化工热力学第六章教案

1、学习好资料欢迎下载授课内容第六章流动系统的热力学原理及应用§ 6-1引言本章重点介绍稳定流动过程及其热力学原理1理论基础热力学第一定律和热力学第二定律2任务对化工过程进行热力学分析，包括对化工过程的能量转化、传递、使用和损失 情况进行分析，揭示能量消耗的大小、原因和部位，为改进工艺过程，提高能量利用率 指出方向和方法。3能量的级别1）低级能量理论上不能完全转化为功的能量，如热能、热力学内能、始等2）高级能量理论上完全可以转化为功的能量，如机械能、电能、风能等3）能量的贬值4本章的主要内容1）流动系统的热力学关系式2）过程的热力学分析3）动力循环§ 6-2热力学第一定律1封闭

2、系统的热力学第一定律LU =Q W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，可以相互转化或传递， 但能量的数量是守恒的2稳定流动系统的热力学第一定律稳定流动状态：流体流动途径中所有各点的状况都相等，且不随时间而变化，即所 有质量和能量的流率均为常数，系统中没有物料和能量的积累。稳定流动系统的热力学第一定律表达式为：U -u giz =Q W其中流体所做的功 W=Ws P2V2 - pVi由 H =U pV所以得.'H g z 1U2 Q WS微分形式：dH , gdz udu =、，Q 、，Ws若忽略动能和势能变化，则有H =Q Ws即为封闭系统的热力学关系式§ 6

3、-3热力学第二定律和嫡平衡1热力学第二定律1） Clausius说法：热不可能自动从低温物体传给高温物体2） Kelvin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它变化。 实质：自发过程都是不可逆的2嫡及嫡增原理1）热机效率川Wn=Qi2）可逆热机效率1 -W -Q1I -Q2T2 T T2 _Q；一飞-1不3）嫡的定义3.1） 可逆热温商$QrevdS =evT积分得嫡变iS=S2 Si = 2毕3.2） 嫡的微观物理意义系统混乱程度大小的度量对可逆的绝热过程/=Qev或Qw =1匡对可逆的等温过程.S =0对封闭系统中进行的任何过程，都有dS之出热力学第二定律的数学表达式

4、T4）嫡增原理孤立系统,、'Q =0,则dS孤立为或（义卜之0若将系统和环境看作一个大系统，即为孤立系统，总嫡变A ,等于封闭系统嫡变 AS和环境嫡变A S0国口 =小+监>°自发进行的不可逆过程只能向着总嫡增大的方向进行，最终趋向平衡态。此时总嫡变达到最大值，即 A S0达到了过程的终点 。嫡增原理为判断过程进行的方向和限度提供了依据。3封闭系统的嫡平衡热力学第一定律无法计算由于过程不可逆引起的能量贬值的损耗，通过嫡平衡关系可以精确衡量过程的能量利用效率。嫡平衡方程d S =-jQ dSgT g积分式为举=j半+浑gdSg一嫡产生。不可逆过程中，有序能量耗散为无序热能

5、，并被系统吸收而导致系统嫡的增加。不是系统的性质，与系统的不可逆过程有关。可逆过程无嫡产生4稳定流动系统的嫡平衡物流流出“mjSj'j敞开系统婿平衡简图ASf物流流入 、2 msii敞开系统的嫡平衡方程式为：S = SfSg % miSi，mjSjijASf为嫡流，伴随热量流动而产生的相应的嫡变化。可正、可负、可零。规定流入 体系为正，流出体系为负；A Sg为嫡产生该式适用于任何热力学系统对于不同系统可进一步简化：对稳定流动系统S =0-Sf - Sg < i,miSiimjSj )=0ij-Sg =mjSj ! - gSi -."Sf ji对可逆绝热过程Sf =0,

6、Sg =0:mjSjimi若为单股物流 Sj =si等婿过程对绝热节流稳流过程，只有单股流体S =0, . Sf =0, mi =mj =0 Sg =m Sj Si§ 6-4理想功、损失功和有效能1理想功W.：id1）定义系统的状态变化按完全可逆的过程进行时，理论上产生的最大功或者消耗的最小 功。是一个理想的极限值，可作为实际功的比较标准2）完全可逆：完全可逆是指（1）系统的所有变化是可逆的；（2）系统与环境进行可逆的热交换。 环境通常指大气温度 T0和压力p0=0.1013MPa的状态3）稳流过程的理想功 若忽略动能和势能变化，第一定律 ；H =Q WS完全可逆时H =Qrev W

7、id= -Wid =Qev - H将Qw=ToZS代入得-Wid =T0 抬-iH 或 Wid = JoiS+iH比较理想功与实际功，可以评价实际过程的不可逆程度2损失功1）定义：损失功定义为系统在相同的状态变化过程中，实际过程所作的功（产生或消耗）与 完全可逆过程所作的理想功之差。对稳流过程表示为：Wl =Wid -Ws/ 、F S LHH -QWl - FLS LH LH Q - FLS Q 或-WL =T0LS -Q损失功由两部分构成:1）由过程不可逆性引起的嫡增造成2）由过程的热损失造成-Wl =To.s q 曰0 s To.So=T0 L.St =T0 LSg表明损失功与总嫡变及环境

8、温度的关系过程的不可逆程度越大，总嫡增越大，损失功越大。不可逆过程都是有代价的例1: 298K, 0.1013MPa的水变成273K ,同压力冰的理想功。273K冰的熔化始变为-1334.7kJ?kg初态终态298K,0.1013MPa 的水273K, 0.1013MPa 的冰H1=104.897kJ?kg-1, S1=0.367kJ?kg-1?K-1H 2 =H 273 K水小熔化给-0.02 -334.7-334.72kJ.kg 1-334.72273-.226kJ.kg-.K-11)环境温度为25 c时Wid =.S H = 298(S2 S1) (H2 H1) =35.10kJ.kg

9、">0是一个耗功过程，消耗的最小功是35.10kJ?kg-12)环境温度是268K时Wid - F S H-268(S2 -S1) (H2 -H1)-42.69kJ.kg-1 40是一个做功过程，可提供的最大功是12.69kJ?kg-1理想功的计算与环境温度有关例2 :计算损失功.H M _Hi =Q Ws= H2 =Q WsHi> S2-Wl =t。s_q=T° S2 -Si _Q3 有效能B: 一定状态下的有效能即是系统从该状态变到基态，即达到与环境处于完 全平衡状态时此过程的理想功。对于稳流过程，从状态 1变到状态2,过程的理想功为=T°(S2S

10、)_(H2 -Hi)B为:1)物理有效能B = Hi ToSi /、2 ToS2 =H -ToS 1 I：Ho -T0S0 =(H -Ho) -To(S-So)选定基态为(T0, p0),系统由任意状态变到基态时稳流系统的有效能物理有效能指系统的温度、压力等状态不同于环境而具有的能量。B =(H -Ho) -To(S -So)化工过程中与热量传递及压力变化有关的过程只考虑物理有效能2)化学有效能处于环境温度、压力下的系统，由于与环境进行物质交换或化学反应，达到与环境平衡所作的最大功为化学有效能。因此计算化学有效能需要确定每一元素的环境状态，为简化计算，建立了环境模型。从系统状态到环境状态需经过

11、化学反应与物理扩散两个过程:化学反应将系统物质转化成环境物质(基准物)°物理扩散使系统反应后的物质浓度变化到与环境浓度相同的过程例：计算碳的化学有效能C的环境状态是 CO2纯气体，达到环境态需经过化学反应C+O2- CO2B =(H _Ho) _To(S _So) 计算基准取imolH _H0 =hC hO2 _hCo2 =_. ：H0,co2S -S0 - SC ' SO2 -S3O2O2的浓度为0.21,因此SO =SO _Rln0.21 22S -So =Sc - SO2 -ScO2=sC +(SO2 Rln0.21 )sCo24有效能效率和有效能分析1)有效能效率从状

12、态1变到状态2,有效能变化为B =B2 -Bi =(H2 Hi)_T°(S2 -Si)=.H _T0. S或B=Widid当AB<0,减少的有效能全部用于做可逆功，所作的最大功为当A B>0 ,增加的有效能等于外界消耗的最小功对可逆过程有效能守恒，不可逆过程的有效能不守恒。有效能的平衡方程为：y b out DD=0,可逆D>0 ,不可逆D<0,不可能自发进行D =T0 S S0 ) =T0 St =Wl不可逆过程中，有效能的损失等于损失功有效能效率定义为输出的有效能与输入的有效能之比、B outBv -Bin可逆过程Y =100%B真实过程Y <100

13、%BY D反映了真实过程与理想过程的差别B2)有效能的分析计算有效能对有效能衡算，找出有效能损失的部位、大小、原因 例1 ：比较计算两种余热的有效能Bi = H _H 0S S0B2=H _H。-To S -So= 2.55 104 kJ.h -Qi=miCpi Ti -T。-3.1 105kJ.h -=mi : C_T _T。；与dT.T。 pTo TTi _To -TolnTL,T。=1.57 105kJ.h -Q2 =m2cp2 | T2 -To I=3.1 105 kJ.h -例2:比较不同蒸气的有效能和放出的热序号状态压力p/MPa温度T/K嫡S/ kJ.kg-1.K-1始H/ kJ

14、.kg-1始变H-H0 -1kJ.kg 1有效能B/ kJ.kg-10饱和液体水0.1013298.150.367105001饱和蒸气1.0453.066.58727782673818.52过热蒸气1.0553.157.04730082903911.43饱和蒸气6.0548.795.889278426791033.23）能量的合理利用3.1） 防止能量无偿降级3.2） 采用最佳推动力的工艺方案3.3） 合理组织能量梯次利用先用功后用热，使用热能要温位匹配总之，要按需供能，按质用能，建立合理的综合用能体系§6-5气体的压缩与膨胀过程1气体的压缩稳流过程压缩的理论轴功计算式Ws心92a

15、2b 2c可逆过程WS2V d P2气体的膨胀 1）绝热节流膨胀Q=0, WS=0由能量方程得AH=0,即等始过程。由于存在摩擦阻力损耗,所以节流过程不可逆，节流后嫡值一定增加。微小压力变化与所引起流体节流时由于压力变化而引起的温度变化称为节流效应, 的温度变化的比值称为微分节流效应系数Cp对于理想气体科=0J对于真实气体D w >0 ,节流后温度降低称冷效应 JD 科尸0,节流后温度不变称零效应，零效应的状态点称为转换点， 转换点的温度J称为转换温度，转换点的轨迹称为转换曲线.<0,节流后温度升高称热效应 J同一气体在不同状态下节流，可能为正、为负或零压力变化引起的温度变化 AT

16、口称为积分节流效应 心 T T 产LL" HTH =T2 T1Jd P pl2）可逆绝热膨胀特征Q=0, AS=0,是等嫡过程。等嫡膨胀过程中，压力微小的变化所引起的温度变化称为微分等嫡效应系数等嫡膨胀，气体温度必降低，总是得到制冷效应压力变化所引起的温度变化称积分等嫡膨胀效应AT.S§ 6-6动力循环1朗肯循环采用水蒸汽为工质的动力循环，称为蒸汽动力循环，也称朗肯循环。分析动力循环的目的是研究循环中热、功转换的效果及其影响因素，提高能量转换效果。1）循环过程能量分析蒸汽动力循环应用稳定流动的能量方程AH=Q+W （忽略流体的动能、位能变化）进S行分析工质被加热成为过热蒸汽

17、1 一 2一 3-4Q=H 4-H i>0过热蒸汽在透平中可逆绝热膨胀4 - 5Ws=AH = H5-H4<0乏气的冷凝5 一6Qo=H 6-H5< 0冷凝水的泵送6- 1是将冷凝水通过水泵由 p1升压至p2的可逆绝热压缩（等嫡过程）Wp=AH = H1-H6-P2)>0整个循环过程QN= Q +Q0WN= Ws +WpAH=0所以QN= -WN,即吸收的净热等于做出的净功 2）评价指标蒸汽动力循环的热效率 Y:它表示动力循环中锅炉所供给的热量Q转化为净功 W 的比率。N_-Wn _-(H5-H4)-(Hi -H6) H4-H5= Q =H4 _H 1H4 _Hi反映了

18、不同装置输出相同的功量时所消耗的能量的多少，是评价蒸汽动力装置的一个重要指标 汽耗率 SSC (Specific Steam Consumption ):做出单位量净功所消耗的蒸汽量1i 36001-1SSC =kg.kJ 一 =kg.kW .h-Wn-Wn汽耗率的大小可用来比较装置的尺寸和过程的经济性3)实际的朗肯循环热效率低于理想过程， 汽耗率则高于理想过程。 膨胀和压缩过程均为不可逆过程，向嫡增大的方向进行。膨胀过程为4-7,实际做功为H4-H7< H4-H5两者之比称为透平机的等嫡膨胀效率或相对内部效率，用Y仁表示，反映了透S平机内部所有损失2朗肯循环的改进尽可能减小不可逆因素造

19、成的损耗，特别是传热温差大的问题使平均吸热温度相应提高，循环效率提高，汽耗率下降。同时，乏气干度增加。最高不超过873K0.88。止匕提高压力，平均吸热温度会相应提高，但是乏气干度下降，一般不应低于外，蒸汽压力不能超过水的临界压力22.064MPa高压过热蒸气在高压透平中膨胀到中间压力，然后引入再热器加热，进入低压透平 做功。提高了做功能力，避免了乏气湿含量过高的缺点再热循环热效率_ 一' Ws- -Q TWsh Wsl Wsp) (H4-H4') (H5 T6) (H7 T1) Qh QRh - (H4 -H1) (H5 - H4)4)回热循环利用蒸气的热加热锅炉给水，减少或

20、消除工质在预热过程的对外吸热，提高了平均 吸热温度和热效率5）热电循环工质全部做功，供热量与乏气压力有关§ 6-7制冷循环使物系温度降到低于周围环境温度的过程称为制冷过程。其实质是利用外功将热从低温物体传至高温物体。1蒸汽压缩制冷循环1）逆卡诺循环逆卡诺循环是运行在相应的高、低温之间最有效的制冷循环Q0由四个可逆过程构成12:绝热可逆压缩，等嫡过程，消耗外功，温度上升TrT223:等温可逆放热，循环放热量Q2有2（&2）3 4:绝热可逆膨胀，等嫡过程，对外做功，温度下降,T2 - T1(4)41:等温可逆吸热，循环吸热量Qo =Ti(S -S4)循环过程所做净功-Wn =VQ

21、 =Q0 Q fg -S4)工-S2)-T2MS2 - S3)Wn >0说明制冷循环要消耗功制冷效率的评价指标制冷循环是逆向的热机循环，其技术经济指标用制冷系数E表示:七|Q0| 一从低温物体吸收的热量Wn |对于逆卡诺循环消耗的净功.色 邛场-S4)T1二W 二小-丁2)( Si -S4) "tTTt；即逆卡诺循环的制冷系数仅是温度的函数，与工质无关。两温度之间的制冷循环以 逆卡诺循环的制冷系数最大，是一切实际循环的比较标准2)单级蒸汽压缩制冷循环Q27K意图QoTT0T-S图制冷循环中工作物质称为制冷剂，单位制冷剂的制冷量为 q°=Hi_H4 (kJ.kg-1)制

22、冷剂的制冷能力为 Q0 kJ?h-1,则其循环量为G4 压缩单位重量制冷剂所消耗的功为WS=H2-H1 (kJ.kg-1)制冷机的制冷系数为qoH 1 -H 4 H1 - H 3=W12 -Hl =H2 _Hl制冷机所消耗的理论功率为Nt =GWs3)多级压缩制冷循环2吸收制冷循环原理介绍吸收制冷就是直接利用热能制冷的冷冻循环，通过吸收和精储装置来完成循环过 程，液体为工质。1)制冷工质氨水溶液吸收制冷通常用于低温系统，最低可达208K(-65 C),一般为228K(-45 C)以上澳化锂溶液吸收制冷通常用于大型中央空调系统，使用温度不低于273K (0 C),一般为278K(5 C)以上2)吸收制冷的特点直接利用热能制冷，所需热源温度较低，可充分利用低品位热能3)原理利用二元溶液中各组分蒸气压不同来进行。以挥发性大(蒸气压高)的组分为制冷剂，以挥发性小(蒸气压低)的组分为吸收剂。b节流阀氨吸收制冷循环示意图向冷却介质散热63