C6化工过程的能量分析

第六章化工过程的能量分析6.1能量恒算方程6.2热功转化和熵函数6.3理想功、损失功和热力学效率6.4有效能和无效能6.5有效能恒算和有效能分析本章运用热力学的第一与第二定律，应用理想功、损失功、有效能和无效能等概念对化工过程中能量的转换、传递与使用进行热力学分析，评价过程或装置能量利用的有效程度，确定其能量利用的总效率，揭示出能量损失的薄弱环节与原因，为分析、改进工艺与设备，提高能量利用率指明方向。6.1能量平衡方程6.1.1能量守恒与转化能量守恒与转化定律是自然界的客观规律。自然界的一切物质都具有能量，能量有各种不同的形式，可以从一种形式转化为另一种形式，但总能量是守恒的。（能量数量守恒）Helmholtz(1821-1894)1847年，德国物理学家和生物学家Helmholtz发表了“论力的守衡”一文，全面论证了能量守衡和转化定律。在各种热力学过程中，体系和环境之间往往发生能量的传递。能量传递的形式有两种，即热和功。通过体系的边界，体系与体系（或体系与环境）之间由于温差而传递的能量叫做热。由于存在温差以外的其它势差而引起体系与环境之间传递的能量叫做功。需要指出：热和功不是状态函数，热和功是能量的传递形式。它们的值与过程进行的途径和方式有关。不同的途径传递的热和功是不同的。热和功只有当体系由于过程的进行而发生变化时才出现。它们只有在过程发生时才有意义，也只有联系某一具体的变化过程时，才能够计算出热和功来。热和功都是被传递的能量，当能量以热的形式传入体系后，不是以热的形式储存，而是增加了该体系的内能。化工过程涉及到的能量：物质的能量和能量的传递。物质的能量（以1kg为基准）1.热力学能：U分子尺度层面上的物质内部的能量2.动能：EK=1/2u23.势能（位能）：Ep=gZ能量的传递：1.热:Q2.功:W从能量守恒可导出普遍条件下适用的能量平衡方程。6.1.2能量平衡方程Z1p1,T1,V1,U1,u1,H1p2,T2,V2,U2,u2,H2Z2δm1δm2dE/dt,dm/dt,12ddddmmmttt12ddddddEmEmmEQWttttt12SWWpVmpVmδWs,δQSf＋pVAVpAlFWf1212ddddddddsEmEmpVmpVmmEWQttttttt212KpEUEEUugZ1212ddddddddsEmEmpVmpVmmEWQttttttt2212121122ddddddsmEWmmQHugZHugZttttt单位质量的总能量表达：HUpV221122ddddddjisijmmEmWQHugZHugZttttt6.1.3能量平衡方程的应用对一个过程进行能量恒算或能量分析时，应该根据过程的特征，正确而灵活地将能量平衡方程式应用于不同的具体过程。（1）封闭体系封闭体系是指体系与环境之间的界面不允许传递物质，而只有能量交换，即δm1=δm2=0，于是能量方程式（6-9）变成sWQmEd体系)(（6-10）封闭系统进行的过程通常都不能引起外部的势能或动能变化，而只能引起内能变化，即又因封闭体系流动功为零，由式（6-5）得δW=δWS于是有对单位质量的体系0)(22gZdudsWQmdUWQmdUWQdU（6-12）又m为常数，式（6-10）中d(mE)体系＝mdE=mdU，所以（6-11）（2）稳态流动体系敞开体系：体系和环境有物质和能量的交换流动过程有如下特点（1）设备内各点的状态不随时间变化（2）垂直于流向的各个截面处的质量流率相等。120d,mEmmm2212121122ddddddsmEWmmQHugZHugZttttt021212212sWQmgZuHmgZuHp1,T1,V1,U1，H1p2,T2,V2,U2，H2QWSZ1Z2u2u1单位：J/kg021212212sWQmgZuHmgZuHsWQZguH221一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生产中，绝大多数过程都属于稳流过程，在应用能量方程式时尚可根据具体情况作进一步的简化。现讨论几种常见情况。①流体流经压缩机、膨胀机，进、出口之间的动能变化、位能变化与焓变相比较，其值很小，可忽略不计。（动能为1kJ/kg时，所需速度为45m/s。位能为1kJ/kg时，所需高度为102米。在许多工业装置中，进出口物料一般没有这样大的变化。），则式（6-13）可简化为（6-16）sWQH透平机和压缩机透平机是借助高压流体的膨胀减压过程来产出功压缩机是靠消耗功来提高流体的压力蒸汽透平动能是否变化?透平机和压缩机sWQZguH221是否存在轴功?位能是否变化?通常可以忽略是！不变化或者可以忽略是否和环境交换热量?通常可以忽略sHW动能是否变化?（6-17）②当流体流经管道、阀门、换热器与混合器等设备时QHsWQZguH221是否存在轴功?位能是否变化?通常可以忽略否通常可以忽略式(6-17）表明体系的焓变等于体系与环境交换的热量。此式是不对环境作功的稳流体系进行热量恒算的基本关系式。动能是否变化?（6-18）③流体经过节流膨胀、绝热反应、绝热混合等绝热过程时sWQZguH221是否存在轴功?位能是否变化?通常可以忽略否否是否和环境交换热量?通常可以忽略0H12HH等焓过程即0H（6-18）1324ABABnHnHnHnH换热设备0iijjHnHnH出入即：若取整个换热器作为体系，忽略与环境交换的热量（热损失为零）：假设流动过程为可逆，dU=δQ-pdV，代入上式，得H=U+pV，dH=dU+pdV+Vdp将此式代入（6-15）SdUpdVVdpudugdZQWSWgdZuduVdp④机械能平衡方程在应用于无粘性和不可压缩流体，且流体与环境没有轴功交换时，就得到了著名的Bernoulli方程0gdZuduVdp（6-20）（6-22）⑤可压缩性流体急速变速的稳态流动。气体在绝热不做外功的流动过程中，如蒸汽喷射泵及高压蒸汽在汽轮机喷嘴中的喷射sWQZguH221是否存在轴功?位能是否变化?否否是否和环境交换热量?通常可以忽略Hu221式（6-13）可简化得到绝热稳定流动方程式此式表明，气体在绝热不做轴功的稳定流动过程中，动能的增加等于其焓值的减小。（6-22）Hu221例题6-16-26.2热功转化功可以全部转变为热，而热要全部转变为功必须消耗外部的能量，这已为大量实践所证明。热、功的不等价性（功是高质量的能量，而热是低质量的能量）是热力学第二定律的一个基本内容。自然界提供的能源中，约90％一般要经过热转化成各种功（如煤、石油、天然气、核能、太阳能等），因此，热成了能量转化中必经的“中间体”，研究热转化为功的效率具有特殊重要的意义。热量可以经过热机循环而转化为功，图6-3为一热机示意图。它由高温热源、热机和低温热源三部分组成。图6-3热机的工质从温度为T1的高温热源吸取热量Q1，热机向外作功W，然后向温度为T2的低温热源放出热量Q2，从而完成循环。高温热源T1低温热源T2由此可以看出,从高温热源吸收的热量中，没有完全转化为功，必有一部分能量要排放到低温热源中去。循环过程产生的功W和从高温热源吸收的热量Q1之比称为热机的效率η0U12QQWWQQ21（6-23）1211QQQQW（6-24）0QW在研究和改进热机的过程中，需要知道什么样的循环热效率最高？影响热效率的因素有哪些？如何得到最高的循环效率呢？Carnot定理回答了这些问题。Carnot定理所有工作于相同等温热源和等温冷源之间的热机，以可逆机效率为最大；所有工作于相同等温热源和等温冷源之间的可逆机其效率相等，与工作介质无关。（6-25）121max1TTQW（2）热功间的转化存在着一定的方向性，即功可以自发地全部转化为热，且功与功之间理论上也可等当量完全转化。但热不能通过循环全部转化为功，有一定的条件（利用热机，在两个不同温度间循环）和限度（卡诺循环热效率）。由此可见，热和功是不等价的。从式（6-25）可知：（1）对于可逆热机，只有当低温热源T2接近绝对零度或高温热源T1接近于无穷大时，才能通过循环将热全部转化为功。这是不现实的。6.3熵函数6.3.1熵与熵增原理从Carnot循环的热效率表达式（6-25）可以导出热力学函数熵的表达式。将式（6-25）整理后得若可逆热机在高温热源只吸收无限小的热量，而在低温热源只放出无限小的热量，构成一无限小的可逆循环，此时可得02211TQTQ02211TQTQ（6-27）（6-26）221111QTQT任何一个可逆过程循环，可以看成由无限多个微小的Carnot循环组合而成。因此，只要将式（6-27）沿着某一可逆循环过程作循环积分，就得到此循环的表示式（6-28）对于任何不可逆循环0TQ可逆可逆'121121TTTQQQ不可逆1212TTQQ02211TQTQ因此将式(6-28)和式(6-29)合并,得（6-30）0TQ式中符号表示循环过程；称为微分过程的热温商。式(6-30)即为Clausius不等式。TQ0TQ不可逆（6-29）Clausius(1822-1888)因此不可逆循环（6-31）由式（6-28）可导得可逆过程的热温商等于熵变TQdS式（6-31）就是热力学第二定律的数学表达式，它给出任何过程的熵变与过程的热温商之间的关系。当过程不可逆时，过程的熵变总是大于过程的热温商。QdST不可逆由式(6-29)可导得不可逆过程的热温商小于熵变，即QdST可逆两式合并：式（6-32）是熵增原理的表达式。当体系和环境经历任何变化后，熵的总量只会增加，永不减少。即孤立体系经历一个过程时，总是自发地向熵增大的方向进行，直至熵达到它的最大值，体系达到平衡态。对于孤立体系（将体系与环境加在一起），δQ＝0，则式（6-31）变为（6-32）0dS0总S或因为是绝热过程，体系与环境之间没有热量的交换：对不可逆绝热过程，根据熵增原理：0S体系0SSS总体系环境＝＋0S环境＝例题6-36-46.3.2熵平衡以热力学第一定律为指导,以能量方程式为依据的能量恒算法在分析与解决工程上的问题是十分重要的,它从能量转换的数量关系评价过程和装置在能量利用上的完善性；然而它对于揭示过程不可逆引起的能量损耗，则毫无办法。根据热力学第二定律，能量的传递和转换必须加上一些限制。熵就是用以计算这些限制的。熵平衡就是用来检验过程中熵的变化，它可以精确地衡量过程的能量利用是否合理。体系经历一个过程后，其能量、质量和体积可以发生变化。同样地，也可以导致熵的变化。类同能量平衡的处理方法，需要建立熵平衡关系式，所不同的是必须把过程不可逆性而引起的熵产生作为输入项考虑进去。熵产生是由于过程的不可逆性而引起的那部分熵变。rirdQQSTTirgQSSTirddgQSST熵产生irrdgTSWW封闭系统熵产生减少了系统对外做功的能力。熵产生越大，造成能量品位降低越多。如：原来可以变为功的那部分能量变成了我们不能利用的热，从而产生了熵熵产生（1）敞开体系熵平衡方程产生离开进入积累熵熵熵熵式中熵积累是指体系的熵变，