作业解答化工热力学第四章化工过程的能量分析2019.ppt

第四章化工过程的能量分析 4-1 有一水平敷设的热交换器，其进、出口的截面积相等，空气进入时的温度、压强和流速分别为303K、0.103MPa和10m/s，离开时的温度和压强为403K和0.102MPa。试计算当空气的质量流量为80kg/h时从热交换器吸收多少热量？若热交换器垂直安装，高6m，空气自下而上流动，则空气离开热交换器时吸收的热量为多少？已知空气的恒压平均热容为1.005kJ/(kg?K) 解：以1kg空气为计算基准。 当热交换器水平安放时：Z1=Z2，gΔZ=0，又对于热交换器，无轴功交换WS＝0.因而，此时稳流体系的总能量平衡式可简化为： 联合应用连续性方程式和理想气体状态方程式来求出口截面的流速，因截面积A1＝A2，则 当空气的质量流量为80kg/h时，每小时吸收热量为 热交换器垂直安装时，则每千克的空气通过换热器时的势能增加为 则吸热量 则每小时吸热量为 4-2 某厂用功率为2.4kW的泵将95℃水从贮水罐压到换热器，水流量为3.2kg·s-1。在换热器中以720 kJ·s-1的速率将水冷却，冷却后水送入比第一贮水罐高30m的第二贮水罐，求送入第二贮水罐的水温。(已知水的恒压热容为Cp=4.187 J·kg-1·K-1) 解：以1kg的水为计算基准 输入的功 放出的热量 位能的变化 g?Z=9.81×20=196.2 J?kg-1 =0.1962k J?kg-1 忽略此流动过程中动能变化 根据稳定流动过程的能量平衡方程 ∵ ?H=mCp(T2-T1) ∴送入第二贮水罐的水温 4-3 将35kg、温度为700K的铸钢件放入135kg而温度为294K的油中冷却，已知铸钢和油的比热容分别为(Cp)钢=0.5kJ/(kg?K)和(Cp)油=2.5kJ/(kg?K)，若不计热损失，试求：（1）铸钢件的熵变；（2）铸钢件和油的总熵变。 解：设终温为T2，则对铸钢件有： Q1=m1Cp1ΔT1=35×0.5×(T2-700)=17.5×(T2-700) 对油有 Q2=m2Cp2ΔT2=135×2.5×(T2-294)=337.5×(T2-294) Q1+Q2=0 因不计热损失，所以： 17.5（T2－700）+337.5（T2-294） 解得：T2=314.0K （1） 铸钢件的熵变： （2） 油的熵变： （3）铸钢件和油的总熵变：ΔS=-14.02+22.20=8.18kJ/K 4-4 试求：(1) 流动过程; (2) 非流动过程中温度为813K、压力为4.052MPa的1kmol 氮气变至373K、1.013MPa可能做的理想功为多少？取环境温度为T0=293K, p0=0.1013MPa, 氮气的等压热容为： 4-4 试求：(1) 流动过程; (2) 非流动过程中温度为813K、压力为4.052MPa的1kmol 氮气变至373K、1.013MPa可能做的理想功为多少？取环境温度为T0=293K, p0=0.1013MPa, 氮气的等压热容为： 解：(1) 流动过程 (2) 非流动过程 Δ(pV)=nR(T2-T1)=1*8.314*(373-813)=-3658.16kJ?kmol-1 4-5 有1.570×106Pa，757K的过热蒸汽驱动透平机，乏气的压力为6.868×104Pa。透平机膨胀既不绝热也不可逆。已知等熵效率为80％。每㎏蒸汽通过透平机的散热损失为7.50 kJ。环境温度T0为293K，求（1）此过程的理想功，（2）损失功，（3）热力学效率 。 解：由水蒸气 的热力学性质图表查出，当p1=1.570×106Pa、T1＝757K时，H1＝3428kJ/kg， S1＝7.488kJ/(kg?K) 设蒸气在透平机中的膨胀是可逆绝热过程，则 S2＝S1＝7.488kJ/(kg?K) 当p2=6.868×104Pa，S2＝7.488kJ/(kg?K)时，查得 由此绝热可逆功 透平机实际输出的轴功为 根据稳流体系热力学第一定律 因此，蒸气实际上的终态为： p2=6.868×104Pa，H2＝2805.3kJ/kg，查得S2＝7.844kJ/(kg?K) 此过程的理想功为 Wid=?H-T0?S =（2805.3-3428）-293×（7.844-7.488）＝-727kJ WL＝Wid－WS＝（-727）-（-615.2）＝111.8 kJ/kg 热力学效率 4-6 某工厂有一输送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。设大气温度为298K。 解：以1kg水为计算基准 因水在等压下冷却，已知水的恒压热容为4186.8J·kg-1·K-1，