化工熱力學第七章習題答案

習題七及答案一、問答題7-1.Rankine循環(huán)與卡諾循環(huán)有何區(qū)別與聯(lián)系?實際動力循環(huán)為什么不采用卡諾循環(huán)?答：兩種循環(huán)都是由四步組成，二個等壓過程和二個等熵（可逆絕熱）過程完成一個循環(huán)。但卡諾循環(huán)的二個等壓過程是等溫的，全過程完全可逆；Rankine循環(huán)的二個等壓過程變溫，全過程只有二個等熵過程可逆?？ㄖZ循環(huán)中壓縮機壓縮的是濕蒸汽，因氣蝕損壞壓縮機；且絕熱可逆過程難于實現(xiàn)。因此，實際動力循環(huán)不采用卡諾循環(huán)。7-2.Rankine循環(huán)的缺點是什么?如何對其進行改進?答：Rankine循環(huán)的吸熱溫度比高溫燃氣溫度低很多，熱效率低下，傳熱損失極大?？赏ㄟ^：提高蒸汽的平均吸熱溫度、提高蒸汽的平均壓力及降低乏汽的壓力等方法進行改進。7-3.影響循環(huán)熱效率的因素有哪些?如何分析?答：影響循環(huán)熱效率的因素有工質的溫度、壓力等。具體可利用下式T1TLH分析確哪定些因素會改變T或T，從而得到進一步工作的方案。HL7-4．蒸汽動力循環(huán)中，若將膨脹做功后的乏氣直接送人鍋爐中使之吸熱變?yōu)樾抡羝?，從而避免在冷凝器中放熱，不是可大大提高熱效率?這種想法對否?為什么?答：不合理。蒸汽動力循環(huán)以水為工質，只有在高壓下才能提高水溫；乏汽的壓力過低，不能直接變成高壓蒸汽。與壓縮水相比較，壓縮蒸汽消耗的工太大，不僅不會提高熱效率，反而會大大降低熱效率。7-5．蒸氣壓縮制冷循環(huán)與逆向卡諾循環(huán)有何區(qū)別與聯(lián)系?實際制冷循環(huán)為什么不采用逆向卡諾循環(huán)?答：兩種循環(huán)都是由四步組成，二個等壓過程和二個等熵（可逆絕熱）過程完成一次循環(huán)。但逆向卡諾循環(huán)的二個等壓過程是等溫的，全過程完全可逆；蒸氣壓縮制冷循環(huán)的二個等壓過程變溫，全過程只有二個等熵過程可逆。Carnot制冷循環(huán)在實際應用中是有困難的，因為在濕蒸汽區(qū)域壓縮和膨脹會在壓縮機和膨脹機汽缸中形成液滴，造成“汽蝕”現(xiàn)象，容易損壞機器；同時壓縮機汽缸里液滴的迅速蒸發(fā)會使壓縮機的容積效率降低。7-6．影響制冷循環(huán)熱效率的因素有哪些?答：主要有制冷裝置的制冷能力、壓縮機的功率、高溫物體及低溫物體的溫度等。7-7．如果物質沒有相變的性質，能否實現(xiàn)制冷循環(huán)？動力循環(huán)又如何?答：不能實現(xiàn)。動力循環(huán)也無法實現(xiàn)。7-8．制冷循環(huán)可產生低溫，同時是否可以產生高溫呢?為什么？答：可以。制冷循環(huán)與熱泵循環(huán)在熱力學上并無區(qū)別，其工作循環(huán)都是逆向循環(huán)，區(qū)別僅在于使用目的。逆向循環(huán)具有從低溫熱源吸熱、向高溫熱源放熱的特點。當使用目的是從低溫熱源吸收熱量時，為制冷循環(huán)；當使用目的是向高溫熱源釋放熱量時，即為熱泵循環(huán)。7-9．實際循環(huán)的熱效率與工質有關，這是否違反熱力學第二定律?答：不違反。7-10．對動力循環(huán)來說，熱效率越高，做功越大；對制冷循環(huán)來說，制冷系統(tǒng)越大，耗功越少。這種說法對嗎?答：不正確。就動力循環(huán)來說，熱效率越高，說明熱轉化為功得比例越大，而不是做功越大；對制冷循環(huán)來說，制冷系統(tǒng)越大，表明低溫下吸收的熱量與所耗功相比，所占的比例越高。7-11.夏天可利用火熱的太陽來造就涼爽的工作環(huán)境嗎?答：可以。7-12.有人說：熱泵循環(huán)與制冷循環(huán)的原理實質上是相同的，你以為如何?答：正確。制冷循環(huán)與熱泵循環(huán)的工作循環(huán)都是逆向循環(huán)，區(qū)別僅在于使用目的。當使用目的是從低溫熱源吸收熱量時，為制冷循環(huán)；當使用目的是向高溫熱源釋放熱量時，即為熱泵循環(huán)。7-13．蒸汽壓縮制冷循環(huán)過程中，制冷劑蒸發(fā)吸收的熱量一定等于制冷劑冷卻和冷凝放出的熱量嗎?答：不對。蒸汽壓縮制冷循環(huán)過程中，制冷劑蒸發(fā)吸收的熱量一般不等于制冷劑冷卻和冷凝放出的熱量。7-14.供熱系數(shù)與致冷效能系數(shù)的關系是：制冷系數(shù)愈大，供熱系數(shù)也愈大。是這樣嗎？能否推導？Q答：致冷效能系數(shù)W0S熱力學第一定律QQWS20QQW1供熱系數(shù)HP20WSWSS所以制冷系數(shù)愈大，供熱系數(shù)也愈大。7-15.有人認為，熱泵實質上是一種能源采掘機。為什么？答：由于熱泵以消耗一部分高質能(機械能、電能環(huán)境介質(水、空氣、土地)中貯存的低質能量加以發(fā)掘進行利用。因此，熱泵實質上是一種能源采掘機?；蚋邷責崮艿?為補償，通過熱力循環(huán)，把7-16.有人說，物質發(fā)生相變時溫度不升高就降低。你的看法？答：不一定。如果外壓不變，純物質發(fā)生相變時溫度不變，如1atm、100℃的水，從液態(tài)轉為氣態(tài)或從氣態(tài)轉為液態(tài)時，溫度始終為100℃。二、計算題7-17在25℃時，某氣體的P-V-T可表達為PV=RT+6.4×104P，在25℃，30MPa時將該氣體進行節(jié)流膨脹，向膨脹后氣體的溫度上升還是下降？解；判斷節(jié)流膨脹的溫度變化，依據(jù)Joule-Thomson效應系數(shù)μ，即公式（7-6）。J由熱力學基本關系式可得到：T(V)V(T)TPJ（7-6）(P)CpH由P-V-T關系式PVRT6.4104P可得RTV6.4104PVR求偏導得()TP，故有PTRVPRTPV6.41046.4104J0CPCCCpppp可見，節(jié)流膨脹后，溫度升高。7-18由氨的Ts圖求1kg氨從0.828MPa(8.17atm)的飽和液體節(jié)流膨脹至0.0689MPa（0.68atm）時，(a)膨脹后有多少氨汽化？(b)膨脹后溫度為多少？(c)分離出氨蒸氣在壓p縮至=0.552MPa=5.45atm時，2t'?（絕熱可逆壓縮）2解：由附錄8氨的T-S圖知：p0.828MPa(8.17atm)時h70kcal/kg11等焓膨脹至p0.68atm時s0.3kcalK1kg122ssl0（飽和液體）ssv1.42kcalK1kg1（飽和蒸汽）22（a）求干度：sssvx(1x)ssl22222ssslx20.300.2112ssvs1.420sl22即汽化的液氨為0.211kg。t40C2（b）由附錄8得（C）氨氣等熵壓縮至5.45atm，由附錄8得t'110C27-19.某郎肯循環(huán)以水為工質，運行于14MPa和0.007MPa之間，循環(huán)最高溫度為540C，試求：（a）循環(huán)的熱效率；(b)水泵功與透平功之比；(c)提供1kW電的蒸汽循環(huán)量。Ts解：①作出此動力循環(huán)的圖，見7-19題圖1。②根據(jù)給定的條件，查附錄5確定1、2狀態(tài)點的參數(shù)。p14MPah3431.9kJkg1（a）狀態(tài)點1：，121狀態(tài)點2：p0.007MPaT39C312K2hsl163.32kJ/kghsv2571.6kJ/kg227-19題圖1ssl0.5589kJ/(kgK)ssv8.2739kJ/(kgK)22膨脹終點：v0.001m3/kg2sssvx(1x)ssl222226.5288.2739x(1x)0.5589122得x0.77372hhsvx(1x)hsl2571.60.7737(10.7737)163.322026.606kJ/kg22222透平等熵產生功：W(h)(hh)3431.92026.6061405.29kJ/kgs(R)21hhsl163.32kJ/kg32冷凝過程傳熱:qhh163.322026.6061863.286kJ/kg232水泵的可逆軸功：wv(PP)0.001(140.007)10313.993kJkg13s(R)pump4由熱力學第一定律：hhw163.3213.993177.313kJ/kgs(R)pump43鍋爐吸熱：qhh3431.9177.3133254.587kJ/kg014郎肯循環(huán)凈功為透平產功與泵軸功的代數(shù)和：www1405.2913.9931391.297kJ/kgs（R）pumpNs(R)w1391.2970.4275T熱效率：Nq3254.5870w13.9930.0099571405.29（b）水泵功與透平功之比：s(R)pumpws（R)（c）提供1kw電的循環(huán)蒸汽量：m110.0007187kg/sw1391.297N7-20.用熱效率為30%的熱機來拖動制冷系數(shù)為4的制冷機，試問制冷劑從被冷物料沒帶走1KJ熱量需要向熱機提供多少熱量？QQ1解：制冷機：WkJLSLW4SWW1/4sQ0.833KJ此凈功來自熱機：sQ0.3CHHc7-21.某蒸汽壓縮制冷循環(huán)用氨做工質，工作于冷凝器壓力1.2MPa和蒸發(fā)器壓力0.14MPa之間。工質進入壓縮機時為飽和蒸汽，進入節(jié)流閥時為飽和液體，壓縮機等熵效率為80%，制冷量為1.394104kJ/h。試求：（a）制冷效能系數(shù)；(b)氨的循環(huán)速率；(c)壓縮機功率；(d)冷凝器的放熱量；(e)逆卡諾循環(huán)的制冷效能系數(shù)。解：此循環(huán)的Ts圖見7-21圖1，工質為氨，由附錄7~9查出各狀態(tài)點的焓值。狀態(tài)點1：由附錄7查得蒸發(fā)壓力為0.14MPa時，制冷劑為飽和蒸汽的焓值。p0.14MPah332kcal/kg11狀態(tài)點2：由冷凝壓力為1.2MPa，在附錄9氨的lnpH圖上，找出1p點位置，沿等熵線與＝1.2MPa的等壓線的交點3，圖上直接查得2h420kcal/kg2狀態(tài)點4：從附錄7氨的飽和蒸汽壓表查得30.89℃時飽和液體的焓值7-21題圖1h82.72kcalkg14狀態(tài)點5：4→5過程是等焓的節(jié)流膨脹過程，故hh82.72kcalkg1＝54（a）制冷系數(shù)：hh3324200.8求得：s12h'442kcal/kg2hh332h2''12hh33282.722.2714hh442332'21（b）mQ1.3910413.327kg/h3.70103kg/sLhh(33282.72)4.18414（c）w'm(h'h)3.70103(332442)4.1841.70KWs21（d）Qm(hh')3.70103(82.72442)4.1845.56kJ/sH32T30C）以冷凝器壓力1.2Mpa時，HT20C（e蒸發(fā)器壓力0.14Mpa時，LT20273TT302732535.06LCHLT7-22.為使冷庫保持-20℃,需將419000kJ/h的熱量排向環(huán)境，若環(huán)境溫度=27℃，試求理想0情況下每小時所消耗的最小功和排向大氣的熱量。QT27320解：5.38LLWTT27(20)S0LQ419000W77838kJ/hL5.38SQQW41900077838496838kJ/h0LS7-23.利用熱泵從90℃的地熱水中把熱量傳到160℃的熱源中，每消耗1kW電功，熱源最多能得到多少熱量？T2731606.19解：依題意，供熱系數(shù)HP2TT1609021QQ1WPHPQP6.1916.19kW1HPnet1netnet7-24．壓縮機出口氨的壓力為1.0MPa，溫度為50℃，若按下述不同的過程膨脹到0.1MPa，試求經膨脹后氨的溫度為多少？（1）絕熱節(jié)流膨脹；（2）可逆絕熱膨脹。P1MPa11.02’250℃0.1-33℃30℃H解：（1）絕熱節(jié)流膨脹過程是等焓過程，從P-H圖上沿著等焓線可找到終態(tài)2為0.1MPa溫度為30℃。（2）可逆絕熱膨脹過程是等熵過程，同樣沿著等熵線可找到終態(tài)2為0.1MPa時，溫度為-33℃。7-25.某壓縮制冷裝置，用氨作為制冷劑，氨在蒸發(fā)器中的溫度為－25℃，冷凝器內的壓力為1180kPa，假定氨進入壓氣機時為飽和蒸氣，而離開冷凝器時是飽和液體，如果每小時的制冷量為167000kJ，求（1）所需的氨流率；（2）制冷系數(shù)。解：通過NH3的lnP-H圖（附錄9）可查到各狀態(tài)點焓值。按照題意，氨進入壓縮機為飽和狀態(tài)1，離開冷凝器為飽和狀態(tài)3。氨在蒸發(fā)器中的過程即4→1h1=1430KJ·kg-1h2=1710KJ·kg-1氨在冷凝器中的過程即2→3，h3=h4=320KJ·kg-1QQ1.67105（1）氨流率m150.5kgh1L0qhh1430320L14qhh14303203.96（2）制冷系數(shù)L14whh17101430S21注：求解此類題目：關鍵在于首先確定各過程狀態(tài)點的位置，然后在P-H圖或T—S圖上查到相應的焓（或溫度、壓力）值，進行計算。Qt=41800kJ/h的氨壓縮機，在下列條件下工作：蒸發(fā)溫度=－15℃,07-26力能為0tt冷凝溫度=25℃，過冷溫度=20℃，壓縮機吸入的是干飽和蒸氣，試計算k（1）單位質量的制冷能力；（2）每小時制冷劑循環(huán)量；（4）壓縮機的理論功率；（5）理論制冷系數(shù)。解：狀態(tài)點1為－15℃的干飽和蒸氣，由氨的溫熵查得h1=1664kJ/kg。由t1=－15℃飽和汽線上該狀態(tài)點（沿等熵線垂直向上）與t=30℃對應的飽和壓力p3=10×105Pa線相交，查得h2=1866kJ/kg。狀態(tài)點5為20℃的過冷液體，查20℃的飽和液體得h5=514.6kJ/kg。因節(jié)流前后焓值不變，則h4=h=514.6kJ/kg5（1）單位質量的制冷能力為q0=h1－h(huán)4=1664－514.6=1149.4（kJ/kg）(2)每小時制冷劑循環(huán)量為7-26題圖1QQ41800m36.37kgh1L0qhh1149.4L14（3）在冷凝器中制冷劑放出的熱量為QH=m（h5－h(huán)2）=36.37×（514.6－1866）=－49150.42（kJ/h）（4）壓縮機的理論功率為PT=m（h2－h(huán)1）=36.37×（1866－1664）=7346.74（kJ/h）=2.04kJ/s=2.04kW（5）理論制冷系數(shù)qqq01149.40wwhh186616645.69LSS217-27.有人設計了一套裝置用來降低室溫。所用工質為水，工質噴入蒸發(fā)器內部分汽化，其余變?yōu)?℃的冷水，被送到使用地點，吸熱升溫后以13℃的溫度回到蒸發(fā)器，蒸發(fā)器中所形成的干度為98%的蒸氣被離心式壓氣機送往冷凝器中，在32℃的溫度下凝結為水。為使此設備每分鐘制成750kg的冷水，求（1）蒸發(fā)器和冷凝器中的壓力；（2）制冷量（kJ/h）；（3）冷水循環(huán)所需的補充量；（4）每分鐘進入壓氣機的蒸氣體積。解：（1）從飽和水和飽和蒸氣表(附錄5)查得：蒸發(fā)器內5℃水的飽和蒸氣壓p1=0.00872×105Pa，冷凝器的溫度為32℃水的飽和壓力p2=0.0468×105Pa（2）本裝置依靠5℃的冷水從室內吸熱，從而升溫至13℃來降低室溫，故本裝置的制冷量為Q0=m2（h5－h(huán)6）=m2CP（T5－T6）=750×4.184×（13－5）=25104（kJ/min）=1506240kJ/h（3）對蒸發(fā)器作質量衡算m1=m3＋m2（1）對蒸發(fā)器再作能量衡算m1h5=m3h1＋m2h6（2）聯(lián)立方程（1）和（2）求得m3，即為冷水循環(huán)所需的補充量m750(hh)5hh6315從飽和水和飽和蒸氣表查得h1（t=5℃，x=0.98）=2460kJ/kg，h5（t=13℃的飽和水）=54.（kJ/kg）因此25104m3==10.48（kg/min）246054.6（4）從飽和水和飽和蒸氣表查得：5℃時的飽和蒸氣比容υg=147.12m3/kg；5℃時飽和水的比容υ=0.001m3/kg，則干度為0.98的蒸氣比容fυ=υgx＋υ（1－x）=147.12×0.98＋0.001×（1－0.98）=144.18（m3/kg）f最后得到每分鐘進入壓氣機的蒸氣體積為V=mυ=10.48×144.18=1511（m3/min）37-28.熱泵是一個逆向運轉的熱機，可用來作為空氣調節(jié)器，進行制冷或制熱。設冬季運行時的室外溫度（平均）為4℃，冷凝器（用于制熱）平均溫度為50℃。設夏季運行時的室外溫度（平均）為35℃，蒸發(fā)器（用于制冷）平均溫度為4℃，若要求制熱（制冷）量為105kJ·h-1，試求空調運行時最小理論功率各為多少？解：最小理論功率即為卡諾循環(huán)（或逆卡諾循環(huán)）的功率。冬季空調運行時，產生的熱量即工質從冷凝器放出的熱量，理想的放熱溫度即為50℃。依公式（7-37），有QQ2WWTTT273507.0222504HPC冷凝器S21105W3.96kW7.0223600夏季空調運行時，產生的冷量即工質從蒸發(fā)器吸收的熱量，理想的吸熱溫度即為4℃。依公式（7-28），有QQLWWTTT12734C蒸發(fā)器8.935354S12105W3.11kW36008.9357-29冬天室內取暖用熱泵。將R-134a蒸汽壓縮制冷機改為熱泵，此時蒸發(fā)器在室外，冷凝Q器在室內。制冷機工作時可從室外大氣環(huán)境中吸收熱量，R-134a蒸汽經壓縮后在冷凝器LQ中凝結為液體放出熱量，供室內取暖。設蒸發(fā)器中R-134a的溫度為-10℃，冷凝器中HR-134a蒸氣的冷凝溫度為30℃，試求：（1）熱泵的供熱系數(shù)；（2）室內供熱100000kJ·h-1時，用于帶動熱泵所需的理論功率；（3）當用電爐直接供熱（熱量仍為100000kJ·h-1）時電爐的功率應為多少？p0.771MPa，h392.01kJkg1，s=1.7309kJkg1K111132342（當p0.7701MPa，s1.7131kJkg1K1時，h1417.57kJkg1；222當p0.80MPa，s1.7131kJkg1K1時，h2420.53kJkg1。2227-29題圖1做壓力內插得h419.64kJkg1），故2（1）以單位質量為基準計算,依公式（7-36）qhh419.64241.80177.84(kJkg1)223whh419.64392.0127.63(kJkg1)1S2q2w27.63177.846.44HPSQqHP(2)依公式（7-36）得，22WwSSQ100000WS4.32(kJs1)4.32kW2HP6.443600（3）電爐的功率為：100000/360027.78(kW)7-30.采用氟利昂12（R-12）作制冷劑的蒸汽壓縮制冷裝置，為了進行房屋取暖，將此制冷裝置改用熱泵，已知蒸發(fā)溫度為15℃，冷凝器溫度為50℃，冷凝器向房屋排放8.4×104kJ·h-1的熱量，進入壓縮機為飽和蒸汽，壓縮機作絕熱膨脹，壓縮后溫度為60℃，進入冷凝器被冷凝成飽和液體后進行節(jié)流閥。假定壓縮后R-12的過熱蒸汽可看作理想氣體，其蒸氣比熱CPC為定值，=0.684kJ·kg-1·h-1，試求：（1）進入蒸發(fā)器的R-12的干度；（2）此熱泵P所消耗的功率；（3）如采用電爐直接供給相同的熱量，電爐的功率為多少？解：該過程的T-s圖如圖7-30題圖1所示。由附錄10先確定各狀態(tài)點的熱力學參數(shù)狀態(tài)點1：t15℃，p0.491MPa，s=0.6902kJkg1K1，111h193.8kJkg1K11狀態(tài)點2：t60℃，p1.219MPa22狀態(tài)點3：t50℃，p1.219MPa，h206.5kJkg1333s0.6797kJkg1K13C假定壓縮后過熱蒸汽為理想氣體，為定值。PssClnT27-30題圖1T23P3ssClnT20.67970.684ln273.1560273.1550T23P3s0.7005kJkg1K12ss，因此為不可逆絕熱壓縮。23hhC(TT)206.50.684(333.15325.15)23P23213.34kJkg1hh84.9kJkg145（1）以單位質量為基準計算,進入蒸發(fā)器的干度為x5hhsl(1x)hsvx5555584.950.1(1x)193.8x55x0.2425(2)此泵所消耗的功率qhh213.3484.9128.44(kJkg1)224制冷劑的循環(huán)量Q8.41042q128.44m654kgh12熱泵所消耗的功率Wm(hh)654(213.34193.8)/36003.55(kW)21（3）電爐的功率為：W=8.4104/360023.33(kW)R-12的