第6章-热力学第一定律及其工程应用-南阳理工学院-71

化工热力学第六章化工过程能量分析南阳理工学院生化学院第6章热力学第一定律及其工程应用内容概要能量守恒定律能量既不能被创造，也不能被消灭，只能在一定条件下从一种形式的能量转变为另一种形式。转换中，能量的总量保持不变。不消耗任何能量而不断作功的第一类永动机是造不成的。热机的热效率不可能大于1化工热力学第六章化工过程能量分析南阳理工学院生化学院热力学第一定律的实质就是能量在数量上是守恒的基本形式为：Δ（体系的能量）＋Δ（环境的能量）＝0或Δ（体系的能量）＝－Δ（环境的能量）体系的能量的增加等于环境的能量的减少。热力学第一定律的实质化工热力学第六章化工过程能量分析南阳理工学院生化学院能量具有各种不同的形式机械能热能电能化学能核能等各种不同形式的能量相互转化热能机械能重点内容敞开系统热力学第一定律稳定流动与可逆过程可逆轴功与实际轴功的计算气体压缩及膨胀过程热力学分析节流与等熵膨胀过程中的温度效应化工热力学第六章化工过程能量分析南阳理工学院生化学院§6—1、封闭系统的能量平衡体系能量的变化=体系与环境能量交换的净能量。即：存出入能能能封闭体系非流动过程的热力学第一定律：UQWfWWeW内能：物质内部所有微观粒子所具有的能量的总和。（仅与微观粒子的数目和温度有关）fWWeW化工热力学第六章化工过程能量分析南阳理工学院生化学院§6—2、敞开系统的能量平衡开系的特点：①体系与环境有物质的交换。②除有热功交换外，还包括物流输入和输出(携带能量)。开系的划分：可以是化工生产中的一台或几台设备。可以是一个过程或几个过程。可以是一个化工厂。把划定的开放体系那部分称为控制体，用σ表示。化工热力学第六章化工过程能量分析南阳理工学院生化学院开放体系热力学第一定律：控制体如图所示：图6—1开系的平衡（a）质量平衡（b）能量平衡imjmdtdM控制体σdtdE控制体σjjemiiemdtQdtW化工热力学第六章化工过程能量分析南阳理工学院生化学院单位质量流体携带的能量e为：212eUgzuz——位高g——重力加速度u——流体的平均流速控制体中能量变化：jjjiiiememdtWdtQdtdE两端对时间积分得：dtmedtmeWQEjjttjiitti2121和分别为内开系与外界交换的热和功QWt化工热力学第六章化工过程能量分析南阳理工学院生化学院16p1A1系统与环境交换功W，实际上由两部分组成：轴功：通过泵、压缩机等机械设备的转动轴，使系统与环境交换的轴功Ws；流动功：单位质量物质被推入系统时，接受环境所给与的功，以及离开系统时推动前面物质对环境所作的功。假设系统入口处截面面积为Al，流体的比容为V1，压力为p1，则推动力为p1A1，使单位质量流体进入系统，需要移动的距离为V1/A1,推动单位质量流体进入系统所需要的功为：即单位质量流体进入系统时，接受后面流体（环境）所给予的功；同样单位质量流体离开系统时，必须推动前面的流体（环境），即对环境作-p2V2的功。这种流体内部相互推动所交换的功，称为流动功，只有在连续流动过程中才存在。111111VpApVA化工热力学第六章化工过程能量分析南阳理工学院生化学院2211ttfiiijjjttijWPvmdtPvmdt1122WWspVpV1122fWpVpVittjjjjittiiiisdtmvPedtmvPeWQE2121)()(2211ttiijjttijEQWemdtemdt结合化工热力学第六章化工过程能量分析南阳理工学院生化学院再结合212eUgzu将代入，得：221122epvUpvgzuHgzu2121()2tsiiiitiEQWHgzumdt2121()2tjjjjtjHgzumdt将0t时，将上式写成微分式：212siiiiiWdEQmHgzudtdtdt212jjjjjmHgzu此式是开系通用的能量平衡方程(开系热力学第一定律）化工热力学第六章化工过程能量分析南阳理工学院生化学院稳流体系没有能量和质量的积累，即：0;0Em稳定流动非稳定流动稳定流动：流体的流速及其他物理量仅随位置而变而不随时间而变。§6-3稳流过程的能量平衡化工热力学第六章化工过程能量分析南阳理工学院生化学院一些常见的属于稳流体系的装置喷嘴扩压管节流阀透平机压缩机混合装置换热装置化工热力学第六章化工过程能量分析南阳理工学院生化学院0dtdEsiijjiiijjjijQWHmHmmgzmgz222121jjiiumumspKQWHEE如图为一稳定流动过程：pEKE：势能：动能稳定流动过程无能量变化一、开系稳流过程的能量平衡式化工热力学第六章化工过程能量分析南阳理工学院生化学院换热器透平机1111,,,PTVU2222,,,PTVU11umQ1hsWh2h零势能基准面122u图6-1稳定流动示意图21                        63UUU22221111   64222kEuuu21          65pEghghgh1111111              67fVWpApVA222                            68fWpV222111        69HUpVUpV化工热力学第六章化工过程能量分析南阳理工学院生化学院当只有一股物料流入和流出：则mmmji写出通式：()jiHmHHmh()pjiEmgzzmgz22221)(21umuumEijk212smhmgzmuQW则:如果将单位质量看成一个体系，因为质量不变，可看成是一个流动的封闭体系。化工热力学第六章化工过程能量分析南阳理工学院生化学院同除m变为单位质量：212shgzuqw上两式为开系稳流过程的能量平衡式或称为开系稳流过程热力学第一定律数学表达式。例6—1用功率为2.0kW的泵将95℃的热水从贮水罐送到换热器。热水的流量为3.5kg•s-1。在换热器中以698kJ•s-1的速率将热水冷却后送入比第一贮水罐高15m的第二贮水罐中，求第二贮水罐的水温。化工热力学第六章化工过程能量分析南阳理工学院生化学院t=？贮水罐换热器95℃贮水罐进水泵SWQ15m例6—1稳流过程示意图化工热力学第六章化工过程能量分析南阳理工学院生化学院以1kg水为计算基准输入的功5.310000.2sw14.571kgJ15714.0kgkJ放出的热5.3698q14.199kgkJ位能的变化1581.9zg12.147kgJ11472.0kgkJ[解]1瓦=1焦/秒化工热力学第六章化工过程能量分析南阳理工学院生化学院可以忽略此过程动能的变化，即0212u根据稳流过程能量平衡式（6—8），221uzgwqhs1472.05714.04.19910.199kgkJ由附表3（水蒸汽表）查得95℃饱和水的焓1196.397kgkJh故有hhh120.19996.39796.19810.199kgkJ根据2h再查附表3，得51.472t℃化工热力学第六章化工过程能量分析南阳理工学院生化学院二、稳流过程能量平衡方程式的简化形式及其应用1、机械能平衡方程式（柏努力方程）：流体：不可压缩，无粘性无热、无轴功的交换0,0,0sqwu由此例可见，对液体稳流过程，热流量较大而位能变化不大时，swzg和与相比，显得很小，可以忽略。q自看例6.1作业：6.4内能化工热力学第六章化工过程能量分析南阳理工学院生化学院hupvpv不可压缩流体v不变，ppvpv212shgzuqw方程变成：0212pzgu这就是著名的柏努力方程。适用条件：不可压缩，无粘性流体的稳态流动。（6-10）化工热力学第六章化工过程能量分析南阳理工学院生化学院2、与外界有大量热、轴功交换的稳流过程SWQHswqh或⑴、有大量热、无轴功交换，0SWqhQH,⑵无热交换（绝热）0Q方程为：SWHswh或忽略过程中系统的动能和位能变化化工热力学第六章化工过程能量分析南阳理工学院生化学院例：某工厂一工段需要流量为10m3·h-1，温度为80℃的热水。现有0.3MPa的饱和水蒸汽和30℃的循环回水可供调用。请你设计一个热水槽，进入该槽的蒸汽和冷水的流量？相应的蒸汽管和冷水管尺寸如何？解：这是一个稳定流动系统，动能及势能不是很突出，可以忽略不计。若忽略混合时的热量损失，而混合过程无机械轴功产生，即Q=0，Ws=0。稳流系统热力学第一定律，ΔH=Q-Ws=0，即进出焓相等冷水的热力学性质：30℃，近似为饱和液体，H冷水=125.79kJ·kg-1，比容1.0043l×10-3m3·kg-1化工热力学第六章化工过程能量分析南阳理工学院生化学院1133132971810029110hkg.kgm.hmm热水热水热水蒸汽汽冷水水HmHmHm91.3342.97183.2725)2.9718(79.125水水mm14.8936hkgm水18.781hkgm蒸汽3311.02910mkg饱和蒸汽的热力学性质：0.3MPa，饱和温度为133.55℃，H蒸汽=2725.3kJ·kg-1，比容6.06×10-3m3·kg-1热水的热力学性质：80℃，近似为饱和液体，H热水=334.91kJ·kg-比容为设冷水的流量为m水，蒸汽的质量流量为m汽。热水流量为则解得mmm水汽热水化工热力学第六章化工过程能量分析南阳理工学院生化学院查阅“化工工艺设计手册”，可知：一般工业用水在管中的流速要求在1.0m/s左右，低压蒸汽流速为20m/s左右。VmUA2/14UVmD则式中A为管道截面积，D为管径，U为流速，V为比容。即mD056.036000.114.3100043.14.893642/13mD092.036002014.3106068.78142/13冷水管径按照管道规格尺寸，选取DN50的冷水管道。选取DN100的蒸汽管道。蒸汽管径化工热力学第六章化工过程能量分析南阳理工学院生化学院2221Kg126700189.27.35.44.23600427.12.35.411.0051089THuQWskJkgkJkgHmCpTT解：以理想气体物料为计算标准。取透平机为体系，若不考虑透平机进、出口的势能变化，则能量方程式为式中Q=-Ws=-对于理想气体，过程的焓变式中为透平机出口气体温度习题6.6化工热力学第六章化工过程能量分析南阳理工学院生化学院33111122421318.3141010890.456.0.7091283.14160.01602.011104435.4.9.8310.RTVmkgpMDmmkghkgs透平机进气的体积透平机进、出口管路界面积A=透平机进气的质量流量透平机进、排气的流速31114112112221212211219.83100.45622.29.2.0111022.290.70910.14330.10131089mVumsAuVupTTRTRTuuTpMpMVpT