作業(yè)解答化工熱力學第四章化工過程的能量分析2019

第四章化工過程的能量分析4-1有一水平敷設的熱交換器，其進、出口的截面積相等，空氣進入時的溫度、壓強和流速分別為303K、0.103MPa和10m/s，離開時的溫度和壓強為403K和0.102MPa。試計算當空氣的質量流量為80kg/h時從熱交換器吸收多少熱量？若熱交換器垂直安裝，高6m，空氣自下而上流動，則空氣離開熱交換器時吸收的熱量為多少？已知空氣的恒壓平均熱容為1.005kJ/(kg?K)

解：以1kg空氣為計算基準。當熱交換器水平安放時：Z1=Z2，gΔZ=0，又對于熱交換器，無軸功交換WS＝0.因而，此時穩(wěn)流體系的總能量平衡式可簡化為：聯(lián)合應用連續(xù)性方程式和理想氣體狀態(tài)方程式來求出口截面的流速，因截面積A1＝A2，則當空氣的質量流量為80kg/h時，每小時吸收熱量為熱交換器垂直安裝時，則每千克的空氣通過換熱器時的勢能增加為則吸熱量則每小時吸熱量為4-2某廠用功率為2.4kW的泵將95℃水從貯水罐壓到換熱器，水流量為3.2kg·s-1。在換熱器中以720kJ·s-1的速率將水冷卻，冷卻后水送入比第一貯水罐高30m的第二貯水罐，求送入第二貯水罐的水溫。(已知水的恒壓熱容為Cp=4.187J·kg-1·K-1)解：以1kg的水為計算基準輸入的功放出的熱量位能的變化g?Z=9.81×20=196.2J?kg-1=0.1962kJ?kg-1忽略此流動過程中動能變化根據(jù)穩(wěn)定流動過程的能量平衡方程

∵?H=mCp(T2-T1)∴送入第二貯水罐的水溫4-3將35kg、溫度為700K的鑄鋼件放入135kg而溫度為294K的油中冷卻，已知鑄鋼和油的比熱容分別為(Cp)鋼=0.5kJ/(kg?K)和(Cp)油=2.5kJ/(kg?K)，若不計熱損失，試求：（1）鑄鋼件的熵變；（2）鑄鋼件和油的總熵變。解：設終溫為T2，則對鑄鋼件有：Q1=m1Cp1ΔT1=35×0.5×(T2-700)=17.5×(T2-700)對油有

Q2=m2Cp2ΔT2=135×2.5×(T2-294)=337.5×(T2-294)Q1+Q2=0因不計熱損失，所以：17.5（T2－700）+337.5（T2-294）解得：T2=314.0K（1）鑄鋼件的熵變：（2）油的熵變：（3）鑄鋼件和油的總熵變：ΔS=-14.02+22.20=8.18kJ/K4-4試求：(1)流動過程;

(2)非流動過程中溫度為813K、壓力為4.052MPa的1kmol氮氣變至373K、1.013MPa可能做的理想功為多少？取環(huán)境溫度為T0=293K,p0=0.1013MPa,氮氣的等壓熱容為：4-4試求：(1)流動過程;

(2)非流動過程中溫度為813K、壓力為4.052MPa的1kmol氮氣變至373K、1.013MPa可能做的理想功為多少？取環(huán)境溫度為T0=293K,p0=0.1013MPa,氮氣的等壓熱容為：解：(1)流動過程

(2)非流動過程Δ(pV)=nR(T2-T1)=1*8.314*(373-813)=-3658.16kJ?kmol-14-5

有1.570×106Pa，757K的過熱蒸汽驅動透平機，乏氣的壓力為6.868×104Pa。透平機膨脹既不絕熱也不可逆。已知等熵效率為80％。每㎏蒸汽通過透平機的散熱損失為7.50kJ。環(huán)境溫度T0為293K，求（1）此過程的理想功，（2）損失功，（3）熱力學效率。解：由水蒸氣的熱力學性質圖表查出，當p1=1.570×106Pa、T1＝757K時，H1＝3428kJ/kg，S1＝7.488kJ/(kg?K)設蒸氣在透平機中的膨脹是可逆絕熱過程，則S2＝S1＝7.488kJ/(kg?K)當p2=6.868×104Pa，S2＝7.488kJ/(kg?K)時，查得由此絕熱可逆功透平機實際輸出的軸功為根據(jù)穩(wěn)流體系熱力學第一定律因此，蒸氣實際上的終態(tài)為：p2=6.868×104Pa，H2＝2805.3kJ/kg，查得S2＝7.844kJ/(kg?K)此過程的理想功為Wid=?H-T0?S=（2805.3-3428）-293×（7.844-7.488）＝-727kJWL＝Wid－WS＝（-727）-（-615.2）＝111.8kJ/kg熱力學效率4-6

某工廠有一輸送90℃熱水的管道，由于保溫不良，到使用單位，水溫降至70℃，試計算熱水由于散熱而引起的有效能損失。設大氣溫度為298K。解：以1kg水為計算基準因水在等壓下冷卻，已知水的恒壓熱容為4186.8J·kg-1·K-1，故水的熵變?yōu)?kg水從363K冷卻至343K，放出熱量Q為Q=4186.8×1×(343-363)=-83736J此熱量傳給環(huán)境，環(huán)境的熵變?yōu)樗?/p>

ΔSt=ΔSsys+ΔSsur=

-237.2+281.0=43.8J?kg-1?K-1

損失功WL=T0ΔSt=298×43.8=13050.4J?kg-1=13.05kJ?kg-14-86.0MPa，400℃的過熱蒸汽（H1=3174kJ·kg-1，S1=6.535kJ·kg-1·K-1）在穩(wěn)流過程中經透平絕熱膨脹到0.004MPa、干度x=0.9。（已知0.00