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moea_joint_essay 109年 [機械] 熱力學與熱機學、流體力學與流體機械

第 二 題

📖 題組:
在一使用空氣為工作流體之布雷登(Brayton)循環中,其空氣壓縮機壓縮比為12,進入空氣壓縮機(compressor)及氣渦輪機(turbine)之空氣溫度分別為 300 K 及 1000 K,空氣之等壓比熱值為 1.005 kJ/kg·K,請計算下列各項(計算至小數點後第 1 位,以下四捨五入)。(共 2題,共 25 分)
📝 此題為申論題,共 2 小題

小題 (二)

假設空氣壓縮機(compressor)及氣渦輪機(turbine)之等熵效率(isentropic efficiency)皆為80 %時,計算淨輸出功率為 30 MW 時,所需之空氣質量流率?(10 分)

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利用等熵效率修正實際的壓縮機耗功(增加)與渦輪機產功(減少),重新計算實際單位淨功,再求出新的質量流率。

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已知等熵效率 $\eta_c = 0.8$ 及 $\eta_t = 0.8$。

  1. 計算實際單位質量之功: 實際壓縮機耗功 $w_{c,act} = \frac{w_c}{\eta_c} = \frac{311.8}{0.8} = 389.75\text{ kJ/kg}$。

小題 (一)

假設空氣壓縮機(compressor)及氣渦輪機(turbine)之等熵效率(isentropic efficiency)皆為100 %時,計算淨輸出功率為 30 MW 時,所需之空氣質量流率?(15 分)

思路引導 VIP

先根據給定的壓縮比和溫度,利用等熵關係式求出壓縮機出口與渦輪機出口的理想溫度。接著計算壓縮機耗功與渦輪機產功,兩者相減求得淨功。最後用淨輸出功率除以單位淨功得到質量流率。

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已知條件:壓縮比 $r_p = 12$,$T_1 = 300\text{ K}$,$T_3 = 1000\text{ K}$,$C_p = 1.005\text{ kJ/kg}\cdot\text{K}$,空氣比熱比 $k = 1.4$。

  1. 計算等熵過程各狀態點溫度: 壓縮機出口等熵溫度 $T_{2s} = T_1 \times (r_p)^{\frac{k-1}{k}} = 300 \times 12^{\frac{1.4-1}{1.4}} = 300 \times 12^{0.286} \approx 610.2\text{ K}$。

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