化工过程的能量分析讲解课件

5 化工过程的能量分析,5.1 能量平衡方程 5.2 热功间的转换 5.3 熵函数 5.4 理想功、损失功和热力学效率 5.5 有效能,5.1 能量平衡方程,5.1.1 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。,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E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。,5.1.2 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,5.1.3 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：,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。,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,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,稳态流动系统的能量平衡关系可写为,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 Jkg-1。动能和位能的单位, 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,左式只适用与理想气体等温过程,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,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,质量流率,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,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,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,节流阀 Throttling Valve,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,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,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。,为一股物流的质量流量。,为总质量流量。,混合设备,1 3 2,混合器,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。,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,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,Bernoulli 方程,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,对于无热、,无轴功交换、,不可压缩流体的稳流过程,对于非粘性流体或简化的理想情况，可忽略摩擦损耗，则,例 5-1 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,节流过程无功的传递，,忽略散热、,动能变化,和位能变化,130,H2,1.5MPa 饱和液体焓值 Hl=844.9 饱和蒸汽焓值 Hg=2792.2,例 5-2,解,30 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,将空气当作理想气体，并忽略压降时,换热器的动能变化和位能变化可以忽略不计,5.2 热功间的转化,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。 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,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。,热机的热效率,火力发电厂的热效率大约为40%,卡诺热机的效率,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,5.3 熵函数 5.3.1熵与熵增原理,5.3.2 熵平衡,熵流是由于有热量流入或流出系统所伴有的墒变化,可逆过程,由于传递的热量可正，可负，可零，墒流也亦可正，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,稳态流动体系,绝热节流过程 ，只有单股流体，mimjm,可逆绝热过程,单股流体,封闭体系,5.4 理想功、损失功及热力学效率 5.4.1 理想功,系统在变化过程中，由于途径的不同，所产生(或消耗)的功是不一样的。理想功就是系统的状态变化以完全可逆方式完成，理论上产生最大功或者消耗最小功。因此理想功是一个理想的极限值,可作为实际功的比较标准。所谓的完全可逆，指的是不仅系统内的所有变化是完全可逆的，而且系统和环境之间的能量交换，例如传热过程也是可逆的。环境通常是指大气温度T0和压力P0=0.1013MPa的状态。,稳定流动系统的热力学第一定律表达式为：,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=T0S,忽略动能和势能变化,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。理想功与轴功不同在于：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。 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。,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 10-3T kJ/(kmolK), T0=293K 。,解,5.4.2 损失功,系统在相同的状态变化过程中，不可逆过程的实际功与完全可逆过程的理想功之差称为损失功。,对稳态流动过程,Q是系统与温度为T0的环境所交换的热量，S是系统的熵变。由于环境可视为恒温热源，Q相对环境而言，是可逆热量，但是用于环境时为负号，即 - QT0 S0 。,根据热力学第二定律(熵增原理)， S 0 ，等号表示可逆过程；不等号表示不可逆过程。实际过程总是有损失功的，过程的不可逆程度越大，总熵增越大，损失功也越大。损失的功转化为热，使系统作功本领下降，因此，不可逆过程都是有代价的。,5.4.3 热力学效率,例 5-7 求298K，0.1013MPa的水变成273K，同压力下冰的过程的理想功。设环境温度分别为(1)298K；(2)248K。,解：忽略压力的影响。查得有关数据,(1) 环境温度为298K，高于冰点时,若使水变成冰，需用冰机，理论上应消耗的最小功为35.04kJ/kg。,(2) 环境温度为248K，低于冰点时,当环境温度低于冰点时，水变成冰，不仅不需要消耗外功，而且理论上可以回收的最大功为44.61kJ/kg。,理想功不仅与系统的始、终态有关，而且与环境温度有关。,例 5-8 用1.57MPa，484的过热蒸汽推动透平机作功，并在0.0687MPa下排出。此透平机既不是可逆的也不是绝热的，实际输出的轴功相当干可逆绝热功的85。另有少量的热散入293K的环境，损失热为7.12kJ/kg。求此过程的理想功、损失功和热力学效率。,解,可逆绝热过程,查过热水表汽表可知，初始状态1.57MPa， 484 时的蒸汽焓、熵值为H1=3437.5kJ/kg, S1=7.5035kJ/(kgK) (参见例3-12 ),若蒸汽按绝热可逆膨胀，则是等熵过程，当膨胀至0.0687MPa时,熵为 S2=S1=7.5035kJ/(kgK) 查过热水蒸汽表,2658.9 7.4885,2680.2 7.5462,P = 0.0687MPa,此透平机实际输出轴功,依据稳流系统热力学第一定律,得到实际状态2的焓为,或,5.5 有效能 5.5.1 有效能的概念,以平衡的环境状态为基准，理论上能够最大限度地转化为功的能量称为有效能，理论上不能转化为功的能量称为无效能。,5.5.2 有效能的计算,系统在一定状态下的有效能，就是系统从该状态变化到基态（环境状态）过程所作的理想功。,稳流过程，从状态1变到状态2，过程的理想功为：,当系统由任意状态(P, T)变到基态(T0, P0)时稳流 系统的有效能EX为:,(1) 机械能、电能的有效能 机械能和电能全部是有效能，即 EX=W 动能和位能也全部是有效能。,（2）物理有效能 物理有效能是指系统的温度、压力等状态不同于环境而具有的有效能。化工生产中与热量传递有关的加热、冷却、冷凝过程，以及与压力变化有关的压缩、膨胀等过程，只考虑物理有效能。,变温过程的热有效能,热有效能 温度为T的恒温热源的热量Q, 有效能按卡诺热机所能做的最大功计算：,