重点工程热力学经典例题

１０.５　典型题精解例题１０－１　图１０－２０中定容加热循环１－２－３－４－１与定压加热循环，其工质均为同种抱负气体，在条件下，哪个热效率高？解　图１０－２１为循环T-s图。显然定压加热循环平均吸热温度高于定容加热循环１－２－３－４－１，而平均放热温度，比定容加热循环低，因此定压加热循环热效率高。例题１０－２　如下各题中循环１－２－３－１称为Ａ循环，循环称为Ｂ循环，Ａ、Ｂ循环工质均为同种抱负气体。试在不同条件下，比较每题中Ａ、Ｂ两可逆循环热效率高低。解　４个小题中，Ａ、Ｂ循环所相应T-s图如图１０－２２b～１０－２５b所示。（１）因从图１０－２２b看到，Ａ循环放热过程为３－１，Ｂ循环放热过程为，显然，而已知条件为，因此，（２）如图１０－２３b看到因此（３）Ａ、Ｂ循环T-s图１０－２４b所示，它们平均吸热温度分别为即此外，从图１０－２４b看到因此（４）Ａ、Ｂ循环T-s图如图１０－２５b所示，它们平均吸热温度问别为即又因此例题１０－３　试用平均温度概念分析增压比和增温比对燃气轮机抱负回热循环热效率影响？解　图１０－２６a示出了当不变而变化时燃气轮机抱负循环T-s图。由此图可见，当点３升到，即增温比提高届时，循环吸热过程有由变为，平均吸热温度由提高到；而平均放热温度维持不变。因而，愈大，愈高。图１０－２６ba示出了当不变而变化时燃气轮机抱负回热循环T-s图。当点２提高到点，即提高届时，循环吸热过程由变为，显然平均吸热温度由降到为。循环放热过程由变为，平均放热温度由提高到，因而热效率将减少。可见愈高，愈低。因而，为了提高燃气轮机抱负回热循环热效率，应采用比较高增温比和较低增压比。例题１０－４　综观蒸汽动力循环、燃气轮机循环、内燃机循环以及例题１０－２与例题１０－２中气体动力循环等等，可以发现它们都由升压、加热、膨胀、放热等几种过程所构成。试分析在这几种过程中：（１）能否去掉放热过程，这与否违背基本定律？（２）能否去掉加热过程，这与否违背基本定律？（３）升压过程要耗功，因而能否去掉升压过程？这与否违背基本定律？（４）如果在这些过程中，任何一种过程都不能删除话，能否变化这些过程顺序？例如，能否先加热再升压，然后膨胀及放热？（５） 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 动力循环工作过程普通规律。解　每一问详细分析，将留给读者自己进行。这里要阐明是通过本例，但愿读者能基本掌握动力循环工作过程普通规律。这种规律就是任何动力循环都是一消耗热能为代价，以做功为目。但是为了达到这个目，一方面必要以升压导致压力差为前提。否则，消耗热能再多，倘若没有必要压差条件，仍是无法运用膨胀转变为动力。由此可见，压差存在与否，是把热能转换为机械能先决条件，它也为拉开平均吸、放热温度创造条件。另一方面还必要以放热为基本，否则将违背热力学第二定律。总之，升压是前提，加热是手段，做功是目，放热是基本。一切将热能转换为机械能或能动力循环，都必要遵循这些普通规律。固然，在详细动力循环中，有些过程如定容加热过程可以同步兼有升压与加热两种作用。如定温放热过程同步兼有升压与放热两种作用，有兼有膨胀与放热作用，因而有些动力循环可以由３个过程构成，例如，例题１０－２几种循环。但是无论什么动力循环，仍旧必要遵循上述普通规律。例题１０－５　蒸气压缩制冷抱负循环，如图１０－２７中１－２－３－４－１所示。它重要忽视了如下３个方面问题。：（１）压缩机压缩过程既有摩擦，有非绝热；（２）制冷剂流经压缩机进、排气阀时有节损失；（３）制冷剂通过管道、蒸发器、冷凝器等设备时，压缩机压缩过程既有摩擦，有非绝热。现若考虑上述３个方面问题，试分析此３个方面问题对循环影响，并定性画出实际循环T-s图。解　以上３个方面实际因素对循环影响，参见图１０－２８。（１）压缩机压缩过程a－b过程：制冷剂进气冲程（即进入气缸后，本压缩前），此过程中制冷剂吸取缸壁热量，有温升，压力仍为不变。过程：开始压缩时，既有摩擦又有吸热，因此熵有所增长。当压缩至制冷剂温度高于缸壁温度时放热。综合熵产与熵流，总仍使熵有所减少，直至压力为。过程：若压缩机缸头有冷却水冷却，则排气过程中高压气体被进一步冷却，制冷剂熵会减少更多。（２）进、排气阀节流过程过程：进气阀处　节流，焓不变，压力降至。过程：排气阀处节流，焓不变，压力降至。（３）制冷剂流经管道和设备过程过程：制冷剂从压缩机排出，经管道冷凝器时，因有摩擦和散热，因此压力和温度均有所减少。过程：制冷剂流经节流阀降压降温后，经管道至蒸发器入口处，制冷剂吸取外界热量，焓稍有增长。过程：制冷剂在蒸发器内有摩擦，压力减少。过程：制冷剂流出蒸发器经管道至压缩机前，因摩擦并吸取外界热量，因此压力稍有减少，温度稍有增高。阐明：对于影响内燃机循环、燃气轮机装置循环、蒸汽动力循环等热效率重要因素分析，与该题同样，都属于循环定性分析问题。这些典型循环定性分析，参阅本章第２节中级别内知识点中分析。例题１０－６　内燃机定容加热抱负循环如图１０－２９所示，若已知压缩初温和循环最高温度，求循环净功量达到最大时，及这时热效率是多少？解　先寻找未知温度与已知温度之间关系。因过程１－２及过程３－４是定熵过程，于是又过程２－３及过程４－１是定容过程，则因此　　　（a）即　　　　（b）循环净功量为使循环净功达到最大时应满足，即故将此成果代入（b）式，　循环热效率为讨论（１）例题推导出式（a）不是偶尔，具备普遍性。可证明具备定值比热容抱负气体在T-s图上任意两条定容线（或定压线）之间，线段图（１０－２９b），即。（２）本例题要注意抓住依题意所列（或）这个方程，以此为突破口，问题就很容易解决。（３）若本题已知条件不变，求解问题变为：求为了获得最大循环净功量所需压缩比及这时热效率？读者可自行分析，答案为，。例题１０－７　一台按奥托图循环工作四缸四冲程发动机，压缩比，活塞排量，压缩过程初始态为，，每缸向工质提供热量。求循环热效率及加热过程终了温度和压力。解　由于是抱负循环，工质可视为抱负气体空气，故。画出循环p-V图，如图１０－３０所示。循环热效率为１－２是定熵过程，有为求３点温度，运用式显然，必要先求出进入内燃机每缸空气质量。运用求解，又需先解决为多少问题。因而　　　　　=余隙容积＋每缸活塞排量这里，即为余隙容积，且有。每缸活塞排量为那么则每缸内工质质量２－３过程每缸工质吸热量为从上式可得从２－３定容过程可得讨论此题若给出每缸单位工质吸热量，而不是总吸热量，则求解简朴得多，读者不妨试一下。例题１０－８　某奥托循环发动机，余隙容积比为8.7%，空气与燃料比是28，空气流量为0.20kg/s，燃料热值为4kJ/kg，吸气状态为100kPa和20。试求：（１）各过程终了状态温度和压力；（２）循环做出功率；（３）循环热效率；（４）平均有效压力（平均有效压力是循环发出功量与活塞排量比值）。解　循环p-V图，如图１０－３１所示。工质热力性质近似按抱负气体空气解决，故（１）各状态点温度和压力因　　　　余隙比故有于是工质质量流量为（２）循环做出功率循环放热量循环净功率（３）循环热效率或（４）平均有效压力例题１０－９　狄塞尔循环压缩比，做功冲程4%作为定压加热过程。压缩冲程初始状态为。求：（１）循环中每个过程初始压力和温度；（２）循环热效率；（３）平均有效压力。解抱负循环 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 白，工质是抱负气体空气,J/(kgK)画出循环p-v图，如图１０－３２所示。从已知条件可得１－２是定熵过程，有已知定压加热过程是做功冲程4%，即有由上式可得即预胀比。２－３是定压过程，有３－４是定熵过程，有式中应用了关系。或用式计算平均有效压力为例题１０－１０　内燃机混合加热循环p-V及T-S图如图１０－３３所示。已知，压缩比，循环最高压力，循环最高温度，工质视为空气。试计算：（１）循环各状态点压力、温度和容积；（２）循环热效率；（３）循环细热量；（４）循环净功量。解　（１）各状态点基本状态参数点１：点２：点３：点４：点５：（２）循环热效率（３）循环吸热量其中（４）循环净功量或例题１０－１１　一内燃机混合加热循环如图１０－３３所示300，，工质视为空气，别热容为定植。求循环热效率及同温限卡诺循环热效率。解　先求出４点温度，由图１０－３３b可见即则热效率为同温限卡诺循环热效率为讨论求４点温度也可以用下面 办法 鲁班奖评选办法下载鲁班奖评选办法下载鲁班奖评选办法下载企业年金办法下载企业年金办法下载 导出因此代入已知数值即可求。这种办法运用了循环各构成过程参数间关系，推导而，显然较啰嗦。例题１０－１２　一燃气轮机装置，按定压加热寻户工作。压缩空气进口参数为，压缩机增压比燃气轮机进口燃气温度，压缩机绝热效率，燃气轮机相对内效率。试求：（１）装置净功比R（R=）；（２）装置热效率；（３）吸热量中可用能；（４）由压缩机、燃气轮机和放热过程中引起可用能损失。环境温度，工质按抱负气体解决，,。解　循环图如图１０－３４所示。先拟定各状态点参数值。点１：点２：点３：点４：　　（１）装置净功比R（２）装置热效率（３）吸入热量总可用能（４）压缩机引起可用能损失燃气轮机引起可用能损失等压放热过程引起可用能损失为讨本例题加了某些第二定律讨论，可看到压缩机、燃气轮机和放热过程引起可用能损失占输入可用能百分数分别为显然，放热过程损失最大且几乎占了一半。事实上，简朴燃气轮机排气温度还较高，可运用之来加热压气机出口气体，这就是燃气轮机装置回热循环。例题１０－１３　燃气轮机装置循环图如图１０－３５所示。若工质视为空气，空气进入压气机温度为，压力为100kPa，循环增压比，燃气轮机进口温度为810，且压气机绝热效率，燃气轮机相对效率，空气质量流量为4.5kg/s。试计算：在抱负极限回热时，及由于回热器有温差传热、回热度时，实际循环输出净功率和循环热效率各为多少？解　（１）先拟定各状态点温度点１：点２：点：点３：点4：点：点５：点：由　得=646.8K点６：点：由　得（２）抱负极限回热时，实际循环净功率及热效率循环吸热量为循环放热量为循环净功率为循环热效率为（３）回热度时，实际循环净功率及热效率不完全回热时，循环吸热量循环放热量循环净功率　　　　（与抱负极限回热相似）或循环热效率讨论该循环若无回热时，实际循环净功率及循环热效率可求得分别为。可见，采用回热办法后，循环净功率不变（因，其中与循环与否回热无关），循环热效率有明显提高，回热度越大，循环热效率越高。例题１０－１４　带有抱负中间冷却和再热两级燃气轮机装置回热循环，每级增压比均为3.5，压气机入口状态为300Ｋ,100kPa，燃气轮机入口温度为1300Ｋ,回热器回热度为0.7。工质可视为抱负气体空气且保持定值。求压气机耗功量，燃气轮机做功量和循环热效率。解　这是一种除了回热器之外，其她过程都是可逆过程循环。表达在T-s图上，如图１０－３６所示。（１）各状态点温度，因中间冷却和再热过程都是抱负，故有依照　得（２）压气机耗功量为燃气轮机做功量为（３）循环吸热量为循环热效率为　　讨论若无回热，采用分级压缩、中间冷却及分级膨胀、中间再热，其循环热效率为可见，其热效率比有回热时低，并且可以证明，其热效率比　基本抱负循环热效率还要低。因而，只有在回热基本上，采用分级压缩、中间冷却及分级膨胀、中间再热，才干提高循环热效率。例题　１０－１５　在朗肯循环中，蒸汽进入汽轮机初压力为，初温度为，乏汽压力为，求循环净功、加热量、热效率、汽耗率［蒸汽动力装置输出功量所消耗蒸汽量］及汽轮机出口干度。解　循环T-s图如图１０－３７所示。由已知条件查水及水蒸气热力性质图或表，得到各状态点参数。１点：得２点：得３点：４点：汽轮机做功水泵消耗功循环净功工质吸热量朗肯循环热效率汽耗率汽轮机出口干度讨论（１）水泵消耗功还可以这样计算：，考虑到水不可压缩性，于是。两种办法算出功相差极小，用计算免除了求４点麻烦，成果也足够精准。（２）以与计算成果可以看到，水泵耗功只占汽轮机做未0.9%。在普通估算中，可以忽视泵功，于是。（３）阐明蒸汽机吸入热量中，只有44.1%转变成了功，55.9%都放给了大气环境，十分可惜。但是，由于事实上排气温度已较低（），排出热量有效能为式中：为环境温度。由数值看，虽然排出热量较多，但其有效能值较小，阐明排汽热能品质较低，因而动力运用价值不大。例题１０－１６　蒸汽参数与例题１０－１５相似，即，，。当蒸汽在汽轮机中膨胀至３MPa时，再热到，形成一次再热循环。求该循环净功、热效率、汽耗率及汽轮机出口干度。解　将一次再热循环表达在T-s图上，如图１０－３８所示。１点、３点状态参数值相似同例题１０－１５，即Ａ点：依照查表得Ｒ点：依照查表得２点：依照查表得忽视泵功时循环净功为循环吸热量为循环热效率汽耗率汽轮机出口干度讨论将本例计算成果与例１０－１５朗肯循环比较。可见，采用再热循环，当再热参数适当时，可使汽轮机出口干度提高到容许范畴内，同步提高了热效率，减少了汽耗率，从而提高了整个装置经济性。例题１０－１７某蒸汽动力厂按一次再热抱负循环工作，新蒸汽参数为，，再热压力，再热后温度，背压环境温度。试：（１）定性画出循环T-s图；（２）循环平均吸、放热温度,；（３）循环热效率；（４）排气放热量中不可用能。解　（１）循环T-s图如图１０－３９所示。（２）平均吸、放热温度查水蒸气图或表得１点：依照查得Ａ点：依照查得Ｒ点：依照查得２点：依照查得３点：４点：（忽视水泵功）于是（３）循环热效率（４）中不可用能讨论注意公式合用条件是多热源可逆循环，若循环中某一过程不可逆，此式就不能用。例题１０－１８　在如图１０－４０所示一级抽汽回热抱负循环中，回热加热器为表面式，其疏水（即抽汽在表面式加热器内凝结水）流回冷凝器，水泵功可忽视。:试：（１）定性画出此循环h-s图及T-s图；（２）写出用图上标出状态点焓值表达求抽汽系数，循环净功，吸热量，放热量，循环热效率及汽耗率d计算式。解　T-s图及h-s图，如图１０－４１所示。对表面式回热器列能量平衡方程式则抽汽系数循环吸热量循环放热量循环净功量或或循环热效率汽耗率例题１０－１９　在图１０－４２所示两级抽汽回热循环总，第Ⅰ级回热加热器为混合式，第Ⅱ级为表面式。表面式回热加热器疏水流回冷凝器。若已知该回热循环参数　为，，，给水回热温度为，抽汽点蒸汽压力按等温差分派选定。试：（１）定性画出循环T-s图；（２）加热器级间温差分派；（３）各级抽汽参数；(４)抽汽系数；（５）循环功；（６）循环热效率和汽耗率；（７）与同参数朗肯循环相比较。解　（１）循环T-s图如图１０－４３所示。（２）从冷凝器凝结水温度升至给水温度间总温差。已知，又由查水蒸气图表得，故加热级数为２，故平均每级温差应为由此可算出（３）各级抽汽参数各级抽汽压力是依照所供加热器出口水温规定而拟定。在混合式加热器中，抽汽压力必要是温度（忽视泵功时等于）相应下饱和压力，可由饱和蒸汽表上查出。在表面式加热器中，抽汽压力应至少相应于温度时饱和压力（本例中忽视冷热流体间传热温差，即以为凝结水可以被加热至抽汽压力下饱和温度）。于是由查出。抽汽压力拟定之后，即可由水蒸气在h-s图上各定压线与定熵线交点查出各抽汽点焓（４）抽汽系数计算取混合式加热器为热力系，由能量平衡可得又如图１０－４４　所示，取表面式加热器为热力系，并进行能量和质量平衡计算，则（５）循环功量计算（６）循环热效率和汽耗率循环吸热量循环热效率循环汽耗率（７）同参数朗肯循环比较同参数朗肯循环热效率为回热使循环效率提高相对值为讨论（１）从本例题看到，蒸汽回热循环计算环节普通是先依照已知条件定出各抽汽点参数，然后取各加热器为热力系，运用质量和能量平衡方程式，求出抽汽系数，再算出吸放热量、循环净功能及汽耗率、热效率等各项指标。（２）由于表面式回热器疏水流回冷凝器，因而循环放热量除了有蒸汽在冷凝器中对外放热，尚有疏水在冷凝器中也对外放热，即计算时注意勿将第二某些放热量漏掉。例题１０－２０　有一蒸汽动力厂按一次再热和一级抽汽回热抱负循环工作，如图１０－４５所示。新蒸汽参数为，再热压力，再热温度，回热抽汽压力，回热器为混合式，背压T。水泵功可忽视。试：（１）定性画出循环T-s图；（２）求抽汽系数；（３）求循环输出净功，吸热量,放热量；（４）求循环热效率。解　（１）循环T-s图如图１０－４６所示。（２）查水蒸气图表得各点参数１点：　依照、查得Ａ点：　由h-s图上定压线与过１点定熵线交点查得Ｒ点：　依照查得Ｂ点、２点：　由h-s图上各定压线与过Ｒ点定熵线交点查得３（４）点：５（６）点：于是，抽汽系数　　（３）循环净功循环吸热量循环放热量（４）循环热效率例题１０－２１　一蒸气压缩制冷抱负循环，参见图１０－４７，其蒸发温度为－20，冷凝温度为30，制冷量为１kW。原先工质为氟利昂12，现为保护臭氧层，改用代替物HFC134a为工质。试计算两种工质制冷系数、压气机耗功率以及制冷剂流量。解　查CFC12图得于是制冷剂流量压气机耗功率对于HFC134a，则有因此例题１０－２２　已知图１０－４８蒸汽动力循环中，锅炉出口过热蒸汽压力为17MPa温度为550，透平进口处蒸汽压力为16.5MPa，温度为550，透平效率，排气压力为5kPa泵出口压力为20MPa，泵效率，锅炉效率，联轴节效率，发电机效率。锅炉内燃料理论燃烧温度，环境温度。（１）用效率法拟定整个循环装置热效率、各部件损失系数；（２）用熵分析法拟定整个循环装置用效率及各部件用损失系数。解　（１）参见图１０－４８，各点参数由水蒸气别拟定，见表１０－４。状态点压力／MPa温度／焓／kJ/kg熵／５１２３４17.016.50.0050.00520.05505503436.53428.52188.9137.83165.516.46036.46257.17720.47610.4989（２）效率法锅炉：效率损失系数主蒸汽管道考虑了透平与泵不可逆性后循环联轴节发电机整个循环装置计算成果检查：因与上述成果相符。（３）用分析法锅炉：用损失=用损失系数主蒸汽管道透平泵联轴节发电机冷凝器整个循环装置用效率：计算成果检查：因与上述计算成果相差，这是由于计算误差一起。讨论由本例计算可以看出下列几点：(1)对于蒸汽动力循环来说，无论用效率法或用分析法，循环热效率与用效率相差不大。本例热效率，而用效率，这两者比值为（２）这是在这两种办法中，各不见损失所占比例却相差很大。例如，效率法中锅炉损失系数，而用分析法。这是由于前者只是从能量量平衡角度考虑，热能量在锅炉中损失并不多，但其质则由于温差传热等不可逆因素而有很大贬值。又如效率法从能量量平衡出发，以为循环通过冷凝器排热多使循环损失大，即，而用分析法则以为，通过冷凝器排热量虽然多，但其质甚差，因而用损失系数却只占2.80%，两者相差很大。由此可见，用分析法能更科学地揭示出薄弱环节。（３）效率法中各部件损失系数计算公式推导如下：锅炉管道考虑了透平与泵不可逆损失后循环：联轴节发电机