工程热力学课后答案

1、第六章水蒸气性质和蒸汽动力循环1 .理想气体的热力学能只是温度的函数，而实际气体的热力学能则和温度 及压力都有关。试根据水蒸气图表中的数据，举例计算过热水蒸气的热力学能以 验证上述结论。答:以500 c的过热水蒸汽为例，当压力分别为1bar、30bar、100bar及300bar时，从表中可查得它们的始值及比容，然后可根据u h pv计算它们的热力学能，计算结果列于表中：toCPbarvm 3/kghkJ/kgu(kJ/kg)500130100300由表中所列热力学能值可见：虽然温度相同，但由于是实际气体比容不同，热力学能值 也不同。2 .根据式(3-31)。0-1 可知：在定压过程中dh=c

2、pdT0这对任何物质都适 p用，只要过程是定压的。如果将此式应用于水的定压汽化过程，则得dh = cpdT=0因为水定压汽化时温度不变，dT=0o然而众所周知，水在汽化时始是增加的(dh>0)。问题到底出在哪里？答:确实，dh=cpdT可用于任何物质，只要过程是定压过程。水在汽化时，压力不 变，温度也不变，但仍然吸收热量汽化潜热吸热而不改变温度，其比热应为无穷大，即此处的Cd亦即为ct,而ct。此时dh0=不定值，因此这时的始差或热量潜热p不同通过比热和温差的乘积来计算。3 .物质的临界状态究竟是怎样一种状态？答:在较低压力下，饱和液体和饱和蒸汽虽具有相同的温度和压力，但它们的密度 却有

3、很大的差异，因此在重力场中有明显的界面液面将气液两相分开，随着压力升高， 两饱和相的密度相互接近，而在逼近临界压力相应地温度也逼近临界温度时，两饱和相的密度差逐渐消失。流体的这种汽液两相无法区分的状态就是临界状态。由于在临界状态下，各微小局部的密度起伏较大，引起光线的散射形成所谓临界乳光。4 .各种气体动力循环和蒸汽动力循环，经过理想化以后可按可逆循环进行 计算，但所得理论热效率即使在温度范围相同的条件下也并不相等。这和卡诺定理有矛盾吗？答:并不矛盾，虽然经过理想化的各种循环都可以按可逆循环计算，但甚至在相同的温度范围内指循环最高温度和最低温度之间也不一定具有相同的热效率。原因是吸热过程和防热

4、过程并不都是在最高温度和最低温度下进行的，因而可能具有不同的平均吸热温度和平均放热温度。所以循环热效率也可以不同。卡诺定理则是专对在最高温度下吸热和在 最低温度下放热的可逆循环包括卡诺循环和回热卡诺循环而言的。5 .能否在蒸汽动力循环中将全部蒸汽抽出来用于回热这样就可以取消凝 汽器，Q2=0，从而提高热效率？能否不让乏汽凝结放出热量 Q2,而用压缩机将 乏汽直接压入锅炉，从而减少热能损失，提高热效率？答:不能在蒸汽动力装置中将全部蒸汽抽出来，用于回热。因为锅炉给水吸收不了这么大的回热量，回热的抽气量是由热平衡方程确定的，通常只占汽轮机中蒸汽流量的小部分，也不能将乏汽直接压入锅炉，由于不可逆性的

5、存在，如果这样做，所需的压缩功将超过蒸汽在汽轮机中膨胀作出功， 整个装置不仅无动力输出， 反而消耗动力，因而不可能起到节 能和提高热效率的作用。6-1利用水蒸气的始嫡图填充以下空白:状态p/MPat/oCh/(kJ/kg)s/kJ/(kg K)干度x/%过热度D/ oC155003 4342352133.52 55031802 5244472 34590544003 2121506-2 已知以下各状态：1p= 3MPat= 300C;2p= 5MPat= 155C;3p= 0.3MPax= o试利用水和水蒸气热力性质表查出或计算出各状态的比体积、始、嫡和热力学能 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 ,查饱和水蒸气表附表 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、试利用电脑，通过对式7-2的计算，列出一个从三相点到临界点饱 和蒸汽压随温度变化的关系表从0 c开始，温度间隔取10 C，并与附表6中的数据对照。答案:从略6-4 某锅炉每小时生产10 t水蒸气，其压力为1 MPa,温度为350 C。 锅炉给水温度为40 C,压力为1.6 MPa o已知锅炉效率为蒸汽吸收的热量0B 燃料可产生的热能80%煤的发热量H=29 000 kJ/kg 。求每小时的耗煤量。解:Q蒸汽吸 m蒸汽h m蒸汽 (h2 hi)由P16bar ,t1400C，查未饱和水附表8，得加168.73kJ / kg由F210bar ,t23500c，查过热蒸气附表8，得h23157.7k

9、J/kg所以Q 蒸汽吸 104 (3157.7 168.73)煤发热Q煤 m煤Hv由热量平衡，Q蒸汽吸 Q煤？ B Q煤？Hv? B可得m煤"吸104 （3159.7 16产1.288吨/h（B?Hr）0.80 2.9 1013 106-5 过热水蒸气的参数为：P1=13 MPa 11=550 C。在蒸汽轮机中定嫡膨胀 到65 MPa。蒸汽流量为每小时130 t 。求蒸汽轮机的理论功率和出口处乏汽的 湿度。假设蒸汽轮机的相对内效率ri 85%,求蒸汽轮机的功率和出口处乏汽的湿度，并计算因不可逆膨胀造成蒸汽比嫡的增加。解:查水蒸气的h-s表计算如下：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 ,查饱和蒸气表附表 7得2s点各参数为: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)则 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理论功率PTsmWts130 1033600(N h2s)(3469.02013.3) 52578kWPTmWtsri13 1043600(3469 2013.3) 0.8544691kW为求2状态点的干度必先求出h2,可由相对内效率定义求得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不可逆损

12、失造成的蒸汽比嫡增加为：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 一台功率为200 MW的蒸汽轮机，其耗汽率d = 3.1 kg/(kW h)。乏汽 压力为0.004 MPa,干度为，在凝汽器中全部凝结为饱和水图 7-27。已知冷 却水进入凝汽器时的温度为10 C,离开时的温度为18 C；水的比定压热容为 4

13、.187 kJ/ kgK，求冷却水流量。解先求每小时的蒸汽流量m P?d 200000 3.1kg/h由 P 0.004MPa , X = 0.9 附表 7,得 2432.2kJ根据热量平衡方程所以m乏气m冷水放6-7已知朗肯循环的蒸汽初压p1=10 MPa,终压p2=0.005 MPa；初温为：1500 C、2550 C。试求循环的平均吸热温度、理论热效率和耗汽率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已知朗肯循环的初温ti=500C,终压p2。初压为：110MPa215MP

14、a 试求循环的平均吸热温度、理论热效率和乏汽湿度。答案1528.45 K ,42.09 %,22.8 %(2)538.35 K ,43.15 %,25.9 %循环平均吸热温度°C循环平均吸热温度0C* . K.一一,一.6-9 某蒸汽动力装置米用再热循环。已知新汽参数为P1=14 MPa11=550 C, 再热蒸汽的压力为3 MPa,再热后温度为550 C,乏汽压力为0.004 MPa。试 求它的理论热效率比不再热的朗肯循环高多少，并将再热循环表示在压容图和始 嫡图中。答案2.17 %4.68 %6-10 某蒸汽动力装置米用二次抽汽回热。已知新汽参数为p1=14 MPa11=550

15、C,第一次抽汽压力为2 MPa,第二次抽汽压力为0.16 MPa,乏汽压力 为 0.005 MPa。试问：1它的理论热效率比不回热的朗肯循环高多少？2耗汽率比朗肯循环增加了多少？3为什么热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)因为抽气凝结放出的热量加热给锅炉给水，使水在锅炉里吸热减少低温吸热段没有了从而提高了循环的平均吸热温度即T1m ,而T2m不变所以热效率t由两次抽汽使最后在汽轮机里膨胀做功的蒸汽量由原来1kg减少为112 kg 0.7074kg ,所以还要做出原来那么多功的话，虽然消耗的热量比原来少了，但

16、是其蒸汽耗量却必然要增加。第十三章制冷循环1 .利用制冷机产生低温，再利用低温物体做冷源以提高热机循环的热效率。 这样做是否有利？答:这样做必定不利，因为虽然低温物体作冷源可以提高热及循环的热效 率，多获得功，但是要造成这样的低温冷源，需要制冷机，需要耗功，由于不可 逆性的存在，制冷机消耗的功必然大于热机多获得的功，因此，这样做是得不偿失的。2 .如何理解空气压缩制冷循环采取回热措施后，不能提高理论制冷系数， 却能提高实际制冷系数？答:参见图a,没有回热的循环为12341，有回热的循环为1253r41。采用 回热循环后，在理论上制冷能力为q2过程4- 1的吸热量以及循环消耗的净功 和向外界派出

17、的热与没有回热的循环相比，显然都没有变W=Wq1r二q所以理论制冷系数也没有变e r=£ K但是采用回热后，循环的增压比降低了，从而 使压气机耗功和膨胀机做功减少了同一数量， 这也减轻了压气机和膨胀机的工作 负担，使它们在较小的压力范围内工作，因而机器可以设计得比较简单而轻小， 另外，如果考虑到压气机和膨胀机的不可逆性图 b那么采用回热压气机少消 耗的功将不是等于而是大于膨胀机少作出功。因而制冷机实际消耗的净功将会减 少。同时，每kg空气的制冷量也相应地有所增加如b图中面积a所示所以采用 回热措施能提高空气压缩制冷循环的实际制冷系数，因而这种循环在深度制冷， 液化气体等方面获得了实际

18、应用。图b3 .参看图8-13。如果蒸气压缩制冷装置按1'2'351'运行，就可以在不增加压 气机耗功的情况下增加制冷剂在冷库中的吸热量（由原来的h1 h4增加为h1 h5）, 从而可以提高制冷系数。这样考虑对吗？答:不对。因为要实现定压冷却过程35,就需要一定的制冷量（h3h5）, 这冷量只能来自冷库，因而冷库的制冷量将减少，这减少量恰好等于由定压冷却 过程取代节流过程带来的制冷量的增加：h3 h5 h4' h5（、， h5） （hi , h4'）所以，这样做在理论上并无得益，而实际上不仅增加了设备的复杂性 由简 单的节流阀变成较复杂的换热器。还会由于

19、换热器存在的损失而导致实际制冷 系数的降低。13-11设大气温度为30 C,冷库温度分别为0 C、-10 C、-20 C,求逆向卡诺循环的制冷系数。2设大气温度为10 C,供热温度分别为40 C、50 C、60 C,求逆向卡诺循环的供热系数。解:1逆向卡诺循环的制冷系数由（8-2）式得：C130 273.15 “19.105C2兀1TR2C3TR3273.1530 273.1510 273.15130 273.1520 273.156.57885.063可见，当T0一定时，Tr愈低，C愈小（2）逆向卡诺循环的供热系数由（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可见，当T0一定时，Th愈高，C愈小，且C 113-2 已知大气温度为25 C,冷库温度为-10 C,压气机增压比分别为2、 3、4、5、6。试求空气压缩制冷循环的理论制冷系数。在所给的条件下，理论制 冷系数最大可达多少按定比热容理想气体计算？解:空气压缩制冷循环的理论制冷系数可由（8-5）式求得：可见，当1max TjZ T0min 1Tr125 273.15 110 273.157.5192时，114.5660 111.4 12413时，11

21、2.7120 11.4 10131”14时，112.0580 11.4 1014 1.415时，111.7130 11.4 1015 1.416时，111.4960 11.4 1016 1.4113-3 大气温度和冷库温度同习题8-2。压气机增压比为3,压气机绝热效 率为82%,膨胀机相对内效率为84%,制冷量为08 106 kJ/h。求压气机所需功率、 整个制冷装置消耗的功率和制冷系数按定比热容理想气体计算 。解:由例8-1可知，考虑了压气机和膨胀机不可逆损失的空气压缩制冷循 环的实际制冷系数可由下式求得：T 0 1ri 1 TR1 1/0Tr riC,s0.84110 273.15125

22、273.151.4 11/3每kg空气吸热量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空气流量压气机所需功率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膨胀机所做功率ptm?WrS/ rim? rt0(i0 1j

23、)? ri0制冷循环消耗的功率1.44.8790.2871 298.151.4 11(1 174-t) 0.84O 1.4330.78 kWP Pc PT580.09330.78 249.32kW13-4 某氨蒸气压缩制冷装置参看图8-10，已知冷凝器中氨的压力为1MPa节流后压力降为0.2 MPa制冷量为0.12 106 kJ/h ,压气机绝热效率为80%。试求：1氨的流量；2压气机出口温度及所耗功率；3制冷系数；4冷却水流量已知冷却水经过氨冷凝器后温度升高 8 K,水的比定压热容为 4.187 kJ/(kg k)。解:参考图 8-10、8-11 及8-12, 由 P； 0.2MPa ,查

24、logP h 图 得 h' 1560kJ / kg图 S-10由P'1 0.2MPa沿等嫡线向上与p'2 1MPa线交于2点 查得 h2s 1800 kJ / kg因为:W里CS Wh2s'hih2h1h2,hi'h2s'hr1570cs1800 1560 1860 k, 0.80J/kgh3h4'440 kJ / kg查 IgP-h 图氨的流量:一 Q2Q2m q2h1'h4'60.12 10 /36000.02980kg / s1560 440(2)压气机出口温度及耗功率:T 2 由 h2, 1860kJ / kg 等

25、烙线与 p'2 1MPa0线交点，查IgP-h图可得：t'2 386kPc mwcs/ cs m(h2,s hr)/ cs0.2980 (1800 1560)/0.808.94kW(3)制冷系数理论:q2wcshi'h4'h2'sh1'1560 440 4.66171800 1560cs4.66170.80 3.7336(4)冷却水流量冷却水带走的热量应等于氨气放出的热量，即由热平衡方程得:Q1 mq1 m(h2' hs) mC p t-'m(h2' h3) m 4.187 80.02980 (喇 44.0) 1s4.187 8可见所需冷却水量是相当大的m 1.2633m 0.0