第6章-流动系统的热力学原理及应用

第6章流动系统的热力学原理及应用主讲教师:崔洪友山东理工大学化工学院主要内容•热力学第一定律及在化工中的应用•热功间的转换(热力学第二定律）•化工过程有效能分析•蒸汽动力循环•制冷循环6.1热力学第一定律6.1.1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，常见有功和热量，它们不是状态函数，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。•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，能量的数量是守恒的。•对于任意体系有–体系能量的积累=输入能量-输出能量热力学第一定律---能量转化和守恒原理此处约定：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。WQdEdEdE物流带出物流带入体系物料流入和流出的能量包括:1.动能,记为Ek2.势能(在重力场中则为位能),记为EP3.物料的内能,U因此WQUEEEkp体系此外规定所有流入体系能量为正,流出能量为负6.1.2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对于孤立体系，由于不存在功和热的交换，故0U6.1.3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。Systemz1z2U1、u1、P1U2、u1、P1WQ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，接受环境所给予的功，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稳定流动体系,以单位质量流体计,有SWQgdzududH对于可逆变化,则TdSQgdzuduVdpTdSdHWRS若忽略动能和位能变化,则VdpTdSdHWRS积分封闭体系的热力学基本关系对稳态流动体系也是适用的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。对于理想气体等温过程左式只适用于理想气体等温过程对于气体怎么办？PMznRTV12lnPPMnRTWRS21ppRSVdpW可逆条件下的轴功V1(p1,V1)2(p2,V2)ABCDpBApdVVV1221面积DCVdppp1221面积体积功可逆轴功可逆体积功与可轴功的比较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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流体通过焓值的改变对外作功,或消耗功而升高焓值节流阀ThrottlingValve理想气体通过节流阀温度不变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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?通常不变或可忽略动能是否变化?通常可忽略0H混合设备132混合器32211HHxHx121xxHi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。当不止一个输入物流或（和）输出物流时jjiiHxHxH入出mmxmmxjjii分别为第i流入股和第j股流出物流的质量流量。jimm和mmmji入出m为总质量流量。换热设备若整个换热设备的热损失可以忽略不计，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，只是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?通常可以忽略sWQzguH22泵水Bernoulli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6-11.5MPa的湿蒸汽在量热计中被节流到0.1MPa和403.15K，求原湿蒸汽的干度•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在0.1MPa时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解sWQzguH22例6-230℃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将空气当作理想气体，并忽略压降时•由此例可以看出,对于换热过程,换热器的动能变化和位能变化可以忽略不计kJ.J.zmg47211472381950kJ..Q60324721593060301122VTVTAuTAuT1122s/m.TTuu98630342351212kJ.J.um5930593259865021222WQUEEEkp体系0UzguWQHs22对孤立体系对封闭体系WQU对稳流体系本节小结对开放体系6.2热功间的转化（热力学第二定律）6.2.1热力学第二定律克劳修斯说法：热不可能自动从低温物体传给高温物体。开尔文说法：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。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。克劳修斯的说法说明了热传导过程的不可逆性，开尔文说法则描述了功转化为热过程的不可逆性。其实质是“自发过程都是不可逆的”。自然界中的物理过程能够自发地向平衡方向进行。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•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和限度。•我们可以使这些过程按照相反方向进行，但是需要付出代价,即消耗功。热力学第一定律与第二定律的意义熵增原理•等号用于可逆过程，不等号用于不可逆过程。•孤立体系TQdS0孤立dS6.2.2熵函数熵与熵增原理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SystemZ1Z2S1S2WQ产生体系STQS稳态流动体系0产生出入STQSmSmjjii绝热节流过程SmSSmSij产生可逆绝热过程出入jjiiSmSm单股流体jiSS封闭体系0TQ，只有单股流体，mi＝mj＝m,TQS对孤立体系对封闭体系对稳流体系0S净流入STQS0不可逆性产生净流入SSTQS对开放体系本节小结6.3化工过程的有效能分析上节内容回顾•热力学第一定律0U•热力学第二定律TQSzguWQHs22对孤立体系对封闭体系WQU对稳流体系对孤立体系对封闭体系对稳流体系0S净流入STQS0不可逆性产生净流入SSTQS对开放体系第六章流动系统的热力学基本原理及应用§6.3有效能及过程热力学分析主要内容：1.引言2.有效能、无效能3.理想功、损失功及其计算4.有效能的计算5.有效能与理想功的区别与联系引言能量不仅有数量、而且有质量（品位）。例如，1kJ功和1kJ热，从热力学第一定律来看，它们在数量上是相等，但从热力学第二定律来看，它们的质量并不相等，功可以全部转化为热，而热不能全部转化为功。学习目的：掌握一些基本的概念，为以后分析化工过程中的能量转化、传递、使用和损失情况，改进工艺过程，提高能量利用率指出方向和方法奠定基础。思考：（1）在冬天用电炉取暖和制热空调取暖，哪种方式的效率更高？（2）试分析以下火力发电过程。总能量分析有效能分析其它6.3.1有效能与无效能的概念(1)能量的分类•按可转化为有用功的能力，分为三类：–⑴高(品）质能量：理论上能完全转化为有用功的能量。如电能、机械能；–⑵僵态能量：理论上不能转化为有用功的能量。如海水、地壳、环境状态下的能量；–⑶低（品