第六章-化工熱力習題解答

1、第六章思考題：6-1 空氣被壓縮機絕熱壓縮后溫度是否上升，為什么？6-2 為什么節(jié)流裝置通常用于制冷和空調場合？6-3 請指出下列說法的不妥之處： 不可逆過程中系統(tǒng)的熵只能增大不能減少。 系統(tǒng)經(jīng)歷一個不可逆循環(huán)后，系統(tǒng)的熵值必定增大。 在相同的始末態(tài)之間經(jīng)歷不可逆過程的熵變必定大于可逆過程的熵變。 如果始末態(tài)的熵值相等，則必定是絕熱過程；如果熵值增加，則必定是吸熱過程。6-4 某封閉體系經(jīng)歷一可逆過程。體系所做的功和排出的熱量分別為和。試問體系的熵變：（a）是正？（b）是負？（c）可正可負？6-5 某封閉體系經(jīng)歷一不可逆過程。體系所做的功為，排出的熱量為。試問體系的熵變：（a）是正？（b）是負

2、？（c）可正可負？6-6 某流體在穩(wěn)流裝置內經(jīng)歷一不可逆過程。加給裝置的功為，從裝置帶走的熱（即流體吸熱）是。試問流體的熵變：（a）是正？（b）是負？（c）可正可負？6-7 某流體在穩(wěn)流裝置內經(jīng)歷一個不可逆絕熱過程，加給裝置的功是24kJ，從裝置帶走的熱量（即流體吸熱）是10kJ。試問流體的熵變：（a）是正？（b）是負？（c）可正可負？6-8 熱力學第二定律的各種表述都是等效的，試證明：違反了克勞休斯說法，則必定違反開爾文說法。 6-9 理想功和可逆功有什么區(qū)別？6-10 對沒有熵產(chǎn)生的過程，其有效能損失是否必定為零？6-11 總結典型化工過程熱力學分析。習題6-1 壓力為，溫度為的水蒸氣通過

3、一根內徑為75的管子，以的速度進入透平機。由透平機出來的乏氣用內徑為25的管子引出，其壓力為，溫度為。假定過程無熱損失，試問透平機輸出的功率為多少？ 【解】：查593K和353K過熱水蒸氣焓值， 由 進口截面積 、 忽略位能變化，則 6-2 有一水泵每小時從水井抽出的水并泵入儲水槽中，水井深，儲水槽的水位離地面，水泵用功率為的電機驅動，在泵送水過程中，只耗用該電機功率的45。儲水槽的進、出水位的質量流量完全相等，水槽內的水位維持不變，從而確保水作穩(wěn)態(tài)流動。在冬天，井水溫度為,為防止水槽輸出管路發(fā)生凍結現(xiàn)象，在水的輸入管路上安設一臺加熱器對水進行加熱，使水溫保持在，試計算此加熱器所需凈輸入的熱量

4、?！窘狻浚毫鲃芋w系由水井、管路、泵、加熱器和儲水槽組成。計算基準：以一小時操作記， 穩(wěn)流過程： 水熱容： 6-3 水蒸氣在透平機中等熵膨脹，其狀態(tài)由6MPa、600變?yōu)?0kPa。如果水蒸氣的質量流量為，試計算透平機的輸出功率?！窘狻浚核魵庠谕钙街袨榈褥嘏蛎?，查水蒸氣表知6MPa、600過熱水蒸氣熵和焓值分別為： ,出口處為濕蒸汽，查10kPa的飽和水蒸氣和飽和水的熵和焓值為： ，由以上數(shù)據(jù)可確定出口處水蒸氣的干度 出口處水蒸氣的焓值為： 等熵膨脹為絕熱可逆過程，忽略動、位能變化，由能量平衡方程知： 6-4 某特定工藝過程每小時需要0.138MPa，品質（干度）不低于0.96、過熱度不大于7

5、的蒸汽450kg?，F(xiàn)有的蒸汽壓力為1.794MPa、溫度為260。（a）為充分利用現(xiàn)有蒸汽，先用現(xiàn)有蒸汽驅動一蒸汽透平，而后將其乏汽用于上述特定工藝工程。已知透平機的熱損失為5272 kJh-1，蒸汽流量為450 kJh-1，試求透平機輸出的最大功率為多少KW。（b）為了在透平機停工檢修時工藝過程蒸汽不至于中斷，有人建議將現(xiàn)有蒸汽經(jīng)節(jié)流閥使其降至0.138MPa，然后再經(jīng)冷卻就可得到工藝過程所要求的蒸汽。試計算節(jié)流后的蒸汽需要移去的最少熱量。6-5 某理想氣體（分子量為28）在0.7MPa、1089K下，以35.4kg.h-1的質量流量進入一透平機膨脹到0.1MPa。若透平機的輸出功率為3.5

6、KW，熱損失6710 kJ.h-1。透平機進、出口連接鋼管的內徑為0.016 m，氣體的熱容為1.005kJ/（kgK），試求透平機排汽的溫度和速度。【解】：以透平機為研究對象，1kg理想氣體為計算基準，忽略動、位能變化 由理想氣體狀態(tài)方程知 對于穩(wěn)流過程因此由熱力學第一定律表達式解得： 6-6 氣體在，時穩(wěn)流經(jīng)過一個節(jié)流裝置后減壓至。試求：節(jié)流后的溫度及節(jié)流過程的熵變。 解：（1）等焓過程： 氣體可看成理想氣體、所以 查附表： ：、 、 所以： 、 由普遍化第二維里系數(shù)關聯(lián) 查附表：CO2熱容估算下的值: 所以 平均溫度: 求出 重算 : 與前面一致求T2286.5K下的熱容，平均熱容 (2

7、) 求 6-7 2.5 MPa、200的乙烷氣體在透平中絕熱膨脹到0.2 MPa。試求絕熱可逆膨脹（等熵）至中壓時乙烷的溫度與膨脹過程產(chǎn)生的軸功。乙烷的熱力學性質可分別用下述兩種方法計算： （a）理想氣體方程； (b) 合適的普遍化方法。解：(a) 用理想氣體方程: 查附表2 : 乙烷熱容 迭代計算： 絕熱過程 ,忽略動、位能變化 (b) 用普遍化關聯(lián)乙烷: 初態(tài): 為初步求, 先假定 過程為等熵過程，同（a） 用與（a）相同的方程迭代: 重新求出 與原始估計值相近故: 6-8某化工廠轉化爐出口高溫氣體的流率為,溫度為，因工藝需要欲將其降溫到?，F(xiàn)用廢熱鍋爐機組回收其余熱。已知廢熱鍋爐進水溫度為

8、，產(chǎn)生、的過熱蒸汽?？梢院雎藻仩t熱損失以及高溫氣體降溫過程壓力的變化，已知高溫氣體在有關溫度范圍的平均等壓熱容為，試求：（a）每小廢熱鍋爐的產(chǎn)氣量;（b）蒸汽經(jīng)過透平對外產(chǎn)功，透平輸出的功率為多少？已知乏氣為飽和蒸汽，壓力為，可以忽略透平的熱損失。解：（a）, 查h-s圖: 水 （b）蒸汽經(jīng)透平對外做功乏氣 : 飽和氣: 6-9 丙烷從、被壓縮至。假定壓縮過程為絕熱可逆（等熵）壓縮，試計算丙烷所需要的壓縮功（丙烷在此狀態(tài)下不能視為理想氣體）。 解：先求丙烷: 初態(tài): 查附表丙烷: 對于等熵過程: 因為未知. 為求先假定 可用故: 6-10 某理想氣體經(jīng)一節(jié)流裝置（銳孔），壓力從1.96MPa絕

9、熱膨脹至0.09807MPa。 求此過程產(chǎn)生的熵。此過程是否可逆？解：理想氣體的節(jié)流過程 焓不變 溫度也不變6-11 設有一股溫度為90，流量為20kg/s的熱水與另一股溫度為50，流量為30kg.s-1的溫水絕熱混合。試求此過程產(chǎn)生的熵。此絕熱混合過程是否可逆？解：90 20kg.s-1 和 50 30 kg.s-1在絕熱條件下混合成溫度為T3的水，求： 混合過程：焓換算 或設水的熱容相等： 或 查附表 水 所以 6-12 140飽和水蒸氣以4 kg.s-1的流率進入換熱器，加熱20的空氣，水蒸氣與空氣逆向流動。如果飽和水蒸氣離開換熱器時冷凝為140的飽和水。求熱流體傳熱過程的熵產(chǎn)生量。【解

10、】：選擇水蒸汽未研究體系，因為是穩(wěn)流過程，作功為零，且忽略動、位能變化。則能量平衡方程：簡化為： 由穩(wěn)流系統(tǒng)的熵平衡式得熵產(chǎn)生得表達式由水蒸氣表查得：140下的飽和蒸汽 ，140下的飽和水 ，得： 6-13 設有10 kg水被下述熱流體從288K加熱到333K，水的平均恒壓熱容為4.1868kJ.kg-1.K-1,試計算熱流體與被加熱的水的熵變。（a）用0.344MPa的飽和水蒸氣加熱。冷凝溫度為411.46K；（b）用0.344MPa、450的過熱蒸汽加熱。已知0.344MPa飽和蒸汽的冷凝熱為-2149.1 kJ.kg-1.K-1，411K450K水蒸氣的平均恒壓熱容為1.918 kJ.k

11、g-1.K-1。（假設兩種情況下蒸汽冷凝但不過冷）【解】：將水從288K加熱到333K所需熱量 （a）用0.344MPa的飽和水蒸氣加熱，所需蒸汽量m為：（B）用0.344MPa、450的過熱蒸汽加熱。所需蒸汽量m為：6-14 1mol理想氣體在400K由0.1013MPa經(jīng)等溫不可逆壓縮到1.013MPa，壓縮過程的熱被移到300K的貯熱器，實際壓縮功比同樣的可逆壓縮功多20，計算氣體與貯熱器的熵變及總熵變。【解】：理想氣體等溫過程的可逆軸功為： 不可逆軸功為可逆軸功的1.2倍 由熱力學第一定律知： 氣體熵變 設儲熱器溫度不變則：總熵變 6-15 某蒸汽動力裝置，進入蒸汽透平的蒸汽流量為 ，

12、溫度為,壓力為，蒸汽經(jīng)透平絕熱膨脹對外做功。產(chǎn)功后的乏汽分別為:的飽和蒸汽；、的蒸汽。試求此兩種情況下, 蒸汽經(jīng)透平的理想功與熱力學效率.已知大氣溫度。 ，飽和蒸汽【解】： 理想功： ， 實際功： 查h-s圖： 絕熱：， 6-16 12MPa、700的水蒸氣供給一個透平機，排出的水蒸氣的壓力為0.6MPa。 （a）在透平機中進行絕熱可逆膨脹，求過程理想功和損失功。 （b）如果等熵效率為0.88，求過程的理想功、損失功和熱力學效率。 【解】：（a）入口水蒸氣性質可由水蒸氣h-s圖查得： ， 絕熱可逆膨脹為等熵過程 出口為過熱蒸汽，由壓力和熵值由h-s圖查得出口焓值 由熱力學第一定律 理想功 絕熱

13、可逆膨脹的損失功 （b）等熵效率為0.88時對于該絕熱過程由h-s圖查得不可逆絕熱過程的出口熵值 設環(huán)境溫度為298K， 損失功熱力學效率 6-17 以煤、空氣和水為原料制取合成甲醇的反應按下式進行 此反應在標態(tài)下進行, 反應物與產(chǎn)物不相混合,試求此反應過程的理想功?！窘狻? 、 不參加反應,而且不混合,故無焓變和熵變. = 6-18 某廠有輸送的管道，由于保溫不良，到使用單位時水溫已降至。試求水溫降低過程的熱損失與損耗功。大氣溫度為。【解】: 水的熱容不變， ，過程不做功 6-19 為遠程輸送天然氣,采用壓縮液化法。若天然氣按甲烷計算，將天然氣自、27絕熱壓縮到,并經(jīng)冷凝器冷卻至27。已知壓

14、縮機實際的功耗為,冷卻水溫為27。試求冷凝器應移走的熱量，壓縮、液化過程的理想功、損耗功與熱力學效率。已知甲烷的焓和熵值如下壓力溫度（）hs0.0980727953.17.0676.66727886.24.717甲烷:. 已知: 求： 壓縮.汽化過程 解：壓縮過程: 、(損耗功:或:)6-20 1水在的壓力下，從20恒壓加熱到沸點，然后在此壓力下全部汽化。環(huán)境溫度為10。問水吸收的熱量最多有百分之幾能轉化為功？水加熱汽化過程所需要的熱由的燃燒氣供給，假定加熱過程燃燒氣溫度不變，求加熱過程的損耗功。1水. 求:【解】:下的水的沸點為.水的熱容水:水汽化:,已知.正常沸點. . . . . 6-2

15、1 有一理想氣體經(jīng)一銳孔從絕熱膨脹到，動能和位能的變化可忽略不計。求絕熱膨脹過程的理想功與損耗功。大氣溫度為?！窘狻浚汗?jié)流過程，以一摩爾理想氣體為計算基準 . 6-22 設在用煙道氣預熱空氣的預熱器中，通過的煙道氣和空氣的壓力均為常壓，其流量分別為45000和。煙道氣進入時的溫度為,出口溫度為。設在此溫度范圍內。空氣進口溫度為,設在有關溫度范圍內，。試計算此預熱器的損耗功與熱力學效率。已知大氣溫度為，預熱器完全保溫?！窘狻浚阂?小時為基準,先求空氣出口溫度,常壓下兩種氣體，因為預熱器完全保溫,故：. . .6-23設空氣的組成為79%和21%。環(huán)境狀態(tài)為、。分別求由空氣制取下列兩種產(chǎn)品的最小功

16、。產(chǎn)品是純氧和純氮；產(chǎn)品是98和50 %富氧空氣?！窘狻? 以為基準. ,理想氣體在恒溫下分離及混合空氣分離時得氧氣需空氣量為. 則 產(chǎn)品為和富氧空氣生產(chǎn)氧氣需空氣,所得為 ,得.為.將空氣完全分離時由純氧和純氮混合形成和兩種產(chǎn)品時的 6-24 乙烯氣在、下和理論上完全燃燒所需空氣的400混合。進入燃燒爐內燃燒后的煙道氣經(jīng)過冷卻也在、下排出，求燃燒過程的理想功。. 空氣過量 【解】：反應物,產(chǎn)物均為混合物,均小于,故要對反應物和產(chǎn)物進行壓力校正反應物: 產(chǎn)物: . 也要校正查表: 反應物: 產(chǎn)物: 6-25 在題6-24中，若燃燒過程在絕熱條件下進行，試求燃燒過程的損耗功。已知在絕熱條件下，生

17、成物的溫度為748.5。解：上題在絕熱下進行，產(chǎn)物需對T，P校正，6-26 10 kg水由15加熱到60。試求：（a）加熱過程需要的熱量和理想功；（b）上述過程中的有效能和無效能。（c）若此熱量分別由0.686 5MPa和0.3432 MPa的飽和蒸汽加熱（利用相變熱），求加熱過程的有效能損失。大氣溫度為25。 解：1）（1） 加熱工段所需熱量 （2） （取環(huán)境溫度為25） 若取環(huán)境溫度為水溫15 （3） 2）所需熱量Q由0.6865MPa飽和汽的相變熱提供，求有效能損失 有效能損失即為損耗功，作有效能衡算，得與環(huán)境無熱交換，直接混合熱 15水 25 則查 0.6865MPa飽和蒸汽的參數(shù)需冷

18、凝加熱水蒸汽量：15吸收的熱應該等于蒸汽放出的熱 求60水 則：用0.3432MPa的飽和汽直接混合加熱，需蒸汽量 0.3432MPa飽和汽 若采用飽和蒸汽間接加熱0.6865MPa飽和汽、 、0.3432MPa飽和蒸汽 6-27 有一溫度為、流量為的熱水和另一股溫度為、流量為的水絕熱混合。試分別用熵分析和有效能分析計算混合過程的有效能損失。大氣溫度為。問此過程用哪個分析方法求有效能損失較簡便？為什么？解： 求得Q0 W30 H0熵分析法有效能分析法 6-28 某廠因生產(chǎn)需要，設有過熱蒸汽降溫裝置，將的熱水和、的蒸汽等壓絕熱混合。大氣溫度為。求絕熱混合過程有效能損失。 解：設：393.15K時水的下標用a表示，573.15 K時過熱蒸汽的下標用b表示，混合后的性質用下標m表示由飽和水、飽和水蒸汽表及過熱蒸汽表查得:Ha=503.71kJ&#