化工热力学习题 冯新主编第6章习题及答案打印版

第6章 压缩、膨胀和制冷循环
一、选择题
1. 蒸汽压缩制冷循环过程中，制冷剂蒸发吸收的热量一定 制冷剂冷却和冷凝放出的热量 A 大于 B 等于 C 小于 （C ）
2. 从制冷原理和生产应用方面说明制冷剂的选择原则。

答（1）潜热要大。

因为潜热大，冷冻剂的循环量可以减小。

氨在这方面具有显著的优点，它的潜热比氟里昂约大10倍，常用于大型制冷设备。

（2）操作压力要合适。

即冷凝压力（高压）不要过高，蒸发压力（低压）不要过低。

因为冷凝压力高将增加压缩机和冷凝器的设备费用，功率消耗也会增加；而蒸发压力低于大气压力，容易造成空气漏入真空操作的蒸发系统，不利于操作稳定。

在这方面氨和氟里昂也是比较理想的。

（3）冷冻剂应该具有化学稳定性。

冷冻剂对于设备不应该有显著的腐蚀作用。

氨对铜有强烈的腐蚀作用，对碳钢则腐蚀不强；氟里昂则无腐蚀。

（4）冷冻剂不应有易燃和易爆性。

（5）冷冻剂对环境应该无公害。

氟里昂F11、F12对大气臭氧的破坏已被公认，将逐渐被禁用，无公害的氟里昂替代品已大量应用。

综合以上各点，氨作为冷冻剂常用于大型冷库和工业装置。

而无公害氟里昂常用于小型冷冻机和家用电器
3. 某蒸汽压缩制冷过程,制冷剂在２5０K 吸收热量Q L ,在３００K 放出热量-Q H ,压缩和膨胀过程是绝热的，向制冷机输入的功为Ws ，判断下列问题的性质。

A 可逆的 B 不可逆的 C 不可能的 (1). Q L =2000kJ Ws=400kJ （ A ）2505300250
η=
=-可逆 20005400
L s
Q W η=
=
=
ηη=可逆 该制冷过程是可逆的 (2). Q L =1000kJ Q H =－1500kJ ( B ) 2505300250
η=
=-可逆 1000215001000
L L s
H L
Q Q W Q Q η=
=
=
=---
ηη<可逆该制冷过程是不可逆的
(3). Ws=100kJ Q H =－700kJ ( C )2505300250
η=
=-可逆 7001006100
H s
L s
s
Q W Q W W η---=
=
=
=
ηη>可逆该制冷过程是不可能的
4. 卡诺制冷循环的制冷系数与 有关。

A 制冷剂的性质 B 制冷剂的工作温度 C 制冷剂的循环速率 D 压缩机的功率 ( B )
T S 二、计算题
1.为使冷库保持-20℃,需将419000kJ/h 的热量排向环境，若环境温度T 0=27℃，试求理想情况下每小时所消耗的最小功和排向大气的热量。

解： ()
027320 5.382720c c
T T T ξ-=
=
=--- c s
Q W ξ=
41900077838/5.38
c s Q W kJ h ξ
===
041900077838496838/c s Q Q W kJ h =--=--=-
2． 利用热泵从90℃的地热水中把热量传到160℃的热源中，每消耗1kw 电功，热源最多能得到多少热量？
解： 0
160273 6.1916090
R R T T T ξ+=
=
=-- 1H P net
Q P ξ=
1 6.191 6.19H P net Q P kW ξ=⨯=⨯=
3.某蒸汽动力循环操作条件如下：冷凝器出来的饱和水，由泵从0.035Mpa 加压至1.5Mpa 进入锅炉，
蒸汽离开锅炉时被过热器加热至280℃。

求：(1) 上述循环的最高效率。

(2) 在锅炉和冷凝器的压力的饱和温度之间运行的卡诺循
环的效率，以及离开锅炉的过热蒸汽温度和冷凝器饱和温度之间运行的卡诺循环的效率。

(3) 若透平机是不可逆绝热操作，其焓是可逆过程的80%
求此时的循环效率。

解： (1) 各状态点的热力学性质，可由附录水蒸汽表查得
1
6303.46H K J kg
-=⋅
12
3
6
1
1612
()1.024510(1.50.035)
101.5
P P H H V d P
V P
P k J k g ---=
=-=⨯⨯-⨯=⋅⎰
1
15.146.303-⋅+=kg kJ H （由于液体压力增加其焓增加很少，可以近似16H H =）
1
42992.7H K J kg
-=⋅ 46.8381S =1
1
--⋅⋅K kg kJ
该循环透平机进行绝热可逆操作，增压泵也进行绝热可逆操作时效率最高。

54 6.8381S S ==，由0.035Mpa ，查得
气相，1
1
7153.7--⋅⋅=K
kg
kJ S g （查饱和蒸汽性质表）
液相，1
19852.0--⋅⋅=K kg kJ S l （查饱和水性质表内插）
气相含量为x
8381.69852.0)1(7153.7)1(3=⨯-+⨯=-+⨯=x x S x S x S l g
87.0=x
1
5(1)0.872631.4(10.87)303.462328.77g l H x H x H kJ kg
-=⋅+-=⨯+-⨯=⋅
4541
2992.72328.770.2472992.7303.96
H H H H η--=
=
=--
冷凝器压力0.035Mpa ，饱和温度为72.69℃；锅炉压力1.5Mpa ，饱和温度为198.32℃。

卡诺循环运行在此两温度之间，卡诺循环效率
267.0273
32.19869.7232.198=+-=
-=
高
低
高卡T T T η
若卡诺循环运行在实际的二个温度之间，其效率为
375.0273
28069.72280=+-=
-=
高
低
高卡T T T η
(3)不可逆过程的焓差为
0.80(H 2-H 3)，而吸收的热仍为12H H -，因此效率
4541
0.80()
0.800.2470.198H H H H η-==⨯=-
4. 在25℃时，某气体的P-V-T 可表达为PV=RT +6.4×104P ，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 。

由热力学基本关系式可得到：
p
P H
J C V
T V
T P T -∂∂=
∂∂=
)()()(μ
将P-V-T 关系式代入上式，P RT PV 4
104.6⨯+=→4
104.6⨯+=
P
RT V ，其中P
R T
V P =
∂∂)(
010
4.610
4.64
4
<⨯-=
⨯-=
⨯-=
-⨯
=
p
p
p
p
J C C C P PV RT C V
P R T μ
可见，节流膨胀后，温度比开始为高。

5．将典型的蒸汽压缩制冷循环的T-S 图分别在P-H 图和H-S 图上表示出来。

解：压缩机的可逆绝热过程是等熵过程，节流过程常可看作为等焓过程，则循环可用如下P-H 和H-S 图表示。

T
6． 某蒸汽压缩制冷循环，制冷量Q 0为3×104kJ ·h -1
，蒸发室温度为-15℃，冷凝器用水冷却，进口为8℃。

若供给冷凝器的冷却水量无限大时，计算制冷循环消耗的最小功为多少？如果冷凝器用室温（25℃）空气冷却时，其消耗的最小功又是多少？
解：首先需要明确的是：在所有的制冷循环中，逆卡诺循环的制冷效率最高，即功耗最小。

循环效率有如下的关联式：
)
()()()(ξ
01
21卡
净功制冷量冷凝温度蒸发温度N W Q T T T =
-=
按照传热原理，如果进出冷却器的冷却水量无限大，则不仅冷却水进出口温度接近相同，而且被冷介质的温度也相同。

因此
当冷却水量无限大时，冷凝温度T 2=(8+273)K ， 所以最少净功
1
4
N h
KJ 4.267410
3273
15)
27315()2738(W -∙=⨯⨯+-+--+=
当冷凝器用空气冷却时，冷凝温度近似等于室温25℃ 最小净功 1
4
2.465110
3273
15)
27315()27325(-∙=⨯
⨯+-+--+=
h
kJ W N
由计算结果可见，冷却温度越低，消耗功越小。

但是空气冷却所用设备简单，如家用空调器，冰箱采用散热片空气冷却，不过它们的能耗要比水冷却高许多。

7． 实际蒸汽压缩制冷装置中的膨胀过程，为何采用节流阀而不用膨胀机？如果用膨胀机，请在T —S 图上标出哪些面积代表膨胀机回收的功？
解：制冷装置的膨胀过程，采用节流元件（如阀、孔板等）主要考虑到节流设备简单，装置紧凑。

对于中小型设备而言，这个膨胀功是不值得回收的，功量不大，但是设备投资要增加许多。

因此，大多不采用膨胀机。

在下面的T —S 图上，节流元件膨胀过程如3→4，是等焓过程，而膨胀机膨胀过程如3→4'，是等
熵过程。

膨胀机回收的功量如阴影部分积分。

8．某压缩制冷装置，用氨作为制冷剂，氨在蒸发器
温度为-25℃，冷却器中的压力为1.0MPa ，假定氨进入压缩为饱和蒸汽，而离开冷凝器时为饱和液体，每小时制冷量
1.67×
105 kJ·h -1。

求：（1）所需的氨流率；
（2）制冷系数。

解：通过NH 3的P-H 图可查到各状态点焓值。

P
1.0M Pa -25℃
按照题意，氨进入压缩机为饱和状态1，离开冷凝器为饱和状态3。

氨在蒸发器中的过程即4→1 H 1=1430KJ ·kg -1
H 2=1710KJ ·kg -1
氨在冷凝器中的过程即2→3，H 3=H 4=320KJ ·kg -1 氨流率 1
5
4
100
05.150320
143010
67.1-⋅=-⨯=
-=
=
h
kg H H Q q Q G
制冷系数 01421
14303201110 3.9617101430
280
s
q H H W H H ξ--=
=
=
=
=--
注：求解此类题目：关键在于首先确定各过程状态点的位置，然后在P-H 图或T —S 图上查到相应的焓（或温度、压力）值，进行计算。

9．有一氨压缩制冷机组，制冷能力Q 0为4.0×104KJ ·h -1
，在下列条件工作：蒸发温度为-25℃，进入压缩机的是干饱和蒸汽，冷凝温度为20℃，冷凝过冷5℃。

试计算：
（1）单位重量制冷剂的制冷能力； （2）每小时制冷剂循环量；
（3）冷凝器中制冷剂放出热量； （4）压缩机的理论功率； （5）理论制冷系数。

解：首先在P —H 图（或T —S 图）上按照已知条件定出各状态点。

查得 H 1=1430KJ ·kg -1
H 2=1680KJ ·kg -1
冷凝出来的过冷液体（过冷度为5℃）状态3'的决定：假设压力对液体的焓值几乎没有影响，从状态3沿着饱和液体线向下过冷5℃，找到3''，用此点的焓值近似代替3'的焓值，由于过冷度是有限的，实际上3'和3''很接近，不会造成太大的偏差。

3''→4仍为等焓膨胀过程， H 3`=H 4=270kJ ·kg -1
制冷能力 q 0=H 1-H 4=1430-270=1160KJ ·kg -1 制冷剂循环量 1
4
05.341160
104-⋅=⨯==
h
kg q Q G
冷凝过程即2→3'，放出热量Q=（H 3-H 2）G=34.5(270-1690)=-48645KJ ·h -1
压缩机功率 kW H H G N 40.23600)
14301680(5.343600
)
(12=-=
-=
制冷系数 64.4250
11601430
168027014301
2
4
1==--=
--=
H H
H H ξ
10．压缩机出口氨的压力为1.0MPa ，温度为50℃，若按下述不同的过程膨胀到0.1MPa ，试求经膨胀后氨的温度为多少？ （1）绝热节流膨胀；
（2）可逆绝热膨胀。

解：（1）绝热节流膨胀过程是等焓过程，从P-H 图上沿着等焓线可找到终态2为0.1MPa 温度为30℃。

（2）可逆绝热膨胀过程是等熵过程，同样沿着等熵线可找到终态2'为0.1MPa 时，温度为-33℃。

11. 某实验电厂设计参数如下：锅炉出口蒸汽参数为2500kPa ，390℃；汽轮机入口蒸汽参数为2300kPa ，385℃；凝汽器中蒸汽压力为7kPa ，
（1）试求相应的Rankine 循环热效率（新汽参数按汽轮机入口蒸汽参数考虑）。

（2）已知以发电机电能输出为基准的煤耗率为0.71/()a b kg kW h = (按发热量为29288kJ/kg 的标准煤计)。

求此期间发电的热效率ηa 。

解：
（1）
查过热水蒸汽表，由T 1=290℃，p 1=2500kPa ，得 H 1=3222kJ/kg 由1'T =385℃,1'p =2300kPa ，查得 1'H =3208kJ/kg, 1'S =7.0107kJ/(kg ·K) 由p 2=7kPa ，查饱和水和饱和蒸汽表，得 H 2L =H 3=162.7kJ/kg ， H 2V =2572kJ/kg S 2L =0.5568kJ/(kg ·K)， S 2V
=8.280 kJ/(kg ·K)
因为'1-2为可逆绝热过程，则S 2=1'S =7.0107 kJ/(kJ ·K)，设点2的干度为x ，则有 S 2=S 2V x ＋S 2L (1－x)
7.0107=8.280x ＋0.5568(1－x) x=0.837
由此可得
H 2=H 2V x ＋H L (1－x)=2572×0.837＋162.7×0.163=2179(kJ/kg) 则Rankine 循环热效率为
1'2
13
320821790.33733.7%
3222162.7
111/3600/5070/0.71
0.71
a
H H W Q H H kW h kg kJ kg kJ kg
b η--=
==
==--==⨯=
（2） 由已知条件知，以发电机电能输出为基准的煤耗率b a =0.71kg/(kW ·h),则1kg 煤的发电量
℃
==
111/3600/5070/0.71
0.71
a
kW h kg kJ kg kJ kg b =
=
⨯= 又已知1kg 煤的发热量知1kg 煤的
发热量为29228kJ/kg ，故发电的热效率为
ηa =
11kg kg 煤的发电量煤的发热量×100%
=5070100%17.3%29288
⨯=
12. 某压缩制冷装置，用氨作为制冷剂，氨在蒸发器中的温度为－25℃，冷凝器内的压力为1180kPa ，假定氨进入压气机时为饱和蒸气，而离开冷凝器时是饱和液体，如果每小时的制冷量为167000kJ ，求
（1） 所需的氨流率； （2） 制冷系数。

解：此氨制冷循环示于右图所示T-S 图上。

（1） 查的T-S 图，得H 1=1648kJ/kg ，H 2=1958kJ/kg ，H 3=H 4=565kJ/kg
则单位质量制冷剂的制冷量为 q 0=H 1－H 4=1648－565=1083(kJ/kg) 所需的氨流率为
G=00
1670001083
Q q ==154.2（kg/h ）
(2)制冷系数为
ε=
0021
108319581648
q q W
H H =
=
--=3.49
13. 有一制冷能力为Q 0=41800kJ/h 的氨压缩机，在下列条件下工作：蒸发温度t 0=－15℃,冷凝温度t k =＋25℃，过冷温度t=＋20℃，压缩机吸入的是干饱和蒸气，试计算 （1） 单位质量的制冷能力； （2） 每小时制冷剂循环量；
（3） 在冷凝器中制冷剂放出的热量； （4） 压缩机的理论功率； （5） 理论制冷系数。

解：状态点1为－15℃的干饱和蒸气，由氨的温熵查得H 1=1664kJ/kg 。

由t 1=－15℃饱和汽线上该状态点（沿等熵线垂直向上）与t=30℃对应的饱和压力p 3=10×105Pa 线相交，查得H 2=1866kJ/kg 。

状态点5为20℃的过冷液体，查20℃的饱和液体得H 5=514.6kJ/kg 。

因节流前后焓值不变，则H 6= H 5=514.6kJ/kg
（1） 单位质量的制冷能力为
q 0=H 1－H 6=1664－514.6=1149.4（kJ/kg ） (2) 每小时制冷剂循环量为 G=
00
418001149.4
Q q ==36.37（kg/h ）
（3） 在冷凝器中制冷剂放出的热量为
Q=G （H 5－H 2）=36.77×（514.6－1866）=－49691（kJ/h ）
（4） 压缩机的理论功率为
N T =G （H 2－H 1）=36.37×（1866－1664） =7346.74（kJ/h ）=2.04kJ/s=2.04kW
（5） 理论制冷系数 ε=
00
211149.4()
(18661664)
q q W
H H =
=
--=5.69
14.有人设计了一套装置用来降低室温。

所用工质为水，工质喷入蒸发器内部分汽化，其余变为5℃的冷水，被送到使用地点，吸热升温后以13℃的温度回到蒸发器，蒸发器中所形成的干度为98%的蒸气被离心式压气机送往冷凝器中，在32℃的温度下凝结为水。

为使此设备每分钟制成750kg 的冷水，求 （1） 蒸发器和冷凝器中的压力； （2） 制冷量（kJ/h ）；
（3） 冷水循环所需的补充量；
（4） 每分钟进入压气机的蒸气体积。

解：
（1） 从饱和水和饱和蒸气表查得：蒸发器内5℃水的饱和蒸气压p 1=0.00872×105
Pa ，冷凝器的温度
为32℃水的饱和压力p 2=0.0468×105Pa （2） 本装置依靠5℃的冷水从室内吸热，从而升温至13℃来降低室温，故本装置的制冷量为
Q 0=G 2（H 5－H 6）=G 2C P （T 5－T 6）
=750×4.184×（13－5）
=25104（kJ/min ）=1506240kJ/h
（3） 对蒸发器作质量衡算
G 1=G 3＋G 2 （1）
对蒸发器再作能量衡算
G 1H 5=G 3H 1＋G 2H 6 （2） 联立方程（1）和（2）求得G 3，即为冷水循环所需的补充量 G 3=5615
750()H H H H --
从饱和水和饱和蒸气表查得
H 1（t=5℃，x=0.98）=2460kJ/kg ，H 5（t=13℃的饱和水）=54.（kJ/kg ） 因此
G B =
25104246054.6
-=10.48（kg/min ）
（4）
从饱和水和饱和蒸气表查得：5℃时的饱和蒸气比容υg =147.12m 3/kg ；5℃时饱和水的比容υ
f
=0.001m 3/kg ，则干度为0.98的蒸气比容
υ=υg x ＋υf （1－x ）=147.12×0.98＋0.001×（1－0.98）=144.18（m 3/kg ） 最后得到每分钟进入压气机的蒸气体积为
V=G 3υ=10.48×144.18=1511（m 3/min ）。