第七章 思考题参考答案
1．
简单蒸汽动力装置由哪几个主要设备组成？画出系统图。在p-v图、T-s图上如何表示？
汽轮机 锅 炉
发电机
给水泵 凝汽器
p T 4 1 4 1 3 2 v 3
答：简单蒸汽动力装置由四部分组成：水泵，锅炉，蒸汽透平，冷凝器。系统图请见p233页图7-1，p-v图、T-s图请见p234 图7-2：
1?2 汽轮机定s膨胀 2?3 凝汽器定p放热 3?4 给水泵定s压缩 4?1 锅炉定p吸热
2． 卡诺循环效率比同温限下其它循环效率高，为什么蒸汽动力循环不采用
卡诺循环方案？
2 s 27
T 5 4 9 10 6 1 3 8 12 11 7 2 s 答：与朗肯循环相同温限下的卡诺循环，吸热过程将在气态下进行，事实证明气态物质实现定温过程是十分困难的，所以过热蒸汽卡诺循环至今没有被采用（图见p237 图7-4）。
对于利用饱和区域定温即定压的特性形成饱和区的卡诺循环也不可行，其有两个关键问题：其一，汽轮机出口位于饱和区干度不高处，湿度太大使得高速运转的汽轮机不能安全运行。同时不可逆损失增大，因此，实际使用的汽轮机出口干度一般限制在不小于0.85-0.88。其二，这样的卡诺循环，压缩过程将在湿蒸汽区进行，汽液混合工质的压缩会给泵的设计与制造带来难以克服的困难。 综上所述，蒸汽动力循环至今未采用卡诺循环。
3． 蒸汽动力循环热效率不高的原因是冷凝器放热损失大，能否取消冷凝器
而用压缩机将乏气送回锅炉？
答：首先，冷凝器放出的热量数量虽大，但品质很低，其中大部分为An，这部分An不能再转变为功了。根据热力学第二定律，对于蒸汽动力循环，要求将这部分低品位的能量释放出去，才能保证热量连续不断地转化为功（可以从朗肯循环的T-s图上看出）。其次，乏气体积大，直接用压缩机压缩耗功大，用压缩机将乏气送回锅炉的做法相当于耗功来换功（并非将热量转变为功，品位提高），这样做是不值得的。因此不能取消冷凝器而用压缩机将乏气送回锅炉。
4． 上题同样的原因，能否取消冷凝器，直接将乏气送回锅炉加热，以免冷
凝放热损失?
答：不能这样做。原因有二：第一个原因与上题相同，这是受热力学第二定律的限制，因此不能取消冷凝器；其次，若直接将乏气送回锅炉加热，势必将给锅炉的设计带来麻烦，使其结构复杂化。
5． 蒸汽中间再过热的主要作用是什么？是否总能通过再过热提高循环热效
率？什么条件下中间再过热才能对提高热效率有好处？
答：为了提高循环热效率，可以提高蒸汽初温和初压。但是提高蒸汽初压将导致乏气干度下降，而提高初温又要受到金属材料的限制，为了解决这一矛盾，常常采用蒸汽中间再过热的方法，流程图和T-S图见p251图7-15。
应该注意的是，再热循环不一定能够提高循环热效率。再热循环的平均吸热
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温度是再热前吸热过程和再热过程平均吸热温度的加权叠加。由于中间再热压力不同，再热循环的平均吸热温度可能高于、等于和低于原简单循环的平均吸热温度，进而导致再热循环热效率由于中间再热压力（即蒸汽膨胀到何程度时抽出再过热）的不同而可能大于、等于或小于朗肯循环热效率。
只有选择合适的中间再热压力时（一般在蒸汽初压力的20%-30%），再热过程的平均吸热温度高于再热前吸热过程的平均吸热温度，此时再热循环热效率高于朗肯循环热效率。此时，可以达到即提高乏气干度，又提高循环热效率的目的。
6． 抽气回热循环，由于抽出蒸汽，减少了作功，为什么还能提高循环热效
率呢？
答：与相同参数的朗肯循环相比，由于部分蒸汽从中间压力抽出，这就使得回热循环比功（单位工质做功）小于朗肯循环，导致回热循环汽耗率增大。但与此同时，抽汽回热把本来要放给冷源的热量（抽汽的显热和潜热）利用起来去加热工质，以减少工质从外界吸收的热量。对于抽汽回热循环，没有被抽出的这部分工质循环热效率没有改变，而被抽出的那部分工质在被抽出前做功量没有变化，同时在被抽出后又将热量返回给了系统（这部分蒸汽的平均吸热温度有所提高，图7-17所示），这样必然将提高了循环的整体热效率。
7． 总结蒸汽参数对于循环的影响，有何利弊？
答：初参数：提高蒸汽的初温和初压可以提高循环的热效率。因此，现代蒸汽动力循环朝着高参数方向发展。但与此同时，提高蒸汽初压将导致乏气干度下降，对汽轮机的安全工作不利；而提高初温又要受到金属材料的限制。 终参数：降低乏气压力可以提高循环热效率，但乏气压力是受环境温度制约的（除海水冷却外）。
8． 热效率法和火用效率法有何不同？ 答：热效率法和火用效率法的分析结论都反映了系统以及各个部件能量利用的情况。有所不同的是，热效率法反映了与“能量数量”相关的信息，例如锅炉的热效率为92%，表示输入的能量中有92%被利用。热效率法没有考虑能量品质的差异；火用效率法同时反映了与“能量数量”和“能量品质”相关的信息，例如锅炉的热效率虽然很高，但其火用效率却很低。这是由于煤的化学能的品质很高，但最终通过锅炉转变为品质相对较低的热能，转化过程中由于各种不可逆因素的存在，使得能量品质大为下降。从系统评价的全面性和指导性来看，火用效率法优于热效率法。
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第八章 思考题参考答案
1．蒸气压缩制冷循环与空气压缩制冷循环相比有哪些优点？为什么有些时候还要用空气压缩制冷循环？
答：蒸汽压缩制冷循环中吸、放热过程是依靠工质的相变潜热，通常相变潜热是比较大的，因此与空气压缩制冷循环相比，蒸汽压缩制冷循环有以下两个优点：1) 工质单位质量的制冷量大，这就决定了在相同的制冷能力下，蒸汽压缩制冷系统的体积小于空气压缩制冷系统；2)由于工质是相变传热（工质侧温度在两相区内恒定），因此缩小了传热温差，减小了温差传热导致的不可逆性。
但随着回热和叶轮式压缩机和膨胀机技术的出现，空气压缩制冷循环再一次得到了人们的注意。对于采用回热和叶轮机械的空气压缩制冷循环，工质流量大大提高，同时实际循环的制冷系数也有所提高。当制冷温度不是很低，且对设备体积要求不高时，可以考虑采用空气压缩制冷循环。
2．蒸汽压缩制冷循环可以采用节流阀来代替膨胀机，空气压缩制冷循环是否也可以采用这个方法？为什么？
答： 对于空气压缩制冷循环，不能用节流阀代替膨胀机。膨胀机的作用是同时降低空气的温度和压力，使得循环正常运行。如果采用节流阀，考虑空气通过节流阀是一个等焓过程，且将空气近似视为理想气体，则经过节流后空气的压力虽然下降，但其温度不变，这样无法同时达到降温降压的目的，不能保证空气压缩制冷循环正常工作。
3．如图8-9所示，若蒸汽压缩制冷循环按照1-2-3-4-6-1运行，循环耗功量没有变化仍为h1-h2, 而制冷量则由h1-h5增大为h1-h6。可见这种循环的好处是明显的，但为什么没有被采用？
答：如图8-8，蒸气压缩制冷循环一般采用空气冷却，冷凝器出口的工质为饱和液体状态（4点），温度接近环境温度。若要实现4-6熵减过程，需外加温度低于环境温度的外加冷源实现4-6的放热过程，而循环本身目的即是制冷，这样做是没有实际意义的。
4．制冷循环与热泵循环相比，它们之间的异同点是什么？ 答： 制冷循环与热泵循环相同之处在于它们都是逆循环。
不同之处在于工作的温度水平。制冷循环是在比环境温度低的某一个工况下（或低温冷源）吸热，将热量释放到环境（高温冷源）中，其目的是制冷；热泵循环则是从环境（低温热源）中吸热，将这部分热量释放到比环境温度高的工况下（高温热源），其目的是制热。由此，制冷循环和热泵循环的热工性能系数计算方法也有所不同：
QhQc?WCOP???1??COP?c ??hWW
5．逆向卡诺循环的高温热源与低温热源之间的温差越大越好，还是越小越好？与正向卡诺循环的情况是否相同？ 答：逆向卡诺循环与正向卡诺循环情况不同，高温热源与低温热源温差越小越好。
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温差越小，耗功越小，制冷（热）系数越大。
6．为什么要首先限产直至禁用CFCs物质？
答：主要是出于保护环境，减小臭氧层破坏的目的出发。由于CFCs（氯氟烃类）物质中的氯游离成氯离子并与臭氧发生连锁反应，使得臭氧的浓度急剧减小，严重破环同温层中的臭氧。
7．吸附式制冷为什么引起人们的注意？ 答：吸附式制冷是一种利用多孔固体表面吸附现象的制冷系统。该系统不消耗电能、无运动部件、系统简单、没有噪声、无污染、安全可靠、投资回收期短。它可以利用工业余热、地热以及太阳能作为热源。显而易见这些热源的温度都不高，但是即使在冷凝温度较高的条件下，循环仍然可以获得比吸收式制冷循环更高的性能系数。随着能源危机的加剧，吸附式制冷正在引起国内、外科技人员的注意，力求在家用冰箱、空气调节等方面有所突破。
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