1、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
2、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 1LHT分析确定哪些因素会改变 ，从而得到进一步工作的方案。LHT或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
3、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
4、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
5、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
6、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 0SQW热力学第一定律 20S供热系数 1HPSS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
7、、计算题7-17 在 25时，某气体的 P-V-T 可表达为 PV=RT+6.4104P，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 J，即公式（7-6） 。由热力学基本关系式可得到：（7-6）pPHJCVT)()(由 P-V-T 关系式 可得RTPV410.64.P求偏导得 ，故有RTV)(014.6104.6 ppppJ CCPRTV可见，节流膨胀后，温度升高。7-18 由氨的 图求 1kg 氨从 0.828MPa(8.17atm)的饱和液体节流膨胀至 0.0689 sMPa（0.68
8、atm）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 =0.552 MPa =5.45 atm 时， （绝热可逆压缩）2p?2t解：由附录 8 氨的 T-S 图知： 时 )17.8(.01atmMPp kgcalh/701等焓膨胀至 时 t62 123.Kkls（饱和液体） （饱和蒸汽）02sl 14.2 gclsv（a）求干度： lsvx2)1(.04.32slvx即汽化的液氨为 0.211kg。（b）由附录 8 得 Ct2（C）氨气等熵压缩至 5.45atm，由附录 8 得 Ct1027-19.某郎肯循环以水为工质，运行于 14MPa 和 0.
9、007MPa 之间，循环最高温度为 540 ，C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： 作出此动力循环的 图，见 7-19 题图 1。sT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： ，4pMPa19.34kgJh1528.6kgKJS工质在透平中等熵膨胀： 11258.6kKJS状态点 2： 20.7pPaCT3292slhkgJ/3.16svhkgJ/.sl2)(589Ks2)(78K膨胀终点： kmv/01.35891.)(279.85.622 xsxsl得 30kgJhxhslsv /60.23
10、.16)7.0(.62571)1(22 透平等熵产生功： kJWRs /9.45.29.34)()12)( kgJhl/3.1623冷凝过程传热: kgJq /86.13602 水泵的可逆轴功 ： 1334)( 9.)7.4(.)( PvwpumRs由热力学第一定律： kgJhpuRs /1.9.12.6)(34 锅炉吸热： q5873474310 7-19题图1 。郎肯循环净功为透平产功与泵轴功的代数和： kgJwpumRssN /297.13.29.1405)( ）（热效率： 7.8.3290qT（b）水泵功与透平功之比： 0957.2.1453)( Rspumw（c）提供 1kw 电的循
11、环蒸汽量： skgN/187-20.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： SLWQkJLS1此净功来自热机： HsCKJWQcs83.04/17- 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 kJ/h。试求：（a）制冷效能系数； (b) 氨的循环速率；(c) 压41.390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 图见
12、7-21 图 1 ，工质为氨，由附录 79 查出各状态点的焓值。sT状态点 1：由附录 7 查得蒸发压力为 0.14 MPa 时，制冷剂为饱和蒸汽的焓值。MPap14.0kgcalh/321状态点 2：由冷凝压力为 1.2MPa，在附录 9 氨的 图上，找出 1Hpn点位置，沿等熵线与 1.2MPa 的等压线的交点 3，图上直接查得2kgcalh/420状态点 4：从附录 7 氨的饱和蒸汽压表查得 30.89时饱和液体的焓值147.8l状态点 5：45 过程是等焓的节流膨胀过程，故5h142.kgcal 7-21题图1 。（a）制冷系数： 求得：8.03241hhs kgcalh/427124
13、（b） skghkghQmL /107.3/2.1384.)2.3(09341 （c） KWws .84.)(7)312 （d） skJH /56127.0.(3 （e）以冷凝器压力 1.2Mpa 时， CTH3蒸发器压力 0.14Mpa 时， L06.523730LHCT7-22.为使冷库保持-20,需将 419000kJ/h 的热量排向环境，若环境温度 =27，试求理0T想情况下每小时所消耗的最小功和排向大气的热量。解： 38.5)20(70LSLTWQhkJ/38.5419hkJSL /496830 7-23. 利用热泵从 90的地热水中把热量传到 160的热源中，每消耗 1kW 电功，
14、热源最多能得到多少热量？解：依题意，供热系数 19.601272THPnettHPQW1 kWPnetH17-24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。P 1MPa 1 1.0 2 2 50 0.1 -3 30 H 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。7-25. 某压缩制冷装置，用氨作为制冷剂，氨在蒸发器中的
15、温度为25，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 lnP-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 41 h1=1430KJkg-1h2=1710KJkg-1氨在冷凝器中的过程即 23，h 3=h4=320KJkg-1（1）氨流率 15410.067. hkgQqmL（2）制冷系数 96.314212hwS注：求解此类题目：关键在于首先确定各过程状态点的位置，
16、然后在 P-H 图或 TS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 =41800kJ/h 的氨压缩机，在下列条件下工作：蒸发温度 =15,冷0Q0t凝温度 =25，过冷温度 =20，压缩机吸入的是干饱和蒸气，试计算ktt（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15的干饱和蒸气，由氨的温熵查得 h1=1664kJ/kg。由t1=15饱和汽线上该状态点（沿等熵线垂直向上）与 t=30对应的饱和压力p3=10105Pa 线相交，查得 h2=1866kJ/
17、kg。状态点 5 为 20的过冷液体，查20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q0=h1h 4=1664514.6=1149.4（kJ/kg ）(2) 每小时制冷剂循环量为141037.6.98hkgQmL（3） 在冷凝器中制冷剂放出的热量为QH = m（ h5h 2）= 36.37（514.61866）=49150.42（ kJ/h）（4） 压缩机的理论功率为PT=m（h 2h 1）=36.37（18661664）=7346.74（kJ/h）=2.04kJ/s=2.04kW（5） 理论制冷系数69.
18、51486.120hqwSL7-27.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 5的冷水，被送到使用地点，吸热升温后以 13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 32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 5水的饱和蒸气压p1=0.00872105Pa，冷凝器的温度为 32水的饱和压力 p2=0.04
19、68105Pa （2） 本装置依靠 5的冷水从室内吸热，从而升温至 13来降低室温，故本装置的制冷量为 Q0=m2（h 5h 6）=m 2CP（T 5T 6）=7504.184（135）=25104（kJ/min）=1506240kJ/h（3） 对蒸发器作质量衡算m1=m3m 2 7-26题图1 。（1）对蒸发器再作能量衡算m1h5=m3h1m 2h6 （2）联立方程（1）和（2）求得 m3，即为冷水循环所需的补充量 516)(70从饱和水和饱和蒸气表查得h1（t=5，x=0.98）=2460kJ/kg，h 5（t=13 的饱和水）=54.（kJ/kg ）因此m3= =10.48（kg/min
20、）21046.（4） 从饱和水和饱和蒸气表查得：5时的饱和蒸气比容 g=147.12m3/kg；5时饱和水的比容 f=0.001m3/kg，则干度为 0.98 的蒸气比容= gx f（1x）=147.120.980.001（10.98）=144.18（m 3/kg）最后得到每分钟进入压气机的蒸气体积为V=m3=10.48144.18=1511（m 3/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 4，冷凝器（用于制热）平均温度为 50。设夏季运行时的室外温度（平均）为 35，蒸发器（用于制冷）平均温度为 4，若要求制热（制冷
21、）量为105kJh-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。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50。依公式（7-37） ，有夏季空调运行时，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 4。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 ，R -134a 蒸汽经压缩后在冷凝LQ器中凝结为液体放出热量 ，供室内取暖。设蒸发器中 R-134a 的温度为-10，冷凝器中HQ22173
22、50.24HPCSQTW 冷 凝 器50.967.3kW12748.935LCSQTW蒸 发 器 503.368.9kWR-134a 蒸气的冷凝温度为 30，试求：（1）热泵的供热系数；（2）室内供热 100 000 kJh-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 100 000 kJh-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 ，由附录 6 查得：10t1110.7392.0pMPahkJgkJgKAA， ， s=7查得：3t由 1342.8pMPahkJ，从附录 6 内插得 ，221.由 及 ， 96（当 ；1
23、11207.77.5paskJggAA， 时 ，当 。22.830PKhkJ， 时 ，做压力内插得 ） ，故149.6h（1）以单位质量为基准计算, 依公式（7-36） 123.42.8017.4()qkJgA196363Swh(2) 依公式（7-36） 得，（3）电炉的功率为： 10/3627.8()kW7-30.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 15，冷凝器温度为 50，冷凝器向房屋排放 8.4104 kJh-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 60，进入冷凝器被冷凝成饱和液体后进行
24、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 为定值， =0.684 kJkg-1h-1，试求：（1）进入蒸发器的 R-12 的干度；PCP（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： ， ，5t 1110.49pMakJgKA， s=0.69238hkJgA状态点 2： ，6t2.P7-29题图1 。2HPSq2PSQ2 104.34.32.SHPWJskA状态点 3： ，50t1331.29206.5pMPahkJgA，3.7
25、sK假定压缩后过热蒸汽为理想气体， 为定值。PC120.75skJgKA，因此为不可逆绝热压缩。31458.9hkJgA（1）以单位质量为基准计算, 进入蒸发器的干度为 5x5(1)slsvhh5584.90.93.824x(2) 此泵所消耗的功率制冷剂的循环量热泵所消耗的功率（3）电炉的功率为： =W48.10/362.()kWR-12 的有关热力学参数 1/()hJgA1/()skJgKA温度/ 饱和压力/kPa sl svl sv15 491 50.1 193.8 0.1915 0.690250 1219 84.9 206.5 0.3037 0.67977-31. 动力- 热泵联合体系工
26、作于 之间，热机工作于 之间。C201和 C201和124131.()qhkJgA2233lnPT2337.560ln.69.84lPs 2321()6.4(3.52.1).PhCTkJgA4128.065Qmhq2()5(198/30.5()h k7-30题图1 。假设热机热泵均为可逆的，试问 下供给单位热量所产生的工艺用热量（ 下得C10 C10到的热量）是多少？解： （1）热机： 单位热量：HLSCTqwKJqH1故 kLS 7698.0123（2）热泵： 5.4LHPCT传热量： KJwqS 892.376.025.427-32. 用简单林德循环使空气液化。空气初温为 17，节流膨胀前
27、压力 P2 为 10MPa，节流后压力 P1 为 0.1MPa，空气流量为 0.9m3h-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3.3KJkg-1，向对液化量的影响如何？空气的比热 Cp 为 1.0 kJkg-1K-1。解： 简单的林德循环 TS 图如上表示：对于空气从 TS 图上可查得各状态点的焓值状态点 性状 T K PMPa hKJkg -11 过热蒸汽 290 0.1 4602 过热蒸汽 290 10 4350 饱和液体 0.1 42(1)理论液化量 （kg 液体kg 空气）06.4182560312hx空气流量 13.4.9hmollm液化量： 1706.20gx理（2）外界热量传入造成冷量损失 q 冷损 ，q 冷损 =3.3KJkg-1换热器热端温差造成热交换损失 q 温损 ，q 温损 =Cp T=1.010=10KJkg-1实际液化量1012 028.460315 kghQx冷 损温 损实实际液化量： 1.28.9.4hgxm实
