第七章习题解答

第七章习题解答

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。

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

1L

H

T T η=-

分析确定哪些因素会改变L H T T 或，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？ 答：致冷效能系数

S

Q W ε=

热力学第一定律 20S Q Q W =+ 供热系数

201S

HP S

S

Q Q W W W

εε+=

=

=+

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 、100℃的水，从液态转为气态或从气态转为液态时，温度始终为 100℃。

二、计算题

7-17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 ，即公式（7-6）。 由热力学基本关系式可得到：

p

P H

J C V T V

T P T -??=??=

)(

)()

(μ （7-6） 由P-V-T 关系式P RT PV 4

104.6?+=可得

4104.6?+=

P RT

V 求偏导得 P

R

T V P =??)(，故有 0104.6104.644

=

p

p p p J C C C P PV RT C V

P R

T μ

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0.0689 MPa （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 2p =0.552 MPa

=5.45 atm 时， ?'

2=t （绝热可逆压缩）

解：由附录8氨的T-S 图知：)17.8(828.01atm MPa p =时 kg

kcal h /701=

等焓膨胀至 atm p 68.02= 时 11

23.0--??=kg K kcal s

02=sl s （饱和液体） 1

142.12

--??=kg K kcal s sv （饱和蒸汽） （a ）求干度： sl

sv s x x s s 22222)1(-+= 211.00

42.10

3.02

2

22=--=

--=

sl

sv sl

s s s s x

即汽化的液氨为0.211kg 。

（b ）由附录8得 C t

402-=

（C ）氨气等熵压缩至5.45atm ，由附录8得C t

110'2=

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s T -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1：114p MPa = 119.3431-?=kg kJ h ，

111528.6--??=kg K kJ S

工质在透平中等熵膨胀：1112528.6--??==kg K kJ S S 状态点2：

20.007p MPa = K C T 312392==

sl h 2

kg kJ /32.163= sv

h 2kg kJ /6.2571= sl s 2)/(5589

.0K kg kJ ?= sv s 2

)/(2739.8K kg kJ ?=

膨胀终点： kg m v /001.032=

55891

.0)1(2739.8528.6)1(222

2222?-+=-+=x x s x x s s sl

sv

得 7737.02=x kg kJ h x x h h sl sv /606.202632.163)7737.01(7737.06.2571)1(22222=?-+?=-+=

透平等熵产生功：

kg kJ h h h W R s /29.1405606.20269.3431)()(12)(=-=--=?-=

kg kJ h h sl

/32.16323==

冷凝过程传热: kg kJ h h q /286.1863606.202632.163232-=-=-= 水泵的可逆轴功 ：

1334)(993.1310)007.014(001

.0)(-?-=?--=--=kg kJ P P v w pum p R s 由热力学第一定律：

kg kJ w h h pum p R s /313.177993.1332.163)(34=+=-=

锅炉吸热：kg kJ h h q /587.3254313.1779.3431410=-=-= 郎肯循环净功为透平产功与泵轴功的代数和：

kg kJ w w w pum p R s R s N /297.1391993.1329.1405)(=-=-=）（

7-19题图1

热效率：4275.0587

.3254297

.13910===

q w N T η （b ）水泵功与透平功之比：

009957.029

.1405993

.13)

)(==

R s pump R s w w （

（c ）提供1kw 电的循环蒸汽量：s kg w m N /0007187.0297

.139111===

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：S