化工热力学06第六章(3-28)

第6章化工过程的能量分析化工过程需要消耗大量能量，提高能量利用率、合理地使用能量已成为人们共同关心的问题。从最原始的意义上来说，热力学是研究能量的科学，用热力学的观点、方法来指导能量的合理使用已成为现代热力学一大任务。进行化工过程能量分析的理论基础是热力学第一定律热力学第二定律在“物化”课程中我们已经学习过热力学两大定律，利用这两大定律可以计算过程的热和功，以及判断过程的方向和限度。但“物化”上着重介绍两大定律在封闭系统中的应用，而在实际化工生产中大量遇到的是敞开体系，这类体系中进行的是流动过程，因此在化工热力学课程中进一步讨论两大定律对流动过程的应用。6.1能量平衡方程6.1.1能量守恒与转化自然界的物质是千变万化的，但就其数量来说是不变的，能量也是守恒的，热力学第一定律明确表明了自然界中能量的多种形式之间是可以相互转换的，但只能是等量相互转换，这就说明能量既不能被消灭，也不能凭空产生，必须遵循守恒规律。用数学式来表示就是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）6.1.1能量守恒与转化体系的概念1、封闭体系（限定质量体系）与环境仅有能量交换，而无质量交换，体系内部是固定的。2、敞开体系（限定容积体系）与环境既有能量交换也有质量交换。由于敞开体系与环境有物质交换，因此，体系内部的物质是不断更新的，敞开体系实际是以一定空间范围为研究对象的。3、稳流过程敞开体系中发生的过程为流动过程，如果流动过程进行时，限定容积体系内任一点的状态都不随时间而变（但各点状态可以不同），则此过程称为稳定流动过程，简称稳流过程。化工生产中大都为稳定流动体系4、均流过程如果在流动过程中的任何时刻，整个限定容积内物质的状态是均匀的，限定容积内任一点都处于相同的状态（但整个限定容积内的状态随时间而变），则此过程称为均匀流动过程，简称均流过程。如：钢瓶充气或排气的过程6.1.2能量平衡方程“物化”中我们已经讨论了封闭体系的能量平衡方程，形式为：△U=Q+W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。21VVRpdVW体积膨胀功能量通常有以下几种（储存能和传递能）(1)内能U系统内部所有粒子除整体势能和整体动能外，全部能量的总和。分子内动能：分子不是静止，在任一时刻做平动、转动和振动。分子内势能：分子间具有相互作用力，同时分子间存在相互间的距离。分子内部的能量：分子由原子构成，原子由原子核和核外高速运转的电子构成，它们会带来一定能量。(2)动能EK物质具有质量m，并且以速度u运动，物系动能EK=1/2mu2。(3)重力势能Ep物质具有质量m，并且与势能基准面的垂直距离为z，物系就具有势能EK=mgz。(4)热Q由于温差而引起的能量传递叫做热。规定物系得到热时Q为正值，物系向环境放热时Q为负值。(5)功W除热Q之外的能量传递均叫做功。物系得到功作用，记为正值；而物系向环境做功，记为负值。能量通常有以下几种：容量性质的数量衡算：进入体系的量-离开体系的量=体系积累的量可得到体系的物料平衡和能量平衡方程式物料平衡方程：6.1.2能量平衡方程体系dmmm21能量平衡方程：进入体系的能量=微元体本身具有的能量+环境对微元体所作的流动功+环境传入的热量11mE111mVpQ进入体系的能量-离开体系的能量=体系积累的能量能量平衡方程：离开体系的能量=微元体带出的能量+流体对环境所作的流动功+体系对环境所作的轴功体系积累的能量=22mE222mVpSW体系mEd能量平衡方程：注意：⑴E—单位质量流体的总能量，它包含有内能、动能和位能。gZuUEEUEpk22体系mEdWmVpmEQmVpmES2212221111能量平衡方程：⑵pV—流动功，表示单位质量流体对环境或环境对流体所作的功。pApVdlW流=力×距离=pAdl=pV1111111VpAVApW如：可理解为：由于工质的进出，外界与系统之间所传递的一种机械功，表现为流动工质进出系统使所携带和所传递的一种能量。p1V1—输入流动功，环境对体系做功p2V2—输出流动功，体系对环境做功对流动功的说明1、与宏观流动有关，流动停止，流动功不存在。2、作用过程中，工质仅发生位置变化，无状态变化。3、W流＝pV与所处状态有关，是状态量。4、并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起，而由外界做出，流动工质所携带的能量。⑶Ws—单位流体通过设备的运动机构时，由轴传递的流体对环境或环境对流体所作的功。可逆功：可逆轴功为RSVVRWVpVppdVW11222121212211)(ppVVVpVpVdppdVpVd21ppRSVdpW对于液体，在积分时一般可将V当作常数。对于气体怎么办？⑷能量平衡方程的一般形式：gZuUEEUEpk22pVUHsWQmgZupVUmgZupVUmEd２２体系）　　（）（22)(2112sWQmgZuHmgZuHmEd２２体系）（）（22)(2112普遍化的能量平衡方程：不受流体属性的限制，也不受其过程的限制。6.1.3能量平衡方程的应用1）封闭体系：限定质量体系，无质量交换sWQmEd体系)(mmm21021dmmmsWQmdE封闭体系过程通常都不能引起外部的势能或动能变化，只能引起内能的变化。gZuUE22sWQdU单位质量的封闭体系：sWQmgZuHmgZuHmEd２２体系）（）（22)(21122）稳定流动体系sWQmgZuHmgZuHmEd２２体系）（）（22)(2112mmm21mmm21稳定流动体系没有物质及能量的积累0)(体系mEd0222112sWQmgZuHmgZuH２２）（）（sWQZguH22单位质量稳流体系的能量方程：注意：⑴单位要一致，且用国际单位制，若用工程单位制，所得公式与此式不同；⑵式中Q和WS为代数值，即：Q以体系吸热为正，WS以体系得功(环境对体系做功）为正；⑶应用条件是稳定流动体系，不受过程是否可逆或流体性质的影响。kgJkgmNskgmkgsm2222sWQZguH22一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①流体输送、增压或减压设备提高流体压力：泵、压缩机、风机等（消耗功）降低流体压力：膨胀机（透平）（产出功）能量平衡方程的应用与简化sWQZguH22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。单级透平结构图（Turbine）△H=Q+WS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①流体输送、增压或减压设备sWQzguH22绝热压缩或膨胀过程：△H=WS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。0jjiiHxHxH入出4231HxHxHxHxBABABABBBAAAmmmxmmmxmA和mB分别为流体A和流体B的质量流量②换热设备②换热设备热交换器（蒸发器、冷凝器）、反应器、加热炉和传质设备（吸收器、蒸馏塔和增/减湿器）∵△Ek=0；△Ep=0；WS=0Q=△H=H2－H1Q为过程的热负荷（如反应的热效应、流体的相变热等）体系状态变化，如发生化学反应、相变化、温度变化时与环境交换的热量（反应热、相变热、显热）等于体系的焓差。sWQZguH22例解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(kgK)，求50kg空气从换热器吸收的热量。kJ.TTCmHmP603030342300515012dpTVTVdTCdHpp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③对化工机器的绝热过程△Ek=0；△Ep=0；Q=0∴Ws=△H在绝热情况下，当动能和位能的变化相对很小时，体系对环境所做的功等于体系焓的减少，功和热都是过程的函数，但焓是状态函数，在特定条件下就可以利用流体经过运转设备进出口的焓差计算功，不论是什么工质，也不论过程是否可逆，这个式子总是成立。sWQZguH22④阀门的节流将流体通过阀门前后所发生的状态变化。——节流过程throttlingprocess∵△Ek=0；△Ep=0；Ws=0；Q=0∴△H=0H1=H2sWQZguH22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例1.5MPa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/kg1202716.6130H21602796.26271622796627161201601201302...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⑤喷嘴与扩压管进出口的截面积变化很大喷嘴：流体流动时沿着流动方向压力降低，流速加快。扩压管：流体流动时沿着流动方向压力升高，流速减缓。喷嘴扩压管∵△Ep=0；Ws=0；Q=0；Hu22Venturi喉管sWQZguH22⑥机械能平衡方程Bernoulli方程——管路及流体输送∵Ws=0；Q=0；△U=0SSWQZgupVUWQZguH2)(222流体不可压缩ppVpV)(022ZgupBernoulli方程泵水例：现利用功率为2.0kW的泵将95℃、流量为3.5kg·S-1的热水从低位贮水槽抽出，经过热交换器以698kJ·S-1的速率冷却，送入高出15m的高位贮水槽，试求高位贮水槽的水温。sWQZguH22解：体系的输入与输出相等，m1=m2，故以1kg水为计算基准，有输入功1571.05.30.2kgkJWS输出热14.1995.3698kgkJQ位能变化11472.01581.9kgkJZg稳定流动过程的热力学第一定律：11991472.05714.0)4.199(kgkJZgWQHs由饱和蒸汽表知，95℃的饱和热水的焓值为H1=397.9