工程熱力學(xué)課后答案

1、第六章水蒸氣性質(zhì)和蒸汽動(dòng)力循環(huán)思考題1. 理想氣體的熱力學(xué)能只是溫度的函數(shù)，而實(shí)際氣體的熱力學(xué)能則和溫度及壓力都有關(guān)。 試根據(jù)水蒸氣圖表中的數(shù)據(jù)， 舉例計(jì)算過熱水蒸氣的熱力學(xué)能以驗(yàn)證上述結(jié)論。 答 ： 以 500的過熱水蒸汽為例，當(dāng)壓力分別為1bar、 30bar、 100bar及 300bar時(shí)，從表中可查得它們的焓值及比容，然后可根據(jù)u hpv 計(jì)算它們的熱力學(xué)能，計(jì)算結(jié)果列于表中：toCPbarvm 3/kghkJ/kgu(kJ/kg)13.5653487.93131.4300.11613456.43108.45000.032773374.13046.41003000.008679308

2、3.92823.5由表中所列熱力學(xué)能值可見：雖然溫度相同，但由于是實(shí)際氣體比容不同，熱力學(xué)能值也不同。2. 根據(jù)式 (3-31)cph可知：在定壓過程中 dh=c dT。這對(duì)任何物質(zhì)都適Tpp用，只要過程是定壓的。如果將此式應(yīng)用于水的定壓汽化過程，則得dh = c dT=0p（因?yàn)樗▔浩瘯r(shí)溫度不變， dT=0）。然而眾所周知 , 水在汽化時(shí)焓是增加的(dh>0)。問題到底出在哪里 ?答 ：的確，dh=cpdT可用于任何物質(zhì)，只要過程是定壓過程。水在汽化時(shí)，壓力不變，溫度也不變，但仍然吸收熱量（汽化潛熱）吸熱而不改變溫度，其比熱應(yīng)為無窮大，即此處的C p 亦即為CT ，而CT。此時(shí)dh

3、g0 不定值，因此這時(shí)的焓差或熱量（潛熱）不同通過比熱和溫差的乘積來計(jì)算。3. 物質(zhì)的臨界狀態(tài)究竟是怎樣一種狀態(tài)？答 ：在較低壓力下，飽和液體和飽和蒸汽雖具有相同的溫度和壓力，但它們的密度卻有很大的差別，因此在重力場(chǎng)中有明顯的界面（液面）將氣液兩相分開，隨著壓力升高，兩飽和相的密度相互接近，而在逼近臨界壓力（相應(yīng)地溫度也逼近臨界溫度）時(shí)，兩飽和相的密度差逐漸消失。 流體的這種汽液兩相無法區(qū)分的狀態(tài)就是臨界狀態(tài)。由于在臨界狀態(tài)下，各微小局部的密度起伏較大，引起光線的散射形成所謂臨界乳光。4. 各種氣體動(dòng)力循環(huán)和蒸汽動(dòng)力循環(huán)，經(jīng)過理想化以后可按可逆循環(huán)進(jìn)行計(jì)算，但所得理論熱效率即使在溫度范圍相同的

4、條件下也并不相等。 這和卡諾定理有矛盾嗎？答 ：并不矛盾，雖然經(jīng)過理想化的各種循環(huán)都可以按可逆循環(huán)計(jì)算，但甚至在相同的溫度范圍內(nèi) （指循環(huán)最高溫度和最低溫度之間）也不一定具有相同的熱效率。原因是吸熱過程和防熱過程并不都是在最高溫度和最低溫度下進(jìn)行的，因而可能具有不同的平均吸熱溫度和平均放熱溫度。 所以循環(huán)熱效率也可以不同。 卡諾定理則是專對(duì)在最高溫度下吸熱和在最低溫度下放熱的可逆循環(huán)（包括卡諾循環(huán)和回?zé)峥ㄖZ循環(huán)）而言的。5. 能否在蒸汽動(dòng)力循環(huán)中將全部蒸汽抽出來用于回?zé)幔ㄟ@樣就可以取消凝汽器， Q2=0），從而提高熱效率？能否不讓乏汽凝結(jié)放出熱量 Q2，而用壓縮機(jī)將乏汽直接壓入鍋爐，從而減少熱

5、能損失，提高熱效率？答 ：不能在蒸汽動(dòng)力裝置中將全部蒸汽抽出來，用于回?zé)帷Ｒ驗(yàn)殄仩t給水吸收不了這么大的回?zé)崃浚?回?zé)岬某闅饬渴怯蔁崞胶夥匠檀_定的，通常只占汽輪機(jī)中蒸汽流量的小部分，也不能將乏汽直接壓入鍋爐，由于不可逆性的存在，如果這樣做， 所需的壓縮功將超過蒸汽在汽輪機(jī)中膨脹作出功， 整個(gè)裝置不僅無動(dòng)力輸出， 反而消耗動(dòng)力， 因而不可能起到節(jié)能和提高熱效率的作用。習(xí)題6-1利用水蒸氣的焓熵圖填充下列空白：狀態(tài)p/MPat /oCh/(kJ/kg)s/kJ/(kg K)干度 x/%過熱度 D/ oC155003 4346.97523520.3133.52 5506.56591.931.01802

6、 5246.086.740.01472 3457.40590544003 2126.771506-2 已知下列各狀態(tài)：（1）p = 3MPa， t= 300；（2）p = 5MPa， t= 155；（3）p = 0.3MPa， x = 0.92。試?yán)盟退魵鉄崃π再|(zhì)表查出或計(jì)算出各狀態(tài)的比體積、焓、熵和熱力學(xué)能。解 (1)v3；h2994.2kJ / kg ；s 6.5498kJ /(kg ? K )0.08116 m / kguh pv 2994.230105 0.08116 10 32750.92 kJ / kg(2)v0.001093525 m3 / kg ；h656.525kJ /

7、 kg ；s1.8865kJ /(kg ? K )uhpv656.525501050.00109352510 3651.057 kJ / kg(3)由 P3bar ，查飽和水蒸氣表（附表7）得：ts133.54 0C ， v'0.0010735m3 / kg ； v''0.60586m3 / kgh '561.4kJ / kg ；h''2725.5kJ / kgs'1.6717kJ / kg ；s''6.9930kJ /(kg ? K )所以vv'( v''v' )0.0010735 0.9

8、2 (0.608560.0010735) 0.55748m3 / kghh'( h''h') 561.40.92(2725.5561.4)2552.372kJ / kgss'( s''s' )1.67170.92(6.99301.6717)6.5673kJ /(kg ? K )uhpv2552.37231050.5574810 32385.128kJ / kg6-3 試?yán)糜?jì)算機(jī)，通過對(duì)式（ 7-2 ）的計(jì)算，列出一個(gè)從三相點(diǎn)到臨界點(diǎn)飽和蒸汽壓隨溫度變化的關(guān)系表 （從 0 開始， 溫度間隔取 10 ），并與附表6中的數(shù)據(jù)對(duì)照。 答

9、案: 從略6-4 某鍋爐每小時(shí)生產(chǎn) 10 t 水蒸氣，其壓力為 1 MPa，溫度為 350 。鍋爐給水溫度為 40 ，壓力為 1.6 MPa 。已知鍋爐效率為蒸汽吸收的熱量B80%燃料可產(chǎn)生的熱能煤的發(fā)熱量 Hv=29 000 kJ/kg 。求每小時(shí)的耗煤量。解 ：&&&Q蒸汽吸h( h2h1 )m蒸汽m蒸汽由P16bar ， t1400C ， 查未飽和水（附表8），得h168.73kJ / kg11由P210bar ， t23500C ，查過熱蒸氣（附表8），得h23157.7kJ / kg所以&104(3157.7 168.73)Q蒸汽吸煤發(fā)熱&m&

10、amp;煤 H VQ煤由熱量平衡，&&? B&BQ蒸汽吸Q煤Q煤 ?HV ?可得&Q蒸汽吸104(3159.7168.93)噸1.288/ hm煤( B ? Hr )0.80 2.91046-5 過熱水蒸氣的參數(shù)為：p1、 t 1=550。在蒸汽輪機(jī)中定熵膨脹p2=13 MPa到。蒸汽流量為每小時(shí)130 t。求蒸汽輪機(jī)的理論功率和出口處乏=0.005 MPa汽的濕度。若蒸汽輪機(jī)的相對(duì)內(nèi)效率ri 85% ，求蒸汽輪機(jī)的功率和出口處乏汽的濕度，并計(jì)算因不可逆膨脹造成蒸汽比熵的增加。 解 ：查水蒸氣的 h-s 表計(jì)算如下：由 P113bar ，t103469.0kJ

11、/ kg ；s1 6.6049kJ / kg550 C ，查附表（附表 8），得 h1由 P2 0.005bar ，查飽和蒸氣表（附表 7）得 2s點(diǎn)各參數(shù)為： t2 s 32.880 C ；h'2s137.2kJ / kg ； h''2s2560.55kJ / kg ；r2422.8kJ / kg ； s'2 s0.4761kJ /(kg ? K ) ；''8.3930kJ /( kg ? K )s 2s則 S2s S16.6049S'2 s( S''2sS'2 s)S'2s2 srT2s所以2s(ss&

12、#39;) T2s12sr(6.60490.4761)(273.1532.89)2423.40.77414y2s1h2sh2s10.774140.2259'2 sr2s137.22422.80.774142013.3kJ / kg理論功率PmW130103(hh )TSts360012s13104(3469.02013.3)52578kW3600實(shí)際功率&13 104PT mWts ri(3469 2013.3) 0.85360044691kW為求 2狀態(tài)點(diǎn)的干度必先求出 h2 ，可由相對(duì)內(nèi)效率定義求得h2h2h1(h1h2s )ri3469346920130.852231.4

13、 kJ/kgh2h12231.4137.22r0.864162422.8y21210.864160.1358不可逆損失造成的蒸汽比熵增加為：ss2s2ss2ss16.6049kJ /(kg ? K )s2s' 22 ( s'' 2s'2s )0.4761 0.86416 (8.39320.4761)7.3176kJ /( kg ? K )所以 sss7.31766.60490.7127 kJ /( kg ? K )2 2 s22s6-6一臺(tái)功率為200 MW 的蒸汽輪機(jī)，其耗汽率 d = 3.1 kg/(kWh) 。乏汽壓力為 0.004 MPa ，干度為 0.

14、9 ，在凝汽器中全部凝結(jié)為飽和水（圖7-27 ）。已知冷卻水進(jìn)入凝汽器時(shí)的溫度為10 ，離開時(shí)的溫度為 18 ；水的比定壓熱容為 4.187 kJ/（kg K），求冷卻水流量。 解先求每小時(shí)的蒸汽流量&3.1kg / hm P ? d 200000由 P 0.004MPa ，x = 0.9附表7,得2432.2kJ1根據(jù)熱量平衡方程Q乏氣放Q冷水放&&即&&t1 )m乏氣m冷水放 gCp (t2所以m&冷水放m&冷水放 ?P ? d ?C p (t2 t1)Cp (t2t1 )2000003.12432.20.910 34.187(181

15、0)40517.3 噸 / h圖 7276-7 已知朗肯循環(huán)的蒸汽初壓p1，終壓 p2；初溫為：（ ）=10 MPa=0.005 MPa1500 、（ 2） 550 。試求循環(huán)的平均吸熱溫度、理論熱效率和耗汽率kg/（ kW·h） 。答案 （1） 528.45K， 42.09 % ， 2.651kg/ (kW.h)（ 2） 542.75K， 43.62 % ， 2.483kg/ (kW.h)6-8 已知朗肯循環(huán)的初溫 t 1=500，終壓 p2=0.005MPa。初壓為：（1）10MPa、（ 2） 15MPa。試求循環(huán)的平均吸熱溫度、理論熱效率和乏汽濕度。答案 （ 1） 528.45

16、K ， 42.09% ，22.8 %(2)538.35K ， 43.15% ，25.9 %循環(huán)平均吸熱溫度（ 253.88）循環(huán)平均吸熱溫度（ 264.64）*6-9 某蒸汽動(dòng)力裝置采用再熱循環(huán)。 已知新汽參數(shù)為 p1=14 MPa、t 1=550 ，再熱蒸汽的壓力為 3 MPa，再熱后溫度為 550 ，乏汽壓力為 0.004 MPa 。試求它的理論熱效率比不再熱的朗肯循環(huán)高多少， 并將再熱循環(huán)表示在壓容圖和焓熵圖中。 答案2.17 % 4.68 %*6-10某蒸汽動(dòng)力裝置采用二次抽汽回?zé)?。已知新汽參?shù)為p1=14 MPa、t 1，第一次抽汽壓力為2 MPa，第二次抽汽壓力為0.16 MPa，

17、乏汽壓力=550為 0.005 MPa 。試問：（1）它的理論熱效率比不回?zé)岬睦士涎h(huán)高多少？（2）耗汽率比朗肯循環(huán)增加了多少？（3）為什么熱效率提高了而耗汽率反而增加呢？答案 （1） 4.47 10.97 （ 2） 0.43 kg / (kW.h)17.27 %(3) 因?yàn)槌闅饽Y(jié)放出的熱量加熱給鍋爐給水，使水在鍋爐里吸熱減少（低溫吸熱段沒有了）從而提高了循環(huán)的平均吸熱溫度即T1m，而 T2 m 不變所以熱效率t 由 兩 次抽 汽 使 最 后 在 汽 輪 機(jī) 里 膨 脹 做 功 的 蒸 汽 量 由 原 來 1kg 減 少 為112kg0.7074kg ，所以還要做出原來那么多功的話，雖然消耗

18、的熱量比原來少了，但是其蒸汽耗量卻必然要增加。第十三章制冷循環(huán)思考題1. 利用制冷機(jī)產(chǎn)生低溫， 再利用低溫物體做冷源以提高熱機(jī)循環(huán)的熱效率。這樣做是否有利？ 答 ：這樣做必定不利， 因?yàn)殡m然低溫物體作冷源可以提高熱及循環(huán)的熱效率，多獲得功，但是要造成這樣的低溫冷源，需要制冷機(jī)，需要耗功，由于不可逆性的存在， 制冷機(jī)消耗的功必然大于熱機(jī)多獲得的功， 因此，這樣做是得不償失的。2. 如何理解空氣壓縮制冷循環(huán)采取回?zé)岽胧┖螅荒芴岣呃碚撝评湎禂?shù)，卻能提高實(shí)際制冷系數(shù)？ 答 ： 參見圖 a，沒有回?zé)岬难h(huán)為 12341, 有回?zé)岬难h(huán)為 1r 2r 53r 41r 。采用回?zé)嵫h(huán)后，在理論上制冷能力為

19、 q2（過程 41的吸熱量）以及循環(huán)消耗的凈功和向外界派出的熱與沒有回?zé)岬难h(huán)相比，顯然都沒有變（ Wor =Wo,q 1r =q）所以理論制冷系數(shù)也沒有變（ r =）。但是采用回?zé)岷螅h(huán)的增壓比降低了，從而使壓氣機(jī)耗功和膨脹機(jī)做功減少了同一數(shù)量， 這也減輕了壓氣機(jī)和膨脹機(jī)的工作負(fù)擔(dān)，使它們?cè)谳^小的壓力范圍內(nèi)工作，因而機(jī)器可以設(shè)計(jì)得比較簡(jiǎn)單而輕小，另外，如果考慮到壓氣機(jī)和膨脹機(jī)的不可逆性（圖 b）那么采用回?zé)釅簹鈾C(jī)少消耗的功將不是等于而是大于膨脹機(jī)少作出功。 因而制冷機(jī)實(shí)際消耗的凈功將會(huì)減少。同時(shí)，每 kg空氣的制冷量也相應(yīng)地有所增加（如 b圖中面積 a所示）所以采用回?zé)岽胧┠芴岣呖諝鈮嚎s制

20、冷循環(huán)的實(shí)際制冷系數(shù)，因而這種循環(huán)在深度制冷，液化氣體等方面獲得了實(shí)際應(yīng)用。圖 a圖 b3. 參看圖 8-13。如果蒸氣壓縮制冷裝置按 1'2'351'運(yùn)行，就可以在不增加壓氣機(jī)耗功的情況下增加制冷劑在冷庫中的吸熱量(由原來的hh增加為 hh )，1415從而可以提高制冷系數(shù)。這樣考慮對(duì)嗎？答 ：不對(duì)。因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)定壓冷卻過程 35，就需要一定的制冷量 (h3h5)，這冷量只能來自冷庫， 因而冷庫的制冷量將減少， 這減少量恰好等于由定壓冷卻過程取代節(jié)流過程帶來的制冷量的增加：h3h5h4 'h5(h1'h5 )(h1'h4 ' )所以，這樣

21、做在理論上并無得益， 而實(shí)際上不僅增加了設(shè)備的復(fù)雜性 （由簡(jiǎn)單的節(jié)流閥變成較復(fù)雜的換熱器） 。還會(huì)由于換熱器存在的損失而導(dǎo)致實(shí)際制冷系數(shù)的降低。習(xí)題13-1 （1）設(shè)大氣溫度為 30 ，冷庫溫度分別為 0 、-10 、-20 ，求逆向卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)。（2）設(shè)大氣溫度為 10 ，供熱溫度分別為 40 、50 、60 ，求逆向卡諾循環(huán)的供熱系數(shù)。解 ：（1） 逆向卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)由(8-2) 式得：C1119.105T0130 273.151TR1273.15116.5788C2T030273.1511TR210273.15C3115.063T030273.1511TR320273.15可見

22、，當(dāng) T0一定時(shí)， TR愈低，C 愈小。(2) 逆向卡諾循環(huán)的供熱系數(shù)由(8-4) 式得：C1116.263T010273.1511TH40273.15C2115.2858T0110273.151TH250273.15C3114.7593T0110273.151TH360273.15可見，當(dāng) T0一定時(shí)， TH愈高，C 愈小，且 C1 。13-2已知大氣溫度為25，冷庫溫度為 -10，壓氣機(jī)增壓比分別為 2、3、4、5、6。試求空氣壓縮制冷循環(huán)的理論制冷系數(shù)。在所給的條件下，理論制冷系數(shù)最大可達(dá)多少（按定比熱容理想氣體計(jì)算）？解 ： 空氣壓縮制冷循環(huán)的理論制冷系數(shù)可由(8-5)式求得：2 時(shí)，

23、11.414.5660110121.413 時(shí)，11.412.7120110131.414 時(shí)，011.412.058110141.415 時(shí)，111.71311.4100151.416 時(shí)，111.49611.4 100161.41可見，當(dāng)，11maxT0 min257.519c1273.15TR101273.1513-3 大氣溫度和冷庫溫度同習(xí)題 8-2 。壓氣機(jī)增壓比為 3 ，壓氣機(jī)絕熱效率為 82%，膨脹機(jī)相對(duì)內(nèi)效率為 84%，制冷量為 08. 106 kJ / h 。求壓氣機(jī)所需功率、整個(gè)制冷裝置消耗的功率和制冷系數(shù)（按定比熱容理想氣體計(jì)算） 。解 ：由例 8-1 可知，考慮了壓氣機(jī)

24、和膨脹機(jī)不可逆損失的空氣壓縮制冷循環(huán)的實(shí)際制冷系數(shù)可由下式求得：TR01ri111/0TbTR0110riT0C ,s10273.151.410.84111/ 3 1.425273.150.638410273.151.4113 1.40.8425273.150.82每 kg空氣吸熱量q2 h0 hR C p0 (T1 T4 )C p0 (TRT4 )1.005(263.15 217.83)45.55kJ / kg空氣流量Q26&0.810 / 45.55 17564.4kg / h4.879kg / smq2壓氣機(jī)所需功率001PC&&RJR(01) /CSm ?WCS

25、 / CSm ?011.41.414.8790.2871263.15(3 1.41) / 0.82580.09kW1.41膨脹機(jī)所做功率PT&?& ?0RT0 (11?rim WTS / rim00 1 )104.8791.40.2871298.15(111) 0.84330.78kW1.411.43 1.4制冷循環(huán)消耗的功率P PCPT580.09330.78249.32kW13-4 某氨蒸氣壓縮制冷裝置（參看圖 8-10 ），已知冷凝器中氨的壓力為 1 MPa，節(jié)流后壓力降為 0.2 MPa，制冷量為 012. 106 kJ / h ，壓氣機(jī)絕熱效率為 80%。試求：（1）

26、氨的流量；（2）壓氣機(jī)出口溫度及所耗功率；（3）制冷系數(shù)；（4）冷卻水流量 已知冷卻水經(jīng)過氨冷凝器后溫度升高容為 4.187 kJ/(kgk) 。 解 ：參考圖 8-10 、8-11 及8-12 ，8 K，水的比定壓熱由P'10.2MPa，查log Ph 圖 得 h'1560 kJ / kg由P'10.2MPa沿等熵線向上與P'21MPa線交于2' 點(diǎn) 查得 h '1800 kJ / kg2 s因?yàn)椋篧理h 'h 'CS2 s1Wh2'h1'則h2'h1'h2s ' h1'15701

27、800 15601860kJ / kgcs0.80hh440kJ / kg （查 lgP-h 圖）34'(1) 氨的流量：&&&0.12 106Q2Q2/ 3600mq2h1' h4'15600.02980kg / s440(2) 壓氣機(jī)出口溫度及耗功率：T '2：由 h2'1860kJ / kg 等焓線與 P'21MPa 等壓線交點(diǎn)，查 lgP-h 圖可得： T '2386 KPC&&h1' ) / csmwcs /csm(h2's0.2980(1800 1560) / 0.808

28、.94kW(3) 制冷系數(shù)理論：q2h1'h4'1560440Wcsh2' sh1'4.661718001560實(shí)際：'4.66170.803.7336cs(4) 冷卻水流量冷卻水帶走的熱量應(yīng)等于氨氣放出的熱量，即由熱平衡方程得：&mq&1 m&( h2''Q1h3 ) m&C p t&'&h3 )0.02980 (1860 44.0)m( h2'm4.18784.1871.2633kg / s8可見所需冷卻水量是相當(dāng)大的。&'1.2633m42.4&0.02980m13-5 習(xí)題 8-4 中的制冷裝置在冬季改作熱泵用。將氨在冷卻器中的壓力提高