习题化工过程的能量分析

1、第四章 化工过程的能量分析4-1 设有一台锅炉，水流入锅炉是之焓为62.7kJ·kg-1，蒸汽流出时的焓为2717 kJ·kg-1，锅炉的效率为70，每千克煤可发生29260kJ的热量，锅炉蒸发量为4.5t·h-1，试计算每小时的煤消耗量。状态p/MPat/U/m·s-1H/(kJ·kg-1)进口水0.196702292.98出口蒸汽0.09811052002683.8解：锅炉中的水处于稳态流动过程，可由稳态流动体系能量衡算方程：体系与环境间没有功的交换：，并忽 动能和位能的变化，所以： 设需要煤mkg，则有：解得：45 一台透平机每小时消耗水

2、蒸气4540kg，水蒸气在4.482MPa、728K下以61m·s-1的速度进入机内，出口管道比进口管到底3m，排气速度366 m·s-1。透平机产生的轴功为703.2kW，热损失为1.055×105kJ·h-1。乏气中的一小部分经节流阀降压至大气压力，节流阀前后的流速变化可忽略不计。式计算经节流后水蒸气的温度及其过热度。解：稳态流动体系能量衡算方程：以每小时单位水蒸气作为计算标准将上述结果代入能量衡算方程得到：查表得到4.482MPa，728K过热水蒸汽焓值：进出口焓变为出口气体焓值减去进口气体焓值：对于节流膨胀过程，节流膨胀过程为等焓过程，节流后水蒸

3、气焓值：内插法查0.1MPa下过热水蒸汽表，得到：，过热度6.5416 1mol理想气体，400K下在气缸内进行恒温不可逆压缩，由0.1013MPa压缩到1.013MPa。压缩过程中，由气体移出的热量，流到一个300K的蓄热器中，实际需要的功较同样情况下的可逆功大20。试计算气体的熵变，蓄热器的熵变以及。解：稳态流动过程能量衡算方程理想气体： 理想气体的焓只是温度的函数，所以：对于可逆过程：理想气体恒温压缩下：对于不可逆过程：对于蓄热器可视为环境，对于环境交换的热量可视为可逆热，所以对蓄热器：总焓变：418 试求在恒压下将2kg 90的液态水和3kg 10的液态水绝热混合过程所引起的总熵变。为

4、简化起见，将水的热容取作常数，。解：90的液态水的放热量等于10的液态水的吸热量对于等压过程：设混合后水的温度为T3，所以：代入已知得：解得：90的液态水的熵变：10的液态水的熵变：同理可得总熵变：419 一换热器用冷水冷却油，水的流量为1000kg·h-1，进口温度为21，水的热容取作常数4184J·kg-1·K-1；油的流量为5000·h-1，进口温度为150，出口温度66，油的平均比热取0.6kJ·kg-1·K-1，假设无热损失。试计算：（1）油的熵变；（2）整个热交换过程总熵变化，此过程是否可逆？解：该过程压力变化很小，忽略压

5、力的影响。油的熵变：因为无热损失，则油放出的热量等于水吸收的热量，设水进出口温度分别为t2和t1 所以：解得：420 一发明者称他设计了一台热机，热机消耗热值为42000kJ·kg-1的油料0.5kg·min-1,其产生的输出功率为170kW，规定这热机的高温与低温分别为670K与330K，试判断此设计是否合理？解：可逆热机效率最大，可逆热机效率：热机吸收的热量：热机所做功为：该热机效率为：该热机效率小于可逆热机效率，所以有一定合理性。422 试求1.013×105Pa下，298K的水变为273K的冰时的理想功。设环境温度（1）248K；（2）298K。已知水和冰

6、的焓熵值如下表：状态温度(K)H（kJ·kg-1）S(kJ·kg-1·K-1)H2O(l)298104.80.3666H2O(s)273-334.9-1.2265解：（1）T0298K时：（2）T0298K时：424 用一冷冻系统冷却海水，以20kg·s-1的速率把海水从298K冷却到258K；并将热排至温度为303K的大气中，求所需功率。已知系统热力效率为0.2，海水的比热为3.5kJ·kg-1·K-1。解：因为是等压过程，所以：单位海水的放热量：总放热量：海水总熵变：理想功：热力学效率：所以实际功率为：428 有一锅炉，燃烧气的压

7、力为1.013×105Pa，传热前后温度分别为1127和537，水在6.890×105Pa 149下进入，以6.890×105Pa 260的过热蒸汽送出。设燃烧气的，试求该传热过程的损失功。解：损失功，需要分别计算水和燃烧气的熵变。水的熵变计算，需要查得水的各个状态下的焓熵值，每个状态下需要内插求值149 5.0MPa液态水的焓熵值计算149 7.5MPa水的焓熵值比较不同压力下的焓熵值可见，压力对液态水的焓熵值影响不大，也可忽略不计。149 6.890×105Pa液态水的焓熵值计算，可利用表中与6.890×105Pa这一压力最接近的压力25&

8、#215;105Pa代替，不会产生太大误差。149 5.0MPa液态水的焓熵值260 6.890×105Pa过热蒸汽的焓熵值计算：260 5×105Pa过热蒸汽的焓熵值260 7×105Pa过热蒸汽的焓熵值H（kJ·kg-1）Sk(J·kg-1·K-1)260 5×105Pa2981.47.3086260 7×105Pa2974.657.1437260 6.890×105Pa过热蒸汽的焓熵值燃烧气的熵变：以1kg燃烧气为计算标准，忽略热损失，燃烧气放热量等于水的吸热量，并设加热水的质量为m kg对于等压过

9、程有：燃烧气放热量：水的吸热量： 所以： 代入已知参数，得到：解得：总熵变：损失功：430 某工厂有一在1大气压下输送90热水的管道，由于保温不良，到使用单位，水温降至70，试计算热水由于散热而引起的有效能损失。已知环境温度为298K，水的热容4.184kJ·kg·K-1。解：由于，所以该题计算的重点为系统和环境的熵变的计算。（1） 利用水的热容计算体系熵变（水的熵变）：环境熵变的计算：等压过程：对于环境与体系交换的热量，对环境来说为可逆热，所以环境熵变为：总熵变：损失功为：（2） 利用水蒸汽表计算查水蒸汽表得：70 90 体系有效能变化：该体系不对外做功，有效能的变化就是

10、损失的有效能，故有效能损失为（3） 利用热量有效能计算435 某换热器完全保温，热流体的流量为0.042kg·s-1，进、出口换热器时的温度分别为150和35，其等压热容为4.36kJ·kg-1·K-1。冷流体进出换热器时的温度分别为25和110，其等压热容为4.69kJ·kg-1·K-1。试计算冷热流体有效能的变化、损失功和有效能效率。解：（方法一）利用热量有效能计算等压过程，交换的热量等于过程的焓变对于热流体：设环境温度，热流体的有效能Bh计算热流体平均温度：忽略热损失，热流体放热等于冷流体得到的热量同理对冷流体，对冷热流体组成的体系进行有效能恒算有效能效率：（方法二）利用稳态流动体系有效能计算方程计算等压过程，交换的热量等于过程的焓变对于热流体：同理冷流体有效能变化：设冷流体的流量为，进出口温度分别为和保温完全，无热损失：同理可得： 损失功：有效能效率：436 若将上题中热流体进口温度改为287。出口温度和流量不变，冷流体进出口温度也不变，试计算正中情况下有效能的变化、损失功和有效能效率，并与上题进行比较。解：原理同上题。对于热流体：设环境温度，热流体的有效能Bh计算热流体平均温度：对冷热流体组成的体系进行有效能恒算有效能效率：比较