工程热力学(第五版)第6章.水蒸气练习题.doc

工程热力学例题与习题第6章 水 蒸 汽71 本章基本要求理解水蒸汽的产生过程，掌握水蒸汽状态参数的计算，学会查水蒸汽图表和正确使用水蒸汽h-s图。掌握水蒸汽热力过程、功量、热量和状态参数的计算方法。自学水蒸汽基本热力过程(7-4)。72 本章难点1水蒸汽是实际气体，前面章节中适用于理想气体的计算公式，对于水蒸汽不能适用，水蒸汽状态参数的计算，只能使用水蒸汽图表和水蒸汽h-s图。2理想气体的内能、焓只是温度的函数,而实际气体的内能、焓则和温度及压力都有关。3查水蒸汽h-s图，要注意各热力学状态参数的单位。73 例题例1：容积为0.6的密闭容器内盛有压力为3.6bar的干饱和蒸汽，问蒸汽的质量为多少，若对蒸汽进行冷却，当压力降低到2bar时，问蒸汽的干度为多少，冷却过程中由蒸汽向外传出的热量为多少解：查以压力为序的饱和蒸汽表得：=3.6bar时，=0.51056 =2733.8kJ /kg蒸汽质量 m=V/=1.1752kg查饱和蒸汽表得：=2bar时，=0.0010608 =0.88592 =504.7kJ /kg=2706.9kJ /kg在冷却过程中，工质的容积、质量不变，故冷却前干饱和蒸汽的比容等于冷却后湿蒸汽的比容即： =或= 由于0.5763取蒸汽为闭系，由闭系能量方程 由于是定容放热过程，故 所以 而u=h-pv 故 其中：=1773.8kJ /kg则 kJ /kgQ=mq=1.1752(-878.3) =-1032.2kJ例2：=50bar 的蒸汽进入汽轮机绝热膨胀至=0.04bar。设环境温度求：（1）若过程是可逆的，1kg蒸汽所做的膨胀功及技术功各为多少。（2）若汽轮机的相对内效率为0.88时，其作功能力损失为多少解：用h-s图确定初、终参数初态参数：=50bar 时，=3197kJ /kg =0.058=6.65kJ /kgK则=2907 kJ /kg6.65kJ /kgK终态参数：若不考虑损失，蒸汽做可逆绝热膨胀，即沿定熵线膨胀至=0.04bar ，此过程在h-s图上用一垂直线表示，查得=2020 kJ /kg =0.058 =6.65kJ /kgK=1914 kJ /kg膨胀功及技术功：=2907-1914=993 kJ /kg=3197-2020=1177 kJ /kg2）由于损失存在，故该汽轮机实际完成功量为=0.881177=1036 kJ /kg此不可逆过程在h-s图上用虚线表示，膨胀过程的终点状态可以这样推算，按题意，则=3197-1036=2161 kJ /kg这样利用两个参数=0.04bar和=2161 kJ /kg，即可确定实际过程终点的状态，并在h-s图上查得=7.12kJ /kgK，故不可逆过程熵产为=7.12-6.65=0.47kJ /kgK作功能力损失因绝热过程则例3：0.1kg水盛于一绝热的刚性容器中，工质的压力的0.3Mpa，干度为0.763。一搅拌轮置于容器中，由外面马达带动旋转，直到水全变为饱和蒸汽。求：（1）完成此过程所需的功；（2）水蒸汽最终的压力和温度。解：取容器内的工质为系统，搅拌轮搅拌工质的功变为热，是不可逆过程。（1）系统绝热，q=0。系统的边界为刚性，因而没有容积变化功，可是由于搅拌轮搅拌，外界对系统作了功。由热力学第一定律即外界消耗的功变了热，工质吸收热内能增加，因而只要计算初终态的内能变化就可求得耗功量。对于初态，已知p1=0.3Mpa，x=0.763，于是因为容器是刚性的，终态和初态比容相等，因而终态是v2=0.4643m3/kg的干饱和蒸汽。由饱和水与饱和蒸气表可查得相应于v2=0.4624时的压力p2=0.4Mpa，温度t2=143.62。由查得的终态参数可计算出终态的内能u2=2253.6kJ/kg。所以，搅拌轮功为 图7.1（2）终态如图7.1所示，为v2=v1、x=1的干饱和蒸气，p2=0.4Mpa，t2=143.62。例4：1kg水贮存于有负载的活塞-气缸装置中，压力为3Mpa，温度为240。定压下对工质慢慢加热直至其温度达320，求：（1）举起负载活塞作多少功？（2）外界需加入多少热量？解：取装置中的工质水为系统，由饱和水与饱和蒸气表查得对应于3Mpa的饱和温度为233.84。现初态温度高于此值，可知初态为刚高于饱和温度的过热蒸气，故工质在整个加热过程均为过热蒸气。（1）在缓慢加热的条件下，可认为热源与工质温差很小而视过程为可逆过程故比容值可由“未饱和水与过热蒸汽表”查出，代入上式得（2）对可逆定压加热过程由过热蒸气表查得焓值后代入上式得若根据水蒸气的h-s图读取v和h的数据亦可得到相近的结果。图中数据连续，且可显示过程，但所读数据不如表中数据准确。74 思考及练习题1物质的临界状态究竟是怎样一种状态?2水的定压产生过程可分为哪几个阶段，经历哪几种状态，写出它们的名称。3对水蒸汽的热力过程和理想气体热力过程 ，在分析方法上有何异同之处。4试用水蒸汽的热力性质说明冰刀滑冰的机理。5理想气体的内能是温度的单值函数，而实际的内能则与T、v有关，试计算任意两个温度相同而比容不同的状态下蒸气的内能，从而验证上述结论。（取过热蒸气参数）。6饱和水蒸气的焓值是否随压力和温度的升高而不断增大？过热蒸气的焓值呢？7压力为3.5Mpa，温度为420的过热蒸气，在汽轮机中定熵膨胀，如果乏汽恰好的干饱和蒸气，则汽轮机的作功量及乏气的温度各为多少？并将该过程表示在hs图上。图7.281kg状态为p1=1Mpa，t1=200的过热蒸气，在定压下被加热到300，试求加热量，容积变化功及内能变化。如果工质为1kg空气，结果又将如何？通过本例的计算，说明对于水蒸气和空气，在处理方法上有何异同之处。图7.29利用蒸气与冷水混合来制取开水是常见的方法。现将压力为0.1MPa，干度为0.9湿蒸气，与压力为0.1MPa，温度为20的自来水相混合，如果供应4吨开水，则需要蒸气、水各为多少？混合过程的熵产是多少？10图7.2表示一台锅炉的示意图，每小时生产1MPa，240的过热蒸气15吨。已知给水温度为20锅炉效率为0.75，煤的值为29400kJ/kg，进入过热嚣的湿蒸汽干度为0.95，试求：（1）耗煤量；（2）温蒸气在过热器中的吸热量。11一刚性容器被绝热隔板分成A和B两部分。已知A和B中的状态分别为：mA=1kg，xA=1，pA=0.5MPa；mB=1kg，xB=1，pB=0.5MPa抽去隔板后，容器内的最终压力为0.7MPa，若环境温度为300K，求：（1）刚性容器的容积及蒸汽的最终状态；（2）过程中交换的热量；（3）过程中总的熵产。12一容器内装有1kg的湿蒸汽，其压力ps=10bar，如果容器内的饱和水与饱和蒸汽各自恰好占去容器容积的一半。求容器内湿蒸汽的焓。13在容积V=6m3的容器中，有ts=150的饱和水与饱和蒸气共存，其中饱和水占总容积的1/3。求蒸汽的干度x。14在一内径为60cm、高为3m的圆柱形密闭容器中，充以压力p1=80at的饱和水与饱和水蒸汽混合物，其中饱和水的液面高h1=15cm。若使容器内湿饱和蒸汽的压力由于冷却而降至p2=40at，求此时饱和水液面的高度h2以及冷却过程中所放出的热量Q。15在压力p=8bar下，对1kg的饱和液体加入711.76kJ的热量，结果其内能增加为628kJ。试求：（1）加热后混合物的干度x=?（2）内汽化潜热和外汽化潜热各为多少？某物质的汽化潜热为1130kJ/kg。16现有两个容积相等、材质相同的容器，它们的容积V=1m3，其中一个充满了压力为10bar饱和水，另一个装有压力为10bar的饱和干蒸汽。如果由于某种意外的原因发生爆炸，问哪一个容器爆炸所引起的危害大些？提示：由于爆炸是在瞬间发生的，饱和水饱和蒸汽进行绝热膨胀其，压力由10bar降至1bar，所以s1=s2，其危害性可粗略按其绝热膨胀所作功的大小来衡量。由第一定律可得：W=mu。计算结果饱和水容器爆炸的危害约为饱和汽容器产生危害的30倍。17把压力为1bar的干饱和蒸气10kg，在定压下变为tw=50的热水，用其所放出的热量来加热空气。问在定压加热的情况下，这些热量可将多少公斤的空气由t1=50加热至t2=100。18在压力p=30bar，温度t=500的过热蒸汽中的加入tw=25的水，使其混合后温度tm=400，问对1kg蒸汽而言，需要加入多少公斤的水，设过热蒸汽的平均比热cpm=0.5399kcal/kg。19有一废热锅炉每小时可把200kg温度为t1=10的水，变为t2=100的干饱和蒸气。进入锅炉的烟气温度为tg1=600，排烟温度为tg2=200，若锅炉的效率为60%，求每小时通过的烟气量。已知烟气的比热为cp=1.047kJ/kg，水的汽化潜热T=2260.87kJ/kg。20一加热器每小时 换热量9010kJ/h，现送入压力p=1.078bar的蒸气（h=2658.6kJ/kg），蒸气在加热器内放热后变为t2=83的凝结水排入大气，问此换热器每小时所需蒸汽量。21把压力p=2.94bar的干饱和蒸汽，通过1英寸的管道（内径为2.54cm）送往用户。无论管内的蒸汽流量是多大，每1m2的管子内表面每小时向管外保温层散出的热量为2093.4kJ/m2h。问蒸气在管内流动时每流过10m有多少蒸汽由于散热而冷凝？如要使蒸气的冷凝量限制在管内蒸汽总流量的10%，求每小时需要通过的蒸汽量。22蒸汽按pV1.1=C的规律从p1=700kPa膨胀至p2=70kPa。如果蒸气在初始条件下的干度x=0.9，求膨胀过程中传递的热量。23在一个密封的管内充以1kg临界状态的蒸汽。由于从管内向外传热，使管内蒸汽从临界状态变为压力p=29.4bar的饱和蒸汽，求此时管内蒸汽的干度x=?24在一个密封的管内充有湿蒸气，现对其加热至临界状态（注：当接近临界状态时管内汽-液分界面应接近管子的中部），求当充入压力p=20bar的湿蒸汽时，其中饱中水与饱和蒸汽的容积比应是多少？251kg质量的饱和水装在一刚性容器内，其压力为1bar，饱和温度为99.64。若将水加热至120，求下列情况容器内水的终了压力p2：（1）容器的容积未发生变化；（2）容器的容积增大1%。26一容器其容积V=0.15m3，其中装有压力p1=7.26bar的干饱和蒸汽，当容器的压力降至p2=3.92bar时，求容器的饱和水及饱和水蒸汽的质量及容积各是多少？27压力p1=12.5bar的饱和蒸汽，以速度c1=24m/s在内径D=150mm的管道内流动，求蒸汽的质量流量kg/s。如果在流动中经过节流，蒸汽压力降为p1=1.2bar。求节流后的温度t2=?如将节流后的蒸汽4.5kg送进一个盛有温度tw=18质量为90kg水的水箱内，求混合后水的终温t3=?取过热蒸气的定压比热cp=2kJ/kgK，忽略任何热损失。281kg的汽、水混合物（其中蒸气的质量为20%）装在一个刚性容器内，压力p1=2abr。如对系统内部进行加热直至其中的水完全汽化（x2=1）。求。（1）终了压力p2；（2）焓、内能和熵的变化；（3）加给系统的热量Q。75 自测题一、是非题1在水蒸气的定温过程中，加入的热量等于膨胀功。（ ）2水的相图表明，冰点和沸点均随压力的升高而升高。( )3对封闭刚性容器中的湿蒸汽加热，总可以使其中的饱和水全部变成饱和蒸汽。( )4当压力超过临界压力,温度低于临界温度。则处在液态。( )5温度愈高,饱和水蒸汽的熵越大 ( )6干饱和蒸汽进行绝热膨胀后，必变为湿饱和蒸汽。( )7有0以下的水蒸汽（ ）8在一定的压力下， 从0的水加热到200的过热蒸汽,其焓变为( )9过热蒸汽的干度大于1。( )10压力和温度一定，则的状态就确定。( )二、选择题1湿蒸汽进行定温膨胀,其内能变化u (A)=0; （B）0 (C) 0; (D)02水蒸汽的汽化潜热随压力升高而 (A)增加; (B)不变; （C）减小; （D）先增后减3冰的熔解温度随压力升高而 (A)升高 （B）降低 (C)不变; (D)先降后升4不断对刚性密闭容器中的汽水混合物加热，其结果只能是 (A)全部水变成水蒸汽 (B)部分水变成水蒸汽 (C)部分或全部水变成水蒸汽 （D）不能确定5在相同温度下,蒸发与沸腾所需要的汽化潜热 (A)沸腾时大于蒸发;（B）沸腾时等于蒸发(C)沸腾时小于蒸发; (D)不能确定其大小。6水处在三相点时，其焓与内能的关系是 (A)焓=内能; (B)焓内能; (D)不能确定。7水在升压发生过程中，则 (A)增大, 增大 （B）增大, 减小(C) 减少, 增大 (D) 减小 减小8同一地点，普通锅中的开水与高压锅中的开水 (A)温度相同，压力不同; （B）压力相同,温度不同(C)压力相同,温度相同; （D）压力不同,温度不同9发现一热力管道泄漏出蒸汽，则可断定管道中输送的是 (A)蒸汽; （B）高温水(t100);.(C)汽水混合物; （D）上述三者之一10确定湿蒸汽状态的一组参数是 (A)p、T; (B) , （C）T,X (D)上述三者之一三、填空题1的五种不同状态是 、 、 、 、 2水的定压发生过程是由水的 过程,饱和水的 和蒸汽的 过程所组成。3水蒸汽的汽化潜热在低温时较 。在高温时较 ，在临界温度时 4随温度的上升而 。S随温度的上升而 。5过热蒸汽的比热取决于 和 。6三相点是 平衡共存的状态。水的三相点温度To= 7国际水蒸汽会议规定水蒸汽图表选定 为参考状态，规定该状态的 和 为零。四、名词解释l克拉贝龙一克劳休斯方程2水蒸汽的汽化潜热3湿蒸汽、干饱和蒸汽和过热蒸汽4蒸发与沸腾五、计算题1将lkg, =293K, =15bar的水定压加热到=300，再流入汽轮机中绝热膨胀到=lbar。由于膨胀过程的不可逆性引起工质熵增S =0.2kJ/kg-K，求: 1)加热量。2)汽轮机的轴功。3)终了温度2压力为0.08bar，x=0.8的蒸气以l00m/s的速度进入冷凝器，蒸汽冷凝为饱和水后离开冷凝器，流出时的速度是l0m/s，问每kg水蒸汽在冷凝器中放出的热量及熵的变化。3一直径d=7.62cm的水平管道内，在截面1-1处蒸汽的压力=1.6bar，=270，在截面2-2处，其压力=1.5bar， =250，如流动过程是绝热的，试决定其流动方向及在截面1-1及2-2的流速。-71