吴辉忠《能量和热量的辨析》.doc

广西大学 化工设计论文 第7页GUANGXI UNIVERSITY 辨析能量衡算和热量衡算的应用姓 名：吴 辉 忠 学号：0904500324指导老师：薛 敏 华 时间：2012年6月30日摘要：在化工生产中，能量的消耗是一项重要的技术经济指标，它是衡量工艺过程、设备设计、操作制度是否先进合理的主要指标之一，而能量衡算和热量衡算是最基本的能量计算，因此作为学习化学工程与工艺专业的学生，了解和区分能量衡算和热量衡算十分重要。 In chemical production, energy consumption is an important technical and economic indicators, it is to measure the process, equipment design, operating system is advanced and reasonable, one of the key indicators, energy balance and heat balance to be regarded as the most basic energy calculation. As a student studying chemical engineering and technology, to understand and distinguish between energy balance and heat balance is very important.关键词：辨析，能量恒算，热量衡算正文：引言：经过大学三年系统的学习，我们已经学习了物理化学等四大化学、CAD机械工程绘图、化工仪表、化工设备基础、化工原理等重要的课程，比较系统地掌握了关于化工专业各方面的基础知识及专业知识，这个学期又在我们班主任薛老师的传授下，学习了化工热力学、化工设计两门极其重要的专业课程；薛老师是一位很专业、严谨、负责的老师，不仅在课上要求我们掌握好所学知识并学会应用，为了使我们更好的理解和掌握这些领域的知识，做真正有实学的人，又给我们布置了极有针对性又十分有意义的作业：辨析能量衡算与热量衡算的应用。一、热力学中能量与热量的定义：能量，energy，物质运动的一种度量。对应于物质的各种运动形式，能量也有各种形式，彼此可以互相转换，但总量不变。热力学中的能量主要指热能和由热能转换而成的机械能，在国际单位制(SI)中，能量的单位为焦耳；热量，指的是由于温差的存在而导致的能量转化过程中所转移的能量。温度不同的两物体相接触或靠近，热量从热(温度高)的物体向冷(温度低)的物体流动，这种由于温度差而引起交换的能量，称为热量。它反映了热传递过程中，内能转移的数量，是内能转移多少的量度，是一个过程量，要用“吸收”或“放出”来表述而不能用“具有”或“含有”。因此对于热量要明确两点，第一，热量是一种能量的形式，是传递过程中的能量形式；第二，一定要有温度差或温度梯度，才会有热量的传递。而该转化过程称为热交换或热传递。热量的公制为焦耳。以热力学第一定律为依据，对生产过程或设备的能量平衡进行定量的计算，计算过程中要供给或移走的能量，称之为能量衡算。能量是热能、电能、化学能、动能、辐射能的总称。化工生产中最常用的能量形式为热能，故化工设计中经常把能量计算称为热量计算。 二、能量衡算与热量衡算的理解：能量守恒定律，是自然界最普遍、最重要的基本定律之一。热力学第一定律也就是能量守恒定律。从物理、化学到地质、生物，大到宇宙天体。小到原子核内部，只要有能量转化，就一定服从能量守恒的规律。从日常生活到科学研究、工程技术，这一规律都发挥着重要的作用。人类对各种能量，如煤、石油等燃料以及水能、风能、核能等的利用，都是通过能量转化来实现的。能量平衡方程：1、 基本能量平衡方程：输入能量 输出能量 = 积累的能量H+u2/2+gZ=Q+W或H+ EK+ EP =Q+W 2、 一般情况： EK=EP 0 绝热过程(Q=0)： H=W 无做功过程(W=0)： H=Q 无功、无热量传递过程(Q=0, W=0)： H=03、 间歇过程能量平衡方程：4、 连续过程能量平衡方程：当物料经物理或化学变化时，如果其动能、位能或对外界所作之功，对于总能量的变化影响甚小可以忽略时，能量守恒定律可以简化为热量衡算。它是建立过程数学模型的一个重要手段，是化工计算的重要组成部分。进行热量衡算，可以确定为达到一定的物理或化学变化须向设备传入或从设备传出的热量；根据热量衡算可确定加热剂或冷却剂的用量以及设备的换热面积，或可建立起进入和离开设备的物料的热状态（包括温度、压力、组成和相态）之间的关系，对于复杂过程，热量衡算往往须与物料衡算联立求解。热量平衡方程式：1、 热量衡算基本方程：根据热力学第一定律，能量衡算方程式的一般形式为： E=Q+W式中：E体系总能量的变化 Q体系从环境中吸收的热量 W环境对体系做的功2、 在热量衡算中，如果无功条件下，进入系统加热量与离开系统的热量应平衡，对于有传热要求的设备，其热量平衡均可由下式表示：Q进=Q出 Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6 式中 Q1物料带入到设备的热量 kJ； Q2加热剂或冷却剂传给设备或从设备带走的热量 kJ； Q3过程热效应 kJ； Q4物料离开设备所带走的热量 kJ； Q5加热或冷却设备所消耗的热量 kJ； Q6设备向环境散失的热量 kJ。为了求出上式中的Q2，即设备的热负荷，必须算出其他各项热量 （1）Q1 与Q4均可用下式计算： Q1（Q4）= mct kJ 式中 m输入（或输出）设备的物料质量 kg； c物料的平均比热容 kJ/kg； t物料的温度 。计算Q1 与Q4时，是取标准状态，即0及1.013105Pa为计算基准。有时为了计算方便也可取物料的进口状态作为计算基准，这时Q1=0 （2）Q5的计算方法： Q5 = mc(t2-t1) kJ 式中 M设备各部件的质量 kg； c设备各部件的比热容 kJ/kg； t1设备各部件的初始温度 ； t2设备各部件的最终温度 。 (3)Q6的计算：设备向环境散失的热量Q6可按下式计算： Q6=AT(tTt0) K J 式中 A设备散热表面积 m； T设备散热表面与周围介质之间的联合给热系数 W/（m）； tT与周围介质直接接触的设备表面温度 ； t0周围介质的温度 ； 过程持续时间 s。以上分别介绍了Q1、Q4、Q5、Q6的计算，再能求出过程热效应Q3的数值，就可求出设备的热负荷Q2。Q2正值表示需对设备加热；负值表示需冷却。物质具有的热能,是对照某一基准状态来计量的,相当于物质从基准状态加热到所处状态需要的热量。当物质发生相态变化时,须计入相变时的潜热,如汽化热（或冷凝热）、熔融热(或凝固热)等。不同液体混合时，须计入由于浓度变化而产生的混合热(或溶解热)。工程上常用热力学参数焓表示单位质量物质所具有的热量。单位质量物料状态变化所需的热量，等于两种状态下焓值的差。3、 能量衡算与热量衡算之间的联系：当物料经物理或化学变化时，如果其动能、位能或对外界所作之功，对于总能量的变化影响甚小可以忽略时，即EK、EP以及W对于总能量的变化影响甚小可以忽略时，能量守恒定律可以简化为热量衡算。都表示能量的变化，在国际单位制(SI)中，能量和热量的单位均为焦耳。4、 能量衡算与热量衡算之间的区别：（1） 两者的意义不同：以热力学第一定律为依据，对生产过程或设备的能量平衡进行定量的计算，计算过程中要供给或移走的能量，称之为能量衡算。能量是热能、电能、化学能、动能、辐射能的总称。当物料经物理或化学变化时，如果其动能、位能或对外界所作之功，对于总能量的变化影响甚小可以忽略时，能量守恒定律可以简化为热量衡算。化工生产中最常用的能量形式为热能，故化工设计中经常把能量计算称为热量计算。（2）两者的衡算依据不同：能量衡算的依据是物料衡算结果以及为能量衡算而收集的有关物料的热力学数据，如定压比热、相变热、反应热等。能量衡算的理论基础是热力学第一定律，即能量守恒定律。能量有不同的表现形式，如内能、动能、势能、热能和功等。在药品生产中，热能是最常见的能量表现形式，多数情况下，能量衡算可简化为热量衡算。当内能、动能、势能的变化量可以忽略且无轴功时，输入系统的热量与离开系统的热量应平衡，由此可得出传热设备的热量平衡方程式为： 式中Q1物料带入设备的热量，kJ；Q2加热剂或冷却剂传给设备及所处理物料的热量，kJ；Q3过程的热效应，kJ；Q4物料带出设备的热量，kJ；Q5加热或冷却设备所消耗的热量或冷量，kJ；Q6设备向环境散失的热量，kJ。 （3） 类型的问题不同： 能量衡算有两种类型的问题，一种是先对使用中的装置或设备，实际测定一些能量，通过衡算计算出另外一些准以直接测定的能量，由此作出能量方面的评价，即由装置或设备进出口物料的量和温度，以及其它各项能量，求出装置或设备的能量利用情况，另一类是在设计新装置或设备时，根据已知的或可设定的物料量求得末知的物料量或温度，和需要加入或移出的热量。能量衡算的基础是物料衡算，只有在进行完备的物料衡算后才能作出能量衡算。热量衡算也有两种情况，一种是在设计时，根据给定的进出物科旦及已知沮度求另一股物科的；长知物科量或温度，常用于计算换热设备的蒸汽用量或冷却水用且。另一种是在原有的装置b，对某个设备，利用实际穗定(有时也要作一些相应的计算)的数据，计算出另一些不能或很难直接测定的热量或能量，由此对设备作出能量上的分析。如根据各股物科进出口量及温度，找出该设备的热利用和热损失情况。（4）基本步骤不同：能量衡算：1、建立以单位时间为基准的物料流程图(衡算表)；2、标明物流的温度、压力、相态、组分的焓值；3、选基准温度(0或25 )；4、根据热量的基本衡算式列热量衡算式并求解；5、列热量衡算表热量衡算也需要确定基准，画出流程图，列出热量衡算表等。其基本步骤为：1、 建立以单位时间为基准的物料流程图(或平衡表)。也可以Ioom。1或Iookm。I原科为基准，但前各更常n1；2、在物料流程框图上标明已知温度、压力、相态等条件，并灾出或计算出每个物f；降K分的始值，于团上注明； 3、 选定计算基浓温度，这是人为选定的计算基推，即输入体系酌热量和由体系输肥的热量应该有同一的比较基准，pT选o(2；3K)、25c(298K)或其它温度作为基准温度。由于手册、文献上查到的热力学敬据大多是298K时的数据，故选298K为基准温度，计算比铰方便。计算时相态的确定也是很直至的；4、根据(516)式列出热量伤算式，然后用数学方法求解未知值；5、当生产过程及物料组成较复杂时，可以列出热量衡算表。（5）两者的使用条件不同： 能量衡算使用范围：使用热力学第一定律的都可以用能量衡算，能量衡算的依据是物料衡算结果以及为能量衡算而收集的有关物料的热力学数据，如定压比热、相变热、反应热等；热量衡算使用范围：只有当物料经物理或化学变化时，如果其动能、位能或对外界所作之功（无轴功），对于总能量的变化影响甚小可以忽略时，即EK、EP以及W对于总能量的变化影响甚小可以忽略时，能量守恒定律可以简化为热量衡算。五、总结： 能量衡算与热量衡算既有