四川大学化工复试资料 第6章例题

PAGEPAGE1例题1、某工厂一工段需要流量为10m3·h-1，温度为80℃的热水。现有0.3MPa的饱和水蒸汽和30℃的循环回水可供调用。请你设计一个热水槽，进入该槽的蒸汽和冷水各为多少流率？相应的蒸汽管和冷水管尺寸如何？解：这是一个稳定流动系统，动能及势能不是很突出，可以忽略不计。若忽略混合时的热量损失，而混合过程无机械轴功产生，即Q=0，Ws=0。稳流系统热力学第一定律，ΔH=Q-Ws=0，即进出焓相等冷水的热力学性质：30℃，近似为饱和液体，H冷水=125.79kJ·kg-1，比容1.0043l*10-3m3·kg-1饱和蒸汽的热力学性质：0.3MPa，饱和温度为133.55℃，H蒸汽=2725.3kJ·kg-1，比容606℃10-3m3·kg-1热水的热力学性质：80℃，近似为饱和液体，H热水=334.91kJ·kg-1比容为设冷水的流量为m水，蒸汽的质量流量为m汽。热水流量为则解得查阅“化工工艺设计手册”，可知：一般工业用水在管中的流速要求在1.0m/s左右，低压蒸汽流速为20m/s左右。则即式中A为管道截面积，D为管径，U为流速，V为比容。冷水管径按照管道规格尺寸，选取DN50的冷水管道。蒸汽管径选取DN100的蒸汽管道。2．用液体输送泵，将温度为25℃的水，从0.1Mpa加压到1.0Mpa，进入锅炉去产生蒸汽，假设加压过程是绝热的，泵的实际效率相当于绝热可逆过程效率的0.6，求需要的功为多少？解：按题意，稳流过程中Q=0，忽略动能和势能的影响，ΔH=-Ws由热力学基本关系式可知，dH=TdS+VdP对绝热可逆过程，即等熵过程，dS=0，水可近似为不可压缩液体，实际功率3.试求将1kg，0.6MPa的空气，按如下条件变化时的热量变化，以及有效能变化。取环境温度为25℃（298K）。（1）等压下由-38℃加热至30℃；（2）等压下由30℃冷却至-170℃。解：由空气的T—S图可查得0.6MPa下各温度状态的焓及熵值如下：-38℃（235K），H1=11620J·mol-1S1=104J·mol-1·K-130℃（303K），H2=13660J·mol-1S2=111J·mol-1·K-1-170℃（103K），H3=7440J·mol-1S3=77J·mol-1·K-1（1）等压加热热量有效能变化（2）等压冷却热量有效能变化4.试求1kmol，300K的空气，由0.1MPa等温可逆压缩到10MPa的轴功和理想功。环境温度取T0为298K。解：由空气的T—S图可查得，在300K下，各压力状态下的焓值和熵值如下：0.1MPa，H1=13577kJ·kmol-1S1=126kJ·kmol-1·K-110MPa，H2=1300kJ·kmol-1S2=87kJ·kmol-1·K-1稳流系统ΔH=Q—WS可逆过程WS=Qrev—ΔH其中可逆热Qrev=TΔS=T（S2—S1）=300×（87—126）=-11700kJ·kmol-1所以理想功计算结果表明，等温下将空气从0.1MPa压缩至10MPa时，其消耗的理想功比可逆轴功要少一些，这是因为压缩时放出的热量可逆地传递给环境，环境获到了部分功，消耗的功最少。5.试比较如下几种水蒸汽，水和冰的有效能大小。设环境温度为298K。0.15MPa，160℃，过热蒸汽；0.3MPa，160℃，过热蒸汽；0.07MPa，100℃，过冷蒸汽；100℃，饱和蒸汽；0.1MPa，100℃，饱和水；0.1MPa，0℃，冰。解：由水和水蒸汽性质表可查得各状态点的焓和熵值，设298K，液态水为基准态，有效能为另。根据有效能计算式：计算结果见下表所列。序号t,℃P,MPaH,kJ·kg-1S,kJ·kg-1·K-1B,kJ·kg-10250.1104.890.3674011600.152792.87.4665572.421600.32782.37.1276662.931000.072680.07.5341439.441000.12676.27.3614487.151000.1419.041.306934.2600.1-334.4-1.224735.2判断水蒸汽的价值，应当用有效能而不是焓，从表中1，2可见，相同温度下，高压蒸汽的焓值虽不如低压蒸汽高，但是其有效能却比低压蒸汽为高。实际使用中，当然高压蒸汽的使用价值高，相对称为高品质能量。6.求将室温空气由常压压缩至0.6MPa的有效能为多少？假设环境温度为298K。解：若假设空气为理想气体，则压力对焓变化无影响，压力对熵变化为则有效能变化7.某人称其能用100℃的饱和水蒸汽，提供140℃的热能，且每公斤水蒸汽可供热量1800kJ·kg-1。请验证其可靠性。解：热泵可以提高热能的温度，其原理采用某工质，使其在低于环境的温度下蒸发，即从环境吸入热量，再压缩到较高压力，在高于环境温度下冷凝放热，达到供热的目的。0.1MPa，100℃的饱和水蒸汽，若取298K，液态水为基准态，其有效能热能的有效能为：487.1<501.2，显然这一说法是不可行的，实际过程中热损耗是不可避免的，二者之间的差距更大。8．有一台空气压缩机，为气动调节仪表供应压缩空气，平均空气流量为500m3·h-1，进气初态为25℃，0.1Mpa，压缩到0.6Mpa，假设压缩过程可近似为绝热可逆压缩，试求压缩机出口空气温度，以及消耗功率为多少？解：对绝热过程ΔH=-Ws初、终态的焓值可以查空气的有关图表得到，也可以从气体的P-V-T关系式求得。由于压力不高，此时空气可当成理想气体处理。多变指数k可导出理想气体绝热可逆过程的轴功式压缩时温度变化关系式为：即为224℃，可见出口温度太高，需要在压缩机的出口装上冷却器，通常在压缩机出口有一缓冲罐，在此对空气进行冷却降温。如果出口压力较高，则不能当成理想气体处理，真实气体的PVT性质是可以通过状态方程准确计算的。9．在25℃时，某气体的P-V-T可表达为PV=RT+6.4×104P，在25℃，30MPa时将该气体进行节流膨胀，向膨胀后气体的温度上升还是下降？解；判断节流膨胀的温度变化，依据Joule-Thomson效应系数μJ。由热力学基本关系式可得到：将P-V-T关系式代入上式，→，其中可见，节流膨胀后，温度比开始为高。10．某人称其设计了一台热机，该热机消耗热值为42000kJ·kg-1的燃料30kg·h-1，可以产生的输出功率为170kW。该热机的高温与低温热源分别为670K和330K。试判断此热机是否合理。解：从已知的条件，我们可以计算出该热机的效率，以及卡诺热机的效率，然后比较两者的大小。热机的效率卡诺热机效率卡诺热机是效率最高的热机，显然该人设计的热机不合理。11．某动力循环的蒸汽透平机，进入透平的过热蒸汽为2.0MPa，400℃，排出的气体为0.035MPa饱和蒸汽，若要求透平机产生3000kW功率，问每小时通过透平机的蒸汽流量是多少？其热力学效率是等熵膨胀效率的多少？假设透平机的热损失相当于轴功的5%。解：进出透平机的蒸汽状态见下图所示，焓、熵值从附录水蒸汽表中查到，按稳流系统热力学第一定律对透平机进行能量衡算，ΔH=Q-Ws则蒸汽流量按本题意，等熵膨胀的空气应该是湿蒸汽，即为饱和蒸汽和饱和水的混合物，此时熵值，即为饱和蒸汽和饱和水的熵按比例混合，从附录查得饱和蒸汽的熵，从饱和水性质表查得饱和液体的熵，设空气中气相重量百分含量为x,则7.1271=7.7153×x+(1-x)×0.9875解得x=0.9126空气的焓值H=x×Hg+（1-x）Hl=0.9126×2631.4+(1-0.9126)×304.25=2428.0kJ·kg-1定熵效率12．某蒸汽动力循环操作条件如下：冷凝器出来的饱和水，由泵从0.035Mpa加压至1.5Mpa进入锅炉，蒸汽离开锅炉时被过热器加热至280℃。求：(1)上述循环的最高效率。(2)在锅炉和冷凝器的压力的饱和温度之间运行的卡诺循环的效率，以及离开锅炉的过热蒸汽温度和冷凝器饱和温度之间运行的卡诺循环的效率。(3)若透平机是不可逆绝热操作，其焓是可逆过程的80%。求此时的循环效率。解：(1)各状态点的热力学性质，可由附录水蒸汽表查得（由于液体压力增加其焓增加很少，可以近似）该循环透平机进行绝热可逆操作，增压泵也进行绝热可逆操作时效率最高。，由0.035Mpa，查得气相，（查饱和蒸汽性质表）液相，（查饱和水性质表内插）气相含量为x冷凝器压力0.035Mpa，饱和温度为72.69℃；锅炉压力1.5Mpa，饱和温度为198.32℃。卡诺循环运行在此两温度之间，卡诺循环效率若卡诺循环运行在实际的二个温度之间，其效率为(3)不可逆过程的焓差为0.80(H2-H3)，而吸收的热仍为，因此效率13．将典型的蒸汽压缩制冷循环的T-S图分别在P-H图和H-S图上表示出来。解：压缩机的可逆绝热过程是等熵过程，节流过程常可看作为等焓过程，则循环可用如下P-H和H-S图表示。14．某蒸汽压缩制冷循环，制冷量Q0为3×104kJ·h-1，蒸发室温度为-15℃，冷凝器用水冷却，进口为8℃。若供给冷凝器的冷却水量无限大时，计算制冷循环消耗的最小功为多少？如果冷凝器用室温（25℃）空气冷却时，其消耗的最小功又是多少？解：首先需要明确的是：在所有的制冷循环中，逆卡诺循环的制冷效率最高，即功耗最小。循环效率有如下的关联式：按照传热原理，如果进出冷却器的冷却水量无限大，则不仅冷却水进出口温度接近相同，而且被冷介质的温度也相同。因此当冷却水量无限大时，冷凝温度T2=(8+273)K，所以最少净功当冷凝器用空气冷却时，冷凝温度近似等于室温25℃最小净功由计算结果可见，冷却温度越低，消耗功越小。但是空气冷却所用设备简单，如家用空调器，冰箱采用散热片空气冷却，不过它们的能耗要比水冷却高许多。15．实际蒸汽压缩制冷装置中的膨胀过程，为何采用节流阀而不用膨胀机？如果用膨胀机，请在T—S图上标出哪些面积代表膨胀机回收的功？解：制冷装置的膨胀过程，采用节流元件（如阀、孔板等）主要考虑到节流设备简单，装置紧凑。对于中小型设备而言，这个膨胀功是不值得回收的，功量不大，但是设备投资要增加许多。因此，大多不采用膨胀机。在下面的T—S图上，节流元件膨胀过程如3→4，是等焓过程，而膨胀机膨胀过程如3→4，是等熵过程。膨胀机回收的功量如阴影部分积分。16．某压缩制冷装置，用氨作为制冷剂，氨在蒸发器中的温度为-25℃，冷却器中的压力为1.0MPa，假定氨进入压缩机时为饱和蒸汽，而离开冷凝器时为饱和液体，每小时制冷量Q0为1.67×105kJ·h-1。求：（1）所需的氨流率；（2）制冷系数。解：通过NH3的P-H图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4→1H1=1430KJ·kg-1H2=1710KJ·kg-1氨在冷凝器中的过程即2→3，H3=H4=320KJ·kg-1氨流率制冷系数注：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。17．有一氨压缩制冷机组，制冷能力Q0为4.0×104KJ·h-1，在下列条件工作：蒸发温度为-25℃，进入压缩机的是干饱和蒸汽，冷凝温度为20℃，冷凝过冷5℃。试计算：（1）单位重量制冷剂的制冷能力；（2）每小时制冷剂循环量；（3）冷凝器中制冷剂放出热量；（4）压缩机的理论功率；（5）理论制冷系数。解：首先在P—H图（或T—S图）上按照已知条件定出各状态点。查得H1=1430KJ·kg-1H2=1680KJ·kg-1冷凝出来的过冷液体（过冷度为5℃）状态3的决定：假设压力对液体的焓值几乎没有影响，从状态3沿着饱和液体线向下过冷5℃，找到3，用此点的焓值近似代替3的焓值，由于过冷度是有限的，实际上3和3很接近，不会造成太大的偏差。3→4仍为等焓膨胀过程，H3`=H4=270kJ·kg-1制冷能力q0=H1-H4=1430-270=1160KJ·kg-1制冷剂循环量冷凝过程即2→3，放出热量Q=（H3-H2）G=34.5(270-1690)=-48645KJ·h-1压缩机功率制冷系数18．压缩机出口氨的压力为1.0MPa，温度为50℃，若按下述不同的过程膨胀到0.1MPa，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0.1MPa温度为30℃。（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0.1MPa时，温度为-33℃。19.用简单林德循环使空气液化。空气初温为17℃，节流膨胀前压力P2为10MPa，节流后压力P1为0.1MPa，空气流量为0.9m3·h-1（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10℃，由外界传入的热量为3.3KJ·kg-1，向对液化量的影响如何？空气的比热Cp为1.0kJ·kg-1·K-1。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／KP／MPaH／KJ·kg-11过热蒸汽2900.14602过热蒸汽290104350饱和液体0.142理论液化量（kg液体／kg空气）空气流量液化量：（2）外界热量传入造成冷量损失Q冷损，Q冷损=3.3KJ·kg-1换热器热端温差造成热交换损失Q温损，Q温损=Cp×ΔT=1.0×10=10KJ·kg-1实际液化量实际液化量：20.采用简单林德循环液化空气的示意图及各状态点热力学性质如下图和表所示。设环境温度为298K，压缩机功耗为630kJ·h-1。试计算各状态点的有效能，并分析能量的消耗情况。序号TKPMPamkg·h-1HkJ·kg-1SkJ·kg-1·K-1BkJ·kg-10298