化工热力学题库56计算概要.doc

难度： 中分值：10章节：第五章 化工过程的能量分析知识点：功热转化，热力学效率，理想功备注：南工大试题答案：（1）3#2#1#4# 因为温度压力越高，蒸汽的作功本领越大；温度相同时，压力越高，蒸汽的作功本领越大；压力相同时，温度越高，蒸汽的作功本领越大； 任何温度压力下的饱和蒸汽比任何温度压力下的饱和水作功本领大。（2）应尽可能利用高压蒸汽来做功，低压蒸汽来加热。（3）1. （10分）设有压力为1.013MPa、 6.868MPa、 8.611MPa的饱和蒸汽和1.013MPa， 573K的过热蒸汽和8.611MPa，573K的饱和水，若这些蒸汽和水经充分利用后，最后排出0.1013MPa， 298K的冷凝水（即环境状态）。（1）将它们做功本领从大到小排序，并说出如此排序的理由。（不需要计算）（2）简要阐述如何合理利用蒸汽。（3）计算3#（序号见下表）饱和蒸汽的Ex。(4) 若将3#饱和蒸汽变成4#饱和水，环境温度为298K，请计算此过程所做的理想功。序号P,MPaT,KS(KJ/Kg.K )H(KJ/Kg )0#水0.10132980.3674104.91#饱和蒸汽1.0134536.58227762#过热蒸汽1.0135737.1330533#饱和蒸汽8.6115735.78727834#饱和水8.6115733.25341344难度： 易分值：13章节：第六章 蒸汽动力循环和制冷循环知识点：制冷循环备注：南工大试题答案： 1、1） 如右图2TS541432. （13分）设有一制冷能力（冷冻量）为41800 kJ/h的氨冷冻循环装置，蒸发温度-15，冷凝温度25 ，过冷度为5 。假设压缩机可逆绝热运行，膨胀为节流（等焓）过程。求：1）在T-S图上表示此循环过程； 2）每小时制冷剂的循环量； 3）压缩机功耗；4）循环制冷系数。（已知压缩机进出口处氨的焓分别为1644 kJ/kg，1866 kJ/kg，冷凝器出口过冷氨的焓是 514.6 kJ/kg.）难度： 中分值：12分章节：第五章 化工过程的能量分析知识点：平衡备注：南工大试题答案：解：(1)按等熵s1=s2 蒸汽进1点出2点，x=(s2-s2f)/(s2g-s2f)=(7.155-1.404)/(7.252-1.404)=0.9834 H2=H2gx2+H2f(1-x2)=2689.1*0.9834+0.0166*456.3=2652kg/kJ WS=( H1- H2)=-(2975.4-2652)=-323.4kg/kJ 忽略动能变化，WS=323.4 kg/Kj（2）B1=H1-0+TS1-0=（2975.4-84.98）-293*（7.155-0.2964）=2890.4-2009.6=880.8 kg/Kj B2=（2562-84.98）-293*（7.155-0.2964）=2567-2009.6=557.4（3）B=B-/B+=（Ws+B2）/B1=（323.4+557.4）/880.8=100% 忽略动能变化3.（12分）压力0.689Mpa, 温度260C的过热蒸汽，以一定线速度进蒸汽动力装置透平作功，乏气为0.138MPa，设此为可逆绝热膨胀过程。求：（1）每kg蒸汽的轴功（不计动能变化）；（2）进、出蒸汽的火用（不计动能变化）；（3）火用 效率ex （设环境T=293K , P=0.1013Mpa,热损失可忽略）有关数据P(bar)T(k)H(KJ/kg)S(KJ/kg.k)Hf(KJ/kg)Sf(KJ/kg.k)Hg(KJ/kg)Sg(KJ/kg.k)进透平蒸汽6.895332975.47.155出透平蒸汽1.38456.31.4042689.17.252环境水84.980.2964难度： 易分值：12分章节：第六章 蒸汽动力循环和制冷循环知识点：蒸汽动力循环备注：南工大试题答案：解：4.（12分）在T-S图上画出下列各过程所经历的途径（注明起点和方向），并说明过程特点：如G=0 （1）饱和液体节流膨胀； （2）饱和蒸汽可逆绝热膨胀； （3）从临界点开始的等温压缩；（4）过热蒸汽经冷却冷凝为过冷液体（压力变化可忽略）。难度： 易分值：20分章节：第六章 蒸汽动力循环和制冷循环知识点：制冷循环备注：南工大试题答案：2TS2541431） 如左图5（20分）.设一制冷能力（冷冻量）为50000 kJ/h带节流阀的氨冷冻循环装置，蒸发温度-15C，冷凝温度25C ，过冷度为5C 。假设压缩机绝热不可逆运行，其等熵效率为80%。求（1）在TS图上表示此循环过程；（5分）（2）每小时制冷剂的循环量（5分）（3）压缩机功耗；（5分）（4）循环制冷系数。（5分）（已知压缩机进口处氨的焓为1644 kJ/kg，如果经可逆绝热压缩出口处 氨的焓为1866 kJ/kg，冷凝器出口过冷氨的焓是 514.6 kJ/kg.）难度：易分值：10章节：第五章 化工过程的能量分析知识点：功热转化备注：南工大试题答案：解：按题意，稳流过程中Q=0，忽略动能和势能的影响，H=-Ws 由热力学基本关系式可知，dH=TdS+VdP对绝热可逆过程，即等熵过程，dS=0 ，水可近似为不可压缩液体，实际功率 6用液体输送泵，将温度为25的水，从0.1Mpa加压到1.0Mpa，进入锅炉去产生蒸汽，假设加压过程是绝热的，泵的实际效率相当于绝热可逆过程效率的0.6，求需要的功为多少？ 难度：中分值：12章节：第五章 化工过程的能量分析知识点：功热转化备注：南工大试题答案：解：由空气的TS图可查得0.6MPa下各温度状态的焓及熵值如下： -38（235K），H1=11620 Jmol-1 S1=104 Jmol-1K-1 30（303K），H2=13660 Jmol-1 S2=111 Jmol-1K-1 -170（103K），H3=7440 Jmol-1 S3=77 Jmol-1K-1 （1）等压加热热量 有效能变化 （2）等压冷却热量 有效能变化 7. 试求将1kg，0.6MPa的空气，按如下条件变化时的热量变化，以及有效能变化。取环境温度为25（298K）。（1）等压下由-38加热至30；（2）等压下由30冷却至-170。难度：中分值：10章节：第五章 化工过程的能量分析知识点：功热转化，理想功备注：南工大试题答案：解：由空气的TS图可查得，在300K下，各压力状态下的焓值和熵值如下： 0.1MPa，H1=13577 kJkmol-1 S1=126 kJkmol-1K-1 10MPa，H2=1300 kJkmol-1 S2=87 kJkmol-1K-1 稳流系统 H=QWS 可逆过程 WS=QrevH 其中可逆热Qrev=TS=T（S2S1）=300（87126）=-11700 kJkmol-1所以 理想功 计算结果表明，等温下将空气从0.1MPa压缩至10MPa时，其消耗的理想功比可逆轴功要少一些，这是因为压缩时放出的热量可逆地传递给环境，环境获到了部分功，消耗的功最少。8. 试求1kmol，300K的空气，由0.1MPa等温可逆压缩到10MPa的轴功和理想功。环境温度取T0为298K。难度：难分值：16章节：第五章 化工过程的能量分析知识点：功热转化，热力学效率备注：南工大试题答案：解：由水和水蒸汽性质表可查得各状态点的焓和熵值，设298K，液态水为基准态，有效能为另。 根据有效能计算式： 计算结果见下表所列。序号t,P,MPaH,kJkg-1S,kJkg-1K-1B,kJkg-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 判断水蒸汽的价值，应当用有效能而不是焓，从表中1，2可见，相同温度下，高压蒸汽的焓值虽不如低压蒸汽高，但是其有效能却比低压蒸汽为高。实际使用中，当然高压蒸汽的使用价值高，相对称为高品质能量。9. 试比较如下几种水蒸汽，水和冰的有效能大小。设环境温度为298K。 0.15MPa，160，过热蒸汽； 0.3MPa， 160，过热蒸汽； 0.07MPa，100，过冷蒸汽； 100，饱和蒸汽； 0.1MPa，100，饱和水； 0.1MPa，0，冰。难度：易分值：8章节：第五章 化工过程的能量分析知识点：熵增原理，热力学效率备注：南工大试题答案：解：若假设空气为理想气体，则压力对焓变化无影响，压力对熵变化为 则有效能变化 10.求将室温空气由常压压缩至0.6MPa的有效能为多少？ 假设环境温度为298K。 难度：难分值：10章节：第五章 化工过程的能量分析知识点：功热转化，火用效率备注：南工大试题答案： 解：热泵可以提高热能的温度，其原理采用某工质，使其在低于环境的温度下蒸发，即从环境吸入热量，再压缩到较高压力，在高于环境温度下冷凝放热，达到供热的目的。0.1MPa，100的饱和水蒸汽，若取298K，液态水为基准态，其有效能 热能的有效能为： 487.1501.2，显然这一说法是不可行的，实际过程中热损耗是不可避免的，二者之间的差距更大。11.某人称其能用100的饱和水蒸汽，提供140的热能，且每公斤水蒸汽可供热量1800kJkg-1。请验证其可靠性。 难度：中分值：12章节：第五章 化工过程的能量分析知识点：理想功，热力学效率备注：南工大试题答案：解：对绝热过程 H=-Ws 初、终态的焓值可以查空气的有关图表得到，也可以从气体的P-V-T关系式求得。由于压力不高，此时空气可当成理想气体处理。多变指数k 可导出理想气体绝热可逆过程的轴功式压缩时温度变化关系式为： 即为224，可见出口温度太高，需要在压缩机的出口装上冷却器，通常在压缩机出口有一缓冲罐，在此对空气进行冷却降温。如果出口压力较高，则不能当成理想气体处理，真实气体的PVT性质是可以通过状态方程准确计算的。12有一台空气压缩机，为气动调节仪表供应压缩空气，平均空气流量为500m3h-1，进气初态为25，0.1Mpa，压缩到0.6Mpa，假设压缩过程可近似为绝热可逆压缩，试求压缩机出口空气温度，以及消耗功率为多少？ 难度： 中分值：10章节：第六章 蒸汽动力循环和制冷循环知识点：节流膨胀效应备注：南工大试题答案：解；判断节流膨胀的温度变化，依据Joule-Thomson效应系数J。 由热力学基本关系式可得到： 将P-V-T关系式代入上式，其中可见，节流膨胀后，温度比开始为高。13在25时，某气体的P-V-T可表达为PV=RT+6.4104P，在25，30MPa时将该气体进行节流膨胀，向膨胀后气体的温度上升还是下降？难度： 易分值：8章节：第六章 蒸汽动力循环和制冷循环知识点：蒸汽动力循环备注：南工大试题答案：解：从已知的条件，我们可以计算出该热机的效率，以及卡诺热机的效率，然后比较两者的大小。 热机的效率 卡诺热机效率 卡诺热机是效率最高的热机，显然该人设计的热机不合理。14某人称其设计了一台热机，该热机消耗热值为42000kJkg-1的燃料30kgh-1，可以产生的输出功率为170kW。该热机的高温与低温热源分别为670K和330K。试判断此热机是否合理。难度： 易分值：12章节：第六章 蒸汽动力循环和制冷循环知识点：蒸汽动力循环备注：南工大试题答案：解：进出透平机的蒸汽状态见下图所示，焓、熵值从附录水蒸汽表中查到，按稳流系统热力学第一定律对透平机进行能量衡算，H=Q-Ws 则 蒸汽流量 按本题意，等熵膨胀的空气应该是湿蒸汽，即为饱和蒸汽和饱和水的混合物，此时熵值，即为饱和蒸汽和饱和水的熵按比例混合，从附录查得饱和蒸汽的熵，从饱和水性质表查得饱和液体的熵， 设空气中气相重量百分含量为x,则 7.1271=7.7153x+(1-x)0.9875解得 x=0.9126空气的焓值 H=xHg+（1-x）Hl =0.91262631.4+(1-0.9126)304.25=2428.0kJkg-1定熵效率 15某动力循环的蒸汽透平机，进入透平的过热蒸汽为2.0MPa，400，排出的气体为0.035MPa饱和蒸汽，若要求透平机产生3000kW功率，问每小时通过透平机的蒸汽流量是多少？其热力学效率是等熵膨胀效率的多少？假设透平机的热损失相当于轴功的5%。 难度： 难分值：16章节：第六章 蒸汽动力循环和制冷循环知识点：蒸汽动力循环备注：南工大试题答案：解： (1) 各状态点的热力学性质，可由附录水蒸汽表查得 （由于液体压力增加其焓增加很少，可以近似） 该循环透平机进行绝热可逆操作，增压泵也进行绝热可逆操作时效率最高。，由0.035Mpa，查得气相，（查饱和蒸汽性质表）液相，（查饱和水性质表内插） 气相含量为x 冷凝器压力0.035Mpa，饱和温度为72.69；锅炉压力1.5Mpa，饱和温度为198.32。卡诺循环运行在此两温度之间，卡诺循环效率 若卡诺循环运行在实际的二个温度之间，其效率为(3)不可逆过程的焓差为0.80(H2-H3)，而吸收的热仍为，因此效率16某蒸汽动力循环操作条件如下：冷凝器出来的饱和水，由泵从0.035Mpa加压至1.5Mpa进入锅炉，蒸汽离开锅炉时被过热器加热至280。求：(1) 上述循环的最高效率。 (2) 在锅炉和冷凝器的压力的饱和温度之间运行的卡诺循环的效率，以及离开锅炉的过热蒸汽温度和冷凝器饱和温度之间运行的卡诺循环的效率。 (3) 若透平机是不可逆绝热操作，其焓是可逆过程的80%。求此时的循环效率。难度：中分值：12章节：第六章 蒸汽动力循环和制冷循环知识点：制冷循环备注：南工大试题答案：解：压缩机的可逆绝热过程是等熵过程，节流过程常可看作为等焓过程，则循环可用如下P-H和H-S图表示。17将典型的蒸汽压缩制冷循环的T-S图分别在P-H图和H-S图上表示出来。难度：中分值：12章节：第六章 蒸汽动力循环和制冷循环知识点：制冷循环备注：南工大试题答案：解：首先需要明确的是：在所有的制冷循环中，逆卡诺循环的制冷效率最高，即功耗最小。循环效率有如下的关联式： 按照传热原理，如果进出冷却器的冷却水量无限大，则不仅冷却水进出口温度接近相同，而且被冷介质的温度也相同。因此 当冷却水量无限大时，冷凝温度T2=(8+273)K， 所以最少净功 当冷凝器用空气冷却时，冷凝温度近似等于室温25 最小净功 由计算结果可见，冷却温度越低，消耗功越小。但是空气冷却所用设备简单，如家用空调器，冰箱采用散热片空气冷却，不过它们的能耗要比水冷却高许多。18 某蒸汽压缩制冷循环，制冷量Q0为3104kJh-1，蒸发室温度为-15，冷凝器用水冷却，进口为8。若供给冷凝器的冷却水量无限大时，计算制冷循环消耗的最小功为多少？如果冷凝器用室温（25）空气冷却时，其消耗的最小功又是多少？ 难度：中分值：8章节：第六章 蒸汽动力循环和制冷循环知识点：制冷循环备注：南工大试题答案：解：制冷装置的膨胀过程，采用节流元件（如阀、孔板等）主要考虑到节流设备简单，装置紧凑。对于中小型设备而言，这个膨胀功是不值得回收的，功量不大，但是设备投资要增加许多。因此，大多不采用膨胀机。 在下面的TS图上，节流元件膨胀过程如34，是等焓过程，而膨胀机膨胀过程如34，是等熵过程。膨胀机回收的功量如阴影部分积分。19 实际蒸汽压缩制冷装置中的膨胀过程，为何采用节流阀而不用膨胀机？如果用膨胀机，请在TS图上标出哪些面积代表膨胀机回收的功？ 难度：中分值：10章节：第六章 蒸汽动力循环和制冷循环知识点：制冷循环备注：南工大试题答案：解：通过NH3的P-H图可查到各状态点焓值。按照题意，氨进入压缩机为饱和状态1，离开冷凝器为饱和状态3。氨在蒸发器中的过程即41 H1=1430KJkg-1 H2=1710KJkg-1 氨在冷凝器中的过程即23，H3=H4=320KJkg-1氨流率 制冷系数 注：求解此类题目：关键在于首先确定各过程状态点的位置，然后在P-H图或TS图上查到相应的焓（或温度、压力）值，进行计算。20某压缩制冷装置，用氨作为制冷剂，氨在蒸发器中的温度为-25，冷却器中的压力为1.0MPa，假定氨进入压缩机时为饱和蒸汽，而离开冷凝器时为饱和液体，每小时制冷量Q0为1.67105 kJh-1。求：（1）所需的氨流率； （2）制冷系数。难度：中分值：12章节：第六章 蒸汽动力循环和制冷循环知识点：制冷循环备注：南工大试题答案：解：首先在PH图（或TS图）上按照已知条件定出各状态点。查得 H1=1430KJkg-1 H2=1680KJkg-1 冷凝出来的过冷液体（过冷度为5）状态3的决定：假设压力对液体的焓值几乎没有影响，从状态3沿着饱和液体线向下过冷5，找到3，用此点的焓值近似代替3的焓值，由于过冷度是有限的，实际上3和3很接近，不会造成太大的偏差。34仍为等焓膨胀过程， H3=H4=270kJkg-1 制冷能力 q0=H1-H4=1430-270=1160KJkg-1 制冷剂循环量 冷凝过程即23，放出热量Q=（H3-H2）G=34.5(270-1690)=-48645KJh-1压缩机功率 制冷系数 21有一氨压缩制冷机组，制冷能力Q0为4.0104KJh-1，在下列条件工作：蒸发温度为-25，进入压缩机的是干饱和蒸汽，冷凝温度为20，冷凝过冷5。试计算： （1）单位重量制冷剂的制冷能力； （2）每小时制冷剂循环量； （3）冷凝器中制冷剂放出热量； （4）压缩机的理论功率； （5）理论制冷系数。难度：中分值：12章节：第六章 蒸汽动力循环和制冷循环知识点：制冷循环备注：南工大试题答案：解：（1）绝热节流膨胀过程是等焓过程，从P-H图上沿着等焓线可找到终态2为0.1MPa温度为30。 （2）可逆绝热膨胀过程是等熵过程，同样沿着等熵线可找到终态2为0.1MPa时，温度为-33。22压缩机出口氨的压力为1.0MPa，温度为50，若按下述不同的过程膨胀到0.1MPa，试求经膨胀后氨的温度为多少？ （1）绝热节流膨胀； （2）可逆绝热膨胀。难度：难分值：12章节：第六章 蒸汽动力循环和制冷循环知识点：制冷循环备注：南工大试题答案：解： 简单的林德循环TS图如上表示：对于空气从TS图上可查得各状态点的焓值状态点性状TKPMPa HKJkg-11过热蒸汽2900.14602过热蒸汽290104350饱和液体0.142（1） 理论液化量 （kg液体kg空气）空气流量液化量：（2）外界热量传入造成冷量损失Q冷损， Q冷损=3.3KJkg-1 换热器热端温差造成热交换损失Q温损， Q温损=CpT=1.010=10KJkg-1 实际液化量 实际液化量：23.用简单林德循环使空气液化。空气初温为17，节流膨胀前压力P2为10MPa，节流后压力P1为0.1MPa，空气流量为0.9m3h-1（按标准状态计）。求： （1）理想操作条件下空气液化率和每小时液化量； （2）若换热器热端温差为10，由外界传入的热量为3.3KJkg-1，向对液化量的影响如何？空气的比热Cp为1.0 kJkg-1K-1。 难度：易分值：12章节：第六章 蒸汽动力循环和制冷循环知识点：制冷循环备注：南工大试题答案：每kg氨制冷量 q = 1644 540 = 1104 kJ/kg， 理论功耗w S= 1966 1644 = 322 kJ/kg 制冷剂循环量 G=100000/1104 = 90.58 kg/h 理论功率NT =90.58* 322/3600 = 8.102 kw 制冷系数 = 1104/322 = 3.4324有一氨压缩制冷循环装置，其制冷量为100000kJ/hr。氨的蒸发温度是243K，经可逆绝热压缩后，冷凝至303K，过冷到298K,再经节流阀节流，回蒸发器。试计算:1）在T-S图上表示此循环过程；（2）每kg氨制冷量；（3）单位时间制冷剂的循环量和压缩机理论功率（kw）；（4）制冷系数。已知压缩机进出口处氨的焓分别是1644 kJ/kg和1966 kJ/kg，冷凝器出口过冷氨的焓是540 kJ/kg。 难度： 易分值：15章节：第五章 化工过程的能量分析知识点：功热转化备注：南工大试题答案： （1）W左=3949.5 J；（2）T2=375.6K；（3）T2=2009.5K25、如图是一绝热壁的气缸，其活塞水平方向移动时，可视为无摩擦效应，活塞两边装有理想气体，其两边的空间体积各为30升，温度为25，压强为1个大气压，将活塞左边的气体加压到4个大气压，假设Cv=20 J/(Kmol)，=1，试计算：（1）对气缸左侧气体所做的压缩功是多少？ （2）压缩后左侧气体的终态温度是多少？ （3）活塞右边气体的终态温度是多少？ 难度： 易分值：12章节：第五章 化工过程的能量分析知识点：功热转化备注：南工大试题答案：解：由空气的TS图可查得，在300K下，各压力状态下的焓值和熵值如下： 0.1MPa，H1=13577 kJkmol-1 S1=126 kJkmol-1K-1 10MPa，H2=1300 kJkmol-1 S2=87 kJkmol-1K-1 稳流系统 H=QWS 可逆过程 WS=QrevH 其中可逆热Qrev=TS=T（S2S1）=300（87126）=-11700 kJkmol-1所以 理想功 计算结果表明，等温下将空气从0.1MPa压缩至10MPa时，其消耗的理想功比可逆轴功要少一些，这是因为压缩时放出的热量可逆地传递给环境，环境获到了部分功，消耗的功最少。26、试求1kmol，300K的空气，由0.1MPa等温可逆压缩到10MPa的轴功和理想功。环境温度取T0为298K。难度： 易分值：10章节：第五章 化工过程的能量分析知识点：功热转化，理想功备注：南工大试题答案：(1) Ws= H1- H2=2676.1-3028.6=-352.5 kJkg-1 (2) Wid=T0S-H=298.15(7.6299-7.3549)-(3028.6-2676.1)=-270.4 kJkg-127、.1013Mpa的饱和水蒸汽被绝热压缩至.pa，280，蒸汽流率为gh，环境温度25，计算:()压缩机的功率()理想功和热力学效率0.1013MPa饱和水蒸汽的焓值和熵值分别为:H1=2676.1kJkg-1 S1=7.3549 kJkg-1K-1。0.3MPa和280过热蒸汽的焓值和熵值分别为:H2=3028.6kJkg-1 S2=7.6299 kJkg-1K-1难度： 易分值：12章节：第五章 化工过程的能量分析知识点：功热转化备注：南工大试题答案：解： 对封闭体系 （1） （2）此过程为恒容过程 ， W=0 （3）20，2.0m3 (1),1m3(2) 150(3)U是状态函数 又答： ， ，W=190kJ28. (1)气体由20，2.0m3 (状态1)经绝热过程到150，1m3(状态2)，输入功为100kJ，求其内能变化？ （2）初态同（1），经恒容过程加热到150（状态3），需热量95kj，问此过程内能变化如何？ （3）（2）中处于状态3的气体经等温压缩到1.0m3（状态2），同时移走185kj热量，问其内能变化如何？需功若干？（本题按封闭体系计算）难度： 中分值：12章节：第五章 化工过程的能量分析知识点：功热转化备注：南工大试题答案：解：（1）因为 所以W1=-Q1+(2) 因为S贮=-Q体系1 /T贮 - Q体系2 /T贮=0.01Q体系2= -Q体系1-S贮T贮=-100 -5.4= -105.4kJ（3）循环过程：所以答：（1）第一个不可逆过程中体系所做的功为：-68kJ （2）在第二个可逆的过程中所传递的热量 105.4kJ （3）在第二个可逆过程中体系所做的功为 73.4kJ29一汽缸活塞装置中以气体经过不可逆过程后，内能增加了32kJ，在此过程中，体系从540K的贮热器接受热量100KJ，然后又经过一可逆过程回到始态，此过程也只在体系与540K的