马沛生主编化工热力学第七章习题解答.docx

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马沛生主编化工热力学第七章习题解答

习题七及答案

、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

Tl

tH

分析确定哪些因素会改变Tl或Th，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。

?

为什么?

7-8.制冷循环可产生低温，同时是否可以产生高温呢

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Q

Ws

供热系数

热力学第一定律q2||q0|Iw,

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？

即汽化的液氨为

0.211kg。

由P-V-T关系式PVRT6.4104P可得

V

RT小

6.4

104

P

求偏导得

（-^）p

R

故有

T

p

R

TV

P

RTPV

6.4104

6.4

104

J

Cp

PCp

Cp

C

p

可见，节流膨胀后，温度升高

（b）由附录8得t240C

（C）氨气等熵压缩至，由附录8得t2110C

7-19.某郎肯循环以水为工质，运行于14MPa和之间，循环最高温度为540C，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：

①作出此动力循环的Ts图，见7-19题图1。

②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：

p114MPah13431.9kJkg1，S,6.528kJK1kg1

工质在透平中等熵膨胀：

S2S16.528kJK1kg1

状态点2：

p20.007MPaT239C312K

h2sl163.32kJ/kgh2sv2571.6kJ/kg

7-19题图1

s2sl0.5589kJ/（kgK）s2sv8.2739kJ/（kgK）

膨胀终点：

v20.001m3/kg

s2

sv

s2x2（1

x2）s2sl

6.5288.2739x2（1x2）0.55891

得

x20.7737

h2h2svx2（1

x2）h2sl

2571.6

0.7737（10.7737）163.322026.606kJ/kg

透平等熵产生功：

Ws（R）（

h）

（h2h1）

3431.92026.6061405.29kJ/kg

h3h2sl163.32kJ/kg

冷凝过程传热:

q2h3h2163.322026.6061863.286kJ/kg

水泵的可逆轴功：

3

ws（R）pumpv（P4P3）0.001（140.007）10313.993kJkg

由热力学第一定律：

h3ws（R）pump

163.3213.993177.313kJ/kg

锅炉吸热：

q0h1h43431.9177.3133254.587kJ/kg

（b）水泵功与透平功之比:

Ws（R）

13.993

1405.29

0.009957

Ws（R）pump

（c）提供1kw电的循环蒸汽量:

1

m——

Wn

1

1391.297

0.0007187kg/s

郎肯循环净功为透平产功与泵轴功的代数和:

热效率：

TWn1391.2970.4275

q03254.587

7-20.用热效率为30%勺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：

Ql

Ws

Ql

丄kJ

Ws

4

此净功来自热机：

C

w

Qh

Ws也0.833KJ

Qh

c0.3

7-21.某蒸汽压缩制冷循环用氨做工质，工作于冷凝器压力和蒸发器压力之间。

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

1.394104kJ/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Ts图见7-21图1，工质为氨，由附录7~9查出各状态点的焓值。

状态点1:

由附录7查得蒸发压力为MPa时，制冷剂为饱和蒸汽的焓值。

p10.14MPah1332kcal/kg

状态点2:

由冷凝压力为，在附录9氨的lnpH图上，找出1点位置，

沿等熵线与P2=的等压线的交点3，图上直接查得

h2420kcal/kg

7-21题图1

状态点4:

从附录7氨的饱和蒸汽压表查得30.89C时饱和液体的焓值

1

h482.72kcalkg

状态点5:

5过程是等焓的节流膨胀过程，故

h5=h482.72kcalkg

（a）制冷系数:

7-22.为使冷库保持-20C,需将419000kJ/h的热量排向环境，若环境温度T0=27C,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。

Q0Ql

7-23.利用热泵从

41900077838kJ/h

5.38

Ws41900077838496838kJ/h

解：

依题意，供热系数

HP

T2273160619

T2T116090

90C的地热水中把热量传到160C的热源中，每消耗1kW电功，热源最

多能得到多少热量?

HP

QiQi

Q1HPPnet6.1916.19kW

Wnet

7-24•压缩机出口氨的压力为，温度为

50C,若按下述不同的过程膨胀到，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为温度为30C。

（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为时，温度为-33C。

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一25C,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NH的InP-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1h1=1430KJ•kg-1

-1

h2=1710KJ•kg

氨在冷凝器中的过程即2T3,h3=h4=320KJ•kg-1

5

QlQ01.67101

（1）氨流率m--150.5kgh

qLhh41430320

（2）制冷系数

qLhh41430320

3.96

wSh2h|17101430

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T—S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Qo=418OOkJ/h的氨压缩机，在下列条件下工作：

蒸发温度to=—15C,冷凝温度tk=25C,过冷温度t=20C,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为一15C的干饱和蒸气，由氨的温熵查得hi=1664kJ/kg。

由ti=—15C饱和汽线上该状态点（沿等熵线垂直向上）与t=30C对应的饱和压力p3=10x105Pa线相交，查得h2=1866kJ/kg。

状态点5为20C的过冷液体，查20C的饱和液体得h5=kg。

因节流前后焓值不变，则h4=h5=kg

（1）

7-26题图1

单位质量的制冷能力为

qo=h1—h4=1664—=（kJ/kg）

（2）每小时制冷剂循环量为

QLQ041800ccCF|1

m--36.37kgh

qLh1h41149.4

（3）在冷凝器中制冷剂放出的热量为

Q=m（h5—h2）=x（—1866）=—（kJ/h）

（4）压缩机的理论功率为

PT=m（h2—hj=x（1866—1664）

=（kJ/h）=s=

（5）理论制冷系数

qLq。

q。

1149.4

5.69

wSwSh2h|18661664

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5C的冷水，被送到使用地点，吸热升温后以13C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32C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5C水的饱和蒸气压p1=x105Pa,冷凝器的温度为32C水的饱和压力p2=x105Pa

（2）本装置依靠5C的冷水从室内吸热，从而升温至13C来降低室温，故本装置的制冷

量为

Q=nm（h5—h6）=m2CP（T5—T6）

=750XX（13-5）

=25104（kJ/min）=1506240kJ/h

（3）对蒸发器作质量衡算

m=ms+mi>

（1）

对蒸发器再作能量衡算

mh5=mm+mi>h6

联立方程

（1）和

（2）求得mt,即为冷水循环所需的补充量

750（h5馆）

hih5

从饱和水和饱和蒸气表查得

h1（t=5C,x=）=2460kJ/kg,h5（t=13C的饱和水）=54.（kJ/kg）

因此

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4C,冷凝器（用于制热）平均温度为50C。

设夏季运行时的室外

温度（平均）为35C,蒸发器（用于制冷）平均温度为4C,若要求制热（制冷）量为105kJh1,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50C。

依公式（7-37），有

|Q^Q冷凝器T227350

HPCWSWT2T1504

105

W3.96kW

4C。

7.0223600

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

Ql|

Q蒸发器

T12734

Ws|

W

T1T2354

8.935

C

105

36008.935

3.11kW

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Ql,R-134a蒸汽经压缩后在冷凝

器中凝结为液体放出热量Qh，供室内取暖。

设蒸发器中R-134a的温度为-10C,冷凝器中

R-134a蒸气的冷凝温度为30C，试求：

（1）热泵的供热系数；

（2）室内供热100000kJ-h-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100000kJ-h-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。

根据右10C,由附录6查得:

111

p0.771MPa,hi392.01kJ*g，S1=1.7309kjgkggK

由t330C查得：

p3p20.77021MPa,h3h4241.80kJgkg

由p20.77021MPa及s2s，从附录6内插得h?

419.64kJ*g,

7-29题图1

（当p20.7701MPa,s1.7131kjg

做压力内插得h2419.64kJgkg1）,故

（1）以单位质量为基准计算，依公式（7-36）

100000

6.443600

4.32（kJgs1）4.32kW

Ws

（2）依公式（7-36）

HPWS|ws|

（3）电炉的功率为：

100000/360027.78（kW）

ss3CPln文

7-30题图1

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15C,冷凝器温度为50C，冷凝器向房屋排放X104kJ•h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60C,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

CP为定值，CP=kJ•kg-1•h-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:

t1

15C,

P1

0.491MPa,3=0.6902kjgkg1gK1,

11

h1193.8kJ*ggK

状态点

2:

t2

60C,

P2

1.219MPa

状态点

3:

t3

50C,

P3

1.219MPa,h3206.5kJ*g1

11

%0.6797kJgkggK

假定压缩后过热蒸汽为理想气体，CP为定值。

制冷剂的循环量

q2

8.410654kggh1

128.44

=8.4

假设热机热泵均为可逆的，试问

温度/c

饱和压力

/kPa

1

h/（kJgkg）

11

s/（kjgkggK）

hsl

hsv

slS

svs

15

491

50

1219

R-12的有关热力学参数

7-31.动力-热泵联合体系工作于

（3）电炉的功率为：

W

100C和20C之间，热机工作于100C和20C之间。

100C下供给单位热量所产生的工艺用热量（100C下得

104/360023.33（kW）

解：

（1）热机：

C

Ws

qH

Th

单位热量：

qH1KJ

到的热量）是多少?

T293

故wSC1丄10.7698kJ

Th1273

传热量：

q2HpcwS4.66250.76983.5892KJ

7-32.用简单林德循环使空气液化。

空气初温为17C，节流膨胀前压力P2为10MPa节流

31

后压力R为，空气流量为0.9m•h-（按标准状态计）。

求：

（1）理想操作条件下空气液化率和每小时液化量；

（2）若换热器热端温差为10C,由外界传入的热量为•kg-1，向对液化

11

量的影响如何？

空气的比热Cp为kJ•kg•K。

解：

简单的林德循环T—S图如上表示：

对于空气从T—S图上可查得各状态点的焓值

状态点

性状

T/K

P/MPa

h/KJ•kg-'

1

过热蒸汽

290

460

2

过热蒸汽

290

10

435

0

饱和液体

42

q冷损=•kg-1

换热器热端温差造成热交换损失q温损,

-1

q温损=Cp^AT=x10=10KJ•kg

实际液化量

Ah2Q温损Q冷损

x实

h1h。

46043510

46042

33

0.028kgkg1

7-20某一理想Rankine循环，锅炉的压力为，冷凝器的压力为，冷凝温度为32.56C,求

以下两种条件时，Rankine循环的热效率与乏汽冷凝所放出的热量，并加以比较：

（1）如果

进入汽轮机的蒸汽是饱和蒸汽；

（2）如果进入汽轮机的蒸汽是温度为440C的过热蒸汽。

要求将这两种蒸汽动力循环标示在T-S图上。

解：

（1）进入汽轮机的状态点P1=4MPa，对应的饱和蒸汽温度T仁C

H1=kJ/kgS仁kJ/

乏汽P2=MPa,S2=S1=kJ/，查得H2=kJ/kg

冷凝器出口饱和液体P3=,T=C,H3=kJ/kg,S3=

锅炉进水：

S4=S3=,P4=4MPaT4=C,H4=

所以

锅炉吸热：

Q41=H1-H4=kJ/kg

乏汽冷凝放热：

Q32=H3-H2=kJ/kg

汽轮机做功：

Ws=H2-H1=kJ/kg

离心泵做功：

Wp=H4-H3=kJ/kg

热力学效率

WsWp

951.063+4.0123

0.3562

Q41

2658.553915

（2）进入汽轮机蒸汽P1=4MPa,T1=440C，所以

H1=kJ/kg,S仁kJ/（kg*K）

乏汽P2=,S2=S1=kJ/（kg*K），查得：

H2=kJ/kg

冷凝器出口饱和液体P3=,T=C,H3=kJ/kg,S3=

锅炉进水：

S4=S3=,P4=4MPaT4=C,H4=

所以

锅炉吸热：

Q41=H1-H4=kJ/kg

乏汽冷凝放热：

Q32=H3-H2=kJ/kg

汽轮机做功：

Ws=H2-H1=kJ/kg

离心泵做功：

Wp=H4-H3=kJ/kg

3166.544

Q41

WsWp1202.454.0123门―

热力学效率0.3784