化工过程的能量分析

第四章化工过程的能量分析◆第一节能量平衡方程◆第二节热功间的转换◆第三节熵函数◆第四节理想功、损失功和热力学效率◆第五节有效能第一节能量平衡方程一、能量守恒与转换一切物质都具有能量，能量是物质固有的特性。通常，能量可分为两大类：•一类是系统蓄积的能量，如动能、势能和热力学能，它们都是系统状态的函数。•另一类是过程中系统和环境传递的能量，常见有功和热，它们就不是状态函数，而与过程有关。•热量是因为温度差别引起的能量传递，而做功是由势差引起的能量传递。因此，热和功是两种本质不同且与过程传递方式有关的能量形式。热力学第一定律即为能量守恒定律，它阐明了能量“量”的属性。人体的能量平衡热量平衡•能量的形式不同，但是可以相互转化或传递，在转化或传递的过程中，能量的数量是守桓的，这就是热力学第一定律，即能量转化和守恒原理。•体系在过程前后的能量变换ΔE应与体系在该过程中传递的热量Q与功W相等。•体系吸热为正值，放热为负值；•体系得功为正值，对环境做功为负值。WQE二、封闭体系的能量平衡方程•在闭系非流动过程中的热力学第一定律数学表达式为WQU三、稳态流动体系的能量平衡方程•稳态流动是指流体流动途径中所有各点的状况都不随时间而变化，系统中没有物料和能量的积累。稳态流动系统的能量平衡关系式为：WQEE12图4-1稳定流动过程换热器透平机iVjViuQiZsWZjZ基准水平面IIIju如图为一稳定流动过程：单位质量的流体带入、带出能量的形式为动能(u2/2)，势能(gz)和热力学能(U)。流体从截面1通过设备流到截面2，在截面1处流体进入设备所具有的状况用下标1表示，此处距基准面的高度为z1，流动平均速度u1，比容V1，压力P1以及内能U1等。同样在截面2处流体流出所具有的状况用下标2表示。1211121gzuUE2222221gzuUEg为重力加速度。系统与环境交换功W，实际上由两部分组成。一部分是通过泵、压缩机等机械设备的转动轴，使系统与环境交换的轴功Ws；另一部分是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111111VPAVAP这是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有这种功。对于流动过程，系统与环境交换的功是轴功与流动功之和2211VPVPWWs•稳态流动系统的能量平衡关系可写为22111211222222VPVPWQgzuUgzuUssWQzguPVU22将焓的定义H=U+PV代入上式可得稳定流动系统的能量平衡方程稳定流动系统的热力学第一定律表达式为：使用上式时要注意单位必须一致。按照SI单位制，每一项的单位为J·kg-1。动能和位能的单位sWQzguH22kgJkgmNskgmkgsm2222流动功包含在焓中轴功⊿H、⊿u2/2、g⊿z、Q和Ws分别为单位质量流体的焓变、动能变化、位能变化、与环境交换的热量和轴功。可逆条件下的轴功对于液体，在积分时一般可将V当作常数。对于气体怎么办？对于理想气体等温过程RTVP21lnRPWRTP左式只适用于理想气体等温过程21PRPWVdP实际过程的轴功•对于产功过程%100SRSww机•对于需功过程%100SSRww机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喷嘴与扩压管喷嘴与扩压管的结构特点是进出口截面积变化很大。流体通过时，使压力沿着流动方向降低，而使流速加快的部件称为喷嘴。反之，使流体流速减缓，压力升高的部件称为扩压管。喷嘴扩压管喷嘴与扩压管sWQzguH22是否存在轴功?否是否和环境交换热量?通常可以忽略位能是否变化?否202uH2222112uuHH质量流率222111VAuVAum流体通过焓值的改变来换取动能的调整透平机和压缩机透平机是借助流体的减压和降温过程来产出功压缩机可以提高流体的压力，但是要消耗功透平机和压缩机sWQzguH22是否存在轴功?是!是否和环境交换热量?通常可以忽略位能是否变化?不变化或者可以忽略动能是否变化？通常可以忽略sWHsWQzguH22节流阀是否存在轴功?否是否和环境交换热量?通常可以忽略位能是否变化?否动能是否变化?通常可以忽略0H节流阀ThrottlingValve理想气体通过节流阀温度不变混合设备混合两种或多种流体是很常见。混合器sWQzguH22混合设备是否存在轴功?否是否和环境交换热量?通常可以忽略位能是否变化?否动能是否变化?否0H当不止一个输入物流或（和）输出物流时Hi为单位质量第i股输出物流的焓值，xi为第i股输出物流占整个输出物流的质量分数。Hj为单位质量第j股输入物流的焓值，xj为第j股输入物流占整个输入物流的质量分数。jjiiHxHxH入出mmxmmxjjii为一股物流的质量流量。jimmmmmji入出m为总质量流量。混合设备132混合器0jjiiHxHxH入出32211HHxHx121xx换热设备整个换热设备与环境交换的热量可以忽略不计，换热设备内部两股物流存在热量交换。换热设备的能量平衡方程与混合设备的能量平衡方程相同，但物流之间不发生混合。0jjiiHxHxH入出4231HxHxHxHxBABABABBBAAAmmmxmmmxmA和mB分别为流体A和流体B的质量流量管路和流体输送稳态流动模型通常是一个不错的近似通过泵得到轴功位能变化泵水管路和流体输送是否存在轴功?有时存在是否和环境交换热量?通常是位能是否变化?有时变化动能是否变化?通常不变化sWQzguH22Bernoulli方程sWQzguH22PVUHPVU实际流体的流动过程存在摩擦损耗，意味机械能转变为热力学能，有摩擦损耗UF对于无热、无轴功交换、/PU不可压缩流体的稳流过程022uzgPF对于非粘性流体或简化的理想情况，可忽略摩擦损耗，则022uzgP例5-11.5MPa的湿蒸汽在量热计中被节流到0.1MPa和403.15K，求湿蒸汽的干度解:sWQzguH22节流过程无功的传递，忽略散热、动能变化和位能变化12HHT℃HkJ/kg1202716.61602796.2130H26271622796627161201601201302...Hkg/kJ.H527362•1.5MPa饱和液体焓值Hl=844.9•饱和蒸汽焓值Hg=2792.2xHxHHgl115273612.HH970909844227929844527361.....HHHHxlgl例5-2解:sWQzguH2230℃的空气，以5m/s的流速流过一垂直安装的热交换器，被加热到150℃，若换热器进出口管直径相等，忽略空气流过换热器的压降，换热器高度为3m，空气Cp=1.005kJ/kg·K,求50kg空气从换热器吸收的热量kJ.TTCmHmP603030342300515012•将空气当作理想气体，并忽略压降时1122VTVTAuTAuT1122s/m.TTuu98630342351212kJ.J.um5930593259865021222•换热器的动能变化和位能变化可以忽略不计kJ.J.zmg47211472381950kJ..Q6032472159306030第二节热功间的转化克劳修斯说法：热力学第二定律说明过程按照特定方向，而不是按照任意方向进行。自然界中的物理过程能够自发地向平衡方向进行。开尔文说法：热不可能自动从低温物体传给高温物体。不可能从单一热源吸热使之完全变为有用的功而不引起其他变化。一、热力学第二定律的表述形式：水往低处流气体由高压向低压膨胀热由高温物体传向低温物体•我们可以使这些过程按照相反方向进行，但是需要消耗功。•第一定律没有说明过程发生的方向，它告诉我们能量必须守衡。•第二定律告诉我们过程发生的方向。二、热功间的转化及其方向性实质•热功间的转化：功可以自发全部转化为热；而热只能非自发的部分转化为功。•其方向性实质：有序态转化为无序态的不可逆性。热机的热效率火力发电厂的热效率大约为40%高温热源TH低温热源TL1211QQWQQ卡诺热机的效率1211TTQW熵增原理•等号用于可逆过程，不等号用于不可逆过程。•孤立体系TQdS0dS第三节熵函数一、熵与熵增原理二、熵平衡产生出入体系STQSmSmSjjii0产生S熵流是由于有热量流入或流出系统所伴有的熵变化可逆过程TQ由于传递的热量可正，可负，可零，熵流也亦可正，可负，可零。熵产生是体系内部不可逆性引起的熵变化不可逆过程0产生S产生体系STQS稳态流动体系0产生出入STQSmSmjjii绝热节流过程，只有单股流体，mi＝mj＝m,SmSSmSij产生可逆绝热过程出入jjiiSmSm单股流体jiSS封闭体系0TQ定义：系统在一定的环境条件下，沿完全可逆的途径从一个状态变到另一个状态所能产生的最大有用功或必须消耗的最小功。理想功是一个理论的极限值，是用来作为实际功的比较标准。过程完全可逆：（1）体系发生的所有变化都是可逆的。（2）体系与环境间有热交换时也是可逆的。4.3理想功、损失功和热力学效率idW4.3.1理想功（环境通常是指大气温度T0和压力P0=0.1013MPa的状态。）注意：理想功和可逆功并非同一概念。理想功是指可逆有用功，即可利用的功，但并不等于可逆功的全部。图6-4稳流过程理想功示意图无数个小型卡诺热机周围自然环境（温度）0TRSWcW)(21TTQ)(00TQ可逆的稳流过程1111SHPT、、、状态112222SHPT、、、状态22稳定流动系统的热力学第一定律表达式为：sWQzguH22假定过程是完全可逆的，而且系统所处的环境可认为是—个温度为T0的恒温热源。根据热力学第二定律,系统与环境之间的可逆传热量为Qrev=T0ΔSSTzguHWid022忽略动能和势能变化STHWid0•1、理想功是状态参数稳流过程的理想功只与状态变化有关，即与初、终态以及环境温度T0有关，而与变化的途径无关。只要初、终态相同，无论是否可逆过程，其理想功是相同的。•2、理想功与理论功（可逆轴功）不同理想功是完全可逆过程所作的功，它在与环境换热Q过程中使用卡诺热机作可逆功。•3、理想功是最大可逆功通过比较理想功与实际功，可以评价实际过程的不可逆程度。理想功的性质：例5-6计算稳态流动过程N2中从813K、4.052MPa变到373K、1.013MPa时可做的理想功。N2的等压热容Cp=27.89+4.271×10-3TkJ/(kmol·K),T0=293K。解kmol/kJdTT..dTCHp1338610271489273738133Kkmol/kJ...ln.dT.T.dPPRdTTCSp0831205240131314810271489273738133kmol/kJ.STHWid984682312293133860