还剩7页未读,继续阅读
文本内容:
第四章化工过程的能量分析4-1设有一台锅炉,水流入锅炉是之是为
62.7kJ・kgL蒸汽流出时的熔为2717kJ-kg1,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・hL试计算每小时的煤消耗量状态p/MPa t/℃U/m•s H/kJ,kg1进口水
0.
196702292.98出口蒸汽
0.
09811052002683.8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:19AH+-Au2+gAZ=W+Qs体系与环境间没有功的交换=0,并忽动能和位能的变化,所以AH=Q设需要煤机依,则有
4.5x1032717-
62.7=29260mx70%解得m=5832kg4-5一台透平机每小时消耗水蒸气4540口,水蒸气在
4.482MP、728K下以6/根•J的速度进入机内,出口管道比进口管到底3m,排气速度366加・sZ透平机产生的轴功为
703.2k肌热损失为
1.055X10^1・广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AH+-Au2+gAZ=W+Qs以每小时单位水蒸气作为计算标准
703.2x3600=—557SkLkgT~~4540•Q=—12=—
23.240-kgT工△/=工状一%2=]_*3662—6仔x10-3=
65.11[kJ、kgx2rZp=gAZ=
9.8X-3x10-3=-
29.4xl0-3kJ-kg-x将上述结果代入能量衡算方程得到△”=—
645.93Z/-ZgT查表得到
4.482MPa,728K过热水蒸汽焰值H,=3340kJ・kg—]进出口焰变为出口气体焰值减去进口气体焰值AH=H-H21对于节流膨胀过程,节流膨胀过程为等烙过程,AH=O节流后水蒸气焰值H=H+AH=3340-646=26942}内插法查O.IMPa下过热水蒸汽表,得到T=
106.5℃,过热度
6.5℃4-16Imol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
1.013MPao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%试计算气体的牖变,蓄热器的焙变以及AS1O解稳态流动过程能量衡算方程AH=W+QS理想气体dS=^-dT--dp TPR1Al a△S=[——助=—8・3141n=—19・14371・=O尸・K—1°,p
0.1013理想气体的焰只是温度的函数,所以AH=0对于可逆过程QR=TAS=-
19.14x400=-7656J-mor[理想气体恒温压缩下△〃=叱+nW=-Q=7656J-mor]s R对于不可逆过程W=%1+20%=
1.2x7656=
9187.24・小厂sQ=-W=-
9187.2J,小小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AC环
9187.
2.尸]-△S抄=-----=------------=
30.62J-mol•K,G300总焙变A5g=A
5、+A5=—
19.14+
30.62=ll.481・w/T・K74-18试求在恒压下将2kg90C的液态水和3kg10C的液态水绝热混合过程所引起的总增变为简化起见,将水的热容取作常数,C〃=4184,•左gT/rL解90C的液态水的放热量等于10℃的液态水的吸热量T2对于等压过程C=AH=|CpdT式设混合后水的温度为A,所以町〃(乙一看)=加(5—十)代入已知得2x363—4=31—283解得(=
315.5K90℃的液态水的燃变AS】=gj空dT=2gln4T】T7;315=2x41841n-=—
1186.861・k36310℃的液态水的端变同理可得AS=3C〃ln2=
1344.64J・KT总焙变NS=AS】+AS=
157.8J・K-xt24-19一换热器用冷水冷却油,水的流量为1000kg•hL进口温度为21℃,水的热容取作常数4184J・kg・K」;油的流量为5000kg・hL进口温度为150℃,出口温度66℃,油的平均比热取
0.6kJ・kg」•KL假设无热损失试计算
(1)油的焙变;
(2)整个热交换过程总崎变化,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燧变T2QQQ15=m\CpdT=mC In—=5000x
0.6xln I=—
663.9%J-K-i・/1一p
423.15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和力QH O=H O=Qoil=Ml oil22^^H O=mH o\^pH O^^il=moJ CpodT222所以1000X4184x,2-
294.15=5000x
0.6x1000x
423.15-
339.15解得=
300.15K/20O=m lCdT=mC ln^-=1000x4184xln30°J7=
847.642-K[•h-[HO n%R P
4294.15AS,=AS%+AS布=
847.64-
663.9=
183.7V-K-[-h-[4-20一发明者称他设计了一台热机,热机消耗热值为42000kJ-kg1的油料
0.5kg•min\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?T330解可逆热机效率最大,可逆热机效率
0.507〃max=l---=l-2—=max7]670热机吸收的热量2=42000x
0.5=21000min-1热机所做功为IV=-170V/5x605/min=—102000kJ-min该热机效率为〃=二匕=照二二
0.486Q21000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L013X105Pa下,298K的水变为273K的冰时的理想功设环境温度1248K;2298Ko已知水和冰的己端值如下表:状态温度K H kJ•kg1SkJ•kg1•K-1H Ol
298104.
80.36662H OS273-
334.9-
1.22652解:1To=298K时:W’d=^H-T AS=-
334.9-
104.8-298-
1.2265—
0.3666=
35.04Zg-Q2To=298K时:W,=AH-T/S=-
334.9-
104.8一248—
1.2265-
0.3666=-
44.61kJ.kg-]z4-24用一冷冻系统冷却海水,以20kg・s-i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•kg1•Ki解因为是等压过程,所以Q=AH=1C*T258单位海水的放热量Q=AH=jC dT=
3.5258-298=-MOkJ-kg-]p298总放热量Q=mQ=20x-140=-2800kJ-5-1t只258「,5海水总烯变AS=m fSdT=20x
3.5xln»=—
10.09Z/・sTJ T298298L47理想功w.=△—£AS=—2800—303—
10.09=—
257.08L7・$7z热力学效率〃=j所以实际功率为与=叱.,=---------------=—
1285.4人/・§一1r ac
0.24-28有一锅炉,燃烧气的压力为
1.013105pa,传热前后温度分别为11270c和537℃,水在
6.890X105Pa149℃下进入,以
6.890X105Pa260℃的过热蒸汽送出设燃烧气的C=
4.56kJ•kg-l-K-[,试求该传热过程的损失功p解损失功吗,=AS,=AS/O+ASM,需要分别计算水和燃烧气的焙变水的焙变计算,需要查得水的各个状态下的焰焰值,每个状态下需要内插求值149℃
5.0MPa液态水的焰端值计算x29+
507.09=
631.0868^7・必一】x29+
1.5233=
1.8236左/-kg-x4040149℃
7.5MPa水的焰燧值JLJL—x9+
593.78=
632.6533〃-kg-]400x9+
1.7317=
1.8215V-kg—Kx3=-----------------------40比较不同压力下的焰嫡值可见,压力对液态水的焰端值影响不大,也可忽略不计149℃
6.890X105Pa液态水的焙嫡值计算,可利用表中与
6.890X105Pa这一压力最接近的压力25Xl5pa代替,不会产生太大误差149℃
5.0MPa液态水的焰燃值11—x29+
505.33=
629.5370%/-kg-140x29+
1.5255=
1.8263%人依一・K x3二----------------------40260℃
6.890X105Pa过热蒸汽的焰燧值计算:260℃5X105Pa过热蒸汽的焰烯值_
3022.9-
2939.9x20+
2939.9=298L4L7,左gT400x20+
7.2307=
7.3086攵/・ZgT・K-iS=-----------------------40260℃7X105Pa过热蒸汽的熠烯值
3017.1+
2932.2=
2974.65L7・kg-lLL-2c
7.0641+
7.2233=/1437kJ・kgT・K-i3二HkJ・kg-l SkJ•kg•K1260℃5XJO5Pa
2981.
47.3086260℃IXlQpPa
2974.657J437260℃
6.890X105Pa过热蒸汽的焰燧值x
0.11+
2974.65=
2975.02・kg-x2x
0.11+
7.1437=
7.1528%/・kg-[-K x2燃烧气的蜡变Q1AdT=
4.561n=-2A952kJ-kgx-K]A%1400以/依燃烧气为计算标准,忽略热损失,燃烧气放热量等于水的吸热量,并设加热水的质量为m kg对于等压过程有Q=AH=、CpdT燃烧气放热量Q=AH=\C dTp水的吸热量=△H=mH-乩2537所以^C dT=-mH-H p2i1127代入已知参数,得到
4.56x537-1127=-m
2975.02-
629.5370解得:m=
1.1470kg总熠变A5,=A5M.+A5”0=—
2.4952+
6.1094女人K-xs损失功W=AS,=298X
3.6143=1077kJz4—30某工厂有一在1大气压下输送90℃热水的管道,由于保温不良,到使用单位,水温降至70℃,试计算热水由于散热而引起的有效能损失已知环境温度为298K,水的热容
4.184kJ•kg•K」解由于/=AS〃所以该题计算的重点为系统和环境的焙变的计算利用水的热容计算13431S34y5体系燧变水的炳变AS=[C^T=
4.184In——=—Q2370kJ・kg7・LV ZJ
363.151SJOJ.l J环境焙变的计算等压过程=A7/=JCpdT=
4.184x20=
83.68V-kg-1对于环境与体系交换的热量,对环境来说为可逆热,所以环境焙变为Q
83.68===02807c T
298.15总燧变A5/=A5+AS「=
0.2807—
0.2370=
0.0437左J•左g・KT uVi yc损失功为:D=35=
298.15x
0.0437=
13.0184kJ-kg-xL t利用水蒸汽表计算2查水蒸汽表得70℃”=292・98・依-S=
0.9549〜・匕一/一90℃H=
376.91kJ・kg-5=
1.1925kJ-kg-[K-[体系有效能变化=AH—ToS=
292.98-
376.92-298x
0.9549-
1.1925=-
13.14V-kg-l该体系不对外做功,有效能的变化就是损失的有效能,故有效能损失为
13.14L7・ZgT利用热量有效能计算34-35某换热器完全保温,热流体的流量为
0.042kg•sL进、出口换热器时的温度分别为150℃和35℃,其等压热容为
4.36kJ・kg」・KL冷流体进出换热器时的温度分别为25c和110℃,其等压热容为
4.69kJ•kg•K」试计算冷热流体有效能的变化、损失功和有效能效率解方法一利用热量有效能计算等压过程,交换的热量等于过程的焰变对于热流体Q=mJ CdT=mCg—TJ=
0.042x
4.36x35—150=—
21.0588•『h p设环境温度”=
298.15K,热流体的有效能班计算X35-150热流体平均温度Tni]————=-----“c=
302.6KI3081In-InT
4231、=-2L0588[l-29815=—
3.72kJ6T\
362.6Lm\忽略热损失,热流体放热等于冷流体得到的热量2=-0同理对冷流体T=3389K,\B=
2.5kJ-s-1m2C对冷热流体组成的体系进行有效能恒算D=
3.72-
2.5=
1.22kJ-s-]n i22有效能效率〃=1——=1--—=
67.2%B
3.72h方法二利用稳态流动体系有效能计算方程计算等压过程,交换的热量等于过程的焰变对于热流体Q=AH=mJ CpdT=mC T-T=
0.042x
4.36x35-150=-
21.0588V-sh p21△s=f=mC In二二
0.042x4361n——=—
0.0509%人K】・『nJ TP T、432i\1/=W=△—7;AS=—
21.0588-298x-
0.058099=—
3.75~・广同理冷流体有效能变化id设冷流体的流量为以进出口温度分别为和保温完全,无热损失Q=-Q qMCpl T[—72=.2,12c h二“Y_
0.042x
4.36x150—30=
0.0528Zg-sT
4.69x110-25%2-1qm2cp22—0同理可得AH2=0〃2cp2«2—G=°・0528X
4.69X110—25=
21.0446・『AS=
0.062141kJ・s-2AB=W=A/7—To AS2=
2.53kJ-s-]id2损失功%=AS,=4AS[+AS2=298—
0.058099+
0.062141=
1.21V-5-1ZAB(获得)_ABc〃-ZAB(失253有效能效率:==
67.47%去)一瓯
3.754-36若将上题中热流体进口温度改为287℃出口温度和流量不变,冷流体进出口温度也不变,试计算正中情况下有效能的变化、损失功和有效能效率,并与上题进行比较解原理同上题对于热流体Qh=mJ CdT=mC心—1=
0.042x
4.36x35-287=-
46.146k J・s-p p设环境温度”=29815K,热流体的有效能以计算何、云Tg、日4f T一丁1308—5604cl厂〃热流体平均温度T〃八==——――=
421.52Kln^山当4560AB=2,fl-岂]=-
46.14f1—298」5]=_.5OZ:J./;13I\
421.52;Afic=211-=
46.1411-
298.15]=
552.『lT\
338.7Jtn2对冷热流体组成的体系进行有效能恒算=
13.50—
5.52=
7.98O・5D798有效能效率〃=1——=1———=41%B
13.50h比较4—35和4—36有效能效率可知,用高温流体加热低温流体,高温流体的温度越高,其有效能效率越低,所以高温蒸汽应该用来做功,低温热源可用来提供热量(方法二)利用稳态流动体系有效能计算方程计算等压过程,交换的热量等于过程的焙变对于热流体Qh=AH=mj CdT=mC T—4=
46.146左人5p p2%C T△S=(^dT=mC In=-
0.109476^7snI T「T、\B=%=AH-T^S=-
13.52kJ-h同理冷流体有效能变化设冷流体的流量为以〃进出口温度分别为乙和保温完全,无热损失Q(=_Qh2,,2夕〃丁二夕〃—乙)10〃1(71—2)72cp22qmCpT(T1~T)Cp2(,2—)2=
0.116Zg-sT同理可得AH=q c(t—4)=
46.2436k7・s—2m2p22AS2=
0.13651k7・K-I・-1^B=W,=A”?-T^S=
5.566kJ•s-C72损失功W=丁玲=(AS]+私)=8・05・「LZAB(获得)_ABc有效能效率〃==
41.2%ZAB(失去)一嬴。