工程熱力學課后答案

1、第六章水蒸氣性質(zhì)和蒸汽動力循環(huán)1 .理想氣體的熱力學能只是溫度的函數(shù)，而實際氣體的熱力學能則和溫度 及壓力都有關。試根據(jù)水蒸氣圖表中的數(shù)據(jù)，舉例計算過熱水蒸氣的熱力學能以 驗證上述結(jié)論。答:以500 c的過熱水蒸汽為例，當壓力分別為1bar、30bar、100bar及300bar時，從表中可查得它們的始值及比容，然后可根據(jù)u h pv計算它們的熱力學能，計算結(jié)果列于表中：toCPbarvm 3/kghkJ/kgu(kJ/kg)500130100300由表中所列熱力學能值可見：雖然溫度相同，但由于是實際氣體比容不同，熱力學能值 也不同。2 .根據(jù)式(3-31)。0-1 可知：在定壓過程中dh=c

2、pdT0這對任何物質(zhì)都適 p用，只要過程是定壓的。如果將此式應用于水的定壓汽化過程，則得dh = cpdT=0因為水定壓汽化時溫度不變，dT=0o然而眾所周知，水在汽化時始是增加的(dh>0)。問題到底出在哪里？答:確實，dh=cpdT可用于任何物質(zhì)，只要過程是定壓過程。水在汽化時，壓力不 變，溫度也不變，但仍然吸收熱量汽化潛熱吸熱而不改變溫度，其比熱應為無窮大，即此處的Cd亦即為ct,而ct。此時dh0=不定值，因此這時的始差或熱量潛熱p不同通過比熱和溫差的乘積來計算。3 .物質(zhì)的臨界狀態(tài)究竟是怎樣一種狀態(tài)？答:在較低壓力下，飽和液體和飽和蒸汽雖具有相同的溫度和壓力，但它們的密度 卻有

3、很大的差異，因此在重力場中有明顯的界面液面將氣液兩相分開，隨著壓力升高， 兩飽和相的密度相互接近，而在逼近臨界壓力相應地溫度也逼近臨界溫度時，兩飽和相的密度差逐漸消失。流體的這種汽液兩相無法區(qū)分的狀態(tài)就是臨界狀態(tài)。由于在臨界狀態(tài)下，各微小局部的密度起伏較大，引起光線的散射形成所謂臨界乳光。4 .各種氣體動力循環(huán)和蒸汽動力循環(huán)，經(jīng)過理想化以后可按可逆循環(huán)進行 計算，但所得理論熱效率即使在溫度范圍相同的條件下也并不相等。這和卡諾定理有矛盾嗎？答:并不矛盾，雖然經(jīng)過理想化的各種循環(huán)都可以按可逆循環(huán)計算，但甚至在相同的溫度范圍內(nèi)指循環(huán)最高溫度和最低溫度之間也不一定具有相同的熱效率。原因是吸熱過程和防熱

4、過程并不都是在最高溫度和最低溫度下進行的，因而可能具有不同的平均吸熱溫度和平均放熱溫度。所以循環(huán)熱效率也可以不同?？ㄖZ定理則是專對在最高溫度下吸熱和在 最低溫度下放熱的可逆循環(huán)包括卡諾循環(huán)和回熱卡諾循環(huán)而言的。5 .能否在蒸汽動力循環(huán)中將全部蒸汽抽出來用于回熱這樣就可以取消凝 汽器，Q2=0，從而提高熱效率？能否不讓乏汽凝結(jié)放出熱量 Q2,而用壓縮機將 乏汽直接壓入鍋爐，從而減少熱能損失，提高熱效率？答:不能在蒸汽動力裝置中將全部蒸汽抽出來，用于回熱。因為鍋爐給水吸收不了這么大的回熱量，回熱的抽氣量是由熱平衡方程確定的，通常只占汽輪機中蒸汽流量的小部分，也不能將乏汽直接壓入鍋爐，由于不可逆性的

5、存在，如果這樣做，所需的壓縮功將超過蒸汽在汽輪機中膨脹作出功， 整個裝置不僅無動力輸出， 反而消耗動力，因而不可能起到節(jié) 能和提高熱效率的作用。6-1利用水蒸氣的始嫡圖填充以下空白:狀態(tài)p/MPat/oCh/(kJ/kg)s/kJ/(kg K)干度x/%過熱度D/ oC155003 4342352133.52 55031802 5244472 34590544003 2121506-2 已知以下各狀態(tài)：1p= 3MPat= 300C;2p= 5MPat= 155C;3p= 0.3MPax= o試利用水和水蒸氣熱力性質(zhì)表查出或計算出各狀態(tài)的比體積、始、嫡和熱力學能 解(1) v 0.08116m

6、3/kg ； h 2994.2kJ/kg； s 6.5498kJ /(kg ?K)53u h pv 2994.2 30 10 0.08116 102750.92kJ/kg3.(2) v 0.001093525m /kg ； h 656.525kJ / kg ; s 1.8865kJ /(kg ?K)310651.057kJ/kg一一 一 一 一 5 一一一.u h pv 656.525 50 100.001093525 由P 3bar ,查飽和水蒸氣表附表 7得：0 .'3"3ts 133.54 C， v 0.0010735m / kg ； v 0.60586m /kg

7、9;''h 561.4kJ/kg ；h2725.5kJ / kg1 . " _s 1.6717kJ / kg ；s6.9930kJ /(kg ?K)所以 v v (v' v) 0.0010735 0.92 (0.60856 0.0010735) 0.55748m3/kghh(hh) 561.40.92 (2725.5561.4) 2552.372kJ / kgss(ss) 1.67170.92 (6.99301.6717) 6.5673kJ /(kg ? K)53u h pv 2552.372 3 100.55748 102385.128kJ / kg6-3

8、試利用電腦，通過對式7-2的計算，列出一個從三相點到臨界點飽 和蒸汽壓隨溫度變化的關系表從0 c開始，溫度間隔取10 C，并與附表6中的數(shù)據(jù)對照。答案:從略6-4 某鍋爐每小時生產(chǎn)10 t水蒸氣，其壓力為1 MPa,溫度為350 C。 鍋爐給水溫度為40 C,壓力為1.6 MPa o已知鍋爐效率為蒸汽吸收的熱量0B 燃料可產(chǎn)生的熱能80%煤的發(fā)熱量H=29 000 kJ/kg 。求每小時的耗煤量。解:Q蒸汽吸 m蒸汽h m蒸汽 (h2 hi)由P16bar ,t1400C，查未飽和水附表8，得加168.73kJ / kg由F210bar ,t23500c，查過熱蒸氣附表8，得h23157.7k

9、J/kg所以Q 蒸汽吸 104 (3157.7 168.73)煤發(fā)熱Q煤 m煤Hv由熱量平衡，Q蒸汽吸 Q煤？ B Q煤？Hv? B可得m煤"吸104 （3159.7 16產(chǎn)1.288噸/h（B?Hr）0.80 2.9 1013 106-5 過熱水蒸氣的參數(shù)為：P1=13 MPa 11=550 C。在蒸汽輪機中定嫡膨脹 到65 MPa。蒸汽流量為每小時130 t 。求蒸汽輪機的理論功率和出口處乏汽的 濕度。假設蒸汽輪機的相對內(nèi)效率ri 85%,求蒸汽輪機的功率和出口處乏汽的濕度，并計算因不可逆膨脹造成蒸汽比嫡的增加。解:查水蒸氣的h-s表計算如下：由 P 13bar，t1 5500C

10、，查附表附表 8，得 h 3469.0kJ/kg ； Si 6.6049kJ/kg由P2 0.005bar ,查飽和蒸氣表附表 7得2s點各參數(shù)為:s 32.880C ；h 2s 137.2kJ / kg ； h 2s 2560.55kJ / kg ；r 2422.8kJ / kg ； s2s 0.4761kJ /(kg ? K)；''S2s 8.3930kJ/(kg ?K)則 S2s Si 6.6049S'2s(S'2s S'2s)S 2sr2s -T2s所以2s(s1 s2s)-2S r(6.6049 0.4761)(273.15 32.89)242

11、3.40.77414y2s1 2s1 0.77414 0.2259h2sh2s r2s 137.22422.8 0.774142013.3kJ / kg理論功率PTsmWts130 1033600(N h2s)(3469.02013.3) 52578kWPTmWtsri13 1043600(3469 2013.3) 0.8544691kW為求2狀態(tài)點的干度必先求出h2,可由相對內(nèi)效率定義求得h2h2加(hi h2s)ri34693469 2013 0.85 2231.4 kJ/kg2h1 2231.4 137.2 0.86416r2422.8y2 12 1 0.86416 0.1358不可逆損

12、失造成的蒸汽比嫡增加為：S S2 S2sS2sS1 6.6049kJ /(kg ? K)''''S2 S22(S 2 S2s)0.4761 0.86416 (8.3932 0.4761) 7.3176kJ /(kg ?K)所以 S2 2S s2 s2s 7.3176 6.6049 0.7127kJ /(kg ?K)6-6 一臺功率為200 MW的蒸汽輪機，其耗汽率d = 3.1 kg/(kW h)。乏汽 壓力為0.004 MPa,干度為，在凝汽器中全部凝結(jié)為飽和水圖 7-27。已知冷 卻水進入凝汽器時的溫度為10 C,離開時的溫度為18 C；水的比定壓熱容為 4

13、.187 kJ/ kgK，求冷卻水流量。解先求每小時的蒸汽流量m P?d 200000 3.1kg/h由 P 0.004MPa , X = 0.9 附表 7,得 2432.2kJ根據(jù)熱量平衡方程所以m乏氣m冷水放6-7已知朗肯循環(huán)的蒸汽初壓p1=10 MPa,終壓p2=0.005 MPa；初溫為：1500 C、2550 C。試求循環(huán)的平均吸熱溫度、理論熱效率和耗汽率kg/kW h。答案1 528.459 % , 51 kg/ (kW.h)2 542.75 K , 43.62 % , 2.483 kg/ (kW.h)6-8已知朗肯循環(huán)的初溫ti=500C,終壓p2。初壓為：110MPa215MP

14、a 試求循環(huán)的平均吸熱溫度、理論熱效率和乏汽濕度。答案1528.45 K ,42.09 %,22.8 %(2)538.35 K ,43.15 %,25.9 %循環(huán)平均吸熱溫度°C循環(huán)平均吸熱溫度0C* . K.一一,一.6-9 某蒸汽動力裝置米用再熱循環(huán)。已知新汽參數(shù)為P1=14 MPa11=550 C, 再熱蒸汽的壓力為3 MPa,再熱后溫度為550 C,乏汽壓力為0.004 MPa。試 求它的理論熱效率比不再熱的朗肯循環(huán)高多少，并將再熱循環(huán)表示在壓容圖和始 嫡圖中。答案2.17 %4.68 %6-10 某蒸汽動力裝置米用二次抽汽回熱。已知新汽參數(shù)為p1=14 MPa11=550

15、C,第一次抽汽壓力為2 MPa,第二次抽汽壓力為0.16 MPa,乏汽壓力 為 0.005 MPa。試問：1它的理論熱效率比不回熱的朗肯循環(huán)高多少？2耗汽率比朗肯循環(huán)增加了多少？3為什么熱效率提高了而耗汽率反而增加呢？答案14.47 %10.97 %2 0.43 kg / (kW.h) 17.27 % (3)因為抽氣凝結(jié)放出的熱量加熱給鍋爐給水，使水在鍋爐里吸熱減少低溫吸熱段沒有了從而提高了循環(huán)的平均吸熱溫度即T1m ,而T2m不變所以熱效率t由兩次抽汽使最后在汽輪機里膨脹做功的蒸汽量由原來1kg減少為112 kg 0.7074kg ,所以還要做出原來那么多功的話，雖然消耗的熱量比原來少了，但

16、是其蒸汽耗量卻必然要增加。第十三章制冷循環(huán)1 .利用制冷機產(chǎn)生低溫，再利用低溫物體做冷源以提高熱機循環(huán)的熱效率。 這樣做是否有利？答:這樣做必定不利，因為雖然低溫物體作冷源可以提高熱及循環(huán)的熱效 率，多獲得功，但是要造成這樣的低溫冷源，需要制冷機，需要耗功，由于不可 逆性的存在，制冷機消耗的功必然大于熱機多獲得的功，因此，這樣做是得不償失的。2 .如何理解空氣壓縮制冷循環(huán)采取回熱措施后，不能提高理論制冷系數(shù)， 卻能提高實際制冷系數(shù)？答:參見圖a,沒有回熱的循環(huán)為12341，有回熱的循環(huán)為1253r41。采用 回熱循環(huán)后，在理論上制冷能力為q2過程4- 1的吸熱量以及循環(huán)消耗的凈功 和向外界派出

17、的熱與沒有回熱的循環(huán)相比，顯然都沒有變W=Wq1r二q所以理論制冷系數(shù)也沒有變e r=£ K但是采用回熱后，循環(huán)的增壓比降低了，從而 使壓氣機耗功和膨脹機做功減少了同一數(shù)量， 這也減輕了壓氣機和膨脹機的工作 負擔，使它們在較小的壓力范圍內(nèi)工作，因而機器可以設計得比較簡單而輕小， 另外，如果考慮到壓氣機和膨脹機的不可逆性圖 b那么采用回熱壓氣機少消 耗的功將不是等于而是大于膨脹機少作出功。因而制冷機實際消耗的凈功將會減 少。同時，每kg空氣的制冷量也相應地有所增加如b圖中面積a所示所以采用 回熱措施能提高空氣壓縮制冷循環(huán)的實際制冷系數(shù)，因而這種循環(huán)在深度制冷， 液化氣體等方面獲得了實際

18、應用。圖b3 .參看圖8-13。如果蒸氣壓縮制冷裝置按1'2'351'運行，就可以在不增加壓 氣機耗功的情況下增加制冷劑在冷庫中的吸熱量（由原來的h1 h4增加為h1 h5）, 從而可以提高制冷系數(shù)。這樣考慮對嗎？答:不對。因為要實現(xiàn)定壓冷卻過程35,就需要一定的制冷量（h3h5）, 這冷量只能來自冷庫，因而冷庫的制冷量將減少，這減少量恰好等于由定壓冷卻 過程取代節(jié)流過程帶來的制冷量的增加：h3 h5 h4' h5（、， h5） （hi , h4'）所以，這樣做在理論上并無得益，而實際上不僅增加了設備的復雜性 由簡 單的節(jié)流閥變成較復雜的換熱器。還會由于

19、換熱器存在的損失而導致實際制冷 系數(shù)的降低。13-11設大氣溫度為30 C,冷庫溫度分別為0 C、-10 C、-20 C,求逆向卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)。2設大氣溫度為10 C,供熱溫度分別為40 C、50 C、60 C,求逆向卡諾循環(huán)的供熱系數(shù)。解:1逆向卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)由（8-2）式得：C130 273.15 “19.105C2兀1TR2C3TR3273.1530 273.1510 273.15130 273.1520 273.156.57885.063可見，當T0一定時，Tr愈低，C愈小（2）逆向卡諾循環(huán)的供熱系數(shù)由（8-4）式得:C11Th1_ctc / l 6.26310 273.154

20、0 273.15C21匹Th2110 273.151 50 273.155.2858C31nzTh3110 273.1560 273.154.7593可見，當T0一定時，Th愈高，C愈小，且C 113-2 已知大氣溫度為25 C,冷庫溫度為-10 C,壓氣機增壓比分別為2、 3、4、5、6。試求空氣壓縮制冷循環(huán)的理論制冷系數(shù)。在所給的條件下，理論制 冷系數(shù)最大可達多少按定比熱容理想氣體計算？解:空氣壓縮制冷循環(huán)的理論制冷系數(shù)可由（8-5）式求得：可見，當1max TjZ T0min 1Tr125 273.15 110 273.157.5192時，114.5660 111.4 12413時，11

21、2.7120 11.4 10131”14時，112.0580 11.4 1014 1.415時，111.7130 11.4 1015 1.416時，111.4960 11.4 1016 1.4113-3 大氣溫度和冷庫溫度同習題8-2。壓氣機增壓比為3,壓氣機絕熱效 率為82%,膨脹機相對內(nèi)效率為84%,制冷量為08 106 kJ/h。求壓氣機所需功率、 整個制冷裝置消耗的功率和制冷系數(shù)按定比熱容理想氣體計算 。解:由例8-1可知，考慮了壓氣機和膨脹機不可逆損失的空氣壓縮制冷循 環(huán)的實際制冷系數(shù)可由下式求得：T 0 1ri 1 TR1 1/0Tr riC,s0.84110 273.15125

22、273.151.4 11/3每kg空氣吸熱量1.4 110 273.15 a 3 1.425 273.151 - 0.84 0.820.6384q2h0hR Cp0(T1T4)Cp0(Tr T4) 1.005 (263.15 217.83) 45.55kJ/kg空氣流量壓氣機所需功率Q2q20.8 106/45.55 17564.4 kg/h 4.879 kg/sPcm ?wcs / csm?-rjr(0 i)/ cs0 11.4 114F4.879 一 0.2871 263.15 (3 1.41)/0.821.4 1580.09kW膨脹機所做功率ptm?WrS/ rim? rt0(i0 1j

23、)? ri0制冷循環(huán)消耗的功率1.44.8790.2871 298.151.4 11(1 174-t) 0.84O 1.4330.78 kWP Pc PT580.09330.78 249.32kW13-4 某氨蒸氣壓縮制冷裝置參看圖8-10，已知冷凝器中氨的壓力為1MPa節(jié)流后壓力降為0.2 MPa制冷量為0.12 106 kJ/h ,壓氣機絕熱效率為80%。試求：1氨的流量；2壓氣機出口溫度及所耗功率；3制冷系數(shù)；4冷卻水流量已知冷卻水經(jīng)過氨冷凝器后溫度升高 8 K,水的比定壓熱容為 4.187 kJ/(kg k)。解:參考圖 8-10、8-11 及8-12, 由 P； 0.2MPa ,查

24、logP h 圖 得 h' 1560kJ / kg圖 S-10由P'1 0.2MPa沿等嫡線向上與p'2 1MPa線交于2點 查得 h2s 1800 kJ / kg因為:W里CS Wh2s'hih2h1h2,hi'h2s'hr1570cs1800 1560 1860 k, 0.80J/kgh3h4'440 kJ / kg查 IgP-h 圖氨的流量:一 Q2Q2m q2h1'h4'60.12 10 /36000.02980kg / s1560 440(2)壓氣機出口溫度及耗功率:T 2 由 h2, 1860kJ / kg 等

25、烙線與 p'2 1MPa0線交點，查IgP-h圖可得：t'2 386kPc mwcs/ cs m(h2,s hr)/ cs0.2980 (1800 1560)/0.808.94kW(3)制冷系數(shù)理論:q2wcshi'h4'h2'sh1'1560 440 4.66171800 1560cs4.66170.80 3.7336(4)冷卻水流量冷卻水帶走的熱量應等于氨氣放出的熱量，即由熱平衡方程得:Q1 mq1 m(h2' hs) mC p t-'m(h2' h3) m 4.187 80.02980 (喇 44.0) 1s4.187 8可見所需冷卻水量是相當大的m 1.2633m 0.0