工程热力学第七章水蒸气作业

1第7章水蒸汽例1：容积为0.63m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：1p=3.6bar时，1v=0.51056kgm/31h=2733.8kJ/kg蒸汽质量m=V/1v=1.1752kg查饱和蒸汽表得：2p=2bar时，'2v=0.0010608kgm/32v=0.88592kgm/3'2h=504.7kJ/kg''2h=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：1v=2xv或1v=''22'22)1(vxvx由于1v''22vx212vvx0.5763取蒸汽为闭系，由闭系能量方程wuq由于是定容放热过程，故0w所以1212uuuq而u=h-pv故)()(111222vphvphqxx其中：2xh=''22'22)1(hxhx=1773.8kJ/kg则3.878qkJ/kgQ=mq=1.1752(-878.3)=-1032.2kJ例2：1p=50barCt01400的蒸汽进入汽轮机绝热膨胀至22p=0.04bar。设环境温度Ct0020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：1p=50barCt01400时，1h=3197kJ/kg1v=0.058kgm/31s=6.65kJ/kgK则1111vphu=2907kJ/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2p=0.04bar，此过程在h-s图上用一垂直线表示，查得2h=2020kJ/kg2v=0.058kgm/32s=1s=6.65kJ/kgK2222vphu=1914kJ/kg膨胀功及技术功：21uuw=2907-1914=993kJ/kg21hhwt=3197-2020=1177kJ/kg2）由于损失存在，故该汽轮机实际完成功量为tritww'=0.881177=1036kJ/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'21'hhwt，则'12'twhh=3197-1036=2161kJ/kg这样利用两个参数'2p=0.04bar和'2h=2161kJ/kg，即可确定实际过程终点的状态，并在h-s图上查得'2s=7.12kJ/kgK，故不可逆过程熵产为22'sssg=7.12-6.65=0.47kJ/kgK作功能力损失)(00gfssTsTw因绝热过程0fs则kgkJsTwg/7.13747.0)20273(0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3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)(21uumUW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/kgm4643.06058.0763.0001074.0)763.01()1(3111vxvxvkJ/kg6.22125.2725763.04.561)763.01()1(111hhxhkJ/kg2074104643.0103.06.2212361111vphu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=2v=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kJ0.48)20746.2553(1.0)(12uumW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℃。PV124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2112)(vvppdvw比容值可由“未饱和水与过热蒸汽表”查出，代入上式得kJ/kg4.5010)06818.0085.0(10366w（2）对可逆定压加热过程12hhhq由过热蒸气表查得焓值后代入上式得kJ/kg8.2193.28241.3044q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。7．4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5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h—s图上。8．1kg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。9．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Q123图7.2图7.26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=－mΔu。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7cp=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/m2·h。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？25．1kg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。828．1kg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