化工熱力學(xué)習(xí)題及答案 第四章 化工過(guò)程的能量分析

第四章 化工過(guò)程的能量分析4-1 設(shè)有一臺(tái)鍋爐，水流入鍋爐是之焓為62.7kJkg-1，蒸汽流出時(shí)的焓為2717 kJkg-1，鍋爐的效率為70，每千克煤可發(fā)生29260kJ的熱量，鍋爐蒸發(fā)量為4.5th-1，試計(jì)算每小時(shí)的煤消耗量。狀態(tài)p/MPat/U/ms-1H/(kJkg-1)進(jìn)口水0.196702292.98出口蒸汽0.09811052002683.8解：鍋爐中的水處于穩(wěn)態(tài)流動(dòng)過(guò)程，可由穩(wěn)態(tài)流動(dòng)體系能量衡算方程：體系與環(huán)境間沒(méi)有功的交換：，并忽 動(dòng)能和位能的變化，所以： 設(shè)需要煤mkg，則有：解得：45 一臺(tái)透平機(jī)每小時(shí)消耗水蒸氣4540kg，水蒸氣在4.482MPa、728K下以61ms-1的速度進(jìn)入機(jī)內(nèi)，出口管道比進(jìn)口管到底3m，排氣速度366 ms-1。透平機(jī)產(chǎn)生的軸功為703.2kW，熱損失為1.055105kJh-1。乏氣中的一小部分經(jīng)節(jié)流閥降壓至大氣壓力，節(jié)流閥前后的流速變化可忽略不計(jì)。式計(jì)算經(jīng)節(jié)流后水蒸氣的溫度及其過(guò)熱度。解：穩(wěn)態(tài)流動(dòng)體系能量衡算方程：以每小時(shí)單位水蒸氣作為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)將上述結(jié)果代入能量衡算方程得到：查表得到4.482MPa，728K過(guò)熱水蒸汽焓值：進(jìn)出口焓變?yōu)槌隹跉怏w焓值減去進(jìn)口氣體焓值：對(duì)于節(jié)流膨脹過(guò)程，節(jié)流膨脹過(guò)程為等焓過(guò)程，節(jié)流后水蒸氣焓值：內(nèi)插法查0.1MPa下過(guò)熱水蒸汽表，得到：，過(guò)熱度6.5416 1mol理想氣體，400K下在氣缸內(nèi)進(jìn)行恒溫不可逆壓縮，由0.1013MPa壓縮到1.013MPa。壓縮過(guò)程中，由氣體移出的熱量，流到一個(gè)300K的蓄熱器中，實(shí)際需要的功較同樣情況下的可逆功大20。試計(jì)算氣體的熵變，蓄熱器的熵變以及。解：穩(wěn)態(tài)流動(dòng)過(guò)程能量衡算方程理想氣體： 理想氣體的焓只是溫度的函數(shù)，所以：對(duì)于可逆過(guò)程：理想氣體恒溫壓縮下：對(duì)于不可逆過(guò)程：對(duì)于蓄熱器可視為環(huán)境，對(duì)于環(huán)境交換的熱量可視為可逆熱，所以對(duì)蓄熱器：總焓變：418 試求在恒壓下將2kg 90的液態(tài)水和3kg 10的液態(tài)水絕熱混合過(guò)程所引起的總熵變。為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，將水的熱容取作常數(shù)，。解：90的液態(tài)水的放熱量等于10的液態(tài)水的吸熱量對(duì)于等壓過(guò)程：設(shè)混合后水的溫度為T(mén)3，所以：代入已知得：解得：90的液態(tài)水的熵變：10的液態(tài)水的熵變：同理可得總熵變：419 一換熱器用冷水冷卻油，水的流量為1000kgh-1，進(jìn)口溫度為21，水的熱容取作常數(shù)4184Jkg-1K-1；油的流量為5000h-1，進(jìn)口溫度為150，出口溫度66，油的平均比熱取0.6kJkg-1K-1，假設(shè)無(wú)熱損失。試計(jì)算：（1）油的熵變；（2）整個(gè)熱交換過(guò)程總熵變化，此過(guò)程是否可逆？解：該過(guò)程壓力變化很小，忽略壓力的影響。油的熵變：因?yàn)闊o(wú)熱損失，則油放出的熱量等于水吸收的熱量，設(shè)水進(jìn)出口溫度分別為t2和t1 所以：解得：420 一發(fā)明者稱他設(shè)計(jì)了一臺(tái)熱機(jī)，熱機(jī)消耗熱值為42000kJkg-1的油料0.5kgmin-1,其產(chǎn)生的輸出功率為170kW，規(guī)定這熱機(jī)的高溫與低溫分別為670K與330K，試判斷此設(shè)計(jì)是否合理？解：可逆熱機(jī)效率最大，可逆熱機(jī)效率：熱機(jī)吸收的熱量：熱機(jī)所做功為：該熱機(jī)效率為：該熱機(jī)效率小于可逆熱機(jī)效率，所以有一定合理性。422 試求1.013105Pa下，298K的水變?yōu)?73K的冰時(shí)的理想功。設(shè)環(huán)境溫度（1）248K；（2）298K。已知水和冰的焓熵值如下表：狀態(tài)溫度(K)H（kJkg-1）S(kJkg-1K-1)H2O(l)298104.80.3666H2O(s)273-334.9-1.2265解：（1）T0298K時(shí)：（2）T0298K時(shí)：424 用一冷凍系統(tǒng)冷卻海水，以20kgs-1的速率把海水從298K冷卻到258K；并將熱排至溫度為303K的大氣中，求所需功率。已知系統(tǒng)熱力效率為0.2，海水的比熱為3.5kJkg-1K-1。解：因?yàn)槭堑葔哼^(guò)程，所以：?jiǎn)挝缓Ｋ姆艧崃浚嚎偡艧崃浚汉Ｋ傡刈儯豪硐牍Γ簾崃W(xué)效率：所以實(shí)際功率為：428 有一鍋爐，燃燒氣的壓力為1.013105Pa，傳熱前后溫度分別為1127和537，水在6.890105Pa 149下進(jìn)入，以6.890105Pa 260的過(guò)熱蒸汽送出。設(shè)燃燒氣的，試求該傳熱過(guò)程的損失功。解：損失功，需要分別計(jì)算水和燃燒氣的熵變。水的熵變計(jì)算，需要查得水的各個(gè)狀態(tài)下的焓熵值，每個(gè)狀態(tài)下需要內(nèi)插求值149 5.0MPa液態(tài)水的焓熵值計(jì)算149 7.5MPa水的焓熵值比較不同壓力下的焓熵值可見(jiàn)，壓力對(duì)液態(tài)水的焓熵值影響不大，也可忽略不計(jì)。149 6.890105Pa液態(tài)水的焓熵值計(jì)算，可利用表中與6.890105Pa這一壓力最接近的壓力25105Pa代替，不會(huì)產(chǎn)生太大誤差。149 5.0MPa液態(tài)水的焓熵值260 6.890105Pa過(guò)熱蒸汽的焓熵值計(jì)算：260 5105Pa過(guò)熱蒸汽的焓熵值260 7105Pa過(guò)熱蒸汽的焓熵值H（kJkg-1）Sk(Jkg-1K-1)260 5105Pa2981.47.3086260 7105Pa2974.657.1437260 6.890105Pa過(guò)熱蒸汽的焓熵值燃燒氣的熵變：以1kg燃燒氣為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，忽略熱損失，燃燒氣放熱量等于水的吸熱量，并設(shè)加熱水的質(zhì)量為m kg對(duì)于等壓過(guò)程有：燃燒氣放熱量：水的吸熱量： 所以： 代入已知參數(shù)，得到：解得：總熵變：損失功：430 某工廠有一在1大氣壓下輸送90熱水的管道，由于保溫不良，到使用單位，水溫降至70，試計(jì)算熱水由于散熱而引起的有效能損失。已知環(huán)境溫度為298K，水的熱容4.184kJkgK-1。解：由于，所以該題計(jì)算的重點(diǎn)為系統(tǒng)和環(huán)境的熵變的計(jì)算。（1） 利用水的熱容計(jì)算體系熵變（水的熵變）：環(huán)境熵變的計(jì)算：等壓過(guò)程：對(duì)于環(huán)境與體系交換的熱量，對(duì)環(huán)境來(lái)說(shuō)為可逆熱，所以環(huán)境熵變?yōu)椋嚎傡刈儯簱p失功為：（2） 利用水蒸汽表計(jì)算查水蒸汽表得：70 90 體系有效能變化：該體系不對(duì)外做功，有效能的變化就是損失的有效能，故有效能損失為（3） 利用熱量有效能計(jì)算435 某換熱器完全保溫，熱流體的流量為0.042kgs-1，進(jìn)、出口換熱器時(shí)的溫度分別為150和35，其等壓熱容為4.36kJkg-1K-1。冷流體進(jìn)出換熱器時(shí)的溫度分別為25和110，其等壓熱容為4.69kJkg-1K-1。試計(jì)算冷熱流體有效能的變化、損失功和有效能效率。解：（方法一）利用熱量有效能計(jì)算等壓過(guò)程，交換的熱量等于過(guò)程的焓變對(duì)于熱流體：設(shè)環(huán)境溫度，熱流體的有效能Bh計(jì)算熱流體平均溫度：忽略熱損失，熱流體放熱等于冷流體得到的熱量同理對(duì)冷流體，對(duì)冷熱流體組成的體系進(jìn)行有效能恒算有效能效率：（方法二）利用穩(wěn)態(tài)流動(dòng)體系有效能計(jì)算方程計(jì)算等壓過(guò)程，交換的熱量等于過(guò)程的焓變對(duì)于熱流體：同理冷流體有效能變化：設(shè)冷流體的流量為，進(jìn)出口溫度分別為和保溫完全，無(wú)熱損失：同理可得： 損失功：有效能效率：436 若將上題中熱流體進(jìn)口溫度改為287。出口溫度和流量不變，冷流體進(jìn)出口溫度也不變，試計(jì)算正中情況下有效能的變化、損失功和有效能效率，并與上題進(jìn)行比較。解：原理同上題。對(duì)于熱流體：設(shè)環(huán)境溫度，熱流體的有效能Bh計(jì)算熱流體平均溫度：對(duì)冷熱流體組成的體系進(jìn)行有效能恒算有效能效率：比較435和436有效能效率可知，