化工热力学习题及答案 第四章 化工过程的能量分析.doc

第四章 化工过程的能量分析 4-1 设有一台锅炉，水流入锅炉是之焓为62.7kJ·kg-1，蒸汽流出时的焓为2717 kJ·kg-1，锅炉的效率为70％，每千克煤可发生29260kJ的热量，锅炉蒸发量为4.5t·h-1，试计算每小时的煤消耗量。 状态 p/MPa t/℃ U/m·s-1 H/(kJ·kg-1) 进口 水 0.196 70 2 292.98 出口 蒸汽 0.0981 105 200 2683.8 解：锅炉中的水处于稳态流动过程，可由稳态流动体系能量衡算方程： 体系与环境间没有功的交换：，并忽 动能和位能的变化， 所以： 设需要煤mkg，则有： 解得： 4－5 一台透平机每小时消耗水蒸气4540kg，水蒸气在4.482MPa、728K下以61m·s-1的速度进入机内，出口管道比进口管到底3m，排气速度366 m·s-1。透平机产生的轴功为703.2kW，热损失为1.055×105kJ·h-1。乏气中的一小部分经节流阀降压至大气压力，节流阀前后的流速变化可忽略不计。式计算经节流后水蒸气的温度及其过热度。 解：稳态流动体系能量衡算方程： 以每小时单位水蒸气作为计算标准 将上述结果代入能量衡算方程得到： 查表得到4.482MPa，728K过热水蒸汽焓值： 进出口焓变为出口气体焓值减去进口气体焓值： 对于节流膨胀过程，节流膨胀过程为等焓过程， 节流后水蒸气焓值： 内插法查0.1MPa下过热水蒸汽表，得到：，过热度6.5℃ 4－16 1mol理想气体，400K下在气缸内进行恒温不可逆压缩，由0.1013MPa压缩到1.013MPa。压缩过程中，由气体移出的热量，流到一个300K的蓄热器中，实际需要的功较同样情况下的可逆功大20％。试计算气体的熵变，蓄热器的熵变以及。 解：稳态流动过程能量衡算方程 理想气体： 理想气体的焓只是温度的函数，所以： 对于可逆过程： 理想气体恒温压缩下： 对于不可逆过程： 对于蓄热器可视为环境，对于环境交换的热量可视为可逆热，所以对蓄热器： 总焓变： 4－18 试求在恒压下将2kg 90℃的液态水和3kg 10℃的液态水绝热混合过程所引起的总熵变。为简化起见，将水的热容取作常数，。 解：90℃的液态水的放热量等于10℃的液态水的吸热量 对于等压过程： 设混合后水的温度为T3，所以： 代入已知得： 解得： 90℃的液态水的熵变： 10℃的液态水的熵变：同理可得 总熵变： 4－19 一换热器用冷水冷却油，水的流量为1000kg·h-1，进口温度为21℃，水的热容取作常数4184J·kg-1·K-1；油的流量为5000㎏·h-1，进口温度为150℃，出口温度66℃，油的平均比热取0.6kJ·kg-1·K-1，假设无热损失。试计算：（1）油的熵变；（2）整个热交换过程总熵变化，此过程是否可逆？ 解：该过程压力变化很小，忽略压力的影响。油的熵变： 因为无热损失，则油放出的热量等于水吸收的热量，设水进出口温度分别为t2和t1 所以： 解得： 4－20 一发明者称他设计了一台热机，热机消耗热值为42000kJ·kg-1的油料0.5kg·min-1,其产生的输出功率为170kW，规定这热机的高温与低温分别为670K与330K，试判断此设计是否合理？ 解：可逆热机效率最大，可逆热机效率： 热机吸收的热量： 热机所做功为： 该热机效率为： 该热机效率小于可逆热机效率，所以有一定合理性。 4－22 试求1.013×105Pa下，298K的水变为273K的冰时的理想功。设环境温度（1）248K；（2）298K。已知水和冰的焓熵值如下表： 状态 温度(K) H（kJ·kg-1） S(kJ·kg-1·K-1) H2O(l) 298 104.8 0.3666 H2O(s) 273 -334.9 -1.2265 解：（1）T0＝298K时： （2）T0＝298K时： 4－24 用一冷冻系统冷却海水，以20kg·s-1的速率把海水从298K冷却到258K；并将热排至温度为303K的大气中，求所需功率。已知系统热力效率为0.2，海水的比热为3.5kJ·kg-1·K-1。 解：因为是等压过程，所以： 单位海水的放热量： 总放热量： 海水总熵变： 理想功： 热力学效率： 所以实际功率为： 4－28 有一锅炉，燃烧气的压力为1.013×105Pa，传热前后温度分别为1127℃和537℃，水在6.890×105Pa 149℃下进入，以6.890×105Pa 260℃的过热蒸汽送出。设燃烧气的，试求该传热过程的损失功。 解：损失功，需要分别计算水和燃烧气的熵变。 水的熵变计算，需要查得水的各个状态下的焓熵值，每个状态下需要内插求值 149℃ 5.0MPa液态水的焓熵值计算 149℃