化工热力学第6章第2部分

第6章化工过程能量分析6.1热力学第一定律及其应用6.2热力学第二定律及其应用6.3理想功、损失功和热力学效率6.4有效能6.5化工过程能量分析¾从最原始的含义来说，热力学是研究能量的科学。¾能源危机¾用热力学原理，认识能量，了解能量，在生产实践中指导人们合理地使用能量，节约能量是现代热力学的一项重要任务。¾能量有效利用6.4有效能6.4有效能6.4.1能量的级别与有效能6.4.2稳流过程有效能计算6.4.3无效能6.4.4有效能平衡方程式与有效能效率6.4.1.1能量的级别能量不仅有数量的大小，而且还有品质的高低。能量品质的高低体现在它的转换能力上，即能量转换为功的能力。按能量转化为有用功的多少，可以把能量分为三类：¾高级能量：理论上能100％转化为功的能量。质和量是统一的，如电能、机械能、动能、位能；¾低级能量：不能100％转化为功的能量。如内能、焓、热能等。¾僵态能量：完全不能转化为功的能量。如海水、地壳、处于环境状态下的能量；6.4.1能量的级别与有效能为了衡量能量的可利用程度或比较体系在不同状态下可用于作功的能量大小，1932年Keenen提出了能量的“可用性”概念，1956年Rant首先提出“有效能”的概念。6.4.1.2有效能‹国外：exergy,essergy,availability,availableenergy,utilizableenergy…‹国内：、有效能、可用能、资用能等我们采用：有效能、，并用符号Ex表示我国国标称为(exergy)1)有效能的定义：由体系所处的状态到达基准态所提供的最大有用功即为体系处于该状态的有效能。用Ex表示‹无效能：理论上不能转化为有用功的能量。‹为表达体系处于某状态的作功能力，先要确定一个基准态。所谓的基准态就是体系变化到与周围自然环境达到完全平衡的状态。这种平衡包括热平衡、力平衡和化学平衡。‹平衡的环境状态即为热力学死态(寂态)，即基准态下体系没有作功能力，有效能为零。对于没有核、磁、电与表面张力效应的过程，稳流体系的有效能可由下列四个主要部分组成：‹有效能Ex＝动能有效能Ex,K＋位能有效能Ex,p＋物理有效能Ex,ph＋化学有效能Ex,ch‹由于动能和位能对有效能的贡献很小，可忽略不计，此时：有效能＝物理有效能＋化学有效能2)有效能的组成6.4有效能6.4.1能量的级别与有效能6.4.2稳流过程有效能计算6.4.3无效能6.4.4有效能平衡方程式与有效能效率6.4.2.1稳流物系有效能Ex的数学表达式STHSSTHHWEidxΔΔ0000)()(+−=−+−−=−=任意状态（T，p，H，S）基态（T0,p0,H0,S0）)()(000SSTHHEx−−−=6.4.2稳流过程有效能计算对稳流体系上式就是稳流体系在任意状态时的有效能计算式。它是有效能计算的基本公式，适用于各种物理的、化学的或者两者兼有的有效能计算。有效能也是体系的状态函数，而且与环境的状态有关。（有效能为复合的状态函数）)()(000SSTHHEx−−−=对稳流体系理想功和有效能的计算式分别为：)()(120120SSTHHSTHWid−−−=Δ−Δ=)()(000SSTHHEx−−−=idxWSSTHHE=−−−=Δ)()(12012理想功有效能有效能变化6.4.2.2有效能与理想功的异同(6-36，37)1）共同点：都用以表示能量品质的高低，并以作出的最大功来计算，都是从热力学第一、第二定律推导而得。2)区别‹理想功是对两个状态(过程)而言，可正可负，而有效能是对某一状态而言，与基准态有关，只为正值。‹对理想功，其始态和终态不受任何限制，而有效能的终态必须是基准态(环境状态)。始态1终态2基态WidEx1Ex2idxxxWSSTHHEEE=−−−=−=Δ)()(1201212∴理想功是终态与始态有效能的差值6.4.2.3物理有效能的计算‹定义：指物系由于T、p与环境的T0、p0不同所具有的做功能力。‹物理死态(约束性死态)：一般取环境状态T0＝25℃（298.15K）p0＝1atm(101.325kPa)‹当体系处于环境状态(T0、p0)时，Ex＝0)()(000,SSTHHEphx−−−=(6-30)‹1)功、电能和机械能的有效能——本身的数值‹2)热量有效能Ex,Q热量相对于基准态所具有的最大作功能力即为热量有效能。按Carnot循环所转化的最大功来计算。几种常见情况的有效能计算对恒温热源，其热量有效能为⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−=mQxTTQE0,1⎟⎠⎞⎜⎝⎛−=TTQEQx0,1(6-31)对变温热源(如由T1变到T2)，其热量有效能为：(6-32)式中Tm为热力学平均温度。1212lnTTTTTm−=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−=mQxTTQE0,1对于仅有显热变化的情况，如温度由T变到T0∫∫−=−−−=000000,)()(TTpTTpQxdTCdTTCTHHSSTE(6-34)∫∫−=TTpTTpQxdTTCTdTCE000,说明：‹热量有效能Ex,Q不仅与热量Q有关，而且与环境温度T0及热源温度T有关。‹Ex,Q表示热流的作功能力，与是否真正作了功无关。‹计算Ex,Q的公式可适用于任何与环境有热交换的体系。3）稳流物系物理有效能Ex,ph的计算)()(000,SSTHHEphx−−−=STHSSTHHEphxΔΔΔ012012,)()(−=−−−=以上两式是计算稳流过程流体有效能和有效能变化的基本公式。若有现成的热力学性质图表如水蒸气表，则物质的焓和熵值可直接查出计算。若没有专用的热力学性质图表可供查阅时，或者对于混合物，焓(变)和熵(变)要按第3章介绍的方法计算。例6-11‹蒸汽的有效能为：‹假设蒸汽用来加热，不作轴功，蒸汽所放出的热即)()(000SSTHHEx−−−=0HHH−=Δ状态压力pMPa温度TKSkJ/kg.KHkJ/kgH-H0kJ/kgExkJ/kgEx/(H-H0)％液体水0.10132980.367104.8饱和蒸汽1.0134536.5822776267181430.66过热蒸汽1.0135737.1303053294893431.68饱和蒸汽6.868557.55.82627752670104339.06饱和蒸汽8.6115735.78727832678109240.78有效能的大小代表了体系的做功能力，有效能越大，其做功能力也越大。因此，在生产中应根据情况合理选用蒸汽。通常高压蒸汽先用来对外作功，乏气(低压蒸汽)再作为工艺加热之用。盲目地把高压蒸汽用作加热就是一种浪费。一般用来供热的大都是0.5~1.0MPa的饱和蒸汽。稳流物系物理有效能Ex,ph的计算‹对于理想气体∫∫+−=TTidpTTidpphxppRTdTTCTdTCE00000,ln00000,lnln)(ppRTTTCTTTCEidpidpphx+−−=‹若理想气体的恒压热容Cpid可以视为常数，则温度有效能压力有效能‹对于真实气体设计过程，通过求剩余焓和剩余熵的方法来计算(H-H0)和(S-S0)，再代入Ex的基本公式中∆Sig∆HigHR,SRRigHHHH+Δ=−0RigSSSS+Δ=−0死态id.gT0,p0H0,S0id.gT,pH*,S*待求状态real.gT,pH,S故真实气体的摩尔物理有效能RRTTidpTTidpphxSTHppRTdTTCTdTCE0000,ln00−++−=∫∫式中剩余焓和剩余熵可用RK方程，也可用普遍化方法计算。4）压力有效能)()(000,SSTHHEpx−−−=dpTVTTVEppppx∫⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎟⎠⎞⎜⎝⎛∂∂−−=0)(0,由第3章知焓变与熵变计算式，则得对理想气体00,lnppRTEpx=6.4.2.4化学有效能的计算处于环境温度T0、压力p0下的物系，由于组成与环境不同而具有的有效能。即体系与环境发生物质交换或化学反应，达到与环境平衡时所具有的有效能。需建立环境模型：计算物质的化学有效能需要确定环境中基准物的浓度和热力学状态。6.4有效能6.4.1能量的级别与有效能6.4.2稳流过程有效能计算6.4.3无效能6.4.4有效能平衡方程式与有效能效率6.4.3无效能„在给定环境下，能量可以转变为有用功的部分称为有效能；余下的不能转变为有用功的部分称为无效能。„能量E=有效能Ex+无效能AN„如恒温热源的热量有效能QTTQExQ0−=NQxQAEQ+=∴„稳流物系有效能[])()()(000000SSTHHSSTHHEx−+−=−−−=)(000SSTHAN−+=∴无效能由热力学第一定律，总能量是守恒的，即0)(=+NxAEdNxdAdE=−∴总能量„有效能是高级能量，是有用的部分；无效能是僵态能量，不能转化为有用功。„在不可逆过程中，有效能减少，无效能增加，并且有－ΔEx=ΔAN„用能过程的热力学第二定律可表述为¾在一切不可逆过程中，有效能转化为无效能；¾只有可逆过程，有效能才守恒；¾由无效能转化为有效能是不可能的。6.4有效能6.4.1能量的级别与有效能6.4.2稳流过程有效能计算6.4.3无效能6.4.4有效能平衡方程式与有效能效率6.4.4有效能平衡方程式与有效能效率6.4.4.1有效能平衡方程敞开体系如图示outjjxE)(,∑敞开体系物流入物流出∑iinixE)(,∑kQxkE,∑jjsW,¾对于可逆过程，体系内部无有效能损失，因此有效能平衡方程为¾对于不可逆过程，有效能损失即为过程的损失功，此时有效能平衡方程为：(6-39)∑∑∑∑=++joutjxjsjikQxinixEWEEk)()(,,,∑∑∑∑∑+=++iLixjoutjxjsjikQxinixEEWEEk,,,,)()(不可逆过程的有效能损失∑∑∑∑∑−++=joutxjjsjikQxinxiiLixEWEEEk)()(,,移项，即得有效能损失的计算式上式为稳流过程，并以有效能平衡为基础的有效能损失的计算式，可化为(6-40)‹有效能损失‹其中Ex,i包括物流有效能、热流有效能和功流有效能‹对于有动能、位能和组成变化的稳流过程，物流有效能应包括动能有效能、位能有效能、物理有效能和化学有效能，即Ex,i=Ex,k+Ex,p+Ex,ph+Ex,ch对恒组成稳流过程，物流有效能中不必计入化学有效能∑∑∑−=outixinixiLixEEE,,,说明：(1)过程的有效能损失∑Ex,Li可分为两部分：¾一部分称为内部有效能损失，是由体系内部的各种不可逆因素造成的有效能损失。¾另一部分损失为外部有效能损失，即体系向环境排出的能量中所包含的有效能损失。说明：（2）由式∑∑∑−=outixinixiLixEEE,,,∑∑=outixinixEE,,∑∑outixinixEE,,对可逆过程，∑Ex,Li＝0对不可逆过程∑Ex,Li0∴∴∑∑outixinixEE,,这个结论可用来判断过程能否发生，尤其对判断复杂体系更为有用。∴或∑Ex,Li0的过程不可能实现outxsQxinxLxEWEEE)()(,,−++=对于只有一股物流的稳流过程，其有效能损失的计算式可变为对于多数化工过程，可忽略动、位能的变化：(6-41)sQxoutxinxLxWEEEE++−=,,)()(sQxxLxWEEE++−=,,Δ(6-42)实际应用时可针对不同的过程对式(6-42)做相应的简化。即有效能损失的计算方法两种方法：¾损失功法∑Ex,Li=WL=T0ΔSt=T0ΔSis¾有效能平衡法∑∑∑−=outixinixiLixEEE,,,有效能平衡方程与能量平衡方程的区别：¾普通的能量衡算以热力学第一定律为基础，而有效能衡算则以热力学第一、第二定律为基础。¾能量衡算是反映体系中能量的数量利用情况；而有效能衡算是反映体系中能量的质的利用情况。¾能量是守恒的，但在一切实际过程中有效能并不守恒。6.4.4.2有效能效率1）有效能效率(普遍有效能效率，或总火用效率)∑∑−=inixLxEEE)(1,,η∑∑=inixoutixEEE)()(,,η表示有效能可回收的程度，也称为不可逆度或损失系数或者(6