化工熱力學(xué)習(xí)題6

1、 第6章蒸汽動力循環(huán)與制冷循環(huán)一、選擇題蒸汽壓縮制冷循環(huán)過程中，制冷劑蒸發(fā)吸收的熱量一定制冷劑冷卻和冷凝放出的熱量A大于B等于C小于（C）從制冷原理和生產(chǎn)應(yīng)用方面說明制冷劑的選擇原則。答（1）潛熱要大。因為潛熱大，冷凍劑的循環(huán)量可以減小。氨在這方面具有顯著的優(yōu)點，它的潛熱比氟里昂約大10倍，常用于大型制冷設(shè)備。（2）操作壓力要合適。即冷凝壓力（高壓）不要過高，蒸發(fā)壓力（低壓）不要過低。因為冷凝壓力高將增加壓縮機和冷凝器的設(shè)備費用，功率消耗也會增加；而蒸發(fā)壓力低于大氣壓力，容易造成空氣漏入真空操作的蒸發(fā)系統(tǒng)，不利于操作穩(wěn)定。在這方面氨和氟里昂也是比較理想的。（3）冷凍劑應(yīng)該具有化學(xué)穩(wěn)定性。冷凍劑

2、對于設(shè)備不應(yīng)該有顯著的腐蝕作用。氨對銅有強烈的腐蝕作用，對碳鋼則腐蝕不強；氟里昂則無腐蝕。（4）冷凍劑不應(yīng)有易燃和易爆性。（5）冷凍劑對環(huán)境應(yīng)該無公害。氟里昂F11、F12對大氣臭氧的破壞已被公認，將逐漸被禁用，無公害的氟里昂替代品已大量應(yīng)用。綜合以上各點，氨作為冷凍劑常用于大型冷庫和工業(yè)裝置。而無公害氟里昂常用于小型冷凍機和家用電器某蒸汽壓縮制冷過程，制冷劑在250K吸收熱量QL,在300K放出熱量-QH,壓縮和膨脹過程是絕熱的，向制冷機輸入的功為Ws,判斷下列問題的性質(zhì)。A可逆的B不可逆的C不可能的(1).QL=2000kJWs=400kJ250A）耳可逆=麗二顧=52000二5400(2

3、).n該制冷過程是可逆的可逆QL=1000kJQH=1500kJ250(B)耳可逆=300-250=5n1000=2-Q-Q1500-1000HLnn沖該制冷過程是不可能的可逆卡諾制冷循環(huán)的制冷系數(shù)與有關(guān)。A制冷劑的性質(zhì)B制冷劑的工作溫度C制冷劑的循環(huán)速率D壓縮機的功率（B）二、計算題1為使冷庫保持-20C,需將419000kJ/h的熱量排向環(huán)境，若環(huán)境溫度T27C，試求理想情況下每小時所消耗的最小功和排向大氣的熱量。解：“=2(20)二5.380cWs=Q=轡=77838kJ/hQ=-Q-W=419000-77838=496838kJ/h0cs2.利用熱泵從90C的地?zé)崴邪褵崃總鞯?60C

4、的熱源中，每消耗1kw電功，熱源最多能得到多少熱量？解：T160+273一門r=6.19T-T160-90R0g=QHPPnetQ=gxP=6.19x1=6.19kW1HPnet3某蒸汽動力循環(huán)操作條件如下：冷凝器出來的飽和水，由泵從0035Mpa加壓至15Mpa進入鍋爐,蒸汽離開鍋爐時被過熱器加熱至280C。T求：(1)上述循環(huán)的最高效率。在鍋爐和冷凝器的壓力的飽和溫度之間運行的卡諾循環(huán)的效率，以及離開鍋爐的過熱蒸汽溫度和冷凝器飽和溫度之間運行的卡諾循環(huán)的效率。若透平機是不可逆絕熱操作，其焓是可逆過程的80%。求此時的循環(huán)效率。解：(1)各狀態(tài)點的熱力學(xué)性質(zhì)，可由附錄水蒸汽表查得SH=303

5、.46KJkg-16H-H=fpVdP=V(P-P)=1.0245x10-3x(1.5-0.035)x106=1.5kJkg-11612H=303.46+1.5kJkg-11(由于液體壓力增加其焓增加很少可以近似H1=H6)H=2992.7KJkg-1S=6.8381kJkg-1K-144該循環(huán)透平機進行絕熱可逆操作，增壓泵也進行絕熱可逆操作時效率最高。S5=S4=6.8381，由0.035Mpa,查得氣相，S=7.7153kJkg-1K-1(查飽和蒸汽性質(zhì)表)g液相，S二0.9852kJ-kg-1-K-1(查飽和水性質(zhì)表內(nèi)插)氣相含量為xS二xxS+(1-x)S二xx7.7153+(1-x)

6、x0.9852二6.83813glx二0.87H=x-H+(1-x)H=0.87x2631.4+(1-0.87)x303.46=2328.77kJ-kg-15glH-H2992.7-2328.77耳=45=0.247HH2992.7303.9641冷凝器壓力0.035Mpa,飽和溫度為72.69；鍋爐壓力1.5Mpa,飽和溫度為198.32C?？ㄖZ循環(huán)運行在此兩溫度之間，卡諾循環(huán)效率19832-九69=0.267198.32+273若卡諾循環(huán)運行在實際的二個溫度之間，其效率為280-72.69280+273=0.375(3)不可逆過程的焓差為0.80(H2-H3)，而吸收的熱仍為H2-H1，因

7、此效率耳二0.80(H彳-H厶)二0.80 x0.247二0.198HH414.在25C時，某氣體的P-V-T可表達為PV=RT+64X104P，在25C,30MPa時將該氣體進行節(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)卩丁由熱力學(xué)基本關(guān)系式可得到：的)卩二J(8P)HdVT()-VQTpCRTQVR將P-V-T關(guān)系式代入上式，PV=RT+6.4x104P-V=p+6.4x104，其中(齊)p=-Tx一VTPVRTPV6.4x1046.4x104卩=0JCPxCCCpppp可見，節(jié)流膨脹后，溫度比開始為高。將典型的蒸汽壓縮制冷

8、循環(huán)的T-S圖分別在P-H圖和H-S圖上表示出來。解：壓縮機的可逆絕熱過程是等熵過程，節(jié)流過程?？煽醋鳛榈褥蔬^程，則循環(huán)可用如下P-H和H-S圖表示。某蒸汽壓縮制冷循環(huán)，制冷量Q0為3X104kJh-i,蒸發(fā)室溫度為-15C，冷凝器用水冷卻，進口為8C。若供給冷凝器的冷卻水量無限大時，計算制冷循環(huán)消耗的最小功為多少？如果冷凝器用室溫(25C)空氣冷卻時，其消耗的最小功又是多少？解：首先需要明確的是：在所有的制冷循環(huán)中，逆卡諾循環(huán)的制冷效率最高，即功耗最小。循環(huán)效率有如下的關(guān)聯(lián)式：匸T(蒸發(fā)溫度)Q(制冷量)C=1=0卡T(冷凝溫度)-TW(凈功)21N按照傳熱原理，如果進出冷卻器的冷卻水量無限

9、大，則不僅冷卻水進出口溫度接近相同，而且被冷介質(zhì)的溫度也相同。因此當(dāng)冷卻水量無限大時，冷凝溫度T2=(8+273)K,所以最少凈功WN=(8+273)-(-15+273)x3x104=2674.4KJh-1N15+273當(dāng)冷凝器用空氣冷卻時，冷凝溫度近似等于室溫25C最小凈功W=(25+273)-(-15+273)x3x104=4651.2kJh-1N15+273由計算結(jié)果可見，冷卻溫度越低，消耗功越小。但是空氣冷卻所用設(shè)備簡單，如家用空調(diào)器，冰箱采用散熱片空氣冷卻，不過它們的能耗要比水冷卻高許多。實際蒸汽壓縮制冷裝置中的膨脹過程，為何采用節(jié)流閥而不用膨脹機？如果用膨脹機，請在TS圖上標(biāo)出哪些

10、面積代表膨脹機回收的功？解：制冷裝置的膨脹過程，采用節(jié)流元件(如閥、孔板等)主要考慮到節(jié)流設(shè)備簡單，裝置緊湊。對于中小型設(shè)備而言，這個膨脹功是不值得回收的，功量不大，但是設(shè)備投資要增加許多。因此，大多不采用膨脹機。在下面的T-S圖上，節(jié)流元件膨脹過程如3-4,是等焓過程，而膨脹機膨脹過程如34，是等熵過程。膨脹機回收的功量如陰影部分積分。T+某壓縮制冷裝置，用氨作為制冷劑，氨在蒸發(fā)器-25C,冷卻器中的壓力為10MPa,假定氨進入壓縮蒸汽，而離開冷凝器時為飽和液體，每小時制冷量105kjh-i。求：(1)所需的氨流率；制冷系數(shù)。解：通過NH3的P-H圖可查到各狀態(tài)點焓值。21 按照題意，氨進入

11、壓縮機為飽和狀態(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4-1H=1430KJkg-1H2=1710KJkg-1氨在冷凝器中的過程即2-3,H3=H4=320KJkg-1氨流率G二f二ITH-0141.67x1051430-320二150.5kg-h-1制冷系數(shù)2TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark88 1430-3201110=3.96 HYPERLINK l bookmark112 1710-1430280注：求解此類題目：關(guān)鍵在于首先確定各過程狀態(tài)點的位置，然后在P-H圖或TS圖上查到相應(yīng)的焓（或溫度、壓力）值，進行計算。9.有一氨壓縮制冷機組，制

12、冷能力Q0為4.0X104KJh-i,在下列條件工作：蒸發(fā)溫度為-25C,進入壓縮機的是干飽和蒸汽，冷凝溫度為20C,冷凝過冷5C。試計算：（1）單位重量制冷劑的制冷能力；（2）每小時制冷劑循環(huán)量；（3）冷凝器中制冷劑放出熱量；（4）壓縮機的理論功率；（5）理論制冷系數(shù)。解：首先在PH圖（或TS圖）上按照已知條件定出各狀態(tài)點。查得H=1430KJkg-1H2=1680KJkg-1冷凝出來的過冷液體（過冷度為5C）狀態(tài)3的決定：假設(shè)壓力對液體的焓值幾乎沒有影響，從狀態(tài)3沿著飽和液體線向下過冷5C,找到3,用此點的焓值近似代替3的焓值，由于過冷度是有限的，實際上3和3很接近,不會造成太大的偏差。3

13、-4仍為等焓膨脹過程,H3=H=270kJkg-1制冷能力q0=H1-H4=1430-270=1160KJkg-1Q4x104制冷劑循環(huán)量G=i=34.5kg-h-1q11600冷凝過程即2-3，放出熱量Q=(H3-H2)G=34.5(270-1690)=-48645KJh-1壓縮機功率n=GH匸H）=360034.5(168一143)=2.40kW3600H-H14H-H1430一270二1160二4.641680-1430250 10壓縮機出口氨的壓力為10MPa,溫度為50C，若按下述不同的過程膨脹到0IMPa,試求經(jīng)膨脹后氨的溫度為多少？絕熱節(jié)流膨脹；可逆絕熱膨脹。解：(1)絕熱節(jié)流膨

14、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O.IMPa溫度為30C。(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O.IMPa時，溫度為-33C。11.某實驗電廠設(shè)計參數(shù)如下:鍋爐出口蒸汽參數(shù)為2500kPa,390C；汽輪機入口蒸汽參數(shù)為2300kPa,385C；凝汽器中蒸汽壓力為7kPa,(1)試求相應(yīng)的Rankine循環(huán)熱效率(新汽參數(shù)按汽輪機入口蒸汽參數(shù)考慮)。(2)已知以發(fā)電機電能輸出為基準(zhǔn)的煤耗率為b=0.71kg/(kWh)(按發(fā)熱量為29288kJ/kg的標(biāo)準(zhǔn)煤a計)。求此期間發(fā)電的熱效率。解:(1)查過熱水蒸汽表，由T=290C,p2500kPa

15、,得H3222kJ/kg由T，=385C,Pi=2300kPa,查得化=3208kJ/kg,S=7.0107kJ/(kgK)由p2=7kPa,查飽和水和飽和蒸汽表，得H2L=H3=162.7kJ/kg，H2V=2572kJ/kgS2L=0.5568kJ/(kgK)，S2v=8.280kJ/(kgK)因為1-2為可逆絕熱過程，則S2=S=7.0107kJ/(kJK)，設(shè)點2的干度為x，則有S2=S2VxS2L(1x)7.0107=8.280 x0.5568(1x)x=0.837由此可得H2=H2vx+Hl(1-x)=2572X0.837+162.7X0.163=2179(kJ/kg)則Ranki

16、ne循環(huán)熱效率為WH-H3208-2179n=t2=0.337=33.7%QH-H3222-162.713X3600J/kg=5070J/kgb0.71kWh/kga2)11由已知條件知，以發(fā)電機電能輸出為基準(zhǔn)的煤耗率ba=0.71kg/(kWh),則1kg煤的發(fā)電量=當(dāng)=呂7kWh/kg=-x3600kJ/kg=5070kJ/kg又已知1kg煤的發(fā)熱量知1kg煤的b0.710.71a發(fā)熱量為29228kJ/kg，故發(fā)電的熱效率為1kg煤的發(fā)電量a=1kg煤的發(fā)熱量X100%=29288x100%=17-3%12.某壓縮制冷裝置，用氨作為制冷劑，氨在蒸發(fā)器中的溫度為一25C,冷凝器內(nèi)的壓力為1

17、180kPa,假定氨進入壓氣機時為飽和蒸氣，而離開冷凝器時是飽和液體，如果每小時的制冷量為167000kJ,求所需的氨流率；制冷系數(shù)。解：此氨制冷循環(huán)示于右圖所示T-S圖上。(1)查的T-S圖，得H=1648kJ/kg,H2=1958kJ/kg,H3=H4=565kJ/kg則單位質(zhì)量制冷劑的制冷量為q0=H1-H4=1648-565=1083(kJ/kg)所需的氨流率為G=Q=167000=154.2(kg/h)q10830(2)制冷系數(shù)為=你=q=1083=3.49WH-H1958-16482113.有一制冷能力為Q0=41800kJ/h的氨壓縮機，在下列條件下工作：蒸發(fā)溫度t0=-15C,

18、冷凝溫度tk=+25C,過冷溫度t=+20C,壓縮機吸入的是干飽和蒸氣，試計算單位質(zhì)量的制冷能力；每小時制冷劑循環(huán)量；在冷凝器中制冷劑放出的熱量；壓縮機的理論功率；理論制冷系數(shù)。解：狀態(tài)點1為一15C的干飽和蒸氣，由氨的溫熵查得H1=1664kJ/kg。由t1=-15C飽和汽線上該狀態(tài)點(沿等熵線垂直向上)與t=30C對應(yīng)的飽和壓力p3=10X105Pa線相交，查得H2=1866kJ/kg。狀態(tài)點5為20C的過冷液體，查20C的飽和液體得H5=514.6kJ/kg。因節(jié)流前后焓值不變，則H6=H5=514.6kJ/kg單位質(zhì)量的制冷能力為q0=H1-H6=1664-514.6=1149.4(k

19、J/kg)每小時制冷劑循環(huán)量為Q41800G=孑=聞皿373)0(3)(4)在冷凝器中制冷劑放出的熱量為Q=G(H5-H2)=36.77X(514.61866)=-49691(kJ/h)壓縮機的理論功率為Nt=G(H2-H1)=36.37X(1866-1664)=7346.74(kJ/h)=2.04kJ/s=2.04kW5）理論制冷系數(shù)qq1149.4&o0=569W(H-H)(1866-1664)2114有人設(shè)計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)?C的冷水，被送到使用地點，吸熱升溫后以13C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送往冷凝器中，在32C的溫度