四川大學(xué)化工復(fù)試資料 第6章例題

PAGEPAGE1例題1、某工廠一工段需要流量為10m3·h-1，溫度為80℃的熱水。現(xiàn)有0.3MPa的飽和水蒸汽和30℃的循環(huán)回水可供調(diào)用。請你設(shè)計一個熱水槽，進入該槽的蒸汽和冷水各為多少流率？相應(yīng)的蒸汽管和冷水管尺寸如何？解：這是一個穩(wěn)定流動系統(tǒng)，動能及勢能不是很突出，可以忽略不計。若忽略混合時的熱量損失，而混合過程無機械軸功產(chǎn)生，即Q=0，Ws=0。穩(wěn)流系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律，ΔH=Q-Ws=0，即進出焓相等冷水的熱力學(xué)性質(zhì)：30℃，近似為飽和液體，H冷水=125.79kJ·kg-1，比容1.0043l*10-3m3·kg-1飽和蒸汽的熱力學(xué)性質(zhì)：0.3MPa，飽和溫度為133.55℃，H蒸汽=2725.3kJ·kg-1，比容606℃10-3m3·kg-1熱水的熱力學(xué)性質(zhì)：80℃，近似為飽和液體，H熱水=334.91kJ·kg-1比容為設(shè)冷水的流量為m水，蒸汽的質(zhì)量流量為m汽。熱水流量為則解得查閱“化工工藝設(shè)計手冊”，可知：一般工業(yè)用水在管中的流速要求在1.0m/s左右，低壓蒸汽流速為20m/s左右。則即式中A為管道截面積，D為管徑，U為流速，V為比容。冷水管徑按照管道規(guī)格尺寸，選取DN50的冷水管道。蒸汽管徑選取DN100的蒸汽管道。2．用液體輸送泵，將溫度為25℃的水，從0.1Mpa加壓到1.0Mpa，進入鍋爐去產(chǎn)生蒸汽，假設(shè)加壓過程是絕熱的，泵的實際效率相當于絕熱可逆過程效率的0.6，求需要的功為多少？解：按題意，穩(wěn)流過程中Q=0，忽略動能和勢能的影響，ΔH=-Ws由熱力學(xué)基本關(guān)系式可知，dH=TdS+VdP對絕熱可逆過程，即等熵過程，dS=0，水可近似為不可壓縮液體，實際功率3.試求將1kg，0.6MPa的空氣，按如下條件變化時的熱量變化，以及有效能變化。取環(huán)境溫度為25℃（298K）。（1）等壓下由-38℃加熱至30℃；（2）等壓下由30℃冷卻至-170℃。解：由空氣的T—S圖可查得0.6MPa下各溫度狀態(tài)的焓及熵值如下：-38℃（235K），H1=11620J·mol-1S1=104J·mol-1·K-130℃（303K），H2=13660J·mol-1S2=111J·mol-1·K-1-170℃（103K），H3=7440J·mol-1S3=77J·mol-1·K-1（1）等壓加熱熱量有效能變化（2）等壓冷卻熱量有效能變化4.試求1kmol，300K的空氣，由0.1MPa等溫可逆壓縮到10MPa的軸功和理想功。環(huán)境溫度取T0為298K。解：由空氣的T—S圖可查得，在300K下，各壓力狀態(tài)下的焓值和熵值如下：0.1MPa，H1=13577kJ·kmol-1S1=126kJ·kmol-1·K-110MPa，H2=1300kJ·kmol-1S2=87kJ·kmol-1·K-1穩(wěn)流系統(tǒng)ΔH=Q—WS可逆過程WS=Qrev—ΔH其中可逆熱Qrev=TΔS=T（S2—S1）=300×（87—126）=-11700kJ·kmol-1所以理想功計算結(jié)果表明，等溫下將空氣從0.1MPa壓縮至10MPa時，其消耗的理想功比可逆軸功要少一些，這是因為壓縮時放出的熱量可逆地傳遞給環(huán)境，環(huán)境獲到了部分功，消耗的功最少。5.試比較如下幾種水蒸汽，水和冰的有效能大小。設(shè)環(huán)境溫度為298K。0.15MPa，160℃，過熱蒸汽；0.3MPa，160℃，過熱蒸汽；0.07MPa，100℃，過冷蒸汽；100℃，飽和蒸汽；0.1MPa，100℃，飽和水；0.1MPa，0℃，冰。解：由水和水蒸汽性質(zhì)表可查得各狀態(tài)點的焓和熵值，設(shè)298K，液態(tài)水為基準態(tài)，有效能為另。根據(jù)有效能計算式：計算結(jié)果見下表所列。序號t,℃P,MPaH,kJ·kg-1S,kJ·kg-1·K-1B,kJ·kg-10250.1104.890.3674011600.152792.87.4665572.421600.32782.37.1276662.931000.072680.07.5341439.441000.12676.27.3614487.151000.1419.041.306934.2600.1-334.4-1.224735.2判斷水蒸汽的價值，應(yīng)當用有效能而不是焓，從表中1，2可見，相同溫度下，高壓蒸汽的焓值雖不如低壓蒸汽高，但是其有效能卻比低壓蒸汽為高。實際使用中，當然高壓蒸汽的使用價值高，相對稱為高品質(zhì)能量。6.求將室溫空氣由常壓壓縮至0.6MPa的有效能為多少？假設(shè)環(huán)境溫度為298K。解：若假設(shè)空氣為理想氣體，則壓力對焓變化無影響，壓力對熵變化為則有效能變化7.某人稱其能用100℃的飽和水蒸汽，提供140℃的熱能，且每公斤水蒸汽可供熱量1800kJ·kg-1。請驗證其可靠性。解：熱泵可以提高熱能的溫度，其原理采用某工質(zhì)，使其在低于環(huán)境的溫度下蒸發(fā)，即從環(huán)境吸入熱量，再壓縮到較高壓力，在高于環(huán)境溫度下冷凝放熱，達到供熱的目的。0.1MPa，100℃的飽和水蒸汽，若取298K，液態(tài)水為基準態(tài)，其有效能熱能的有效能為：487.1<501.2，顯然這一說法是不可行的，實際過程中熱損耗是不可避免的，二者之間的差距更大。8．有一臺空氣壓縮機，為氣動調(diào)節(jié)儀表供應(yīng)壓縮空氣，平均空氣流量為500m3·h-1，進氣初態(tài)為25℃，0.1Mpa，壓縮到0.6Mpa，假設(shè)壓縮過程可近似為絕熱可逆壓縮，試求壓縮機出口空氣溫度，以及消耗功率為多少？解：對絕熱過程ΔH=-Ws初、終態(tài)的焓值可以查空氣的有關(guān)圖表得到，也可以從氣體的P-V-T關(guān)系式求得。由于壓力不高，此時空氣可當成理想氣體處理。多變指數(shù)k可導(dǎo)出理想氣體絕熱可逆過程的軸功式壓縮時溫度變化關(guān)系式為：即為224℃，可見出口溫度太高，需要在壓縮機的出口裝上冷卻器，通常在壓縮機出口有一緩沖罐，在此對空氣進行冷卻降溫。如果出口壓力較高，則不能當成理想氣體處理，真實氣體的PVT性質(zhì)是可以通過狀態(tài)方程準確計算的。9．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(yīng)系數(shù)μJ。由熱力學(xué)基本關(guān)系式可得到：將P-V-T關(guān)系式代入上式，→，其中可見，節(jié)流膨脹后，溫度比開始為高。10．某人稱其設(shè)計了一臺熱機，該熱機消耗熱值為42000kJ·kg-1的燃料30kg·h-1，可以產(chǎn)生的輸出功率為170kW。該熱機的高溫與低溫?zé)嵩捶謩e為670K和330K。試判斷此熱機是否合理。解：從已知的條件，我們可以計算出該熱機的效率，以及卡諾熱機的效率，然后比較兩者的大小。熱機的效率卡諾熱機效率卡諾熱機是效率最高的熱機，顯然該人設(shè)計的熱機不合理。11．某動力循環(huán)的蒸汽透平機，進入透平的過熱蒸汽為2.0MPa，400℃，排出的氣體為0.035MPa飽和蒸汽，若要求透平機產(chǎn)生3000kW功率，問每小時通過透平機的蒸汽流量是多少？其熱力學(xué)效率是等熵膨脹效率的多少？假設(shè)透平機的熱損失相當于軸功的5%。解：進出透平機的蒸汽狀態(tài)見下圖所示，焓、熵值從附錄水蒸汽表中查到，按穩(wěn)流系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律對透平機進行能量衡算，ΔH=Q-Ws則蒸汽流量按本題意，等熵膨脹的空氣應(yīng)該是濕蒸汽，即為飽和蒸汽和飽和水的混合物，此時熵值，即為飽和蒸汽和飽和水的熵按比例混合，從附錄查得飽和蒸汽的熵，從飽和水性質(zhì)表查得飽和液體的熵，設(shè)空氣中氣相重量百分含量為x,則7.1271=7.7153×x+(1-x)×0.9875解得x=0.9126空氣的焓值H=x×Hg+（1-x）Hl=0.9126×2631.4+(1-0.9126)×304.25=2428.0kJ·kg-1定熵效率12．某蒸汽動力循環(huán)操作條件如下：冷凝器出來的飽和水，由泵從0.035Mpa加壓至1.5Mpa進入鍋爐，蒸汽離開鍋爐時被過熱器加熱至280℃。求：(1)上述循環(huán)的最高效率。(2)在鍋爐和冷凝器的壓力的飽和溫度之間運行的卡諾循環(huán)的效率，以及離開鍋爐的過熱蒸汽溫度和冷凝器飽和溫度之間運行的卡諾循環(huán)的效率。(3)若透平機是不可逆絕熱操作，其焓是可逆過程的80%。求此時的循環(huán)效率。解：(1)各狀態(tài)點的熱力學(xué)性質(zhì)，可由附錄水蒸汽表查得（由于液體壓力增加其焓增加很少，可以近似）該循環(huán)透平機進行絕熱可逆操作，增壓泵也進行絕熱可逆操作時效率最高。，由0.035Mpa，查得氣相，（查飽和蒸汽性質(zhì)表）液相，（查飽和水性質(zhì)表內(nèi)插）氣相含量為x冷凝器壓力0.035Mpa，飽和溫度為72.69℃；鍋爐壓力1.5Mpa，飽和溫度為198.32℃?？ㄖZ循環(huán)運行在此兩溫度之間，卡諾循環(huán)效率若卡諾循環(huán)運行在實際的二個溫度之間，其效率為(3)不可逆過程的焓差為0.80(H2-H3)，而吸收的熱仍為，因此效率13．將典型的蒸汽壓縮制冷循環(huán)的T-S圖分別在P-H圖和H-S圖上表示出來。解：壓縮機的可逆絕熱過程是等熵過程，節(jié)流過程?？煽醋鳛榈褥蔬^程，則循環(huán)可用如下P-H和H-S圖表示。14．某蒸汽壓縮制冷循環(huán)，制冷量Q0為3×104kJ·h-1，蒸發(fā)室溫度為-15℃，冷凝器用水冷卻，進口為8℃。若供給冷凝器的冷卻水量無限大時，計算制冷循環(huán)消耗的最小功為多少？如果冷凝器用室溫（25℃）空氣冷卻時，其消耗的最小功又是多少？解：首先需要明確的是：在所有的制冷循環(huán)中，逆卡諾循環(huán)的制冷效率最高，即功耗最小。循環(huán)效率有如下的關(guān)聯(lián)式：按照傳熱原理，如果進出冷卻器的冷卻水量無限大，則不僅冷卻水進出口溫度接近相同，而且被冷介質(zhì)的溫度也相同。因此當冷卻水量無限大時，冷凝溫度T2=(8+273)K，所以最少凈功當冷凝器用空氣冷卻時，冷凝溫度近似等于室溫25℃最小凈功由計算結(jié)果可見，冷卻溫度越低，消耗功越小。但是空氣冷卻所用設(shè)備簡單，如家用空調(diào)器，冰箱采用散熱片空氣冷卻，不過它們的能耗要比水冷卻高許多。15．實際蒸汽壓縮制冷裝置中的膨脹過程，為何采用節(jié)流閥而不用膨脹機？如果用膨脹機，請在T—S圖上標出哪些面積代表膨脹機回收的功？解：制冷裝置的膨脹過程，采用節(jié)流元件（如閥、孔板等）主要考慮到節(jié)流設(shè)備簡單，裝置緊湊。對于中小型設(shè)備而言，這個膨脹功是不值得回收的，功量不大，但是設(shè)備投資要增加許多。因此，大多不采用膨脹機。在下面的T—S圖上，節(jié)流元件膨脹過程如3→4，是等焓過程，而膨脹機膨脹過程如3→4，是等熵過程。膨脹機回收的功量如陰影部分積分。16．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℃，冷卻器中的壓力為1.0MPa，假定氨進入壓縮機時為飽和蒸汽，而離開冷凝器時為飽和液體，每小時制冷量Q0為1.67×105kJ·h-1。求：（1）所需的氨流率；（2）制冷系數(shù)。解：通過NH3的P-H圖可查到各狀態(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-1氨流率制冷系數(shù)注：求解此類題目：關(guān)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(yīng)的焓（或溫度、壓力）值，進行計算。17．有一氨壓縮制冷機組，制冷能力Q0為4.0×104KJ·h-1，在下列條件工作：蒸發(fā)溫度為-25℃，進入壓縮機的是干飽和蒸汽，冷凝溫度為20℃，冷凝過冷5℃。試計算：（1）單位重量制冷劑的制冷能力；（2）每小時制冷劑循環(huán)量；（3）冷凝器中制冷劑放出熱量；（4）壓縮機的理論功率；（5）理論制冷系數(shù)。解：首先在P—H圖（或T—S圖）上按照已知條件定出各狀態(tài)點。查得H1=1430KJ·kg-1H2=1680KJ·kg-1冷凝出來的過冷液體（過冷度為5℃）狀態(tài)3的決定：假設(shè)壓力對液體的焓值幾乎沒有影響，從狀態(tài)3沿著飽和液體線向下過冷5℃，找到3，用此點的焓值近似代替3的焓值，由于過冷度是有限的，實際上3和3很接近，不會造成太大的偏差。3→4仍為等焓膨脹過程，H3`=H4=270kJ·kg-1制冷能力q0=H1-H4=1430-270=1160KJ·kg-1制冷劑循環(huán)量冷凝過程即2→3，放出熱量Q=（H3-H2）G=34.5(270-1690)=-48645KJ·h-1壓縮機功率制冷系數(shù)18．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(jīng)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。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℃。19.用簡單林德循環(huán)使空氣液化。空氣初溫為17℃，節(jié)流膨脹前壓力P2為10MPa，節(jié)流后壓力P1為0.1MPa，空氣流量為0.9m3·h-1（按標準狀態(tài)計）。求：（1）理想操作條件下空氣液化率和每小時液化量；（2）若換熱器熱端溫差為10℃，由外界傳入的熱量為3.3KJ·kg-1，向?qū)σ夯康挠绊懭绾?？空氣的比熱Cp為1.0kJ·kg-1·K-1。解：簡單的林德循環(huán)T—S圖如上表示：對于空氣從T—S圖上可查得各狀態(tài)點的焓值狀態(tài)點性狀T／KP／MPaH／KJ·kg-11過熱蒸汽2900.14602過熱蒸汽290104350飽和液體0.142理論液化量（kg液體／kg空氣）空氣流量液化量：（2）外界熱量傳入造成冷量損失Q冷損，Q冷損=3.3KJ·kg-1換熱器熱端溫差造成熱交換損失Q溫損，Q溫損=Cp×ΔT=1.0×10=10KJ·kg-1實際液化量實際液化量：20.采用簡單林德循環(huán)液化空氣的示意圖及各狀態(tài)點熱力學(xué)性質(zhì)如下圖和表所示。設(shè)環(huán)境溫度為298K，壓縮機功耗為630kJ·h-1。試計算各狀態(tài)點的有效能，并分析能量的消耗情況。序號TKPMPamkg·h-1HkJ·kg-1SkJ·kg-1·K-1BkJ·kg-10298