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
??1?TL TH分析确定哪些因素会改变TL或TH，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 ??Q0 WS热力学第一定律 Q2?Q0?WS 供热系数 ?HP?Q2WS?Q0?WSWS???1
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+×10P，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：
4
?J?(?T)?(?P)H4T(?V)P?V?T （7-6） Cp 由P-V-T关系式PV?RT?6.4?10P可得
RT?6.4?104 P?VR求偏导得 ()P?，故有
?TPV?T??J?R?VRT?PV?6.4?104?6.4?104P????0
CpP?CpCpCp可见，节流膨胀后，温度升高。
7-18 由氨的T?s图求1kg氨从的饱和液体节流膨胀至 MPa（）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 p2= MPa = atm时， t2??
（绝热可逆压缩）
解：由附录8氨的T-S图知：p1?0.828MPa(8.17atm)时 h1?70kcal/kg
等焓膨胀至 p2?0.68atm 时 s2?0.3kcal?K?1?kg?1
ssl?0（饱和液体） ssv?1.42kcal?K?1?kg?1（饱和蒸汽） 22 （a）求干度： s2?s2x2?(1?x2)s2 x?svsls2?ssl2svs2?ssl2?0.3?0?0.211
1.42?0即汽化的液氨为0.211kg。
（b）由附录8得 t2??40C
?（C）氨气等熵压缩至，由附录8得t2?110C
7-19.某郎肯循环以水为工质，运行于14MPa和之间，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：①作出此动力循环的T?s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：p1?14MPa h1?3431.9kJ?kg，S1?6.528kJ?K 工质在透平中等熵膨胀：S2?S1?6.528kJ?K??1?1?1'??kg?1
?kg?1
状态点2： p2?0.007MPa T2?39C?312K h2?163.32kJ/kg h2?2571.6kJ/kg s?0.5589kJ/(kg?K) ssl2slsvsv2?8.2739kJ/(kg?K)
37-19题图1
膨胀终点： v2?0.001m/kg
svsls2?s2x2?(1?x2)s26.528?8.2739x2?(1?x2)?0.55891
得 x2?0.7737
svslh2?h2x2?(1?x2)h2?2571.6?0.7737?(1?0.7737)?163.32?2026.606kJ/kg
透平等熵产生功：
Ws(R)??(?h)??(h2?h1)?3431.9?2026.606?1405.29kJ/kg
slh3?h2?163.32kJ/kg
冷凝过程传热: q2?h3?h2?163.32?2026.606??1863.286kJ/kg 水泵的可逆轴功 ：
ws(R)pump??v(P4?P(14?0.007)?103??13.993kJ?kg?1 3)??0.001由热力学第一定律：
h4?h3?ws(R)pump?163.32?13.993?177.313kJ/kg
锅炉吸热：q0?h1?h4?3431.9?177.313?3254.587kJ/kg 郎肯循环净功为透平产功与泵轴功的代数和：
wN?ws(R)?ws（R）pump?1405.29?13.993?1391.297kJ/kg
热效率：?T?wN1391.297??0.4275 q03254.587（b）水泵功与透平功之比：
ws(R)pumpws（R)?13.993?0.009957
1405.29（c）提供1kw电的循环蒸汽量：m?11??0.0007187kg/s wN1391.2977-20.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：??QLQ1 WS?L?kJ WS?4WsW1/4?0.833KJ QH?s?QH?c0.3此净功来自热机：?C?7- 21.某蒸汽压缩制冷循环用氨做工质，工作于冷凝器压力和蒸发器压力之间。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（a）制冷效能系数； (b) 氨的循环速率；(c) 压缩机功率；(d) 冷1.394?104kJ/h。试求：
凝器的放热量；(e) 逆卡诺循环的制冷效能系数。
解：此循环的T?s图见7-21图1 ，工质为氨，由附录7~9查出各状态点的焓值。 状态点1：由附录7查得蒸发压力为 MPa时，制冷剂为饱和蒸汽的焓值。
p1?0.14MPa h1?332kcal/kg
状态点2：由冷凝压力为，在附录9氨的lnp?H图上，找出1点位置，沿等熵线与p2＝的等压线的交点3，图上直接查得
h2?420kcal/kg
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
7-21题图1
马沛生主编化工热力学第七章习题解答
