馬沛生-主編-化工熱力學(xué)-第七章習(xí)題解答

1、習(xí) 題 七 及 答 案一、問答題7-1. Rankine循環(huán)與卡諾循環(huán)有何區(qū)別與聯(lián)系? 實(shí)際動力循環(huán)為什么不采用卡諾循環(huán)?答：兩種循環(huán)都是由四步組成，二個(gè)等壓過程和二個(gè)等熵（可逆絕熱）過程完成一個(gè)循環(huán)。但卡諾循環(huán)的二個(gè)等壓過程是等溫的，全過程完全可逆；Rankine循環(huán)的二個(gè)等壓過程變溫，全過程只有二個(gè)等熵過程可逆?？ㄖZ循環(huán)中壓縮機(jī)壓縮的是濕蒸汽，因氣蝕損壞壓縮機(jī)；且絕熱可逆過程難于實(shí)現(xiàn)。因此，實(shí)際動力循環(huán)不采用卡諾循環(huán)。7-2. Rankine循環(huán)的缺點(diǎn)是什么? 如何對其進(jìn)行改進(jìn)?答：Rankine循環(huán)的吸熱溫度比高溫燃?xì)鉁囟鹊秃芏啵瑹嵝实拖?，傳熱損失極大?？赏ㄟ^：提高蒸汽的平均吸熱溫度、

2、提高蒸汽的平均壓力及降低乏汽的壓力等方法進(jìn)行改進(jìn)。7-3.影響循環(huán)熱效率的因素有哪些?如何分析?答：影響循環(huán)熱效率的因素有工質(zhì)的溫度、壓力等。具體可利用下式分析確定哪些因素會改變，從而得到進(jìn)一步工作的方案。7-4蒸汽動力循環(huán)中，若將膨脹做功后的乏氣直接送人鍋爐中使之吸熱變?yōu)樾抡羝?，從而避免在冷凝器中放熱，不是可大大提高熱效率? 這種想法對否? 為什么?答：不合理。蒸汽動力循環(huán)以水為工質(zhì)，只有在高壓下才能提高水溫；乏汽的壓力過低，不能直接變成高壓蒸汽。與壓縮水相比較，壓縮蒸汽消耗的工太大，不僅不會提高熱效率，反而會大大降低熱效率。7-5蒸氣壓縮制冷循環(huán)與逆向卡諾循環(huán)有何區(qū)別與聯(lián)系? 實(shí)際制冷循

3、環(huán)為什么不采用逆向卡諾循環(huán)?答：兩種循環(huán)都是由四步組成，二個(gè)等壓過程和二個(gè)等熵（可逆絕熱）過程完成一次循環(huán)。但逆向卡諾循環(huán)的二個(gè)等壓過程是等溫的，全過程完全可逆；蒸氣壓縮制冷循環(huán)的二個(gè)等壓過程變溫，全過程只有二個(gè)等熵過程可逆。Carnot制冷循環(huán)在實(shí)際應(yīng)用中是有困難的，因?yàn)樵跐裾羝麉^(qū)域壓縮和膨脹會在壓縮機(jī)和膨脹機(jī)汽缸中形成液滴，造成“汽蝕”現(xiàn)象，容易損壞機(jī)器；同時(shí)壓縮機(jī)汽缸里液滴的迅速蒸發(fā)會使壓縮機(jī)的容積效率降低。7-6影響制冷循環(huán)熱效率的因素有哪些?答：主要有制冷裝置的制冷能力、壓縮機(jī)的功率、高溫物體及低溫物體的溫度等。7-7如果物質(zhì)沒有相變的性質(zhì)，能否實(shí)現(xiàn)制冷循環(huán)？動力循環(huán)又如何?推薦精選

4、答：不能實(shí)現(xiàn)。動力循環(huán)也無法實(shí)現(xiàn)。7-8制冷循環(huán)可產(chǎn)生低溫，同時(shí)是否可以產(chǎn)生高溫呢?為什么？答：可以。制冷循環(huán)與熱泵循環(huán)在熱力學(xué)上并無區(qū)別，其工作循環(huán)都是逆向循環(huán)，區(qū)別僅在于使用目的。逆向循環(huán)具有從低溫?zé)嵩次鼰?、向高溫?zé)嵩捶艧岬奶攸c(diǎn)。當(dāng)使用目的是從低溫?zé)嵩次諢崃繒r(shí)，為制冷循環(huán)；當(dāng)使用目的是向高溫?zé)嵩瘁尫艧崃繒r(shí)，即為熱泵循環(huán)。7-9實(shí)際循環(huán)的熱效率與工質(zhì)有關(guān)，這是否違反熱力學(xué)第二定律?答：不違反。7-10對動力循環(huán)來說，熱效率越高，做功越大；對制冷循環(huán)來說，制冷系統(tǒng)越大，耗功越少。這種說法對嗎?答：不正確。就動力循環(huán)來說，熱效率越高，說明熱轉(zhuǎn)化為功得比例越大，而不是做功越大；對制冷循環(huán)來說，制

5、冷系統(tǒng)越大，表明低溫下吸收的熱量與所耗功相比，所占的比例越高。7-11. 夏天可利用火熱的太陽來造就涼爽的工作環(huán)境嗎?答：可以。7-12. 有人說：熱泵循環(huán)與制冷循環(huán)的原理實(shí)質(zhì)上是相同的，你以為如何?答：正確。制冷循環(huán)與熱泵循環(huán)的工作循環(huán)都是逆向循環(huán)，區(qū)別僅在于使用目的。當(dāng)使用目的是從低溫?zé)嵩次諢崃繒r(shí)，為制冷循環(huán)；當(dāng)使用目的是向高溫?zé)嵩瘁尫艧崃繒r(shí)，即為熱泵循環(huán)。7-13蒸汽壓縮制冷循環(huán)過程中，制冷劑蒸發(fā)吸收的熱量一定等于制冷劑冷卻和冷凝放出的熱量嗎?答：不對。蒸汽壓縮制冷循環(huán)過程中，制冷劑蒸發(fā)吸收的熱量一般不等于制冷劑冷卻和冷凝放出的熱量。7-14.供熱系數(shù)與致冷效能系數(shù)的關(guān)系是：制冷系數(shù)愈

6、大，供熱系數(shù)也愈大。是這樣嗎？能否推導(dǎo)？答：致冷效能系數(shù) 熱力學(xué)第一定律 供熱系數(shù) 所以制冷系數(shù)愈大，供熱系數(shù)也愈大。7-15. 有人認(rèn)為，熱泵實(shí)質(zhì)上是一種能源采掘機(jī)。為什么？答：由于熱泵以消耗一部分高質(zhì)能(機(jī)械能、電能或高溫?zé)崮艿?為補(bǔ)償，通過熱力循環(huán)，把環(huán)境介質(zhì)(水、空氣、土地)中貯存的低質(zhì)能量加以發(fā)掘進(jìn)行利用。推薦精選因此，熱泵實(shí)質(zhì)上是一種能源采掘機(jī)。7-16. 有人說，物質(zhì)發(fā)生相變時(shí)溫度不升高就降低。你的看法？ 答：不一定。如果外壓不變，純物質(zhì)發(fā)生相變時(shí)溫度不變，如1atm、100的水，從液態(tài)轉(zhuǎn)為氣態(tài)或從氣態(tài)轉(zhuǎn)為液態(tài)時(shí)，溫度始終為 100。二、計(jì)算題7-17在25時(shí)，某氣體的P-V-T

7、可表達(dá)為PV=RT+6.4×104P，在25，30MPa時(shí)將該氣體進(jìn)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)J，即公式（7-6）。 由熱力學(xué)基本關(guān)系式可得到： （7-6） 由P-V-T關(guān)系式可得求偏導(dǎo)得 ，故有可見，節(jié)流膨脹后，溫度升高。7-18 由氨的圖求1kg氨從0.828MPa(8.17atm)的飽和液體節(jié)流膨脹至0.0689 MPa（0.68atm）時(shí)，(a) 膨脹后有多少氨汽化？ (b) 膨脹后溫度為多少？(c) 分離出氨蒸氣在壓縮至 =0.552 MPa =5.45 atm時(shí)， （絕熱可逆壓縮）解：由附

8、錄8氨的T-S圖知：時(shí) 等焓膨脹至 時(shí) （飽和液體） （飽和蒸汽） （a）求干度： 即汽化的液氨為0.211kg。（b）由附錄8得 推薦精選（C）氨氣等熵壓縮至5.45atm，由附錄8得7-19.某郎肯循環(huán)以水為工質(zhì)，運(yùn)行于14MPa和0.007MPa之間，循環(huán)最高溫度為540，試求：（a）循環(huán)的熱效率； (b) 水泵功與透平功之比； (c) 提供1kW電的蒸汽循環(huán)量。 解：作出此動力循環(huán)的圖，見7-19題圖1。根據(jù)給定的條件，查附錄5確定1、2狀態(tài)點(diǎn)的參數(shù)。（a）狀態(tài)點(diǎn)1： ， 工質(zhì)在透平中等熵膨脹： 狀態(tài)點(diǎn)2： 7-19題圖1 。 膨脹終點(diǎn)： 得 透平等熵產(chǎn)生功：冷凝過程傳熱: 水泵的可逆

9、軸功 ：由熱力學(xué)第一定律：鍋爐吸熱：推薦精選郎肯循環(huán)凈功為透平產(chǎn)功與泵軸功的代數(shù)和：熱效率：（b）水泵功與透平功之比：（c）提供1kw電的循環(huán)蒸汽量：7-20.用熱效率為30%的熱機(jī)來拖動制冷系數(shù)為4的制冷機(jī)，試問制冷劑從被冷物料沒帶走1KJ熱量需要向熱機(jī)提供多少熱量？解：制冷機(jī)： 此凈功來自熱機(jī)： 7- 21.某蒸汽壓縮制冷循環(huán)用氨做工質(zhì)，工作于冷凝器壓力1.2MPa和蒸發(fā)器壓力0.14MPa之間。工質(zhì)進(jìn)入壓縮機(jī)時(shí)為飽和蒸汽，進(jìn)入節(jié)流閥時(shí)為飽和液體，壓縮機(jī)等熵效率為80%，制冷量為kJ/h。試求：（a）制冷效能系數(shù)； (b) 氨的循環(huán)速率；(c) 壓縮機(jī)功率；(d) 冷凝器的放熱量；(e)

10、逆卡諾循環(huán)的制冷效能系數(shù)。解：此循環(huán)的圖見7-21圖1 ，工質(zhì)為氨，由附錄79查出各狀態(tài)點(diǎn)的焓值。狀態(tài)點(diǎn)1：由附錄7查得蒸發(fā)壓力為0.14 MPa時(shí)，制冷劑為飽和蒸汽的焓值。 狀態(tài)點(diǎn)2：由冷凝壓力為1.2MPa，在附錄9氨的圖上，找出1點(diǎn)位置，沿等熵線與1.2MPa的等壓線的交點(diǎn)3，圖上直接查得 7-21題圖1 。狀態(tài)點(diǎn)4：從附錄7氨的飽和蒸汽壓表查得30.89時(shí)飽和液體的焓值狀態(tài)點(diǎn)5：45過程是等焓的節(jié)流膨脹過程，故推薦精選（a）制冷系數(shù)： 求得： （b） （c） （d） （e）以冷凝器壓力1.2Mpa時(shí)， 蒸發(fā)器壓力0.14Mpa時(shí)， 7-22.為使冷庫保持-20,需將419000kJ/h

11、的熱量排向環(huán)境，若環(huán)境溫度=27，試求理想情況下每小時(shí)所消耗的最小功和排向大氣的熱量。解： 7-23. 利用熱泵從90的地?zé)崴邪褵崃總鞯?60的熱源中，每消耗1kW電功，熱源最多能得到多少熱量？解：依題意，供熱系數(shù) 7-24壓縮機(jī)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。推薦精選解：（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(shí)，溫度為-3

12、3。7-25. 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，冷凝器內(nèi)的壓力為1180kPa，假定氨進(jìn)入壓氣機(jī)時(shí)為飽和蒸氣，而離開冷凝器時(shí)是飽和液體，如果每小時(shí)的制冷量為167000kJ，求（1） 所需的氨流率；（2） 制冷系數(shù)。解：通過NH3的lnP-H圖（附錄9）可查到各狀態(tài)點(diǎn)焓值。按照題意，氨進(jìn)入壓縮機(jī)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41 h1=1430KJ·kg-1 h2=1710KJ·kg-1 氨在冷凝器中的過程即23，h3=h4=320KJ·kg-1（1）氨流率 （2）制冷系數(shù) 注：求解此類題目：關(guān)鍵在于首先確定各

13、過程狀態(tài)點(diǎn)的位置，然后在P-H圖或TS圖上查到相應(yīng)的焓（或溫度、壓力）值，進(jìn)行計(jì)算。7-26 有一制冷能力為=41800kJ/h的氨壓縮機(jī)，在下列條件下工作：蒸發(fā)溫度=推薦精選15,冷凝溫度 =25，過冷溫度=20，壓縮機(jī)吸入的是干飽和蒸氣，試計(jì)算（1） 單位質(zhì)量的制冷能力；（2） 每小時(shí)制冷劑循環(huán)量；（3） 在冷凝器中制冷劑放出的熱量；（4） 壓縮機(jī)的理論功率；（5） 理論制冷系數(shù)。解：狀態(tài)點(diǎn)1為15的干飽和蒸氣，由氨的溫熵查得h1=1664kJ/kg。由t1=15飽和汽線上該狀態(tài)點(diǎn)（沿等熵線垂直向上）與t=30對應(yīng)的飽和壓力p3=10×105Pa線相交，查得h2=1866kJ/k

14、g。狀態(tài)點(diǎn)5為20的過冷液體，查20的飽和液體得h5=514.6kJ/kg。因節(jié)流前后焓值不變，則h4= h5=514.6kJ/kg7-26題圖1 。（1） 單位質(zhì)量的制冷能力為q0=h1h4=1664514.6=1149.4（kJ/kg）(2) 每小時(shí)制冷劑循環(huán)量為 （3） 在冷凝器中制冷劑放出的熱量為QH = m（h5h2）= 36.37×（514.61866）=49150.42（kJ/h）（4） 壓縮機(jī)的理論功率為PT=m（h2h1）=36.37×（18661664） =7346.74（kJ/h）=2.04kJ/s=2.04kW（5） 理論制冷系數(shù) 7-27.有人設(shè)計(jì)

15、了一套裝置用來降低室溫。所用工質(zhì)為水，工質(zhì)噴入蒸發(fā)器內(nèi)部分汽化，其余變?yōu)?的冷水，被送到使用地點(diǎn)，吸熱升溫后以13的溫度回到蒸發(fā)器，蒸發(fā)器中所形成的干度為98%的蒸氣被離心式壓氣機(jī)送往冷凝器中，在32的溫度下凝結(jié)為水。為使此設(shè)備每分鐘制成750kg的冷水，求（1） 蒸發(fā)器和冷凝器中的壓力；（2） 制冷量（kJ/h）；（3） 冷水循環(huán)所需的補(bǔ)充量；（4） 每分鐘進(jìn)入壓氣機(jī)的蒸氣體積。解：（1） 從飽和水和飽和蒸氣表(附錄5)查得：蒸發(fā)器內(nèi)5水的飽和蒸氣壓p1=0.00872×105Pa，冷凝器的溫度為32水的飽和壓力p2=0.0468×105Pa （2） 本裝置依靠5的冷水從

16、室內(nèi)吸熱，從而升溫至13來降低室溫，故本裝置的制冷量為 Q0=m2（h5h6）=m2CP（T5T6） =750×4.184×（135） =25104（kJ/min）=1506240kJ/h（3） 對蒸發(fā)器作質(zhì)量衡算推薦精選m1=m3m2 （1）對蒸發(fā)器再作能量衡算m1h5=m3h1m2h6 （2）聯(lián)立方程（1）和（2）求得m3，即為冷水循環(huán)所需的補(bǔ)充量從飽和水和飽和蒸氣表查得h1（t=5，x=0.98）=2460kJ/kg，h5（t=13的飽和水）=54.（kJ/kg）因此m3=10.48（kg/min）（4） 從飽和水和飽和蒸氣表查得：5時(shí)的飽和蒸氣比容g=147.12m

17、3/kg；5時(shí)飽和水的比容f=0.001m3/kg，則干度為0.98的蒸氣比容 =gxf（1x）=147.12×0.980.001×（10.98）=144.18（m3/kg）最后得到每分鐘進(jìn)入壓氣機(jī)的蒸氣體積為 V=m3=10.48×144.18=1511（m3/min）7-28.熱泵是一個(gè)逆向運(yùn)轉(zhuǎn)的熱機(jī)，可用來作為空氣調(diào)節(jié)器，進(jìn)行制冷或制熱。設(shè)冬季運(yùn)行時(shí)的室外溫度（平均）為4，冷凝器（用于制熱）平均溫度為50。設(shè)夏季運(yùn)行時(shí)的室外溫度（平均）為35，蒸發(fā)器（用于制冷）平均溫度為4，若要求制熱（制冷）量為105kJ·h-1，試求空調(diào)運(yùn)行時(shí)最小理論功率各為多

18、少？ 解：最小理論功率即為卡諾循環(huán)（或逆卡諾循環(huán)）的功率。 冬季空調(diào)運(yùn)行時(shí)，產(chǎn)生的熱量即工質(zhì)從冷凝器放出的熱量，理想的放熱溫度即為50。依公式（7-37），有夏季空調(diào)運(yùn)行時(shí)，產(chǎn)生的冷量即工質(zhì)從蒸發(fā)器吸收的熱量，理想的吸熱溫度即為4。依公式（7-28），有7-29冬天室內(nèi)取暖用熱泵。將R-134a蒸汽壓縮制冷機(jī)改為熱泵，此時(shí)蒸發(fā)器在室外，冷凝器在室內(nèi)。制冷機(jī)工作時(shí)可從室外大氣環(huán)境中吸收熱量，R -134a蒸汽經(jīng)壓縮后在冷凝器中凝結(jié)為液體放出熱量推薦精選，供室內(nèi)取暖。設(shè)蒸發(fā)器中R-134a的溫度為-10，冷凝器中R-134a蒸氣的冷凝溫度為30，試求：（1）熱泵的供熱系數(shù)；（2）室內(nèi)供熱100 0

19、00 kJ·h-1時(shí)，用于帶動熱泵所需的理論功率；（3）當(dāng)用電爐直接供熱（熱量仍為100 000 kJ·h-1）時(shí)電爐的功率應(yīng)為多少？ 解：該過程的T-s圖如圖7-29題圖1所示。根據(jù)，由附錄6查得：查得：從附錄6內(nèi)插得，（當(dāng)；7-29題圖1 。當(dāng)。做壓力內(nèi)插得），故（1）以單位質(zhì)量為基準(zhǔn)計(jì)算, 依公式（7-36）(2) 依公式（7-36） 得，（3）電爐的功率為：7-30.采用氟利昂12（R-12）作制冷劑的蒸汽壓縮制冷裝置，為了進(jìn)行房屋取暖，將此制冷裝置改用熱泵，已知蒸發(fā)溫度為15，冷凝器溫度為50，冷凝器向房屋排放8.4×104 kJ·h-1的熱量

20、，進(jìn)入壓縮機(jī)為飽和蒸汽，壓縮機(jī)作絕熱膨脹，壓縮后溫度為60，進(jìn)入冷凝器被冷凝成飽和液體后進(jìn)行節(jié)流閥。假定壓縮后R-12的過熱蒸汽可看作理想氣體，其蒸氣比熱為定值，=0.684 kJ·kg-1·h-1，試求：（1）進(jìn)入蒸發(fā)器的R-12的干度；（2）此熱泵所消耗的功率；（3）如采用電爐直接供給相同的熱量，電爐的功率為多少？解：該過程的T-s圖如圖7-30題圖1所示。由附錄10先確定各狀態(tài)點(diǎn)的熱力學(xué)參數(shù)推薦精選狀態(tài)點(diǎn)1：， ，狀態(tài)點(diǎn)2：，狀態(tài)點(diǎn)3：，假定壓縮后過熱蒸汽為理想氣體，為定值。7-30題圖1 。，因此為不可逆絕熱壓縮。（1）以單位質(zhì)量為基準(zhǔn)計(jì)算, 進(jìn)入蒸發(fā)器的干度為(2

21、) 此泵所消耗的功率制冷劑的循環(huán)量熱泵所消耗的功率 （3）電爐的功率為：=R-12的有關(guān)熱力學(xué)參數(shù)溫度/飽和壓力/kPa1549150.1193.80.19150.6902推薦精選50121984.9206.50.30370.67977-31. 動力-熱泵聯(lián)合體系工作于 之間，熱機(jī)工作于之間。假設(shè)熱機(jī)熱泵均為可逆的，試問下供給單位熱量所產(chǎn)生的工藝用熱量（下得到的熱量）是多少？解： （1）熱機(jī)： 單位熱量：故（2）熱泵：傳熱量：7-32. 用簡單林德循環(huán)使空氣液化?？諝獬鯗貫?7，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(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)計(jì)）

22、。求：（1）理想操作條件下空氣液化率和每小時(shí)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康挠绊懭绾危靠諝獾谋葻酑p為1.0 kJ·kg-1·K-1。解： 簡單的林德循環(huán)TS圖如上表示：對于空氣從TS圖上可查得各狀態(tài)點(diǎn)的焓值狀態(tài)點(diǎn)性狀TKPMPa hKJ·kg-11過熱蒸汽2900.14602過熱蒸汽290104350飽和液體0.142(1)理論液化量 （kg液體kg空氣）推薦精選空氣流量 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?fù)p，

23、 q溫?fù)p=Cp×T=1.0×10=10KJ·kg-1 實(shí)際液化量 實(shí)際液化量：7-20 某一理想Rankine循環(huán)，鍋爐的壓力為4.0MPa，冷凝器的壓力為0.005MPa，冷凝溫度為32.56，求以下兩種條件時(shí)，Rankine循環(huán)的熱效率與乏汽冷凝所放出的熱量，并加以比較：（1）如果進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽是飽和蒸汽；（2）如果進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽是溫度為440的過熱蒸汽。要求將這兩種蒸汽動力循環(huán)標(biāo)示在T-S圖上。解：（1） 進(jìn)入汽輪機(jī)的狀態(tài)點(diǎn) P1=4 MPa，對應(yīng)的飽和蒸汽溫度T1=250.3326 H1= 2800.3384 kJ/kgS1= 6.068508 kJ/(kg.K)乏汽 P2=0.005 MPa，S2=S1=6.068508 kJ/(kg.K)，查得H2=1849.274902 kJ/kg冷凝器出口飽和液體P3=0.005M