化工熱力學習題解答五～七章10級

習題解答第五章

1.

今有94℃的熱水連續(xù)地從一儲桶以0.2273M3/min的速度泵送，泵用電機的功率為1.492kw，熱水在途中流經一熱交換器，以10080kcal/min的速度放出熱量，并輸送到比第一儲桶高15米的第二儲桶中去，試求輸往第二儲桶的水溫。已知：94℃熱水的密度為962.8kg/m3習題解答解：以1kg水為計算基準，注意單位一致（5-13）習題解答也可以一分鐘為計算基準t2=48℃習題解答也可以一分鐘為計算基準END習題解答

2.

設有10kg水被下述熱流體加熱，從288K加熱到333K，計算熱流體的熵變，被加熱的水的熵變以及總熵變。（1）3.4×105Pa的飽和蒸汽；（2）3.4×105Pa，450K的過熱蒸汽；

(3)與10kg,333K的熱水完全逆流換熱；

(4)與最小量的370K熱水完全順流換熱。假如（1）、（2）兩種情況下蒸汽冷凝但不過冷。

解：（1）熱流體是3.4×105Pa的飽和蒸汽水的平均恒壓熱容習題解答3.4×105Pa的飽和蒸汽的冷凝溫度為137.84℃（411K）水吸收的熱習題解答查水蒸汽表，3.4×105Pa時，飽和蒸汽另一種解法習題解答根據能量衡算，確定蒸汽用量（2）熱流體是3.4×105Pa，450K的過熱蒸汽3.4×105Pa450K的過熱蒸汽3.4×105Pa飽和液體3.4×105Pa飽和蒸汽習題解答習題解答

由于冷、熱水量相等，平均恒壓熱容也相等，所以熱水終溫為288K，是可逆?zhèn)鳠徇^程。(3)

與10kg,333K的熱水完全逆流換熱熱水冷水換熱器習題解答

根據能量衡算，所需熱水量為(4)與最小量的370K熱水完全順流換熱熱水冷水換熱器習題解答END習題解答

3.

1摩爾理想氣體在400K由105Pa經等溫不可逆壓縮至10×105Pa，壓縮過程的熱被移至300K的儲熱器。實際壓縮功比可逆壓縮功多20%，計算氣體的熵變，儲熱器的熵變及總熵變，計算該過程損失功。解：因為是理想氣體，等溫過程按穩(wěn)流過程考慮習題解答或習題解答另一種算法END注意：可逆等溫壓縮過 熱習題解答

4.

今有773K，100×105Pa的過熱蒸汽進入高壓汽輪機絕熱膨脹做功，設冷凝器的壓力為0.04×105Pa

，試求：(1)可逆絕熱膨脹（乏汽為濕蒸汽）(2)不可逆絕熱膨脹（乏汽為飽和蒸汽）時體系與環(huán)境總用和總無的變化。解：狀態(tài)1狀態(tài)2（1）可逆絕熱膨脹濕蒸汽習題解答解得習題解答可逆過程總用守恒?？偀o的變化，因為是可逆絕熱過程可逆過程總無也守恒。習題解答（2）不可逆絕熱膨脹狀態(tài)1狀態(tài)2‘飽和蒸汽習題解答總無的變化，因為是絕熱過程，不可逆過程總用減少。不可逆過程總無增加。END習題解答5、某化肥廠用廢熱鍋爐回收二段轉化氣的熱量，轉化氣進、出廢熱鍋爐的溫度為1000℃和380℃，廢熱鍋爐進口水溫55℃，產生40×105，440℃的過熱蒸汽，若不計散熱損失，問廢熱鍋爐產汽量為多少公斤？求這一回收余熱過程的損失功和熱力學效率。已知轉化氣在1000℃和380℃間平均恒壓熱容為36kJ/kmol·k，轉化氣的流量為5160NM3/噸氨?，F若令產生的過熱蒸汽通過汽輪機作功，作功后的乏汽為1.0×105的飽和蒸汽，試求此過程的理想功，損失功和熱力學效率。習題解答解：以1噸氨為計算基準（1）產汽量的計算根據能量衡算55℃的水440℃的過熱蒸汽1000℃轉化氣380℃（2）傳熱過程的損失功和熱力學效率習題解答轉化氣的用變化蒸汽的用變化

另一種算法習題解答習題解答此傳熱過程熱力學效率另一種算法習題解答（3）對外作功過程的理想功和熱力學效率飽和蒸汽以1公斤蒸汽為計算基準440℃的過熱蒸汽

只要始、終態(tài)一定（T0、p0基本是常數），則過程的理想功就一定。理想功的大小與完成相同狀態(tài)變化的實際過程作的功無關，也與實際過程是否作功無關。習題解答另一種算法該作功過程的熱力學效率END習題解答6.

蒸汽常因管路保溫不善，在輸送過程中冷凝，試計算1kg，

4.5×105Pa的飽和蒸汽冷凝成同壓下的水時的散熱損失和損失功，假定環(huán)境溫度為25℃。并說明為何兩者的數值不同？解：查水蒸汽表，4.5×105Pa的飽和蒸汽（421.05K）習題解答損失功習題解答

熱損失表示的是由于管道保溫不良而散失到大氣中的熱量，其本質是熱，是低質量的能量。損失功表示的是由于保溫不良使蒸汽冷凝而喪失的作功能力，而作功能力是高質量的能量。將散失的熱量用卡諾循環(huán)的熱效率折算成熱的用，其值就等于這個過程的損失功。END習題解答7.

一車間要利用300K、8.1×105Pa（8大氣壓）的空氣和－195.95℃的液氮來產生20kg/s、－162.15℃、1.55×105Pa的低溫空氣。擬采取的方案有兩個：（1）空氣先經節(jié)流閥節(jié)流膨脹到1.55×105Pa，再經冷卻器，用液氮冷卻至所需溫度－162.15℃（111K）;

（2）不采用節(jié)流膨脹，而是使空氣先在等熵效率為80％的透平機中膨脹做功，然后進入換熱器冷卻至－162.15℃。試求（1）、（2）兩方案中冷卻器的熱負荷以及過程的總熵增，兩種方案的損失功，將它們進行比較并分析原因。液氮的汽化潛熱自查。T0=298K習題解答以1秒鐘為計算基準解：過程（1）空氣8.1×105Pa300K1.55×105PaT2=?1.55×105Pa-162.15℃(111K)液氮-195.95℃77.2K節(jié)流根據p2=1.55×105Pa，H1=H2，查空氣的T-S圖汽氮-195.95℃冷卻器習題解答冷卻器的熱負荷根據能量衡算，計算液氮的蒸發(fā)量：－195.95℃時液氮的汽化潛熱為199.2kJ/kg（查表）另一種算法習題解答空氣在1.55×105Pa，-162.15℃(111K)時，S3=0.63kcal/kg·K習題解答過程（2）空氣8.1×105Pa300K1.55×105PaT2=?1.55×105Pa-162.15℃(111K)液氮-195.95℃77.2K透平機

根據p2=1.55×105Pa，S1=S2，查空氣的T-S圖，可逆絕熱膨脹至1.55×105Pa時，冷卻器汽氮195.95℃習題解答

根據p2=1.55×105Pa，H2=100.16kcal/kg，查空氣的T-S圖，不可逆絕熱膨脹至1.55×105Pa時，可回收的功為習題解答而⊿S空氣不變冷卻器的熱負荷：習題解答將此兩種過程進行比較如下：

由于空氣通過透平機膨脹過程的不可逆程度小，產生的溫度降大，可回收功；冷卻器的熱負荷減小，氮氣的熵變明顯降低；且空氣與液氮的傳熱過程溫差減小，傳熱過程的不可逆程度?。凰赃^程（2）的損失功小得多。過程膨脹后的溫度(K)冷卻器的降溫幅度冷卻器的熱負荷(kJ/s)⊿S總（kJ/K·s）回收的功（kJ/s）WL(kJ/s)12298208298～111208～1113758.71949.737.38513.9501828.4411140.734157.15END習題解答8.某換熱器完全保溫。熱流體的流量為0.042kg/s，進、出換熱器時的溫度分別為150℃、35℃，其等壓熱容為4.36kJ/kg.K。冷流體進、出換熱器時的溫度分別為25℃、110℃，其等壓熱容為4.69kJ/kg.K。試計算冷、熱流體用的變化、過程的損失功和熱力學效率。若將熱流體進口溫度改為287℃，其余條件不變，計算此時冷、熱流體用的變化、過程的損失功和熱力學效率，比較計算結果并分析原因。

習題解答

根據能量衡算，熱流體放出熱＝冷流體吸收熱，以1秒鐘為計算基準熱流體冷流體解：逆流換熱器（1）第一步習題解答習題解答另一種算法習題解答

根據能量衡算，熱流體放出熱＝冷流體吸收熱，以1秒鐘為計算基準熱流體冷流體逆流換熱器（2）第二步習題解答習題解答另一種算法習題解答將以上計算結果進行比較如下：熱流體進口溫度（℃）熱流體用變化（kJ/s）冷流體用變化（kJ/s）總熵增（kJ/K·s）損失功WL（kJ/s）熱力學效率(%)第一步第二步150287-3.745-13.5222.5305.5510.004040.026791.2157.97167.5641.05

由于第二步熱流體進口溫度高，使傳熱溫差加大，傳熱過程的不可逆程度增大，因此第二步的損失功大，過程的熱力學效率低。END第五章完習題解答1、一蒸汽動力裝置的鍋爐供應30×105Pa，430℃的過熱蒸汽給汽輪機，汽輪機的額定功率為15×104KW。乏汽在0.10×105Pa的壓力下排至冷凝器，假定汽輪機的等熵效率為80％，冷凝器出口的是飽和液體，循環(huán)水泵將水打回鍋爐是可逆絕熱過程，求：

(1)每公斤蒸汽對外所做的功;(2)此動力循環(huán)中蒸汽的質量流量

；

(3)蒸汽從鍋爐吸收的熱量;(4)水泵消耗的功;(5)循環(huán)的熱效率。

第六章習題解答0.10×105Pa時解：1點：30×105Pa,430℃的過熱蒸汽,查過熱水蒸汽表，內插得作出此動力循環(huán)T-S圖習題解答每公斤蒸汽通過汽輪機所作的功習題解答蒸汽的質量流量

水泵消耗的功對外所作凈功習題解答循環(huán)熱效率蒸汽從鍋爐吸收的熱量END習題解答2、

1kg273K,6MPa的空氣，通過節(jié)流閥減壓至1MPa，求減壓后空氣的溫度。如果通過膨脹機也減壓至1MPa，膨脹機的效率是80%，則空氣膨脹后的溫度是多少？設環(huán)境溫度是298K，計算這兩個過程的損失功。

習題解答

這題的解法與第五章習題第7題很相似。也與教材146頁例6-6的解法相似。這題的錯誤也與例6-6的錯誤相似。解：習題解答3、某氨蒸汽壓縮制冷循環(huán)蒸發(fā)溫度為－15℃（Hg=1423.24kJ/kg），冷凝溫度為27℃(Hl=305.58kJ/kg)，離開蒸發(fā)器的蒸汽為飽和蒸汽，壓縮為不可逆絕熱過程，其定熵效率為0.85，已知可逆絕熱壓縮終態(tài)的焓為1657.66kJ/kg,計算冷凍系數及冷凍量為1.4×104kJ/h時壓縮所需的功率。

習題解答解：查氨的T-S圖（教材上氨的飽和蒸汽表與氨的P-H圖數據不符，說明不同來源的數據最好不要混用）－15℃時：27℃時：作出此制冷循環(huán)的T-S圖習題解答

冷凍系數：膨脹前后壓力相同時：習題解答制冷劑循環(huán)量：

壓縮所需功率：END習題解答4.

試用T-S圖求空氣初溫分別為300K及230K時，下列條件等焓及等熵膨脹過程的終溫，以及產生的溫度降ΔTH及ΔTs，列表比較兩種情況的降溫效果。（1）從80atm膨脹至20atm（2）從20atm膨脹至5atm習題解答解：習題6-4習題解答等焓及等熵膨脹過程產生的溫度降ΔTH及ΔTs比較溫度等焓膨脹ΔTH℃等熵膨脹ΔTs℃80atm20atm20atm5atm80atm20atm20atm5atm300K-12-3-101-98230K-21-6-79-76END條件相同時，等熵膨脹比等焓膨脹產生的溫度降大得多。等焓膨脹初溫低降溫效果好，而等熵膨脹初溫高好。習題解答1.丙酮（1）—甲醇（2）二元溶液超額自由焓的表達形式為，純物質的Antoine（安妥因）方程表示如下：

t單位℃試求：（1）假如氣相可看作理想氣體，B=0.75，溫度為60℃下的p-x-y數據。（2）氣相可看作理想氣體，B=0.64，壓力為75kPa下的t-x-y數據。第七章（1）假如氣相可看作理想氣體，B=0.75，溫度為60℃下的p-x-y數據。因為ln

i是GE/RT的偏摩爾性質(4-83)（1）同理（2）習題解答解：習題解答設x1=0.5時

可認為該體系汽相是理想氣體，液相是非理想溶液：習題解答習題解答用不同xi值代入（1）（2），可得溫度為60℃下的p-x-y數據，該體系在60℃時汽液平衡是形成最大壓力的恒沸物。x100.10.30.50.70.710.80.91.0

1

2P/kPay12.1171.00084.4901.8361.00897.890.2171.4441.070113.400.4421.2061.206120.700.5781.0701.444123.20.7031.06511.4595123.240.711.0301.616122.60.7781.00751.8358120.400.8711.0002.117115.681.000若已知

t

、yi

，求p、xi，試差方法如下：輸入t、yi所有參數假設p，令所有γi=1計算Σxi是否計算所有的xi計算pis歸一化所有的xi計算所有的γi打印結果p，xi是否調整p是否第一次迭代Σxi=1？

（2）氣相可看作理想氣體，B=0.64，壓力為75kPa下的t-x-y數據。

需用試差法求解，設t=50℃，x1=0.3時，習題解答若Σyi≠1，則重新假設溫度進行試算。不同xi值時，壓力為75kPa下的t-x-y數據：ENDx10.10.30.50.80.9

1

2t/℃y11.6791.00653.90.2111.3681.05950.10.4501.0701.59145.80.8521.0171.72746.80.924習題解答習題解答

2.（1）混合物的組成（摩爾分率）如下：甲烷0.05，乙烷0.10，丙烷0.30，異丁烷0.55。試確定該混合物在26.7℃時的泡點壓力和露點壓力。（2）確定上述混合物在26.7℃與1.033MPa時汽相所占的比率及汽相組成。①

該混合物在26.7℃時的泡點壓力。試差方法如下：已知t、xi由p-T-K列線圖求Ki是否設p調整p露點壓力泡點壓力yi26.7℃xi解：p即是泡點壓力求出泡點壓力為18.5絕對大氣壓（1.911MPa）。假設壓力（絕對大氣壓）19.018.5組分xiKiyi=KixiKiyi=KixiCH4C2H6C3H8i-C4H100.050.100.300.558.91.880.630.280.4450.1880.1890.1549.11.90.640.290.4550.1900.1920.1595

1.000.9760.9965習題解答②該混合物在26.7℃時的露點壓力。試差方法如下：已知t、yi由p-T-K列線圖求Ki否設p調整p是習題解答P即是露點壓力求出露點壓力為5.7絕對大氣壓（0.5888MPa）。假設壓力（絕對大氣壓）7.05.7組分yiKixi=yi/KiKixi=yi/KiCH4C2H6C3H8i-C4H100.050.100.300.55275.01.660.720.00180.0200.18070.785726.84.951.650.690.00180.02020.18180.7971

1.000.98821.0009習題解答

③確定上述混合物在26.7℃