第六章 化工过程的能量分析6[1].3

1、6.6.1 能量平衡方程能量平衡方程6.6.2 热功间的转化热功间的转化6.6.3 熵函数熵函数6.46.4 理想功、损失功及热力学效率理想功、损失功及热力学效率6.6.5 火用火用与与火无火无6.6.6 火用火用衡算及衡算及火用火用效率效率6.6.7 化工过程与化工过程与系统的系统的火用火用分析分析v(1) 理想功理想功Widv(2) 损失功损失功WL v(3) 热力学效率热力学效率 在一定的环境条件下，体系的状态变化是按完全可在一定的环境条件下，体系的状态变化是按完全可逆过程进行时，理论上可能逆过程进行时，理论上可能产生的最大功产生的最大功或者必须或者必须消耗的最小功消耗的最小功。 完全可

2、逆完全可逆是指：是指：体系内所有的变化过程必须是可逆的。体系内所有的变化过程必须是可逆的。体系与温度为体系与温度为T0的环境进行热交换是可逆的。的环境进行热交换是可逆的。 理想功是一个理论的极限值，是实际功的比较标准。理想功是一个理论的极限值，是实际功的比较标准。概念：理想功概念：理想功Wid 大气温度大气温度T T0 0和和压力压力p p0 0=101.325kPa=101.325kPa研究理想功的目的研究理想功的目的1) 非流动过程的理想功非流动过程的理想功 U=Q + W0RQTS体系WidP0Q若过程可逆若过程可逆 0sursystSSSsursysSSSTSTSTQsyssur000

3、0TQSsur过程完全可逆过程完全可逆，而且体系所处环境构成了一个温而且体系所处环境构成了一个温度为度为T0的恒温热源。的恒温热源。00idWUTSP V 理想功 理想功理想功产生最大功；消耗最小功产生最大功；消耗最小功0RWUT S可逆功0P V而大气压力通过活塞与体系交换的功，应考虑。VPWWRid0非流动过程的理想功非流动过程的理想功5 52) 稳定流动过程的理想功稳定流动过程的理想功sWQuZgH22能量平衡方程STQ 0202iduWHg ZTS 0idWHTS 理想功0202 uZg；大多数情况大多数情况稳定流动过程的理想功稳定流动过程的理想功理想功的说明理想功的说明： 理想功理想

4、功Wid仅与体系状态有关，与具体仅与体系状态有关，与具体的变化途径无关。的变化途径无关。 理想功理想功Wid与环境的温度与环境的温度T0有关有关。 理想功理想功Wid是可逆有用功。是可逆有用功。理想功和可逆功并非同一概念理想功和可逆功并非同一概念7 7 例例：冬天室内外温度分别为：冬天室内外温度分别为25 和和-15 。欲将。欲将298K、0.10133MPa的水变成的水变成273K、同压力下的、同压力下的冰，（冰，（1）将水放入冰箱；（）将水放入冰箱；（2）直接放到室外，）直接放到室外，问哪种方法更合理？（已知问哪种方法更合理？（已知0 冰的熔融焓为冰的熔融焓为334.7kJ/kg）8 8由

5、于实际过程的不可逆性，将导致作功能力的损失。由于实际过程的不可逆性，将导致作功能力的损失。 损失功损失功体系在给定状态变化过程中体系在给定状态变化过程中实际功实际功Wac与与该过程所计算的该过程所计算的理想功理想功Wid的差值：的差值：LacidWWW体系STHWid0QHWacQSTWL 体系体系0环环境境体体系系STSTWL 00环境环境STQ 00LWTS总9 900 总总STWL损失功损失功：与：与1）环境温度）环境温度T0；2）总熵变总熵变有关。有关。v过程的不可逆性过程的不可逆性越大，越大，S总总越大，越大，WL就越就越大，因此应尽可能降低过程的不可逆性。大，因此应尽可能降低过程的

6、不可逆性。000可逆不可逆总S1010 例例：在生产中流体经过管道进行输送，当与环境温度不相等：在生产中流体经过管道进行输送，当与环境温度不相等时，管道将向环境散热（冷），据分析，不保温的蒸汽管道时，管道将向环境散热（冷），据分析，不保温的蒸汽管道散热损失是保温管道的散热损失是保温管道的9倍。因此，设备和管道的保温，是十倍。因此，设备和管道的保温，是十分重要的节能措施。分重要的节能措施。损失功例题损失功例题某厂有输送某厂有输送90900 0C C热水的管道，由于保温不良，到使用热水的管道，由于保温不良，到使用单位时，水温已降至单位时，水温已降至70700 0C C。试求水温降低过程的热损。试求

7、水温降低过程的热损失与损失功。大气温度为失与损失功。大气温度为25250 0C C，水的恒压热容为，水的恒压热容为C CP P=4.1868kJ/kg.K=4.1868kJ/kg.K，忽略压差。，忽略压差。1111 实际过程的能量利用情况可通过热力学实际过程的能量利用情况可通过热力学效率效率T 加以评定加以评定()TacidLididWWWWW产生功()TididacidLWWWWW消耗功T T 又称为可逆度又称为可逆度反映过程可逆的程度反映过程可逆的程度T T =1 =1 可逆过程可逆过程T T 1 1 不可逆过程不可逆过程1212）（膨胀膨胀12VVPWe 设在定温下，一定量理想气体在活塞

8、筒中克服外设在定温下，一定量理想气体在活塞筒中克服外压压 , ,经经4 4种不同途径，体积从种不同途径，体积从V1 1膨胀膨胀到到V2 2所作的功。所作的功。ep体系所作的功如阴体系所作的功如阴影面积所示。影面积所示。 膨胀过程：膨胀过程：1.1.自由膨胀自由膨胀（free expansion） 2.2.等外压膨胀等外压膨胀（pe保持不变）保持不变）012 ）（膨膨胀胀VVPWe0 eP21VVPdVWPdVW体积体积1313 图图）（ VVP P2， V2P1， V13.3.多次等外压膨胀多次等外压膨胀）（多级膨胀多级膨胀1VVPW ）（ 22VVP 体系所作的功如体系所作的功如阴影面积所示

9、。阴影面积所示。 P11414 图图4.可逆膨胀过程可逆膨胀过程12ln21VVnRTPdVWVV可逆膨胀1515 图图 在外压为在外压为 P1 下，一下，一次从次从 V2 压缩到压缩到 V1 ，环境对体系所作的功为：环境对体系所作的功为：）（压压缩缩211VVPW 1.一次等外压压缩一次等外压压缩 压缩过程压缩过程将体积从将体积从V V2 2 压缩到压缩到V V1 1 ，有如下三种途径：有如下三种途径：P2， V2P1， V11616 图图P2， V2P1， V12.多次等外压压缩多次等外压压缩 ）（ VVP ）（多多级级压压缩缩2 VVPW ）（11VVP 1717 图图3.可逆压缩可逆压

10、缩21lnVVnRTW 可逆压缩可逆压缩1818 图图12lnVVnRTW 可逆膨胀可逆膨胀 从以上的膨胀与压缩过程看出，功与变化的途径有关。从以上的膨胀与压缩过程看出，功与变化的途径有关。虽然始终态相同，但途径不同，所作的功也大不相同。显然虽然始终态相同，但途径不同，所作的功也大不相同。显然，可逆膨胀，体系对环境作最大功；可逆膨胀，体系对环境作最大功；可逆压缩，环境对体系作可逆压缩，环境对体系作最小功。最小功。21lnVVnRTW 可逆压缩可逆压缩）（膨胀膨胀122VVPW ）（压压缩缩211VVPW ）（）（）（多多级级压压缩缩11 2 VVPVVPVVPW ）（）（）（多多级级膨膨胀胀

11、22 1VVPVVPVVPW 191920 例例 某合成氨厂甲烷蒸气转化工段转化气量为某合成氨厂甲烷蒸气转化工段转化气量为5160Nm3/tNH3，因工艺需要，将其温度从因工艺需要，将其温度从1000 降至降至380 。现有废热锅。现有废热锅炉机组回收余热，已知通过蒸汽透平回收到得实际功为炉机组回收余热，已知通过蒸汽透平回收到得实际功为283kW.h/tNH3。试求（。试求（1）转化气降温过程的理想功；（）转化气降温过程的理想功；（2）余热利用动力装置的热效率；（余热利用动力装置的热效率；（3）此余热利用过程的热力）此余热利用过程的热力学效率。已知大气温度为学效率。已知大气温度为30 ，设转化

12、气降温过程压力不，设转化气降温过程压力不变，在变，在3801000 温度范围平均等压热温度范围平均等压热容容 ，废热锅炉和透平的热，废热锅炉和透平的热损失可忽略不计，透平乏汽直接排入大气。损失可忽略不计，透平乏汽直接排入大气。 1136pmhpmsCCkJkmolK21 例例 在一个往复式压气机的实验中，环境空气从在一个往复式压气机的实验中，环境空气从100kPa及及5 压缩到压缩到1000kPa，压缩机的气缸用水冷却。在此特殊实验，压缩机的气缸用水冷却。在此特殊实验中，水通过冷却夹套，其流率为中，水通过冷却夹套，其流率为100kg/kmol(空气空气)。冷却水。冷却水入口温度为入口温度为5 ，出口温度为，出口温度为