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第七章 水蒸气性质及蒸气动力循环第六章 水蒸气性质和蒸汽动力循环思 考 题1. 理想气体的热力学能只是温度的函数，而实际气体的热力学能则和温度及压力都有关。试根据水蒸气图表中的数据，举例计算过热水蒸气的热力学能以验证上述结论。答： 以500的过热水蒸汽为例，当压力分别为1bar、30bar、100bar及300bar时，从表中可查得它们的焓值及比容，然后可根据计算它们的热力学能，计算结果列于表中：toCPbarvm3/kghkJ/kgu(kJ/kg)50013.5653487.93131.4300.11613456.43108.41000.032773374.13046.43000.0086793083.92823.5由表中所列热力学能值可见：虽然温度相同，但由于是实际气体比容不同，热力学能值也不同。2. 根据式(3-31)可知：在定压过程中dh=cpdT。这对任何物质都适用，只要过程是定压的。如果将此式应用于水的定压汽化过程，则得dh = cpdT=0（因为水定压汽化时温度不变，dT=0）。然而众所周知 , 水在汽化时焓是增加的 (dh0)。问题到底出在哪里?答 ：的确，dh=cpdT 可用于任何物质，只要过程是定压过程。水在汽化时，压力不变，温度也不变，但仍然吸收热量（汽化潜热）吸热而不改变温度，其比热应为无穷大，即此处的亦即为，而。此时不定值，因此这时的焓差或热量（潜热）不同通过比热和温差的乘积来计算。3. 物质的临界状态究竟是怎样一种状态？答 ：在较低压力下，饱和液体和饱和蒸汽虽具有相同的温度和压力，但它们的密度却有很大的差别，因此在重力场中有明显的界面（液面）将气液两相分开，随着压力升高，两饱和相的密度相互接近，而在逼近临界压力（相应地温度也逼近临界温度）时，两饱和相的密度差逐渐消失。流体的这种汽液两相无法区分的状态就是临界状态。由于在临界状态下，各微小局部的密度起伏较大，引起光线的散射形成所谓临界乳光。4. 各种气体动力循环和蒸汽动力循环，经过理想化以后可按可逆循环进行计算，但所得理论热效率即使在温度范围相同的条件下也并不相等。这和卡诺定理有矛盾吗？答 ：并不矛盾，虽然经过理想化的各种循环都可以按可逆循环计算，但甚至在相同的温度范围内（指循环最高温度和最低温度之间）也不一定具有相同的热效率。原因是吸热过程和防热过程并不都是在最高温度和最低温度下进行的，因而可能具有不同的平均吸热温度和平均放热温度。所以循环热效率也可以不同。卡诺定理则是专对在最高温度下吸热和在最低温度下放热的可逆循环（包括卡诺循环和回热卡诺循环）而言的。5. 能否在蒸汽动力循环中将全部蒸汽抽出来用于回热（这样就可以取消凝汽器，Q2=0），从而提高热效率？能否不让乏汽凝结放出热量Q2，而用压缩机将乏汽直接压入锅炉，从而减少热能损失，提高热效率？答 ：不能在蒸汽动力装置中将全部蒸汽抽出来，用于回热。因为锅炉给水吸收不了这么大的回热量，回热的抽气量是由热平衡方程确定的，通常只占汽轮机中蒸汽流量的小部分，也不能将乏汽直接压入锅炉，由于不可逆性的存在，如果这样做，所需的压缩功将超过蒸汽在汽轮机中膨胀作出功，整个装置不仅无动力输出，反而消耗动力，因而不可能起到节能和提高热效率的作用。习 题6-1 利用水蒸气的焓熵图填充下列空白：状态p/MPat/oCh/(kJ/kg)s/kJ/(kgK)干度x/%过热度D/ oC155003 4346.97523520.3133.52 5506.56591.931.01802 5246.086.740.01472 3457.40590544003 2126.771506-2 已知下列各状态： （1）p = 3 MPa，t = 300 ； （2）p = 5 MPa，t = 155 ； （3）p = 0.3 MPa，x = 0.92。试利用水和水蒸气热力性质表查出或计算出各状态的比体积、焓、熵和热力学能。解 (1) ； ； (2) ； ； (3) 由 ，查饱和水蒸气表（附表7）得： ， ； ； ； 所以 6-3 试利用计算机，通过对式（7-2）的计算，列出一个从三相点到临界点饱和蒸汽压随温度变化的关系表（从 0 开始，温度间隔取 10 ），并与附表6中的数据对照。答案:从略 6-4 某锅炉每小时生产 10 t水蒸气，其压力为 1 MPa，温度为 350 。锅炉给水温度为 40 ，压力为 1.6 MPa。已知锅炉效率为煤的发热量Hv=29 000 kJ/kg。求每小时的耗煤量。 解：由 ， 查未饱和水（附表8），得 由 ，查过热蒸气（附表8），得 所以 煤发热 由热量平衡， 可得 6-5 过热水蒸气的参数为：p1=13 MPa、t1=550 。在蒸汽轮机中定熵膨胀到p2=0.005 MPa。蒸汽流量为每小时 130 t。求蒸汽轮机的理论功率和出口处乏汽的湿度。若蒸汽轮机的相对内效率，求蒸汽轮机的功率和出口处乏汽的湿度，并计算因不可逆膨胀造成蒸汽比熵的增加。解： 查水蒸气的h-s表计算如下： 由，查附表（附表8），得； 由，查饱和蒸气表（附表7）得2s点各参数为：；则所以 理论功率 实际功率 为求2状态点的干度必先求出，可由相对内效率定义求得 不可逆损失造成的蒸汽比熵增加为： 所以6-6 一台功率为 200 MW 的蒸汽轮机，其耗汽率d = 3.1 kg/(kWh)。乏汽压力为 0.004 MPa，干度为 0.9，在凝汽器中全部凝结为饱和水（图7-27）。已知冷却水进入凝汽器时的温度为 10 ，离开时的温度为 18 ；水的比定压热容为 4.187 kJ/（kgK），求冷却水流量。解 先求每小时的蒸汽流量由 ， x = 0.9 附表7,得根据热量平衡方程 即 所以 图 727 6-7 已知朗肯循环的蒸汽初压p1=10 MPa，终压p2=0.005 MPa；初温为：（1）500 、（2）550 。试求循环的平均吸热温度、理论热效率和耗汽率kg/（kWh）。答案 （1） 528.45 K ， 42.09 % ，2.651 kg/ (kW.h)（2） 542.75 K ， 43.62 % ，2.483 kg/ (kW.h) 6-8 已知朗肯循环的初温t1=500，终压p2=0.005MPa。初压为：（1）10MPa、（2）15MPa。试求循环的平均吸热温度、理论热效率和乏汽湿度。答案 （1） 528.45 K ， 42.09 % ， 22.8 %(2) 538.35 K ， 43.15 % ， 25.9 % 循环平均吸热温度 （253.88）循环平均吸热温度 （264.64）*6-9 某蒸汽动力装置采用再热循环。已知新汽参数为p1=14 MPa、t1=550 ，再热蒸汽的压力为 3 MPa，再热后温度为 550 ，乏汽压力为 0.004 MPa。试求它的理论热效率比不再热的朗肯循环高多少，并将再热循环表示在压容图和焓熵图中。答案 2.17 % 4.68 % *6-10 某蒸汽动力装置采用二次抽汽回热。已知新汽参数为p1=14 MPa、t1=550 ，第一次抽汽压力为 2 MPa，第二次抽汽压力为 0.16 MPa，乏汽压力为 0.005 MPa。试问： （1）它的理论热效率比不回热的朗肯循环高多少？ （2）耗汽率比朗肯循环增加了多少？ （3）为什么热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) 因为抽气凝结放出的热量加热给锅炉给水，使水在锅炉里吸热减少（低温吸热段没有了）从而提高了循环的平均吸热温度即，而不变所以热效率由两次抽汽使最后在汽轮机里膨胀做功的蒸汽量由原来1kg减少为，所以还要做出原来那么多功的话，虽然消耗的热量比原来少了，但是其蒸汽耗量却必然要增加。第十三章 制冷循环思 考 题1. 利用制冷机产生低温，再利用低温物体做冷源以提高热机循环的热效率。这样做是否有利？答：这样做必定不利，因为虽然低温物体作冷源可以提高热及循环的热效率，多获得功，但是要造成这样的低温冷源，需要制冷机，需要耗功，由于不可逆性的存在，制冷机消耗的功必然大于热机多获得的功，因此，这样做是得不偿失的。2. 如何理解空气压缩制冷循环采取回热措施后，不能提高理论制冷系数，却能提高实际制冷系数？答： 参见图a，没有回热的循环为12341,有回热的循环为1r2r53r41r。采用回热循环后，在理论上制冷能力为q2（过程41的吸热量）以及循环消耗的净功和向外界派出的热与没有回热的循环相比，显然都没有变（Wor=Wo,q1r=q）所以理论制冷系数也没有变（r=）。但是采用回热后，循环的增压比降低了，从而使压气机耗功和膨胀机做功减少了同一数量，这也减轻了压气机和膨胀机的工作负担，使它们在较小的压力范围内工作，因而机器可以设计得比较简单而轻小，另外，如果考虑到压气机和膨胀机的不可逆性（图b）那么采用回热压气机少消耗的功将不是等于而是大于膨胀机少作出功。因而制冷机实际消耗的净功将会减少。同时，每kg空气的制冷量也相应地有所增加（如b图中面积a所示）所以采用回热措施能提高空气压缩制冷循环的实际制冷系数，因而这种循环在深度制冷，液化气体等方面获得了实际应用。图a图b 3. 参看图8-13。如果蒸气压缩制冷装置按12351运行，就可以在不增加压气机耗功的情况下增加制冷剂在冷库中的吸热量(由原来的 h1-h4增加为h1-h5)，从而可以提高制冷系数。这样考虑对吗？ 答 ：不对。因为要实现定压冷却过程35，就需要一定的制冷量(h3h5)，这冷量只能来自冷库，因而冷库的制冷量将减少，这减少量恰好等于由定压冷却过程取代节流过程带来的制冷量的增加： 所以，这样做在理论上并无得益，而实际上不仅增加了设备的复杂性（由简单的节流阀变成较复杂的换热器）。还会由于换热器存在的损失而导致实际制冷系数的降低。习 题 13-1 （1）设大气温度为 30 ，冷库温度分别为 0 、-10 、-20 ，求逆向卡诺循环的制冷系数。（2）设大气温度为 -10 ，供热温度分别为 40 、50 、60 ，求逆向卡诺循环的供热系数。解：（1） 逆向卡诺循环的制冷系数由 (8-2) 式得： 可见，当T0一定时，TR愈低，愈小。(2) 逆向卡诺循环的供热系数由 (8-4) 式得： 可见，当T0一定时，TH愈高，愈小，且。13-2 已知大气温度为 25 ，冷库温度为 -10 ，压气机增压比分别为2、3、4、5、6。试求空气压缩制冷循环的理论制冷系数。在所给的条件下，理论制冷系数最大可达多少（按定比热容理想气体计算）？解： 空气压缩制冷循环的理论制冷系数可由(8-5)式求得： 时， 时， 时， 时， 时， 可见，当， 13-3 大气温度和冷库温度同习题8-2。压气机增压比为 3，压气机绝热效率为 82%，膨胀机相对内效率为 84%，制冷量为。求压气机所需功率、整个制冷装置消耗的功率和制冷系数（按定比热容理想气体计算）。解：由例 8-1 可知，考虑了压气机和膨胀机不可逆损失的空气压缩制冷循环的实际制冷系数可由下式求得： 每kg空气吸热量 空气流量 压气机所需功率 膨胀机所做功率制冷循环消耗的功率 13-4 某氨蒸气压缩制冷装置（参看图8-10），已知冷凝器中氨的压力为 1 MPa，节流后压力降为 0.2 MPa，制冷量为 ，压气机绝热效率为 80%。试求： （1）氨的流量； （2）压气机出口温度及所耗功率； （3）制冷系数；（4）冷却水流量已知冷却水经过氨冷凝器后温度升高 8 K，水的比定压热容为 4.187 kJ/(kgk)。解：参考图8-10、8-11及8-12，由 ，查图 得由 沿等熵线向上与线交于点 查得 因为： 则 （查lgP-h图）(1)氨的流量： (2)压气机出口温度及耗功率： ：由等焓线与等压线交点，查lgP-h图可得： (3)制冷系数理论： 实际： (4)冷却水流量冷却水带走的热量应等于氨气放出的热量，即由热平衡方程得： 可见所需冷却水量是相当大的。 13-5 习题8-4中的制冷装置在冬季改作热泵用。将氨在冷却器中的压力提高到 1.6 MPa，氨凝结时放出的热量用于取暖，节流后氨的压力为 0.3 MPa，压气机功率和效率同上题。试求： （1）氨的流量； （2）供热量（kJ/h）； （3）供热系数；（4）若用电炉直接取暖，则所需电功率为若干？解： 由查附录图得：； ；(1)氨的流量：可由压气机功率及效率反求出氨的流量 (2)供热量(3)供热系数理论：实际：(4)若用电炉直接取暖，则需耗电为34.70kW，而用热泵只需使用压气机功率为8.94Kw,比较可见，采用热泵所耗电能仅为电炉直接取暖所耗电能的四分之一，显然用热泵取暖是经济可行的。13-6 以R134a为制冷剂的冰箱（蒸气压缩制冷），已知蒸发温度为 250 K，冷凝温度为 300 K，压缩机绝热效率为 80%，每昼夜耗电 1.5 kWh。试利用压焓图计算： （1）制冷系数； （2）每