
對於一朗肯循環而言,若渦輪入口條件固定,則降低冷凝器內的壓力會造成:(每小題5分,共20分)
📝 此題為申論題,共 4 小題

小題 (一)

渦輪對外作功增加?降低?或維持不變?為什麼?

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看到朗肯循環改變操作壓力的題型,首先應在腦海中繪製 T-s 圖(溫熵圖)或 h-s 圖。接著利用熱力學第一定律的渦輪機能量平衡方程式(W = h_in - h_out),透過圖形判斷冷凝壓力下降對出口焓值的影響,即可嚴謹地推導出作功量的變化。

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【解題思路】利用熱力學第一定律穩流能量方程式與 T-s 圖/h-s 圖分析熱焓降(Enthalpy drop)變化。 【詳解】 已知:

小題 (二)

循環的總吸熱量增加?降低?或維持不變?為什麼?

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看到朗肯循環改變操作壓力,應立刻聯想 T-s 圖上的循環面積變化,並標定各狀態點。列出鍋爐吸熱量公式 q_in = h_1 - h_4,藉由分析冷凝壓力下降對鍋爐入口(泵浦出口)焓值 h_4 的影響,即可準確推導出吸熱量的增減。

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【解題思路】利用鍋爐吸熱量公式與各狀態點焓值之關聯,評估冷凝器壓力下降對鍋爐入口狀態的影響。 【詳解】 已知:假設朗肯循環各狀態點為:1為渦輪入口,2為冷凝器入口,3為泵浦入口,4為鍋爐入口。題目給定渦輪入口條件固定,即鍋爐出口的焓值 $h_1$ 為常數。

小題 (三)

幫浦運作所需要的功增加?降低?或維持不變?為什麼?

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面對朗肯循環的幫浦功分析,應優先想到穩流開放系統中不可壓縮流體的作功近似公式:$w_{pump} \approx v(P_{boiler} - P_{cond})$。藉由確認鍋爐壓力不變、冷凝器壓力下降,即可直接推導出壓力差增大,進而得出幫浦功增加的結論。

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【解題思路】利用不可壓縮流體在等熵穩流開放系統中的幫浦作功公式進行變數分析。 【詳解】 已知/假設條件:

小題 (四)

渦輪出口處工作流體的乾度增加?降低?或維持不變?這對渦輪葉片會有什麼影響?

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首先,在腦海中繪製朗肯循環的 T-s 圖,並將渦輪膨脹視為等熵過程(垂直向下的直線)。當入口狀態固定而冷凝壓力降低時,觀察該等熵線延伸至較低壓力線的交點位置,即可判斷乾度變化;接著連結兩相流體中「液態水滴」對高速旋轉葉片的物理破壞效應。

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【解題思路】利用 T-s 圖分析等熵膨脹過程,並評估液態水滴對機械元件的物理影響。 【詳解】 一、乾度變化分析:

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