工程热力学第9章
- 格式:ppt
- 大小:2.98 MB
- 文档页数:25
第九章 实际气体答:理想气体模型中忽略了气体分子间的作用力和气体分子所占据的体积。
实际气体只有在高温低压状态下,其性质和理想气体相近。
或者在常温常压下,那些不易液化的气体,如氧气、氦气、空气等的性质与理想气体相似,可以将它们看作理想气体,使研究的问题简化。
2. 答:压缩因子为温度、压力相同时的实际气体比体积与理想气体比体积之比。
压缩因子不仅随气体的种类而且随其状态而异,故每种气体应有不同的曲线。
因此不能取常数。
3. 答:范德瓦尔方程其计算精度虽然不高,但范德瓦尔方程式的价值在于能近似地反映实际气体性质方面的特征,并为实际气体状态方程式的研究开拓了道路,因此具有较高的地位。
4. 答:当需要较高的精度时应采用实验数据拟和得到a 、b 。
利用临界压力和临界温度计算得到的a 、b 值是近似的。
5. 答:在相同的压力与温度下,不同气体的比体积是不同的,但是只要他们的和分别相同,他们的必定相同这就是对应态原理,。
对应态原理并不是十分精确,但大致是正确的。
它可以使我们在缺乏详细资料的情况下,能借助某一资料充分的参考流体的热力性质来估算其他流体的性质。
相对于临界参数的对比值叫做对比参数。
对比温度,对比压力,对比比体积。
6. 答:对简单可压缩的系统,任意一个状态参数都可以表示成另外两个独立参数的函数。
其中,某些状态参数若表示成特定的两个独立参数的函数时,只需一个状态函数就可以确定系统的其它参数,这样的函数就称为“特性函数”由函数知且将两公式进行对比则有,但是对于比容无法用该函数表示出来,所以此函数不是特性函数。
7.答:将状态方程进行求导,然后带入热力学能、焓或熵的一般关系式,在进行积分。
),(T p f Z =r p r T r v 0),,(=r r r v T p f c T T r T =c p p r p =c v v r v =),(p s u u =dp p u ds s u du v p ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂=pdv Tds du -=p s u T ⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂=8. 答:以为独立变量时,将第二方程代入同时,得到同理:以为独立变量时,将第三方程代入,得到以为独立变量时,将第一方程代入得以为独立变量时,将第三方程代入得9. 答:热力学能、焓、熵都是状态参数,计算两个平衡状态之间的变量可任意选择其过程。
第九章气体动力循环一、选择题1。
燃气轮机装置,采用回热后其循环热效率显著升高的主要原因是 CD A.循环做功量增大B.循环吸热量增加C.吸热平均温度升高D.放热平均温度降低2.无回热等压加热燃气轮机装置循环的压气机,采用带中冷器的分级压缩将使循环的 BCDA.热效率提高 B.循环功提高C.吸热量提高 D.放热量提高3.无回热定压加热燃气轮机装置循环,采用分级膨胀中间再热措施后,将使BCA.循环热效率提高B.向冷源排热量增加C.循环功增加D.放热平均温度降低4。
燃气轮机装置采用回热加分级膨胀中间再热的方法将ACA.降低放热平均温度B.升高压气机的排气温度C.提高吸热平均温度D.提高放热的平均温度5。
燃气轮机装置等压加热实际循环中,燃气轮机装置的内部效率的影响因素有ABCDiA.燃气轮机的相对内效率B.压气机的压缩绝热效率C.压缩比D.升温比6.采用分级压缩中间冷却而不采取回热措施反而会使燃气轮机装置的循环热效率降低的原因是ABA.压气机出口温度降低B.空气在燃烧室内的吸热量增大C.燃气轮机做功量减少D.燃气轮机相对内效率降低7.采用分级膨胀中间再热而不采用回热措施,会使燃气轮机装置循环热效率降低的原因是BDA.压气机出口温度降低B.循环吸热增大C.循环做功量减少D.循环放热量增加8。
目前燃气轮机主要应用于 BD A .汽车B .发电站C .铁路轨车D .飞机二、填空题1。
最简单的燃气轮机装置的主要设备有压气机,燃烧室,燃气轮机。
2.燃气轮机装置的理想循环由绝热压缩,定压加热,绝热膨胀,定压放热四个可逆过程组成。
3。
燃气轮机装置循环中,压气机的绝热压缩过程工质的终态压力与初态压力之比称为增压比。
4。
工程上把燃气轮机的实际做功量与理想做功量之比称为相对内效率. 5.燃气轮机装置中,最高温度与最低温度之比称为升温比。
6。
工程上,把在回热器中实际吸收的热量与极限回热条件下可获得的热量之比称为回热度。
三、简答题1.实际简单燃气轮机装置循环的热效率与哪些因素有关? t η=1—κκπ11-κ取决于燃料的成分及空气的增压比情况 增压比π越大,热效率越高2.提高燃气轮机装置循环的热效率的措施有哪些? 回热。
工程热力学思考题及答案第一章基本概念1.闭口系与外界无物质交换,系统内质量保持恒定,那么系统内质量保持恒定的热力系一定是闭口系统吗?答:不一定。
稳定流动开口系统内质量也可以保持恒定.2.有人认为,开口系统中系统与外界有物质交换,而物质又与能量不可分割,所以开口系统不可能是绝热系。
对不对,为什么?答:这种说法是不对的。
工质在越过边界时,其热力学能也越过了边界。
但热力学能不是热量,只要系统和外界没有热量的交换就是绝热系。
3.平衡状态与稳定状态有何区别和联系,平衡状态与均匀状态有何区别和联系?答:只有在没有外界影响的条件下,工质的状态不随时间变化,这种状态称之为平衡状态。
稳定状态只要其工质的状态不随时间变化,就称之为稳定状态,不考虑是否在外界的影响下,这是它们的本质区别。
平衡状态并非稳定状态之必要条件.物系内部各处的性质均匀一致的状态为均匀状态.平衡状态不一定为均匀状态,均匀并非系统处于平衡状态之必要条件。
4.假如容器中气体的压力没有改变,试问安装在该容器上的压力表的读数会改变吗?绝对压力计算公式p = p b+p e(p 〉p b),p v=p b−p (p b<p)中,当地大气压是否必定是环境大气压?答:压力表的读数可能会改变,根据压力仪表所处的环境压力的改变而改变。
当地大气压不一定是环境大气压。
环境大气压是指压力仪表所处的环境的压力。
5.温度计测温的基本原理是什么?答:温度计随物体的冷热程度不同有显著的变化.6.经验温标的缺点是什么?为什么?答:任何一种经验温标不能作为度量温度的标准。
由于经验温标依赖于测温物质的性质,当选用不同测温物质的温度计、采用不同的物理量作为温度的标志来测量温度时,除选定为基准点的温度,其他温度的测定值可能有微小的差异。
7.促使系统状态变化的原因是什么?答:系统内部各部分之间的传热和位移或系统与外界之间的热量的交换与功的交换都是促使系统状态变化。
8.(1)将容器分成两部分,一部分装气体,一部分抽成真空,中间是隔板。
9-1压力为0.1MPa ,温度为20℃的空气,分别以100、300、500及1000m/s 的速度流动,当被可逆绝热滞止后,问滞止温度及滞止压力各多少?解:h 1=1T c p =1.01×293=296kJ/kgh 0=h 1+22c 当c=100m/s 时:h 0=301 kJ/kg ,T 0=p c h 0=298K ,11010)(-=k k T T p p =0.106 MPa 当c=300m/s 时:h 0=341 kJ/kg ,T 0=337.6K ,p 0= 0.158MPa当c=500m/s 时:h 0=421 kJ/kg ,T 0=416.8K ,p 0= 0.33MPa当c=1000m/s 时:h 0=796 kJ/kg ,T 0=788.1K ,p 0= 0.308MPa9-2质量流量1=mkg/s 的空气在喷管内作定熵流动,在截面1-1处测得参数值p 1= 0.3MPa ,t1=200℃,c1=20m/s 。
在截面2-2处测得参数值p 2=0.2MPa 。
求2-2截面处的喷管截面积。
解:=⨯==3.0528.01p p c β0.1584>0.2 MPa采用渐缩喷管。
c1=20m/s 较小忽略。
因此2-2截面处是临界点==-k k p p T T 12)12(1421K ==222P RT v 0.6m 3/kg =--=-])12(1[11221k k p p k kRT c 323m/s =⨯=222c m v f 0.00185m 39-3渐缩喷管进口空气的压力p 1= 2.53MPa ,t1=80℃,c1=50m/s 。
喷管背压p b = 1.5MPa 。
求喷管出口的气流速度c2,状态参数v2、t2。
如喷管出口截面积f2=1cm 2,求质量流量。
解: ⨯==528.01p p c β 2.53=1.33<1.5 MPa没有到临界。
滞止温度:pc c T T 21021+==354.24K滞止压力:1)10(10-=k k T T p p =2.56 MPa =--=-])02(1[10221k k p p k kRT c 317.5 m/s k k p p T T 1)12(12-==304K ==222P RT v 0.058 m 3/kg ==222v c f m 0.55 m 3/s9-4如上题喷管背压p b = 0.1MPa 。
沈维道《工程热力学》(第4版)课后习题第7章气体与蒸汽的流动7-1空气以c f=180m/s的流速在风洞中流动,用水银温度计测量空气的温度,温度计上的读数是70℃,假定气流通在温度计周围得到完全滞止,求空气的实际温度(即所谓热力学温度)。
解:由题意可知所以t1=53.88℃7-2已测得喷管某一截面空气的压力为0.5MPa,温度为800K,流速为600m/s,若空气按理想气体定比热容计,试求滞止温度和滞止压力。
解:由题意可知滞止温度滞止压力7-3喷气发动机前端是起扩压嚣作用的扩压段,其后为压缩段。
若空气流以900km/h 的速度流入扩压段,流入时温度为-5℃,压力为50kPa。
空气流离开扩压段进入压缩段时速度为80m/s,此时流通截面积为入口截面积的80%,试确定进入压缩段时气流的压力和温度。
解:由题意可知,扩压段出口的温度由质量守恒得,即7-4进入出口截面积A2=10cm2的渐缩喷管的空气初速度很小可忽略不计,初参数为p1=2×106Pa、t1=27℃。
求空气经喷管射出时的速度,流量以及出口截面处空气的状态参数v2、t2。
设空气取定值比热容,c p=1005J/(kg·K)、k=1.4,喷管的背压力p b分别为1.5MPa和1MPa。
解:由题意可知,所以当p b=1MPa时,7-5空气进入渐缩喷管时的初速度为200m/s,初压为1MPa,初温为500℃。
求喷管达到最大流量时出口截面的流速、压力和温度。
解:由题意可知,对于初态及A2确定的收缩喷管内的流动,出口截面流速达到音速,流量最大,所以7-6空气流经渐缩喷管。
在喷管某一截面处,压力为0.5MPa,温度为540℃,流速为200m/s,截面积为0.005m2。
试求:(1)气流的滞止压力及滞止温度;(2)该截面处的音速及马赫数;(3)若喷管出口处的马赫数等于1。
求出口截面积、出口温度、压力及速度。
解:(1)由题意可知(2)由题意可知(3)由题意可知7-7燃气经过燃气轮机中渐缩喷管形的通道绝热膨胀,燃气的初参数为p1=0.7MPa、t1=750℃,燃气在通道出口截面上的压力p2=0.5MPa,经过通道的流量q m=0.6kg/s,若通道进口处流速及通道中的摩擦损失均可忽略不计,求燃气外射速度及通道出口截面积(燃气比热容按变值计算,设燃气的热力性质近似地和空气相同)。
工程热力学知识点总结
工程热力学知识点总结
工程热力学知识点很多,同学们需要多进行归纳总结,下面给大家整理了工程热力学知识点总结,欢迎阅读!
第一章、基本概念
1、边界
边界有一个特点(可变性):可以是固定的、假想的、移动的、变形的。
2、六种系统(重要!)
六种系统分别是:开(闭)口系统、绝热(非绝热)系统、孤立(非孤立)系统。
a.系统与外界通过边界:功交换、热交换和物质交换.
b.闭口系统不一定绝热,但开口系统可以绝热。
c.系统的取法不同只影响解决问题的难易,不影响结果。
3、三参数方程
a.P=B+Pg
b.P=B-H
这两个方程的使用,首先要判断表盘的压力读数是正压还是负压,即你所测物体内部的绝对压力与大气压的差是正是负。
正用1,负用2。
ps.《工程热力学(第六版)》书8页的系统,边界,外界有详细定义。
第二章、气体热力性质
1、各种热力学物理量
P:压强[单位Pa]
v:比容(单位m^3kg)
R:气体常数(单位J(kg*K))书25页
T:温度(单位K)
m:质量(单位kg)
V:体积(单位m^3)
M:物质的摩尔质量(单位mol)
R:8.314kJ(kmol*K),气体普实常数
2、理想气体方程:
Pv=RT
PV=m*R。
*TM
Qv=Cv*dT
Qp=Cp*dT
Cp-Cv=R
另外求比热可以用直线差值法!
第三章、热力学第一定律
1、闭口系统:
Q=W+△U
微元:δq=δw+du (注:这个δ是过程量的微元符号)2、闭口绝热
δw+du=0。
第九章气体和蒸汽的流动1.基本概念稳态稳流:稳态稳流是指开口系统内每一点的热力学和力学参数都不随时间而变化的流动,但在系统内不同点上,参数值可以不同。
为了简化起见,可认为管道内垂直于轴向的任一截面上的各种参数都均匀一致,流体参数只沿管道轴向或流动方向发生变化。
音速:音速是微小扰动在物体中的传播速度。
定熵滞止参数:将具有一定速度的流体在定熵条件下扩压,使其流速降低为零,这时气体的参数称为定熵滞止参数。
减缩喷管:当进入喷管的气体是M < 1的亚音速气流时,这种沿着气体流动方向喷管截面积逐渐缩小的喷管称为渐缩喷管。
渐扩喷管:当进入喷管的气体是M > 1的超音速气流时,这种沿气流方向喷管截面积逐渐扩大的喷管称为渐扩喷管。
缩放喷管:如需要将M < 1的亚音速气流增大到M > 1的超音速气流,则喷管截面积应由d f < 0逐渐转变为d f > 0,即喷管截面积应由逐渐缩小转变为逐渐扩大,这种喷管称为渐缩渐扩喷管,或简称缩放喷管,也称拉伐尔(Laval)喷管。
临界参数:在渐缩渐扩喷管中,收缩部分为亚音速范围,而扩张部分为超音速范围。
收缩与扩张之间的最小截面处称为喉部,此处M=1,d f = 0。
该截面称为临界截面,具有最小截面积f min,相应的各种参数都称为临界值,如临界压力p c、临界温度T c、临界比体积v c、临界流速c c等。
应予注意,临界流速c c为临界截面处的当地音速。
节流:节流过程是指流体(液体、气体)在管道中流经阀门、孔板或多孔堵塞物等设备时,由于局部阻力,使流体压力降低的一种特殊流动过程。
这些阀门、孔板或多孔堵塞物称为节流元件。
若节流过程中流体与外界没有热量交换,称为绝热节流,常常简称为节流。
在热力设备中,压力调节、流量调节或测量流量以及获得低温流体等领域经常利用节流过程,而且由于流体与节流元件换热极少,可以认为是绝热节流。
冷效应区:在转回曲线与温度纵轴围成的区域内所有等焓线上的点恒有μj > 0,发生在这个区域内的绝热节流过程总是使流体温度降低,称为冷效应区。
第9章气体动力循环一、选择题活塞式内燃机定容加热、混合加热、定压加热3个循环在压缩比和吸热量相同的条件下,热效率的关系为()。
[西安交通大学2003研]A.B.C.【答案】B【解析】在压缩比与吸热量相同的条件下,放热量有。
根据循环热效率的公式可得:。
二、填空题一活塞式内燃机的理想循环,若活塞在下止点位置时气缸容积为V1,活塞在上止点位置时气缸内容积为V2,那么此循环的压缩比为_______。
循环效率随压缩比的提高呈现_______的趋势。
[北京理工大学2005研]【答案】;提高三、判断题实际蒸汽动力,装置与燃气轮机装置,采用回热后每千克工质作功量均增加。
()[天津大学2005研]【答案】错【解析】采用回热后,总的热效率提高,但是工质质量不变的前提下输出功减少,因而单位质量公职的做功量减少。
四、简答题1.定性地画出具有回热的燃气轮机装置示意图,并在T-s图上定性地分析回热对热效率的影响。
[北京航空航天大学2004、2005研]解:燃气轮机装置示意图如图9-1所示。
图9-1与未采用回热的循环相比,循环净功不变,回热后,只有5-3过程吸热,即q减小,故循环效率提高。
2.综观蒸汽动力循环、燃气轮机循环、内燃机循环以及其他动力循环,请分析归纳转换为机械能的必要条件或基本规律?[天津大学2005研]解:动力循环工作过程的一般规律是任何动力循环都是以消耗热能为代价,以作功为目的。
但是为了达到这个目的,首先必须以升压造成压差为前提,否则消耗的热能再多,倘若没有必要的压差条件,仍是无法利用膨胀转变为动力。
由此可见,压差的存在与否是热能转化为机械能的先决条件,它也为拉开平均吸、放热温度创造了条件。
其次还必须以放热为基础,否则将违背热力学第二定律。
总之,升压是前提,加热是手段,作功是目的,放热是基础。
3.什么是回热?试解释在热机循环中若能采取回热措施,从热力学角度简单说来将会带来什么好处?[华中科技大学2005研]解:回热是指,在保持构成循环的热力过程性质不变的条件下,利用循环中某些放热过程的放热量来满足另一些吸热过程的吸热需要的措施。
第九章自我测验题1、压气机按其工作原理可分为几种形式?其能量转换特点怎样?应用场合怎样?2、在p-v图和T-s图上画出定熵、定温,n=1.25的压缩过程,井分别用面积在两个图上表示出压气机的耗功。
3、考虑活塞式压气机的余隙容积的影响,压气机的耗功和产气量如何变化?4、设有两台氮气压气机。
它们的进、出口状态参数相同,但一台实施的是n=1.6的可逆多变过程,另一台实施是不可逆绝热压缩过程。
不通过计算,试利用T-s图说明哪一台压气机生产单位质量压缩气体耗功多?5、理想的活塞式压气机吸入p1=0.lMPa.t1=20℃的空气1000立方米/h,并将其压缩到p2=0.6MPa。
设压缩为n=1,n=1.25,n=1.4的各种可逆过程,求理想压气机的耗功率及各过程中压气机的排气温度。
6、轴流式压气机每分钟吸入p1=98kPa,t1=20℃的空气200立方米,经绝热压缩到p2=600kPa,该压气机的绝热效率为0.88,求压气机出口空气的温度及压气机所消耗的功率。
7、一压气机的增压比为6,进口空气的温度为17℃经绝热压缩至260℃。
(1)问该压气机压缩过程是否可逆?为什么?(2)求压气机的耗功量及压气机效率。
(3)将此过程定性画在p-v图和T-s图上。
8、具有水套冷却的活塞式压气机,每分钟将2kg的空气从压力为p1=0.lMPa、温度t1=15℃升至压力p2=1MPa,温度t2=155℃。
试求每秒钟由水套中的冷热水带走的热量。
9、某活塞式压气机从大气环境中吸入p1=0.lMPa.t1=20℃的空气,经多变压缩到p2=28MPa。
为保证气缸润滑的正常,每级压缩终了空气的温度不大于180℃,设备缸中多变压缩过程的多变指数n=1.3,试确定压气机应有的最小级数。
10、用一台单缸活塞式压气机压缩空气,已知进气参数为p1=0.lMPa,t1=20℃,终压力p2=0.6MPa,压缩过程的多变指数n=1.2,若压气机的吸气量为200立方米/ h,求带动压气机所必须的最小功率。
9.2 典型题精解例题9-1 空气为53111110Pa,50C,0.032m ,p t V =⨯=︒=进入压气机按多变过程压缩至5322110Pa,0.0021m p V =⨯=。
试求:(1)多变指数;(2)压气机的耗功;(3)压缩终了空气温度;(4)压缩过程中传出的热量。
解 (1)多变指数2112()n p V p V = 211231lnln 1 1.27240.032ln ln 0.0021p p n V V === (2)压气机的耗功t 1122[]1nW p V p V n =-- 53531.2724[110Pa 0.032m 3210Pa 0.0021m ]0.272416.44kJ=⨯⨯-⨯⨯=-(3)压缩终温5(1)/0.2724/1.2724221513210Pa ()(50273)()677.6K 110Pan n p T T K p -⨯==+=⨯ (4)压缩过程传热量t 21t ()p Q H W mc T T W =∆+=-+53211g 1110Pa 0.032m 3.55210kg 287J/(kg K)323KpV m R T -⨯⨯===⨯⋅⨯于是233.55210kg 1004J/(kg K)(677.6323)K 16.4410J Q -=⨯⨯⋅--⨯=3.80kJ例题9-2 压气机中气体压缩后的温度不宜过高,取极限值为150C ︒,吸入空气的压力和温度为110.1MPa,20C p t ==︒。
若压气机缸套中流过465kg/h 的冷却水,在汽缸套中的水温升高14C ︒。
求在单级压气机中压缩3250m /h 进气状态下空气可能达到的最高压力,及压气机必需的功率。
解法1(1)压气机的产气量为631g 10.110Pa 250m /h297.3kg/h 287J/(kg K)293KV m p q q R T ⨯⨯===⋅⨯(2)求多变压缩过程的多变指数 根据能量守恒有 2g a s h oQ Q =- 即 22221,h o h o h o ()m n m q c T T q c t -=-∆222,h o h o h o 21465kg/h 4187J/(kg K)14K()297.3kg/h (150-20)Km n m q c t c q T T -∆-⨯⋅⨯==-⨯702.5J /(k g K=-⋅ 又因 g 5112n V n k n k c c R n n --==-- 即 1.45702.5J/(kg K)287J/(kg K)12n n --⋅=⨯⨯⋅- 解得 n=1.20(3)求压气机的终压/(1)6 1.20/0.202211423K ()0.110()293Kn n T p p T -==⨯⨯60.90510P a 0.905M P a=⨯=(4)求压气机的耗功.t g 12 1.201()297.3kg/h h/s 10.203600m n W q R T T n =-=⨯⨯-3287J /(k g K )(293423)K18.4510W 18.45k W⨯⋅⨯-=-⨯=-解法2在求得压气机产气量m q 后,再求压气机的耗功量为2222t h o ,h o h o h o 21()m m p W Q H Q H q c t q c T T =-∆=--∆=-∆--31465k g /h h /s 4187J /(k g K )14K36001297J/h h/s 1004J/(kg K)(15020)K 360018.341018.34kWW =-⨯⨯⋅⨯-⨯⨯⋅-=-⨯=- 由 t g 12()1m nW q R T T n =--可求得多变指数为 g 12t1()1m n q R T T W =--311297.3kg/h h/s 287J/(kg K)(20-150)K36001-18.3410W1.20=⨯⨯⋅⋅-⋅= 压气机的终压为 /(1)2211()0.905MPan n T p p T -== 讨论本例题提到压气机排气温度的极限值。
第九章气体动力循环一、选择题1.燃气轮机装置,采用回热后其循环热效率显著升高的主要原因是 CDA.循环做功量增大B.循环吸热量增加C.吸热平均温度升高D.放热平均温度降低2.无回热等压加热燃气轮机装置循环的压气机,采用带中冷器的分级压缩将使循环的BCDA.热效率提高 B.循环功提高C.吸热量提高 D.放热量提高3.无回热定压加热燃气轮机装置循环,采用分级膨胀中间再热措施后,将使BCA.循环热效率提高B.向冷源排热量增加C.循环功增加D.放热平均温度降低4.燃气轮机装置采用回热加分级膨胀中间再热的方法将ACA.降低放热平均温度B.升高压气机的排气温度C.提高吸热平均温度D.提高放热的平均温度的影响因素5. 燃气轮机装置等压加热实际循环中,燃气轮机装置的内部效率i 有ABCDA.燃气轮机的相对内效率B.压气机的压缩绝热效率C.压缩比D.升温比6.采用分级压缩中间冷却而不采取回热措施反而会使燃气轮机装置的循环热效率降低的原因是ABA.压气机出口温度降低B.空气在燃烧室内的吸热量增大C.燃气轮机做功量减少D.燃气轮机相对内效率降低7.采用分级膨胀中间再热而不采用回热措施,会使燃气轮机装置循环热效率降低的原因是BDA.压气机出口温度降低B.循环吸热增大C.循环做功量减少D.循环放热量增加8.目前燃气轮机主要应用于BDA.汽车B.发电站C.铁路轨车D.飞机二、填空题1.最简单的燃气轮机装置的主要设备有压气机,燃烧室,燃气轮机。
2.燃气轮机装置的理想循环由绝热压缩,定压加热,绝热膨胀,定压放热四个可逆过程组成。
3.燃气轮机装置循环中,压气机的绝热压缩过程工质的终态压力与初态压力之比称为增压比。
4.工程上把燃气轮机的实际做功量与理想做功量之比称为相对内效率。
5.燃气轮机装置中,最高温度与最低温度之比称为升温比。
6.工程上,把在回热器中实际吸收的热量与极限回热条件下可获得的热量之比称为回热度。
三、简答题1.实际简单燃气轮机装置循环的热效率与哪些因素有关? t η=1-κκπ11-κ取决于燃料的成分及空气的增压比情况 增压比π越大,热效率越高2.提高燃气轮机装置循环的热效率的措施有哪些? 回热。
9-13The three processes of an air-standard cycle are described. The cycle is to be shown on the P-v and T-s diagrams, and the back work ratio and the thermal efficiency are to be determined.Assumptions 1 The air-standard assumptions are applicable. 2 Kinetic and potential energy changes are negligible. 3 Air is an ideal gas with constant specific heats. Properties The properties of air are given as R = 0.287 kJ/kg.K, c p = 1.005 kJ/kg.K, c v = 0.718 kJ/kg·K, and k = 1.4.Analysis (a) The P -v and T -s diagrams of the cycle are shown in the figures. (b) The temperature at state 2 is K 2100kP a100kP a 700K) 300(1212===P P T TK 210023==T TDuring process 1-3, we havekJ/kg516.600)K 21K)(300kJ/kg 287.0()()(3131113,13=-⋅-=--=--=-=⎰-T T R P Pd w in V V vDuring process 2-3, we havekJ/kg8.1172n7K)(2100)Kl kJ/kg 287.0(7ln 7ln ln22233232,32=⋅======⎰⎰-RT RT RT d RTPd w out V VV V v Vv The back work ratio is then0.440===--kJ/kg8.1172kJ/kg6.516,32,13outin bw w w rHeat input is determined from an energybalance on the cycle during process 1-3,kJ/kg2465kJ/kg 1172.8300)K)(2100kJ/kg 718.0()(,3213,3231,3131,32,31=+-⋅=+-=+∆=-∆=--------outv outin out in w T T c w u q u w qThe net work output issvkJ/kg 2.6566.5168.1172,13,32=-=-=--in out net w w w(c) The thermal efficiency is then26.6%====266.0kJ2465kJ656.2in net th q w η9-21An air-standard cycle executed in a piston-cylinder system is composed of threespecified processes. The cycle is to be sketcehed on the P -v and T -s diagrams; the heat and work interactions and the thermal efficiency of the cycle are to bedetermined; and an expression for thermal efficiency as functions of compression ratio and specific heat ratio is to be obtained.Assumptions 1 The air-standard assumptions are applicable. 2 Kinetic and potential energy changes are negligible. 3 Air is an ideal gas with constant specific heats. Properties The properties of air are given as R = 0.3 kJ/kg·K and c v = 0.3 kJ/kg·K. Analysis (a) The P -v and T -s diagrams of the cycle are shown in the figures. (b) Noting that1.4297.00.1KkJ/kg 0.13.07.0===⋅=+=+=vv c c k R c c p pProcess 1-2: Isentropic compressionK 4.584)5)(K 293(429.01112112===⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=--k k r T T T vvkJ/kg 204.0=-⋅=-=-K )2934.584)(K kJ/kg 7.0()(12in 2,1T T c w v0=-21qFrom ideal gas relation,2922)5)(4.584(3212323==−→−===T r T T v v v v Process 2-3: Constant pressure heat additionkJ/kg701.3=-⋅=-=-==⎰-K )4.5842922)(K kJ/kg 3.0()()(2323232out 3,2T T R P Pd w v v vskJ/kg2338=-⋅=-=∆=∆+=----K )4.5842922)(K kJ/kg 1()(233232,32in 3,2T T c h u w q p outProcess 3-1: Constant volume heat rejectionkJ/kg 1840.3=⋅=-=∆=--K 293)-K)(2922kJ/kg 7.0()(1331out 1,3T T c u q v0=-13w(c) Net work isK kJ/kg 3.4970.2043.701in 2,1out 3,2net ⋅=-=-=--w w wThe thermal efficiency is then21.3%====213.0kJ2338kJ497.3in net th q w η9-32The two isentropic processes in an Otto cycle are replaced with polytropic processes.The heat added to and rejected from this cycle, and the cycle’s thermal efficiency are to be determined.Assumptions 1 The air-standard assumptions are applicable. 2 Kinetic and potential energy changes are negligible. 3 Air is an ideal gas with constant specific heats. Properties The properties of air at room temperature are R = 0.287 kPa·m 3/kg·K, c p = 1.005 kJ/kg·K, c v = 0.718 kJ/kg·K, and k = 1.4 (Table A-2a). Analysis The temperature at the end of the compression isK 4.537K)(8) 288(13.11112112===⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=---n n r T T T vvAnd the temperature at the end of the expansion isK 4.78981K) 1473(113.11314334=⎪⎭⎫⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=---n n r T T T vvThe integral of the work expression for the polytropic compression giveskJ/kg 6.238)18(13.1K) K)(288kJ/kg 287.0(1113.1121121=--⋅=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=---n n RT w vvSimilarly, the work produced during the expansion iskJ/kg 0.65418113.1K) K)(1473kJ/kg 287.0(1113.1143343=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-⎪⎭⎫⎝⎛-⋅-=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=---n n RT w vv Application of the first law to each of the four processes giveskJ/kg 53.59K )2884.537)(K kJ/kg 718.0(kJ/kg 6.238)(122121=-⋅-=--=--T T c w q v kJ/kg 8.671K )4.5371473)(K kJ/kg 718.0()(2332=-⋅=-=-T T c q vkJ/kg 2.163K )4.7891473)(K kJ/kg 718.0(kJ/kg 0.654)(434343=-⋅-=--=--T T c w q vkJ/kg 0.360K )2884.789)(K kJ/kg 718.0()(1414=-⋅=-=-T T c q vThe head added and rejected from the cycle arekJ/kg419.5kJ/kg 835.0=+=+==+=+=----0.36053.592.1638.6711421out 4332in q q q q q qThe thermal efficiency of this cycle is then0.498=-=-=0.8355.41911in out th q q η9-37An ideal Otto cycle with air as the working fluid has a compression ratio of 8. Theamount of heat transferred to the air during the heat addition process, the thermal efficiency, and the thermal efficiency of a Carnot cycle operating between the same temperature limits are to be determined. Assumptions 1 The air-standard assumptions are applicable. 2 Kinetic and potential energy changes are negligible. 3 Air is an ideal gas with variable specific heats.Properties The properties of air are given in Table A-17E. Analysis (a) Process 1-2: isentropic compression.32.144Btu/lbm92.04R 540111==−→−=r u T v()Btu/lbm 11.28204.1832.144811212222=−→−====u r r r r v v v v v Process 2-3: v = constant heat addition.Btu/lbm241.42=-=-===−→−=28.21170.452419.2Btu/lbm452.70R 240023333u u q u T in r vvP(b) Process 3-4: isentropic expansion.()()Btu/lbm 205.5435.19419.28434334=−→−====u r r r r v v v v v Process 4-1: v = constant heat rejection.Btu/lbm 50.11304.9254.20514out =-=-=u u q53.0%=-=-=Btu/lbm241.42Btu/lbm113.5011in out th q q η (c) The thermal efficiency of a Carnot cycle operating between the same temperature limits is 77.5%=-=-=R2400R54011C th,H L T T η9-40The expressions for the maximum gas temperature and pressure of an ideal Otto cycleare to be determined when the compression ratio is doubled.Assumptions 1 The air-standard assumptions are applicable. 2 Kinetic and potential energy changes are negligible. 3 Air is an ideal gas with constant specific heats. Analysis The temperature at the end of the compression varies with the compression ratio as1112112--=⎪⎪⎭⎫⎝⎛=k k r T T T v vsince T 1 is fixed. The temperature rise during thecombustion remains constant since the amount of heat addition is fixed. Then, the maximum cycle temperature is given by11in 2in 3//-+=+=k r T c q T c q T v vThe smallest gas specific volume during the cycle isr13v v =When this is combined with the maximum temperature, the maximum pressure is given by ()11in 1333/-+==k r T c qRrRT P v v v9-47An ideal diesel cycle has a compression ratio of 20 and a cutoff ratio of 1.3. The maximum temperature of the air and the rate of heat addition are to be determined. Assumptions 1 The air-standard assumptions are applicable. 2 Kinetic and potential energy changes are negligible. 3 Air is an ideal gas with constant specific heats. Properties The properties of air at room temperature are c p = 1.005 kJ/kg·K, c v = 0.718 kJ/kg·K, R = 0.287 kJ/kg·K, and k = 1.4 (Table A-2a). Analysis()K 6.95420K) 288(14.11112112===⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=---k k r T T T vvK 1241===⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=K)(1.3) 6.954(22323c r T T T vv Combining the first law as applied to the various processes with the process equations gives6812.0)13.1(4.113.12011)1(1114.111.41th =---=---=--c k c k r k r r ηAccording to the definition of the thermal efficiency,kW 367===0.6812kW 250th net inηW Q9-59An ideal dual cycle has a compression ratio of 15 and cutoff ratio of 1.4. The net work,heat addition, and the thermal efficiency are to be determined.Assumptions 1 The air-standard assumptions are applicable. 2 Kinetic and potential energy changes are negligible. 3 Air is an ideal gas with constant specific heats. Properties The properties of air at room temperature are R = 0.3704 psia·ft 3/lbm.R (Table A-1E), c p = 0.240 Btu/lbm·R, c v = 0.171 Btu/lbm·R, and k = 1.4 (Table A-2Ea).Analysis Working around the cycle, the germane properties at the various states are()R 158015R) 535(14.11112112===⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=---k k r T T T vvout()psia 2.62915psia) 2.14(4.112112===⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=k kr P P P vvpsia 1.692psia) 2.629)(1.1(23====P r P P p xR 1738psia 629.2psia 692.1R) 1580(22=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=PP T T xxR 2433R)(1.4) 1738(33===⎪⎪⎭⎫⎝⎛=c x xx r T T T vvR 2.942151.4R) 2433(14.11314334=⎪⎭⎫⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=---k c k rr T T T vvApplying the first law to each of the processes givesBtu/lbm 7.178R )5351580)(R Btu/lbm 171.0()(1221=-⋅=-=-T T c w v Btu/lbm 02.27R )15801738)(R Btu/lbm 171.0()(22=-⋅=-=-T T c q x x vBtu/lbm 8.166R )17382433)(R Btu/lbm 240.0()(33=-⋅=-=-x p x T T c qB t u /l b 96.47R )17382433)(R Btu/lbm 171.0(Btu/lbm 8.166)(333=-⋅-=--=--x x x T T c q w vBtu/lbm 9.254R )2.9422433)(R Btu/lbm 171.0()(4343=-⋅=-=-T T c w vThe net work of the cycle isBtu/lbm 124.2=-+=-+=---7.17896.479.25421343net w w w w x and the net heat addition isBtu/lbm 193.8=+=+=--8.16602.2732in x x q q q Hence, the thermal efficiency is0.641===Btu/lbm193.8Btu/lbm124.2in net th q w η9-61An expression for cutoff ratio of an ideal diesel cycle is to be developed.Assumptions 1 The air-standard assumptions are applicable. 2 Kinetic and potentialenergy changes are negligible. 3 Air is an ideal gas with constant specific heats. Analysis Employing the isentropic process equations,112-=k rT Toutwhile the ideal gas law gives1123T r r r T T k c c -==When the first law and the closed system work integral is applied to the constant pressure heat addition, the result is)()(111123in T r T r r c T T c q k k c p p ---=-=When this is solved for cutoff ratio, the result is11in1T r c q r k p c -+=9-81A simple ideal Brayton cycle with air as the working fluid has a pressure ratio of 10. The air temperature at the compressor exit, the back work ratio, and the thermal efficiency are to be determined.Assumptions 1 Steady operating conditions exist. 2 The air-standard assumptions are applicable. 3 Kinetic and potential energy changes are negligible. 4 Air is an ideal gas with variable specific heats.Properties The properties of air are given in Table A-17E. Analysis (a ) Noting that process 1-2 is isentropic,T h P r 11112147=−→−==520R124.27Btu /lbm .()()Btu/lbm 240.11 147.122147.110221212==−→−===h T P P P P r r R 996.5(b ) Process 3-4 is isentropic, and thus()Btu/lbm38.88283.26571.504Btu/lbm115.8427.12411.240Btu/lbm 265.834.170.1741010.174Btu/lbm 504.71R 200043out T,12inC,43433343=-=-==-=-==−→−=⎪⎭⎫⎝⎛====−→−=h h w h h w h P P P P P h T r r rThen the back-work ratio becomess200052048.5%===Btu/lbm238.88Btu/lbm115.84outT,in C,bw w w r(c ) 46.5%====-=-==-=-=Btu/lbm264.60Btu/lbm123.04Btu/lbm123.0484.11588.238Btu/lbm264.6011.24071.504inout net,th in C,out T,out net,23in q w w w w h h q η9-87A simple ideal Brayton cycle with air as the working fluid has a pressure ratio of 10.The air temperature at the compressor exit, the back work ratio, and the thermal efficiency are to be determined.Assumptions 1 Steady operating conditions exist. 2 The air-standard assumptions are applicable. 3 Kinetic and potential energy changes are negligible. 4 Air is an ideal gas with variable specific heats.Properties The properties of air are given in Table A-17E. Analysis (a ) Noting that process 1-2 is isentropic,T h P r 11112147=−→−==520R124.27Btu /lbm .()()Btu/lbm 240.11 147.122147.110221212==−→−===h T P P P P r r R 996.5(b ) Process 3-4 is isentropic, and thus()Btu/lbm38.88283.26571.504Btu/lbm115.8427.12411.240Btu/lbm 265.834.170.1741010.174Btu/lbm 504.71R 200043out T,12inC,43433343=-=-==-=-==−→−=⎪⎭⎫⎝⎛====−→−=h h w h h w h P P P P P h T r r rThen the back-work ratio becomes48.5%===Btu/lbm238.88Btu/lbm115.84outT,in C,bw w w rs2000520(c ) 46.5%====-=-==-=-=Btu/lbm264.60Btu/lbm123.04Btu/lbm123.0484.11588.238Btu/lbm264.6011.24071.504inout net,th in C,out T,out net,23in q w w w w h h q η(d) The expression for the cycle thermal efficiency is obtained as follows:⎪⎭⎫ ⎝⎛---⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎭⎫⎝⎛---=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---=-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=---=----=-==-----------1111111111111111111231223in in 2,1out 3,2in net th 11)1(11111)1(11)1(1)1(1)()()()()(k k p k p k p k k v p k k p k v p p v r r k k r r k c R r T T r k c R r r T c r T T r T c c R r T r rT c T r T c c RT T c T T c T T R q w w q w η since 111kc c c c c c R p v p v p p -=-=-=。