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例題集 / 機械 / 熱力学 (V-A-4 熱流体) / 蒸気の性質
蒸気の性質(1) 蒸気の状態
知識・記憶レベル
難易度: ★
下記は蒸気の$p--v$線図を示したものである.
領域$\rm{A}$($\rm{abc}$の左手),領域$\rm{B}(曲線$\rm{cbd}$の内側),領域$C$(\rm{abd}$の右手)に入る語句をそれぞれ答えよ.
また,曲線$\rm{bc}$と曲線$\rm{bd}$の名称を答えよ.
さらに点$\rm{b}$の名称を答えよ.
\[
領域\rm{A} : (\hspace{30px})\\
領域\rm{B} : (\hspace{30px})\\
領域\rm{C} : (\hspace{30px})\\
曲\rm{bc} : (\hspace{30px})\\
曲線\rm{bd} : (\hspace{30px})\\
点\rm{b} : (\hspace{30px})
\]
%=image:/media/2015/02/03/142289550659287600.png:
解答例・解説
領域$\rm{A}$ : 圧縮液
領域$\rm{B}$ : 湿り蒸気
領域$\rm{C}$ : 過熱蒸気
曲線$\rm{bc}$ : 飽和液線
曲線$\rm{bd}$ : 乾き飽和蒸気線
点$\rm{b}$ : 臨界点
蒸気の性質(2) 水蒸気状態量の基準点
知識・記憶レベル
難易度: ★
次の括弧内に入る適当な語句を答えよ.
ただし$(b)$,$(c)$,$(d)$には数字を入れよ.
水(物質)の固体,液体,蒸気がつり合いを保つ温度,およびその圧力によって定まる状態点を$(\ a\ )$という.水の$(\ a\ )$は,温度$(\ b\ )$$\rm{K}$,圧力$(\ c\ )$$\rm{Pa}$で与えられる.
蒸気の状態量である比エンタルピー$h\,[\rm{kJ/kg}]$,および比エントロピー$s\,[\rm{kJ/(kg \cdot K)}]$は$(\ a\ )$における値を$(\ d\ )$としている.
解答例・解説
$(a)$
三重点
$(b)$
$273.16$
$(c)$
$610.7$
$(d)$
$0$
蒸気の性質(3) 大気圧下での水の蒸発過程
理解レベル
難易度: ★★
標準大気状態のとき,次の値を蒸気表を用いて求めよ.
$(1)$
水がすべて蒸気になったときの体積は水の何倍か.
$(2)$
水の飽和温度$T_s$
$(3)$
飽和水と乾き飽和蒸気の比エンタルピー$h'$,$h' '$と比エントロピー$s'$,$s' '$
$(4)$
蒸発熱$r$
解答例・解説
$(1)$
付表2より,圧力$0.101325$の値を読み,
\[
v' = 0.00104344 \,\textrm{m}^3\textrm{/kg}, \ \ v' ' = 1.67330 \,\textrm{m}^3\textrm{/kg} \\
\therefore\frac{v' ' }{v'}= \frac{1.6733}{0.00104344} = 1604\,倍
\]
$(2)$
付表2より,
\[
T_s=99.974^\circ \textrm{C}
\]
$(3)$
付表2より,
\[
h'=418.99\,\textrm{kJ/kg}\\
h' ' =2675.53\,\textrm{kJ/kg}\\
s'=1.30672\,\textrm{kJ/kg}\\
s' '=7.35439\,\textrm{kJ/kg}
\]
$(4)$
\[
r=h' ' - h' より \\
r=2256.54\,\textrm{kJ/kg}
\]
蒸気の性質(4) 乾き度
知識・記憶レベル
難易度: ★
ある圧力$p$のもとで,比容積$v$の湿り蒸気がある.
圧力$p$における飽和液の比容積を$v'$,乾き飽和蒸気の比容積を$v' '$とするとき,この蒸気の乾き度$x$を表現せよ.
解答例・解説
\[
x=\frac{v-v'}{v' '-v'}
\]
蒸気の性質(5) 蒸発潜熱
知識・記憶レベル
難易度: ★
ある圧力$p$における飽和液の比エンタルピーを$h'$,乾き飽和蒸気の比エンタルピーを$h' '$とするとき,この物質$1\,\rm{kg}$あたりの蒸発潜熱$r$を表現せよ.
蒸気の性質(6) 温度基準の飽和蒸気表
理解レベル
難易度: ★★
温度$200^\circ \rm{C}$の水の乾き度$x$が$0.5$のときの,$(\ 1\ )$比エンタルピー$h$と,$ (\ 2\ )$比エントロピー$s$を蒸気表を用いて求めよ.
解答例・解説
$(1)$
\[
\begin{equation}
\left \{
\begin{array}{l}
T_s=200^\circ \rm{C}\\
h' = 852.39 \,\rm{kJ/kg} &
h' ' = 2792.06\,\rm{kJ/kg}\\
s' =2.33080 \,\rm{kJ/(kg \cdot K)} &
s' ' =6.43030 \,\rm{kJ/(kg \cdot K)}
\end{array}
\right.
\end{equation}\]
\[
\begin{align}
h
&=(1-x)h' + xh' ' \\
&=0.5 \times 852.39+0.5 \times 2792.06 \\
\therefore
&=1822.225 \,\rm{kJ/kg}
\end{align}
\]
$(2)$
\[
\begin{align}
s
&=(1-x)s'+ xs' '\\
&=0.5 \times 2.33080 + 0.5 \times 6.43030 \\
&=4.38055 \,\rm{ kJ/(kg \cdot K)}
\end{align}
\]
蒸気の性質(7) 圧力基準の飽和蒸気表
理解レベル
難易度: ★★
圧力$1.0\,\rm{MPa}$,乾き度$x$が$0.8$のときの,$(\ 1\ )$比エンタルピー$h$と,$(\ 2\ )$比エントロピー$s$を蒸気表を用いて求めよ.
解答例・解説
$(1)$
\[\begin{equation}
\left \{
\begin{array}{l}
p_s=1.0 \,\rm{MPa} \\
h' = 762.68 \,\rm{kJ/kg} &
h' ' = 2777.12\,\rm{kJ/kg}\\
s' =2.13843 \,\rm{kJ/(kg \cdot K)} &
s' ' =6.58498 \,\rm{kJ/(kg \cdot K)}
\end{array}
\right.
\end{equation}\]
\[
\begin{align}
h
&=(1-x)h' + xh' ' \\
&=0.2 \times 762.68+0.8 \times 2777.12 \\
\therefore
&=2374.232 \ \rm{kJ/kg}
\end{align}
\]
$(2)$
\[
\begin{align}
s
&=(1-x)s'+ xs' '\\
&=0.2 \times 2.13843 + 0.8 \times 6.58498 \\
&=5.69567 \ \rm{kJ/(kg\cdot K)}
\end{align}
\]
蒸気の性質(8) 圧縮水と過熱蒸気の蒸気表
理解レベル
難易度: ★★
圧力$6\,\rm{MPa}$,温度$400^\circ\rm{C}$の蒸気の,$(\ 1\ )$比容積および,$(\ 2\ )$比内部エネルギーを蒸気表を用いて求めよ.
解答例・解説
付表3より
$(1)$
\[
\therefore比容積 \ v=0.047423 \,\rm{ m^3/kg} \\
\]
$(2)$
\begin{equation}
\left \{
\begin{array}{l}
h= 3178.18 \,\rm{ kJ/kg }\\
s= 6.5431 \,\rm{ kJ/(kg \cdot K)}\\
\end{array}
\right.
\end{equation}
比内部エネルギー$u$は
\[
\begin{align}
u
&=h-p_v\\
&=3178.18 \times 10^3 + -6 \times 10^6 \times 0.047423\\
&=2.8936 \times 10^6 \,\rm{ J/kg}\\
\therefore
&=2.894 \,\rm{MJ/kg}
\end{align}
\]
蒸気の性質(9) 内挿法
理解レベル
難易度: ★★
温度$8^\circ \rm{C}$の場合の比エンタルピー$h'$,$h' '$を蒸気表から求めよ.
解答例・解説
\[\begin{equation}
\left \{
\begin{array}{l}
T_s=5^\circ \rm{C}\\
h' = 21.02 \,\rm{kJ/kg} &
h' ' = 2510.07 \,\rm{kJ/kg}\\
\end{array}
\right.
\end{equation}\]
\[\begin{equation}
\left \{
\begin{array}{l}
T_s=10^\circ \rm{C}\\
h' = 42.02 \,\rm{kJ/kg} &
h' ' = 2519.23 \,\rm{kJ/kg}\\
\end{array}
\right.
\end{equation}\]
内挿法により,$T_s=8^\circ \rm{C}$では,
\[
\begin{align}
h'
&=21.02+\frac{42.02-21.02}{10-5}\times (8-5) \\
&=33.62 \,\rm{kJ/kg}
\end{align}
\]
\[
\begin{align}
h' '
&=2510.07+\frac{2519.23-2510.07}{10-5}\times (8-5) \\
&=2515.57 \,\rm{kJ/kg}
\end{align}
\]
蒸気の性質(10) 状態変化と蒸気表
理解レベル
難易度: ★★
蒸気表を利用して次の問いに答えよ.
$(1)$
圧力$0.8\,\rm{MPa}$,乾き度$0.6$の湿り蒸気がある.
この蒸気の$(\ a\ )$飽和温度,$(\ b\ )$蒸発潜熱,$(\ c\ )$比容積,$(\ d\ )$比エンタルピー,$(\ e\ )$比エントロピー を求めよ.
$(2)$
密閉容器に封入されている$1.2\,\rm{MPa}$,乾き度$0.9$の蒸気を冷却して,圧力が$0.5\,\rm{MPa}$となったとき,蒸気の乾き度を求めよ.
$(3)$
$1\,\rm{MPa}$,$100^\circ\rm{C}$(状態$1$)の水$5\,\rm{kg}$を定圧のもとで$500^\circ\rm{C}$(状態$2$)まで加熱した場合の,$(\ f\ )$状態$1$の比エンタルピー,$(\ g\ )$状態$2$の比エンタルピー,$(\ h\ )$加えた熱量を求めよ.
$(4)$
圧力$2\,\rm{MPa}$で温度$390^\circ\rm{C}$の過熱蒸気の比エンタルピーを求めよ.
解答例・解説
$(1)$
$(a)$
\[
170.41^\circ \rm{C}
\]
$(b)$
\[
2046.5\,\rm{kJ/(kg \cdot K)}
\]
$(c)$
\[
\begin{align}
v
&=v' +x(v' ' - v') \\
&=0.00111498 + 0.6 (0.240257 - 0.00111498) \\
&=0.144600
\end{align}
\]
\[
\therefore
0.1446\,\rm{m^3/kg}
\]
$(d)$
\[
\begin{align}
h
&=720.932 \times 0.6 \times (2046.5) \\
&=1948.8
\end{align}
\]
\[
\therefore
1949\,\rm{kJ/kg}
\]
$(e)$
\[
\begin{align}
s
&=2.04572+0.6 \times (6.65960-2.04572) \\
&=4.814
\end{align}
\]
\[
\therefore
4.814\,\rm{kJ/kg \cdot K}
\]
$(2)$
\[
\begin{align}
v_1
&= v'_1 + x(v_1' ' - v_1') \\
&=0.00113858+0.9 \times (0.1632 - 0.001138580) \\
&=0.146994
\end{align}
\]
\[
\begin{align}
x_2
&=\frac{v_1 - v'}{v' ' - v'} \\
&=\frac{0.146994 - 0.00109284}{0.374676-0.00109284} \\
&=0.3905
\end{align}
\]
$(3)$
$(f)$
\[
419.7 \,\rm{kJ/kg}
\]
$(g)$
\[
3478.3 \,\rm{kJ/kg}
\]
$(h)$
\[
\begin{align}
Q
&=m(h_2 - h_1) \\
&=5 \times (3478.2 - 419.7) \\
&=15292.5 \,\rm{kJ} \\
&=15.29 \,\rm{MJ}
\end{align}
\]
$(4)$
\[
3204.9 + \frac{3248.7 - 3204.9}{2}=3226.8\\
\\
\therefore
3227 \,\rm{kJ/kg}
\]
蒸気の性質(11) 状態変化と蒸気線図(h-s線図)
理解レベル
難易度: ★★
モリエ線図($h--s$線図)を用いて次の問いに答えよ.
$(1)$
圧力$3 \rm{MPa}$で温度$400\rm{^\circ C}$の蒸気を状態$\rm{A}$とする.
状態$\rm{A}$の蒸気の比容積はおおよそどれくらいか答えよ.
$(2)$
状態$\rm{A}$の蒸気を密閉容器内で乾き飽和蒸気にまで冷却して状態$\rm{B}$とする.
状態Bの蒸気の比エンタルピーはおおよそどれくらいか答えよ.
$(3)$
状態$\rm{A}$の蒸気を$300\rm{^circ C}$まで断熱膨張させて状態$\rm{C}$とする.
状態$\rm{C}$の圧力はおおよそどれくらいか答えよ.
$(4)$
状態$\rm{C}$の蒸気をさらに断熱膨張させて乾き飽和蒸気にしたものを状態$\rm{D}$とする.
状態$\rm{D}$の蒸気の比容積はおおよそどれくらか答えよ.
$(5)$
状態$\rm{A}$(あるいは状態$\rm{C,D}$)の蒸気を圧力$0.05 \rm{MPa}$まで断熱膨張させて状態$\rm{E}$とする.
状態$\rm{E}$の蒸気の乾き度はおおよそどれくらいか答えよ.
解答例・解説
$(1)$
$0.1 \,\rm{m^3/kg}$
$(2)$
$2800 \,\rm{ kJ/kg}$
$(3)$
$1.5 \,\rm{ MPa}$
$(4)$
$0.5 \,\rm{m^3/kg}$
$(5)$
$0.9$
蒸気の性質(12) ランキンサイクル(構成)
知識・記憶レベル
難易度: ★
ランキンサイクルの機器構成を描き,構成される機器の名称を記せ.
解答例・解説
%=image:/media/2015/02/03/142289847198710800.png:
蒸気の性質(13) ランキンサイクル(T-s線図,理論熱効率)
適用レベル
難易度: ★★★
あるランキンサイクルのタービン入口の圧力は$10\,\rm{MPa}$,温度は$600^\circ\rm{C}$で,タービン出口の圧力は$0.1\,\rm{MPa}$である.
次の問いに答えよ.
ただし,ランキンサイクルの$T--s$線図の概略を記して導出の過程が分かるように導出せよ.
$(1)$
理論熱効率を求めよ.
$(2)$
給水ポンプの仕事を無視した場合の理論熱効率を求めよ.
%=image:/media/2015/02/03/142289570654618100.png:
解答例・解説
$\underline{State \ 1}$
\[\begin{equation}
飽和水\left \{
\begin{array}{l}
\ p_s= 0.1\,\rm{MPa},\\
h_1=h' =417.44\,\rm{kJ/kg}&
h' '=2674.95\,\rm{kJ/kg},\\
また,\\s_1=s'=1.30256 \,\rm{kJ/(kg\cdot K)}&
s' '=7.35881 \,\rm{kJ/(kg\cdot K)}, \\
v_1=v' = 0.00104315 \,\rm{m^3/kg}
\end{array}
\right.
\end{equation}\]
$\underline{State \ 2}$
給水ポンプの仕事$l_p$は
\[
\begin{align}
l_p=v_1(p_2-p_1)
&=0.00104315 \times(10\times 10^6-0.1\times 10^6\\
&=10327.185 \,\rm{J/kg}\\
\end{align}
\]
\[
\begin{align}
\therefore h_2=h_1+l_p
&=417.44+10.327\\
&=427.767\,\rm{kJ/kg}
\end{align}
\]
$\underline{State \ 5}$
\[\begin{equation}
\left \{
\begin{array}{l}
p_5=10\,\rm{MPa}, \\
T_5=600^\circ C, \\
h_5=3625.84\,\rm{kJ/kg}, \\
s_5= 6.9045\,\rm{kJ/(kg\cdot K)}
\end{array}
\right.
\end{equation}\]
\[
s_6=s_5=6.9045\,\rm{kJ/kg}
\]
$\underline{State \ 6}$
乾き度$x$は
\[
\begin{align}
x
&=\frac{6.9045-1.30256}{7.35881-1.30256}
=0.92498
\end{align}
\]
\[
\begin{align}
\therefore
h_6
&=(1-x)h' +xh' '\\
&=(1-0.92498)\times 417.44+0.92498\times 2674.95\\
&=2505.59\,\rm{kJ/kg}
\end{align}
\]
$(1)$
理論熱効率
\[
\eta_{th}=\frac{h_5-h_6-(h_2-h_1)}{h_5-h_2}=0.347\\
\therefore
34.7 \%
\]
$(2)$
ポンプ仕事を無視した理論熱効率
\[
\eta_{th}=\frac{h_5-h_6}{h_5-h_1}=0.3491\\
\therefore
34.9 \%
\]
蒸気の性質(14) 蒸気圧縮式冷凍サイクル(構成)
知識・記憶レベル
難易度: ★
蒸気圧縮式冷凍サイクルの機器構成を描き,構成される機器の名称,ならびにシステムの吸熱$q_2$と放熱$q_1$を記せ.
解答例・解説
%=image:/media/2015/02/03/142289863990369200.png:
蒸気の性質(15) 蒸気圧縮式冷凍サイクル(p-h線図)
知識・記憶レベル
難易度: ★
蒸気圧縮式冷凍サイクルの$p--h$線図の概略を描け.
ただし,圧縮機入口の状態を$1$,圧縮機出口の状態を$2$,膨張弁入口の状態を$3$,膨張弁出口の状態を$4$としてサイクル線図上に記せ.
解答例・解説
%=image:/media/2015/02/03/142289893357120400.png:
蒸気の性質(16) 蒸気圧縮式冷凍サイクル(成績係数)
適用レベル
難易度: ★★★
$R134a$を冷媒とした蒸気圧縮サイクルを用いて外気が$2^\circ \rm{C}$であるとき,室内を$22^\circ\rm{C}$に保っている.
次の問いに答えよ.
ただし,導出には$R134a$のモリエ線図を利用せよ.
$(1)$
このときのヒートポンプの成績係数$COP_H$を求めよ.
$(2)$
また,外気温度$22^\circ \rm{C}$に対して室内を$2^\circ \rm{C}$に保持するための冷凍機として用いる場合の成績係数$COP_R$を求めよ.
解答例・解説
\[\begin{equation}
\left \{
\begin{array}{l}
h_1=400\,\rm{kJ/kg} \\ h_2=413\,\rm{kJ/kg}\\
h_3=230\,\rm{kJ/kg} \\ h_4=230\,\rm{kJ/kg}
\end{array}
\right.
\end{equation}\]
$(1)$
\[
\begin{align}
COP_H
&=\frac{h_2-h_3}{h_2-h_1}\\
&=\frac{413-230}{413-400}\\
&=\frac{183}{13}\\
&=14.1
\end{align}
\]
$(2)$
\[
\begin{align}
COP_R
&=\frac{h_1-h_4}{h_2-h_1}\\
&=\frac{400-230}{413-400}\\
&=\frac{170}{13}\\
&=13.1
\end{align}
\]
$(2)$の別解
同一サイクルにおいて冷凍機の成績係数はヒートポンプの成績係数より1小さいので,
\[
\begin{align}
COP_R
&=COP_H-1 \\
&=14.1-1 \\
&=13.1
\end{align}
\]