化工热力学第七章习题答案.docx
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化工热力学第七章习题答案
习题七及答案
一、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。
Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse
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
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。
7-8.制冷循环可产生低温，同时是否可以产生高温呢？
为什么？
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？
Ws
答：
致冷效能系数
Q2-Qows
=Q2=QoWS
热力学第一定律
供热系数；HP
IWS|lW|s
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？
答：
不一定。
如果外压不变，纯物质发生相变时温度不变，如1atm、100C的水，从液态转
为气态或从气态转为液态时，温度始终为100C。
二、计算题
4
7-17在25C时，某气体的P-V-T可表达为PV=RT+6.4X10P，在25C,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效应系数卩j，即公式（7-6）。
由热力学基本关系式可得到：
4
由p-V-T关系式PV=RT6.410P可得
RT4
V=叮6410
P
阳R
求偏导得（）p=—，故有
cTP
R
RT-PV-6.4104-6.4104
0PCpCpCp
可见，节流膨胀后，温度升高。
7-18由氨的T-S图求1kg氨从0.828MPa（8.17atm）的饱和液体节流膨胀至0.0689MPa
（0.68atm）时，（a）膨胀后有多少氨汽化？
（b）膨胀后温度为多少？
（c）分离出氨蒸气在压
缩至p2=0.552MPa=5.45atm时，t2二？
（绝热可逆压缩）
解：
由附录8氨的T-S图知：
p1=0.828MPa（8.17atm）时h^70kcal/kg
等焓膨胀至p2=0.68atm时s2=0.3kcalK，kg_1
s：
=0（饱和液体）s：
v=1.42kcalKkg4（饱和蒸汽）
（a）求干度：
q=s；vx2+（1-％）s2；l
即汽化的液氨为0.211kg。
（b）由附录8得t2--40C
（C）氨气等熵压缩至5.45atm，由附录8得t2=110C
7-19.某郎肯循环以水为工质，运行于14MPa和0.007MPa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T-S图，见7-19题图1。
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。
1
（a）状态点1:
p—14MPa*=343.9kJkg
S=6.528kJK」kg」
工质在透平中等熵膨胀：
S2=3=6.528kJKJkgJ
状态点2:
p2=0.007MPaT2=39C=312K
h；=163.32kJ/kgh；v=2571.6kJ/kg
slsv
s2=0.5589kJ/（kgK）s2=8.2739kJ/（kgK）
膨胀终点：
v2=0.001m3/kg
s2=sTx2+（1—x2）£
6.528二8.2739x2（1-x2）0.55891
得X2=0.7737
h2=h；vx2+（1—x2）h；=2571.6汉0.7737+（1—0.7737）汇163.32=2026.606kJ/kg透平等熵产生功：
W4（r）二-（巾）二-（h2-^）=3431.9-2026.606=1405.29kJ/kg
sl
h3=h2=163.32kJ/kg
冷凝过程传热:
q2二扎-h2=163.32-2026.606二-1863.286kJ/kg
水泵的可逆轴功：
ws（R）pump=—v（P4-R）=—0.001（14-0.007）103=-13.993kJkg'
由热力学第一定律：
h4=h3-ws（R）pump=163.3213.993=177.313kJ/kg
锅炉吸热：
q0=0-1%=3431.9-177.313=3254.587kJ/kg
郎肯循环净功为透平产功与泵轴功的代数和：
wN二ws（R）-ws（R）pump=1405.29-13.993=1391.297kJ/kg
热效率：
J391.297=0.4275
q03254.587
（b）水泵功与透平功之比：
Ws（R）pump13.9930.009957
ws（R）1405.29
11
（c）提供1kw电的循环蒸汽量：
m0.0007187kg/s
wN1391.297
7-20.用热效率为30%的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
Z=——
Ws
Ql
WS-:
Z
4kJ
此净功来自热机：
一WsCQh
Qh二
c
二1/4-0.833KJ
0.3
7-21.某蒸汽压缩制冷循环用氨做工质，工作于冷凝器压力1.2MPa和蒸发器压力0.14MPa
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T-s图见7-21图1,工质为氨，由附录7~9查出各状态点的焓值。
7-21题图1
状态点1:
由附录7查得蒸发压力为0.14MPa时，制冷剂为饱和蒸汽的焓值。
p1=0.14MPa0=332kcal/kg
状态点2:
由冷凝压力为1.2MPa，在附录9氨的lnp-H图上，找出1
点位置，沿等熵线与p2=1.2MPa的等压线的交点3，图上直接查得
h2=420kcal/kg
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
h4=82.72kcalkg'
状态点5:
5过程是等焓的节流膨胀过程，故
h5=h4二82.72kcalkg
（a）制冷系数:
蒸发器压力0.14Mpa时，TL=-20C
2^7^=5.06
30273-253
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。
Q。
=「Ql-Ws=-419000-77838=-496838kJ/h
7-23.利用热泵从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？
解：
依题意，供热系数祢卫273160=6.19
T2-160-90
7-24.压缩机出口氨的压力为1.0MPa，温度为50C，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O.IMPa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O.IMPa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—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NH3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4宀1hi=i430KJ•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
qLh-h41430-320
（2）制冷系数；:
=虫鱼1430一320-3.96
wSh2-h,1710-1430
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Q°=41800kJ/h的氨压缩机，在下列条件下工作：
蒸发温度t°=—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=i664kJ/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=10
5
X10Pa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=514.6kJ/kg。
因节流前后焓值不变，则h4=h5=514.6kJ/kg
（1）单位质量的制冷能力为
qo=h1—h4=1664—514.6=1149.4（kJ/kg）
（2）每小时制冷剂循环量为
（3）在冷凝器中制冷剂放出的热量为
Qh=m（h5—h2）=36.37X（514.6—1866）=—49150.42（kJ/h）
（4）压缩机的理论功率为
PT=m（h2—m）=36.37X（1866—1664）
=7346.74（kJ/h）=2.04kJ/s=2.04kW
（5）
理论制冷系数
q>__q°_q°
wSwSh2-h|
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=0.00872X
10Pa,冷凝器的温度为32C水的饱和压力P2=0.0468X10Pa
（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
Q0=m2（h5—h6）=m2CP（T5—T6）
=750X4.184X（13—5）
=25104（kJ/min）=1506240kJ/h
（3）对蒸发器作质量衡算
（1）
m1=m3+m2
对蒸发器再作能量衡算
mih5=m3hi+m?
h6
（2）
联立方程
（1）和
（2）求得m3,即为冷水循环所需的补充量
〜750（h5-h6）
m3:
hi-h5
从饱和水和饱和蒸气表查得
hi（t=5C,x=0.98）=2460kJ/kg,h5（t=13C的饱和水）=54.（kJ/kg）
因此
25104
m3==10.48（kg/min）
2460-54.6
（4）从饱和水和饱和蒸气表查得：
5C时的饱和蒸气比容ug=147.12m3/kg;5C时饱和水
的比容uf=0.001m3/kg，则干度为0.98的蒸气比容
u=ugx+uf（1—x）=147.12X0.98+0.001x（1-0.98）=144.18（ni/kg）
最后得到每分钟进入压气机的蒸气体积为
V=m3u=10.48X144.18=1511（nl/min）
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105kJ-h"1,
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。
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4C。
依公式（7-28），有
W=」^=3.11kW
3600江8.935
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t^-10C,由附录6查得：
p=0.771MPa,h=392.01kJ[kgJ,s1=1.7309kJ_kg」_K」
由t3=30C查得：
p3=p2=0.77021MPa,h3=241.80kJkgJ
由p2-0.77021MPa及s2从附录6内插得h2=419.64kJLkg，,
（当P2=0.7701MPa,=1.7131kJ[kgJL^^W,h2=417.57kJ_kgJ；
当p2=0.80MPa,=1.7131kJ[kgJ_KJ时，h；=420.53kJ_kg—1。
7-29题图1
做压力内插得①=419.64kJLkg‘），故
（1）以单位质量为基准计算，依公式（7-36）
q2丸-h3=419.64-241.80=177.84（kJLkg‘）
Ws=h2-h,=419.64-392.01=27.63（kJk‘）
177.84
HP
6.44
q2
Ws
⑵依公式（7-36）；HP
Ws
27.63
（3）电炉的功率为：
100000/3600=27.78（kW）
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8.4X104kJ-h-1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=0.684kJ•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:
匕=15C,口=0.491MPa,s1=0.6902kJkg^jK4,0=193.8kjhg'_K‘
状态点2:
t2=60C,p2=1.219MPa
状态点3:
t3=50C,p3=1.219MPa,h^206.5kJkg4
Sb二0.6797kJkgJ_KJ
假定压缩后过热蒸汽为理想气体，CP为定值。
7-30题图1
q-岂=CpInt
T3
T2273.15+60
员二怎CpIn」二0.67970.684In
Tb273.1550
-0.7005kJkgJjKJ
sS3，因此为不可逆绝热压缩。
h2CP（T2-T3）=206.50.684（333.15-325.15）
=213.34kJ比g」
h4=d二84.9kJLkg‘
（1）以单位质量为基准计算，进入蒸发器的干度为x5
h5=h5Sl（1—X5）忙乂
84.9=50.1（1-x5）193.8X5
x5=0.242
（2）此泵所消耗的功率
q2十2-1%=213.34-84.9=128.44（kjLkg」）
制冷剂的循环量
热泵所消耗的功率
W=m（h2-人）=654（213.34-193.8）/3600=3.55（kW）
（3）电炉的功率为：
W=8.4104/3600=23.33（kW）
R-12的有关热力学参数
温度/C
饱和压力
/kPa
h/（kJkgJ）
s/（kJ「kgH）
hsl
hsv
slS
svs
15
491
50.1
193.8
0.1915
0.6902
50
1219
84.9
206.5
0.3037
0.6797
7-31.动力-热泵联合体系工作于100C和20C之间，热机工作于100C和20C之间。
假
设热机热泵均为可逆的，试问100C下供给单位热量所产生的工艺用热量（100C下得到
的热量）是多少?
解:
（1）热机：
_WsC-
qH
亠Tl
Th
单位热量：
qH=1KJ
故
ws
-1Tl-1
293
二0.7698kJ
Th
1273
（2）热泵:
；HPC=
Th二
373
=4.6625
Th-Tl100-20
传热量：
q2=spcWs|=4.6625x0.7698=3.5892KJ
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
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10C,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/K
P/MPa
h/KJ•kg-1
1
过热蒸汽
290
0.1
460
2
过热蒸汽
290
10
435
0
饱和液体
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