化工热力学 第七章习题答案.doc

习 题 七 及 答 案一、问答题7-1. Rankine循环与卡诺循环有何区别与联系? 实际动力循环为什么不采用卡诺循环?答：两种循环都是由四步组成，二个等压过程和二个等熵（可逆绝热）过程完成一个循环。但卡诺循环的二个等压过程是等温的，全过程完全可逆；Rankine循环的二个等压过程变温，全过程只有二个等熵过程可逆。卡诺循环中压缩机压缩的是湿蒸汽，因气蚀损坏压缩机；且绝热可逆过程难于实现。因此，实际动力循环不采用卡诺循环。7-2. Rankine循环的缺点是什么? 如何对其进行改进?答：Rankine循环的吸热温度比高温燃气温度低很多，热效率低下，传热损失极大。可通过：提高蒸汽的平均吸热温度、提高蒸汽的平均压力及降低乏汽的压力等方法进行改进。7-3.影响循环热效率的因素有哪些?如何分析?答：影响循环热效率的因素有工质的温度、压力等。具体可利用下式分析确定哪些因素会改变，从而得到进一步工作的方案。7-4蒸汽动力循环中，若将膨胀做功后的乏气直接送人锅炉中使之吸热变为新蒸汽，从而避免在冷凝器中放热，不是可大大提高热效率吗? 这种想法对否? 为什么?答：不合理。蒸汽动力循环以水为工质，只有在高压下才能提高水温；乏汽的压力过低，不能直接变成高压蒸汽。与压缩水相比较，压缩蒸汽消耗的工太大，不仅不会提高热效率，反而会大大降低热效率。7-5蒸气压缩制冷循环与逆向卡诺循环有何区别与联系? 实际制冷循环为什么不采用逆向卡诺循环?答：两种循环都是由四步组成，二个等压过程和二个等熵（可逆绝热）过程完成一次循环。但逆向卡诺循环的二个等压过程是等温的，全过程完全可逆；蒸气压缩制冷循环的二个等压过程变温，全过程只有二个等熵过程可逆。Carnot制冷循环在实际应用中是有困难的，因为在湿蒸汽区域压缩和膨胀会在压缩机和膨胀机汽缸中形成液滴，造成“汽蚀”现象，容易损坏机器；同时压缩机汽缸里液滴的迅速蒸发会使压缩机的容积效率降低。7-6影响制冷循环热效率的因素有哪些?答：主要有制冷装置的制冷能力、压缩机的功率、高温物体及低温物体的温度等。7-7如果物质没有相变的性质，能否实现制冷循环？动力循环又如何?答：不能实现。动力循环也无法实现。7-8制冷循环可产生低温，同时是否可以产生高温呢?为什么？答：可以。制冷循环与热泵循环在热力学上并无区别，其工作循环都是逆向循环，区别仅在于使用目的。逆向循环具有从低温热源吸热、向高温热源放热的特点。当使用目的是从低温热源吸收热量时，为制冷循环；当使用目的是向高温热源释放热量时，即为热泵循环。7-9实际循环的热效率与工质有关，这是否违反热力学第二定律?答：不违反。7-10对动力循环来说，热效率越高，做功越大；对制冷循环来说，制冷系统越大，耗功越少。这种说法对吗?答：不正确。就动力循环来说，热效率越高，说明热转化为功得比例越大，而不是做功越大；对制冷循环来说，制冷系统越大，表明低温下吸收的热量与所耗功相比，所占的比例越高。7-11. 夏天可利用火热的太阳来造就凉爽的工作环境吗?答：可以。7-12. 有人说：热泵循环与制冷循环的原理实质上是相同的，你以为如何?答：正确。制冷循环与热泵循环的工作循环都是逆向循环，区别仅在于使用目的。当使用目的是从低温热源吸收热量时，为制冷循环；当使用目的是向高温热源释放热量时，即为热泵循环。7-13蒸汽压缩制冷循环过程中，制冷剂蒸发吸收的热量一定等于制冷剂冷却和冷凝放出的热量吗?答：不对。蒸汽压缩制冷循环过程中，制冷剂蒸发吸收的热量一般不等于制冷剂冷却和冷凝放出的热量。7-14.供热系数与致冷效能系数的关系是：制冷系数愈大，供热系数也愈大。是这样吗？能否推导？答：致冷效能系数 热力学第一定律 供热系数 所以制冷系数愈大，供热系数也愈大。7-15. 有人认为，热泵实质上是一种能源采掘机。为什么？答：由于热泵以消耗一部分高质能(机械能、电能或高温热能等)为补偿，通过热力循环，把环境介质(水、空气、土地)中贮存的低质能量加以发掘进行利用。因此，热泵实质上是一种能源采掘机。7-16. 有人说，物质发生相变时温度不升高就降低。你的看法？ 答：不一定。如果外压不变，纯物质发生相变时温度不变，如1atm、100的水，从液态转为气态或从气态转为液态时，温度始终为 100。二、计算题7-17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？解；判断节流膨胀的温度变化，依据Joule-Thomson效应系数J，即公式（7-6）。 由热力学基本关系式可得到： （7-6） 由P-V-T关系式可得求偏导得 ，故有可见，节流膨胀后，温度升高。7-18 由氨的图求1kg氨从0.828MPa(8.17atm)的饱和液体节流膨胀至0.0689 MPa（0.68atm）时，(a) 膨胀后有多少氨汽化？ (b) 膨胀后温度为多少？(c) 分离出氨蒸气在压缩至 =0.552 MPa =5.45 atm时， （绝热可逆压缩）解：由附录8氨的T-S图知：时 等焓膨胀至 时 （饱和液体） （饱和蒸汽） （a）求干度： 即汽化的液氨为0.211kg。（b）由附录8得 （C）氨气等熵压缩至5.45atm，由附录8得7-19.某郎肯循环以水为工质，运行于14MPa和0.007MPa之间，循环最高温度为540，试求：（a）循环的热效率； (b) 水泵功与透平功之比； (c) 提供1kW电的蒸汽循环量。 解：作出此动力循环的图，见7-19题图1。根据给定的条件，查附录5确定1、2状态点的参数。（a）状态点1： ， 工质在透平中等熵膨胀： 状态点2： 7-19题图1 。 膨胀终点： 得 透平等熵产生功：冷凝过程传热: 水泵的可逆轴功 ：由热力学第一定律：锅炉吸热：郎肯循环净功为透平产功与泵轴功的代数和：热效率：（b）水泵功与透平功之比：（c）提供1kw电的循环蒸汽量：7-20.用热效率为30%的热机来拖动制冷系数为4的制冷机，试问制冷剂从被冷物料没带走1KJ热量需要向热机提供多少热量？解：制冷机： 此净功来自热机： 7- 21.某蒸汽压缩制冷循环用氨做工质，工作于冷凝器压力1.2MPa和蒸发器压力0.14MPa之间。工质进入压缩机时为饱和蒸汽，进入节流阀时为饱和液体，压缩机等熵效率为80%，制冷量为kJ/h。试求：（a）制冷效能系数； (b) 氨的循环速率；(c) 压缩机功率；(d) 冷凝器的放热量；(e) 逆卡诺循环的制冷效能系数。解：此循环的图见7-21图1 ，工质为氨，由附录79查出各状态点的焓值。状态点1：由附录7查得蒸发压力为0.14 MPa时，制冷剂为饱和蒸汽的焓值。 状态点2：由冷凝压力为1.2MPa，在附录9氨的图上，找出1点位置，沿等熵线与1.2MPa的等压线的交点3，图上直接查得 7-21题图1 。状态点4：从附录7氨的饱和蒸汽压表查得30.89时饱和液体的焓值状态点5：45过程是等焓的节流膨胀过程，故（a）制冷系数： 求得： （b） （c） （d） （e）以冷凝器压力1.2Mpa时， 蒸发器压力0.14Mpa时， 7-22.为使冷库保持-20,需将419000kJ/h的热量排向环境，若环境温度=27，试求理想情况下每小时所消耗的最小功和排向大气的热量。解： 7-23.利用热泵从90的地热水中把热量传到160的热源中，每消耗1kW电功，热源最多能得到多少热量？解：依题意，供热系数 7-24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。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。7-25. 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，冷凝器内的压力为1180kPa，假定氨进入压气机时为饱和蒸气，而离开冷凝器时是饱和液体，如果每小时的制冷量为167000kJ，求（1） 所需的氨流率；（2） 制冷系数。解：通过NH3的lnP-H图（附录9）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（1）氨流率 （2）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。7-26 有一制冷能力为=41800kJ/h的氨压缩机，在下列条件下工作：蒸发温度=15,冷凝温度 =25，过冷温度=20，压缩机吸入的是干饱和蒸气，试计算（1） 单位质量的制冷能力；（2） 每小时制冷剂循环量；（3） 在冷凝器中制冷剂放出的热量；（4） 压缩机的理论功率；（5） 理论制冷系数。解：状态点1为15的干饱和蒸气，由氨的温熵查得h1=1664kJ/kg。由t1=15饱和汽线上该状态点（沿等熵线垂直向上）与t=30对应的饱和压力p3=10105Pa线相交，查得h2=1866kJ/kg。状态点5为20的过冷液体，查20的饱和液体得h5=514.6kJ/kg。因节流前后焓值不变，则h4= h5=514.6kJ/kg7-26题图1 。（1） 单位质量的制冷能力为q0=h1h4=1664514.6=1149.4（kJ/kg）(2) 每小时制冷剂循环量为 （3） 在冷凝器中制冷剂放出的热量为QH = m（h5h2）= 36.37（514.61866）=49150.42（kJ/h）（4） 压缩机的理论功率为PT=m（h2h1）=36.37（18661664） =7346.74（kJ/h）=2.04kJ/s=2.04kW（5） 理论制冷系数 7-27.有人设计了一套装置用来降低室温。所用工质为水，工质喷入蒸发器内部分汽化，其余变为5的冷水，被送到使用地点，吸热升温后以13的温度回到蒸发器，蒸发器中所形成的干度为98%的蒸气被离心式压气机送往冷凝器中，在32的温度下凝结为水。为使此设备每分钟制成750kg的冷水，求（1） 蒸发器和冷凝器中的压力；（2） 制冷量（kJ/h）；（3） 冷水循环所需的补充量；（4） 每分钟进入压气机的蒸气体积。解：（1） 从饱和水和饱和蒸气表(附录5)查得：蒸发器内5水的饱和蒸气压p1=0.00872105Pa，冷凝器的温度为32水的饱和压力p2=0.0468105Pa （2） 本装置依靠5的冷水从室内吸热，从而升温至13来降低室温，故本装置的制冷量为 Q0=m2（h5h6）=m2CP（T5T6） =7504.184（135） =25104（kJ/min）=1506240kJ/h（3） 对蒸发器作质量衡算m1=m3m2 （1）对蒸发器再作能量衡算m1h5=m3h1m2h6 （2）联立方程（1）和（2）求得m3，即为冷水循环所需的补充量从饱和水和饱和蒸气表查得h1（t=5，x=0.98）=2460kJ/kg，h5（t=13的饱和水）=54.（kJ/kg）因此m3=10.48（kg/min）（4） 从饱和水和饱和蒸气表查得：5时的饱和蒸气比容g=147.12m3/kg；5时饱和水的比容f=0.001m3/kg，则干度为0.98的蒸气比容 =gxf（1x）=147.120.980.001（10.98）=144.18（m3/kg）最后得到每分钟进入压气机的蒸气体积为 V=m3=10.48144.18=1511（m3/min）7-28.热泵是一个逆向运转的热机，可用来作为空气调节器，进行制冷或制热。设冬季运行时的室外温度（平均）为4，冷凝器（用于制热）平均温度为50。设夏季运行时的室外温度（平均）为35，蒸发器（用于制冷）平均温度为4，若要求制热（制冷）量为105kJh-1，试求空调运行时最小理论功率各为多少？ 解：最小理论功率即为卡诺循环（或逆卡诺循环）的功率。 冬季空调运行时，产生的热量即工质从冷凝器放出的热量，理想的放热温度即为50。依公式（7-37），有夏季空调运行时，产生的冷量即工质从蒸发器吸收的热量，理想的吸热温度即为4。依公式（7-28），有7-29冬天室内取暖用热泵。将R-134a蒸汽压缩制冷机改为热泵，此时蒸发器在室外，冷凝器在室内。制冷机工作时可从室外大气环境中吸收热量，R -134a蒸汽经压缩后在冷凝器中凝结为液体放出热量，供室内取暖。设蒸发器中R-134a的温度为-10，冷凝器中R-134a蒸气的冷凝温度为30，试求：（1）热泵的供热系数；（2）室内供热100 000 kJh-1时，用于带动热泵所需的理论功率；（3）当用电炉直接供热（热量仍为100 000 kJh-1）时电炉的功率应为多少？ 解：该过程的T-s图如图7-29题图1所示。根据，由附录6查得：查得：从附录6内插得，（当；7-29题图1 。当。做压力内插得），故（1）以单位质量为基准计算, 依公式（7-36）(2) 依公式（7-36） 得，（3）电炉的功率为：7-30.采用氟利昂12（R-12）作制冷剂的蒸汽压缩制冷装置，为了进行房屋取暖，将此制冷装置改用热泵，已知蒸发温度为15，冷凝器温度为50，冷凝器向房屋排放8.4104 kJh-1的热量，进入压缩机为饱和蒸汽，压缩机作绝热膨胀，压缩后温度为60，进入冷凝器被冷凝成饱和液体后进行节流阀。假定压缩后R-12的过热蒸汽可看作理想气体，其蒸气比热为定值，=0.684 kJkg-1h-1，试求：（1）进入蒸发器的R-12的干度；（2）此热泵所消耗的功率；（3）如采用电炉直接供给相同的热量，电炉的功率为多少？解：该过程的T-s图如图7-30题图1所示。由附录10先确定各状态点的热力学参数状态点1：， ，状态点2：，状态点3：，假定压缩后过热蒸汽为理想气体，为定