熱工学・伝熱の問題

水を作動流体とする単純なランキンサイクルが定常に運転されている。状態 $1$ はポンプ入口（復水器出口の飽和水）、状態 $2$ はポンプ出口（ボイラ入口）、状態 $3$ はタービン入口（ボイラ出口）、状態 $4$ はタービン出口（復水器入口）である。各状態の比エンタルピーは
$$h_1=190\text{kJ/kg},h_2=200\text{kJ/kg},h_3=3200\text{kJ/kg},h_4=2090\text{kJ/kg}$$
である。ポンプとタービンは断熱であり、各機器の運動エネルギーと位置エネルギーの変化、配管での損失は無視する。このサイクルの熱効率 $\eta$ を既約分数で求めよ。

単純な蒸気圧縮冷凍サイクルが定常に運転されている。冷媒は、状態 $1$（蒸発器出口・圧縮機入口）から圧縮機で状態 $2$ に圧縮され、凝縮器で状態 $3$ まで冷やされ、膨張弁で状態 $4$ になって蒸発器に入る。各状態の比エンタルピーは
$$h_1=400\text{kJ/kg},h_2=440\text{kJ/kg},h_3=250\text{kJ/kg}$$
である。膨張弁は断熱の絞り弁で比エンタルピーは変わらない（$h_4=h_3$）。圧縮機は断熱であり、運動エネルギー・位置エネルギーの変化は無視する。このサイクルを冷凍機として使うときの成績係数 $\mathrm{COP}$ を既約分数で求めよ。

冷媒を作動流体とする蒸気圧縮式冷凍機を考える。冷媒は一定の質量流量で、圧縮機 → 凝縮器 → 膨張弁 → 蒸発器 → 圧縮機の順に定常的に流れる。各機器での運動エネルギー・位置エネルギーの変化は無視し、圧縮機と膨張弁は断熱とする。また、凝縮器・蒸発器では外部と熱のやりとりだけがあり、仕事のやりとりはない。各状態での冷媒の比エンタルピーは次のとおりである。

• 状態 1（蒸発器出口 = 圧縮機入口、乾き飽和蒸気）: $h_1=400\text{kJ/kg}$
• 状態 1 から同じ吐出圧力まで可逆断熱（等エントロピー）圧縮したと仮定した場合の出口: $h_{2s}=430\text{kJ/kg}$
• 状態 3（凝縮器出口 = 膨張弁入口、飽和液）: $h_3=250\text{kJ/kg}$

圧縮機の断熱効率（等エントロピー効率）は ${\eta }_c=0.75$ であり、実際の圧縮機出口を状態 2 とする。膨張弁出口（蒸発器入口）を状態 4 とする。

この冷凍機の冷凍サイクルとしての成績係数 ${\mathrm{COP}}_R$（蒸発器で冷媒が吸収する熱量を圧縮機の仕事で割ったもの）を、既約分数で求めよ。

建物の壁が、厚さ $0.20\mathrm{m}$、熱伝導率 $0.80W/(\mathrm{m}\cdot \mathrm{K})$ のコンクリート層と、厚さ $0.050\mathrm{m}$、熱伝導率 $0.040W/(\mathrm{m}\cdot \mathrm{K})$ の断熱材層を密着させて重ねた 2 層の平板でできている。壁の室内側の表面温度は $25{}^{\circ }\mathrm{C}$、屋外側の表面温度は $-5{}^{\circ }\mathrm{C}$ で一定に保たれている。定常状態で壁を通る熱流束（単位面積あたりの熱流量）は何 $W/{\mathrm{m}}^2$ か。整数で答えよ。ただし、熱は壁の厚さ方向にだけ 1 次元的に流れ、2 層の間の接触熱抵抗は無視でき、熱伝導率は温度によらず一定とする。

表面温度 $T=500\text{K}$ に保たれた金属板の表面は、放射率 $\epsilon =0.60$ の灰色面とみなせる。この表面から単位面積・単位時間あたりに放射されるエネルギー（放射能）は何 ${\text{W/m}}^2$ か。有効数字 3 桁で答えよ。ただし、ステファン・ボルツマン定数を $\sigma =5.67\times 10^{-8}{\text{W/(m}}^2\cdot {\text{K}}^4)$ とする。