工程热力学思考题答案

第十章蒸汽动力装置循环1、干饱和蒸汽朗肯循环（图10-1中循环6-7-3-4-5-6）与同样初压力下的过热蒸汽朗肯循环（图10-1中循环1-2-3-4-5-6-1）相比较，前者更接近卡诺循环，但热效率却比后者低，如何解释此结果？答：循环6-7-3-4-5-6局限于饱和区，吸热温度受到水的临界温度的制约，其平均吸热温度较低，故其热效率较循环1-2-3-4-5-6-1低。2、本世纪二三十年代，金属材料的耐热性仅达400℃，为使蒸汽初压提高，用再热循环很有必要。其后，耐热合金材料有进展，加之其他一些原因，在很长一段时期内不再设计制造按再热循环工作的设备。但近年来随着初压提高再热循环再次受到注意。请分析其原因。答：朗肯循环中提高新蒸汽压力和温度都可以提高循环的热效率，在本世纪二三十年代，材料的耐热性较差，通过提高蒸汽的温度而提高热机的效率比较困难，因此采用再热循环来提高蒸汽初压。随着耐热材料的研究通过提高蒸汽的温度而提高热机的效率就可以满足工业要求。因此很长一段时期不再设计制造再热循环工作设备。近年来使用的蒸汽初压大大提高，由于初压的提高使得乏气干度迅速降低，引起气轮机内部效率降低，另外还会侵蚀汽轮机叶片缩短汽轮机寿命，所以乏气干度不宜太低，必须提高乏气干度，就要使用再热循环。3、图10-13所示回热系统中采用的是混合式回热器，靠蒸气与水的混合达到换热的目的。另有一种表面式换热器，如图10-26所示，蒸汽在管外冷凝，将凝结热量传给管内的水，这种布置可减少系统中高压水泵的数量。试分析这种系统在热力学分析上与混合式系统有否不同？图10-26答：回热循环的计算最重要的是计算抽气量：对于混合式回热加热器：其热平衡方程为：1'1'100041hhhh可得：404011'hhhh对于表面式换热器：热平衡方程为：假设在理想换热情况下，没有热损失。1'1'10'0'4'0'11hhhh可得：4040'11'hhhh所以在理想情况下，这两种回热器没有差别。4、各种实际循环的热效率无论是内燃机循环，燃气轮机循环，或是蒸汽循环都肯定地与工质性质有关，这些事实是否与卡诺定理相矛盾？答：不矛盾。因为卡诺定理当中的可逆循环忽略了循环当中所有的不可逆因素，不存在任何不可逆损失，所以这时热能向机械能转化只由热源的条件所决定。而实际循环中存在各种不可逆损失，由于工质性质不同，不可逆因素和不可逆程度是各不相同的，因此其热效率与工质性质有关。5、蒸汽动力循环中，在动力机中膨胀作功后的乏汽被排入冷凝器中，向冷却水放出大量的热量q2，如果将乏汽直接送入汽锅中使其再吸热变为新蒸汽，不是可以避免在冷凝器中放走大量热量，从而减少对新汽的加热量q1大大提高热效率吗？这样想法对不对?为什么？答：这样的想法是不对的。因为根据热力学第二定律，工质要完成一个循环必须要在一个热源和一个冷源间进行，如果去掉冷却水，那么蒸汽动力循环就只有一个热源，而没有冷源，这样循环装置就变成了第二类永动机了，这样循环是无法自发进行的。6、用蒸汽作为循环工质，其吸热和放热接近定温过程，而我们又常说以定温吸热和定温放热最为有利，可是为什么在大多数情况下蒸汽循环反较柴油机循环的热效率低?答：热效率的高低最终是取决于平均放热温度和平均吸热温度的大小的。：柴油机的汽缸壁因为有冷却水和进入气缸的空气冷却，燃烧室和活塞都可以冷却，其材料可以承受较高燃气温度，燃气温度通常可高达1800-2300K，而蒸汽循环蒸汽过热器外面是高温燃气里面是蒸汽，所以过热器壁面温度必定高于蒸汽温度，这与柴油机是不同的，蒸汽循环的最高蒸汽温度很少超过600K.。这样比较柴油机的平均吸热温度远远大于蒸汽循环的，因此大多数情况下，蒸汽循环反较柴油机循环的热效率低。7、应用热泵来供给中等温度(例如100℃上下)的热量是比直接利用高温热源的热量来得济，因此有人设想将乏汽在冷凝器中放出热量的一部分用热泵提高温度，用以加热低温段(100℃以下)的锅炉给水，这样虽然需要增添热泵设备。但却可以取消低温段的抽汽回热，使抽汽回热设备得以简化，而对循环热效率也能有所补益。这样的想法在理论上是否正确?答：这种想法是不正确的。回热循环是是通过减少了温差传热不可逆因素，从而使热效率提高，使该循环向卡诺循环靠近了一步。而该题中的想法恰恰是又增加了温差传热不可逆因素。因此对效率提高是没有好处的。8、蒸汽动力装置中水泵进出口的压力差远大于燃气轮机压气机的压力差，为什么蒸汽动力循环中水泵消耗的功可以忽略？答：因为虽然蒸汽动力装置中水泵进出口的压力差大，但是水泵功约只占汽轮机作功的2%左右，在粗略计算中可以把水泵功忽略，而在燃气轮机装置中，压气机耗功占了燃气轮机输出功的很大部分（约60%），因此不能忽略。10、热量利用系数说明了全部热量的利用程度，为什么又说它不能完善地衡量循环的经济性？答：：热量利用系数说明了全部热量的利用程度，但是不能完全的衡量循环的经济性。能量分为可用能与不可用能，能量的品位是不同的。在实际工程应用中用的是可用能。可用能在各个部分各个过程的损失是不能用热量利用系数来说明的。11、总结一下气体动力循环和蒸汽动力循环提高循环热效率的共同原则。答：提高循环热效率的共同原则是：提高工质的平均吸热温度，同时降低平均放热温度。