马沛生主编化工热力学第七章习题解答.docx
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马沛生主编化工热力学第七章习题解答
习题七及答案
、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。
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
tH
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。
?
为什么?
7-8.制冷循环可产生低温，同时是否可以产生高温呢
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？
答：
致冷效能系数Q
Ws
供热系数
热力学第一定律q2||q0|Iw,
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？
即汽化的液氨为
0.211kg。
由P-V-T关系式PVRT6.4104P可得
V
RT小
6.4
104
P
求偏导得
（-^）p
R
故有
T
p
R
TV
P
RTPV
6.4104
6.4
104
J
Cp
PCp
Cp
C
p
可见，节流膨胀后，温度升高
（b）由附录8得t240C
（C）氨气等熵压缩至，由附录8得t2110C
7-19.某郎肯循环以水为工质，运行于14MPa和之间，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Ts图，见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。
（a）状态点1：
p114MPah13431.9kJkg1，S,6.528kJK1kg1
工质在透平中等熵膨胀：
S2S16.528kJK1kg1
状态点2：
p20.007MPaT239C312K
h2sl163.32kJ/kgh2sv2571.6kJ/kg
7-19题图1
s2sl0.5589kJ/（kgK）s2sv8.2739kJ/（kgK）
膨胀终点：
v20.001m3/kg
s2
sv
s2x2（1
x2）s2sl
6.5288.2739x2（1x2）0.55891
得
x20.7737
h2h2svx2（1
x2）h2sl
2571.6
0.7737（10.7737）163.322026.606kJ/kg
透平等熵产生功：
Ws（R）（
h）
（h2h1）
3431.92026.6061405.29kJ/kg
h3h2sl163.32kJ/kg
冷凝过程传热:
q2h3h2163.322026.6061863.286kJ/kg
水泵的可逆轴功：
3
ws（R）pumpv（P4P3）0.001（140.007）10313.993kJkg
由热力学第一定律：
h3ws（R）pump
163.3213.993177.313kJ/kg
锅炉吸热：
q0h1h43431.9177.3133254.587kJ/kg
（b）水泵功与透平功之比:
Ws（R）
13.993
1405.29
0.009957
Ws（R）pump
（c）提供1kw电的循环蒸汽量:
1
m——
Wn
1
1391.297
0.0007187kg/s
郎肯循环净功为透平产功与泵轴功的代数和:
热效率：
TWn1391.2970.4275
q03254.587
7-20.用热效率为30%勺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
Ws
Ql
丄kJ
Ws
4
此净功来自热机：
C
w
Qh
Ws也0.833KJ
Qh
c0.3
7-21.某蒸汽压缩制冷循环用氨做工质，工作于冷凝器压力和蒸发器压力之间。
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Ts图见7-21图1，工质为氨，由附录7~9查出各状态点的焓值。
状态点1:
由附录7查得蒸发压力为MPa时，制冷剂为饱和蒸汽的焓值。
p10.14MPah1332kcal/kg
状态点2:
由冷凝压力为，在附录9氨的lnpH图上，找出1点位置，
沿等熵线与P2=的等压线的交点3，图上直接查得
h2420kcal/kg
7-21题图1
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
1
h482.72kcalkg
状态点5:
5过程是等焓的节流膨胀过程，故
h5=h482.72kcalkg
（a）制冷系数:
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。
Q0Ql
7-23.利用热泵从
41900077838kJ/h
5.38
Ws41900077838496838kJ/h
解：
依题意，供热系数
HP
T2273160619
T2T116090
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?
HP
QiQi
Q1HPPnet6.1916.19kW
Wnet
7-24•压缩机出口氨的压力为，温度为
50C,若按下述不同的过程膨胀到，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一25C,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NH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1h1=1430KJ•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
qLhh41430320
（2）制冷系数
qLhh41430320
3.96
wSh2h|17101430
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Qo=418OOkJ/h的氨压缩机，在下列条件下工作：
蒸发温度to=—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=1664kJ/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=10x105Pa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=kg。
因节流前后焓值不变，则h4=h5=kg
（1）
7-26题图1
单位质量的制冷能力为
qo=h1—h4=1664—=（kJ/kg）
（2）每小时制冷剂循环量为
QLQ041800ccCF|1
m--36.37kgh
qLh1h41149.4
（3）在冷凝器中制冷剂放出的热量为
Q=m（h5—h2）=x（—1866）=—（kJ/h）
（4）压缩机的理论功率为
PT=m（h2—hj=x（1866—1664）
=（kJ/h）=s=
（5）理论制冷系数
qLq。
q。
1149.4
5.69
wSwSh2h|18661664
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=x105Pa,冷凝器的温度为32C水的饱和压力p2=x105Pa
（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
Q=nm（h5—h6）=m2CP（T5—T6）
=750XX（13-5）
=25104（kJ/min）=1506240kJ/h
（3）对蒸发器作质量衡算
m=ms+mi>
（1）
对蒸发器再作能量衡算
mh5=mm+mi>h6
联立方程
（1）和
（2）求得mt,即为冷水循环所需的补充量
750（h5馆）
hih5
从饱和水和饱和蒸气表查得
h1（t=5C,x=）=2460kJ/kg,h5（t=13C的饱和水）=54.（kJ/kg）
因此
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105kJh1,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。
冬季空调运行时，产生的热量即工质从冷凝器放出的热量，理想的放热温度即为50C。
依公式（7-37），有
|Q^Q冷凝器T227350
HPCWSWT2T1504
105
W3.96kW
4C。
7.0223600
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
Ql|
Q蒸发器
T12734
Ws|
W
T1T2354
8.935
C
105
36008.935
3.11kW
依公式（7-28），有
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。
根据右10C,由附录6查得:
111
p0.771MPa,hi392.01kJ*g，S1=1.7309kjgkggK
由t330C查得：
p3p20.77021MPa,h3h4241.80kJgkg
由p20.77021MPa及s2s，从附录6内插得h?
419.64kJ*g,
7-29题图1
（当p20.7701MPa,s1.7131kjg做压力内插得h2419.64kJgkg1）,故
（1）以单位质量为基准计算，依公式（7-36）
100000
6.443600
4.32（kJgs1）4.32kW
Ws
（2）依公式（7-36）
HPWS|ws|
（3）电炉的功率为：
100000/360027.78（kW）
ss3CPln文
7-30题图1
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X104kJ•h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=kJ•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:
t1
15C,
P1
0.491MPa,3=0.6902kjgkg1gK1,
11
h1193.8kJ*ggK
状态点
2:
t2
60C,
P2
1.219MPa
状态点
3:
t3
50C,
P3
1.219MPa,h3206.5kJ*g1
11
%0.6797kJgkggK
假定压缩后过热蒸汽为理想气体，CP为定值。
制冷剂的循环量
q2
8.410654kggh1
128.44
=8.4
假设热机热泵均为可逆的，试问
温度/c
饱和压力
/kPa
1
h/（kJgkg）
11
s/（kjgkggK）
hsl
hsv
slS
svs
15
491
50
1219
R-12的有关热力学参数
7-31.动力-热泵联合体系工作于
（3）电炉的功率为：
W
100C和20C之间，热机工作于100C和20C之间。
100C下供给单位热量所产生的工艺用热量（100C下得
104/360023.33（kW）
解：
（1）热机：
C
Ws
qH
Th
单位热量：
qH1KJ
到的热量）是多少?
T293
故wSC1丄10.7698kJ
Th1273
传热量：
q2HpcwS4.66250.76983.5892KJ
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
31
后压力R为，空气流量为0.9m•h-（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•kg-1，向对液化
11
量的影响如何？
空气的比热Cp为kJ•kg•K。
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
过热蒸汽
290
460
2
过热蒸汽
290
10
435
0
饱和液体
42
q冷损=•kg-1
换热器热端温差造成热交换损失q温损,
-1
q温损=Cp^AT=x10=10KJ•kg
实际液化量
Ah2Q温损Q冷损
x实
h1h。
46043510
46042
33
0.028kgkg1
7-20某一理想Rankine循环，锅炉的压力为，冷凝器的压力为，冷凝温度为32.56C,求
以下两种条件时，Rankine循环的热效率与乏汽冷凝所放出的热量，并加以比较：
（1）如果
进入汽轮机的蒸汽是饱和蒸汽；
（2）如果进入汽轮机的蒸汽是温度为440C的过热蒸汽。
要求将这两种蒸汽动力循环标示在T-S图上。
解：
（1）进入汽轮机的状态点P1=4MPa，对应的饱和蒸汽温度T仁C
H1=kJ/kgS仁kJ/
乏汽P2=MPa,S2=S1=kJ/，查得H2=kJ/kg
冷凝器出口饱和液体P3=,T=C,H3=kJ/kg,S3=
锅炉进水：
S4=S3=,P4=4MPaT4=C,H4=
所以
锅炉吸热：
Q41=H1-H4=kJ/kg
乏汽冷凝放热：
Q32=H3-H2=kJ/kg
汽轮机做功：
Ws=H2-H1=kJ/kg
离心泵做功：
Wp=H4-H3=kJ/kg
热力学效率
WsWp
951.063+4.0123
0.3562
Q41
2658.553915
（2）进入汽轮机蒸汽P1=4MPa,T1=440C，所以
H1=kJ/kg,S仁kJ/（kg*K）
乏汽P2=,S2=S1=kJ/（kg*K），查得：
H2=kJ/kg
冷凝器出口饱和液体P3=,T=C,H3=kJ/kg,S3=
锅炉进水：
S4=S3=,P4=4MPaT4=C,H4=
所以
锅炉吸热：
Q41=H1-H4=kJ/kg
乏汽冷凝放热：
Q32=H3-H2=kJ/kg
汽轮机做功：
Ws=H2-H1=kJ/kg
离心泵做功：
Wp=H4-H3=kJ/kg
3166.544
Q41
WsWp1202.454.0123门―
热力学效率0.3784
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