第六章 化工过程的能量分析1

1、6.0 热力学基本概念复习热力学基本概念复习6.1 热力学第一定律与能量平衡方程热力学第一定律与能量平衡方程6.2 热功转换热功转换6.3 熵熵6.4 理想功和损失功理想功和损失功6.5 火用及其计算火用及其计算6.0 热力学热力学基本概念复习基本概念复习1 1、过程、过程指体系自指体系自一平衡状态一平衡状态到到另一平衡状态另一平衡状态的转换的转换对某一过程的描写：对某一过程的描写：初态初态+终态终态+路径路径. 不可逆过程：不可逆过程：一个单向过程发生之后一定留一个单向过程发生之后一定留下一些痕迹，无论用何种方法也不能将此痕下一些痕迹，无论用何种方法也不能将此痕迹完全消除，在热力学上称为不可

2、逆过程迹完全消除，在热力学上称为不可逆过程凡是不需要外加功而自然发生的过程皆是不可凡是不需要外加功而自然发生的过程皆是不可逆过程（自发过程）。逆过程（自发过程）。如：爆炸、节流、气体向真空自由膨胀等如：爆炸、节流、气体向真空自由膨胀等6.0 热力学热力学基本概念复习基本概念复习P,V,T无限小的沙子。无限小的沙子。带活塞的气缸带活塞的气缸拿走一粒无限小的沙子，拿走一粒无限小的沙子，dP减少无限小，减少无限小，推动力无限小，可以忽略不计。推动力无限小，可以忽略不计。 可逆过程：可逆过程：当体系完成某一过程后，如果令过程当体系完成某一过程后，如果令过程逆行逆行而能使过程中所涉及的一切而能使过程中所

3、涉及的一切(体系及环境体系及环境)都都回复到原始状态回复到原始状态而而不留下任何变化不留下任何变化，则此过程称则此过程称为可逆过程为可逆过程1）可逆过程可逆过程一旦发生，不仅一旦发生，不仅体系体系能能恢复到原来状态恢复到原来状态，而且而而且而环境环境也能也能恢复到原来状态而不留下任何痕迹恢复到原来状态而不留下任何痕迹。（循环过程是否是可逆过程？循环过程是否是可逆过程？）2）若是）若是可逆过程，可逆过程，位的梯度即位的梯度即推动力需为无限小推动力需为无限小；若存在；若存在推动力则是实际过程，而非可逆过程。推动力则是实际过程，而非可逆过程。3）可逆过程可逆过程是实际过程中只能趋近而永远不能实现的理

4、想是实际过程中只能趋近而永远不能实现的理想过程，其本质是状态变化的过程，其本质是状态变化的推动力与阻力无限接近推动力与阻力无限接近 ，体，体系始终无限接近平衡状态。系始终无限接近平衡状态。4）但它是热力学中极为重要的概念，是作为实际过程中能）但它是热力学中极为重要的概念，是作为实际过程中能量转换效果量转换效果比较的标准比较的标准。若说某体系效率为若说某体系效率为80%，是指与是指与可逆过程比可逆过程比。5 5）可逆过程可逆过程是是效率最高效率最高的过程。的过程。体系对外做最大功。体系对外做最大功。体系对外吸收最小功。体系对外吸收最小功。6 6）很多热力学关系式是在）很多热力学关系式是在可逆过程

5、的前提下可逆过程的前提下推导出来的。推导出来的。如：如：QdST 6.0 热力学热力学基本概念复习基本概念复习 2 2、热和功、热和功1 1）热和功不是）热和功不是状态函数，与途径有关状态函数，与途径有关。2 2）热和功只是能量的传递）热和功只是能量的传递形式，而不是贮存形形式，而不是贮存形式。式。当能量以热和功的当能量以热和功的形式形式传入体系后，传入体系后，增加增加的是内能。的是内能。 U+ 热力学第一定律热力学第一定律3 3） 按照按照国际规定国际规定:体系吸热为正，体系吸热为正，0，体系放热为负，体系放热为负,0 ，体系对环境作功，体系对环境作功,06.0 热力学热力学基本概念复习基本

6、概念复习特别提醒：特别提醒：过去的教材中习惯用过去的教材中习惯用 U = Q - W表示，两种表达式完全表示，两种表达式完全等效，只是等效，只是W的取号不同。用该式表示的的取号不同。用该式表示的W的取号为：的取号为：环境对体系作功，环境对体系作功， W0 。本新版教材用的是本新版教材用的是U+，敬请注意，敬请注意！ 4)热热的推动力是的推动力是温差温差。 功功的推动力是除温差以外的的推动力是除温差以外的位的梯度。位的梯度。5）热量热量的传递是的传递是无序无序的，热量是规格的，热量是规格低低的能量。的能量。 功功的传递是的传递是有序有序的，的， 功是规格功是规格高高的能量。的能量。 在化工产品在

7、化工产品成本成本中，能源所占的比重很大，一般产中，能源所占的比重很大，一般产品约占品约占20-30%，能耗高的产品可达，能耗高的产品可达70-80%。因此，。因此，化工节能有特殊重要的意义。化工节能有特殊重要的意义。 我国化工系统的能源消费量约占全国总量的我国化工系统的能源消费量约占全国总量的10%。我国的单位产值能源消耗量比世界先进水平高得多，我国的单位产值能源消耗量比世界先进水平高得多，主要原因在于分离过程的能耗大大高于发达国家。主要原因在于分离过程的能耗大大高于发达国家。 化工分离过程的能耗是世界总能耗的化工分离过程的能耗是世界总能耗的8%。 我国比国外同类产品我国比国外同类产品能耗高能

8、耗高20-30%，有的有的高出一倍。高出一倍。 日本的日本的能量利用效率达能量利用效率达57%,在世界各国中居首位。在世界各国中居首位。 乙苯脱氢制苯乙烯乙苯脱氢制苯乙烯C2H5CH3C2H3560620oC乙苯苯乙烯+H2CH4+C2H4C2H48C+水蒸气水蒸气加热炉加热炉A AB B混合器混合器第一段脱氢第一段脱氢反应器反应器第二段脱氢第二段脱氢反应器反应器中间中间加热器加热器乙苯乙苯+ +水蒸气水蒸气反应产物去急反应产物去急冷后处理系统冷后处理系统换热器换热器图图1 1 乙苯脱氢反应模拟流程乙苯脱氢反应模拟流程 反应器：烧重油加热反应器：烧重油加热反应物反应物至至560620oC，产生

9、，产生高温烟高温烟道气道气 第三过热器：利用第三过热器：利用高温烟道气高温烟道气加热加热高温反应物高温反应物 第二过热器：利用第二过热器：利用高温产物高温产物加热加热中温反应物中温反应物 蒸发器：利用蒸发器：利用中温烟道气中温烟道气加热加热低温反应物低温反应物 废热锅炉：利用废热锅炉：利用中温产物中温产物产生产生水蒸汽水蒸汽 我的印象我的印象：一个反应需要一个车间来完成（三层楼）：一个反应需要一个车间来完成（三层楼） 我的体会我的体会：目的是能源的最大化利用（不是仅总能量的：目的是能源的最大化利用（不是仅总能量的平衡，而是品位高的能量做功，品位低的能量加热。平衡，而是品位高的能量做功，品位低的

10、能量加热。 能量不仅有能量不仅有数量数量，而且有，而且有质量质量（品位）（品位）。 功的功的品位品位高于热高于热 。 高级能量：高级能量：能够能够完全转化完全转化为为功功的能量，如机械能、电能、的能量，如机械能、电能、水力能和风能等；水力能和风能等； 低级能量：低级能量：不能完全转化不能完全转化为为功功的能量，如热能、焓等。的能量，如热能、焓等。 高温高温热源产生的热的热源产生的热的品位品位比比低温低温热源产生的热的热源产生的热的品位品位高高。化工过程的热力学分析化工过程的热力学分析1、能量衡算、能量衡算。2、分析能量品位的变化。、分析能量品位的变化。 化工过程总是伴随着能量品位的降低。化工过

11、程总是伴随着能量品位的降低。 一个一个效率较高效率较高的过程应该是能量的过程应该是能量品位降低品位降低较少较少的过程的过程。 找出找出品位降低最多品位降低最多的薄弱环节的薄弱环节，指出改造，指出改造的方向。的方向。 6.1.1 热力学第一定律热力学第一定律 6.1.2 稳定流动体系的热力学原理稳定流动体系的热力学原理 6.1.3 稳流体系能量平衡方程及其应用稳流体系能量平衡方程及其应用U+只适合封闭体系只适合封闭体系!热力学第一定律的热力学第一定律的数学表达式：数学表达式：稳定流动稳定流动 敞开体系敞开体系 稳定、连续、稳定、连续、流进、流进、流出，不随时间变流出，不随时间变化，没有化，没有能

12、量和物能量和物料的积累料的积累。 化工过程中最常用化工过程中最常用不能用不能用U+来表达来表达! 化工生产中所涉及到的能量，主要有两大类：化工生产中所涉及到的能量，主要有两大类：物物质的能量质的能量、能量传递的两种形式能量传递的两种形式。1、物质的能量、物质的能量E(以以1kg为基准为基准)v动能：动能：E Ek k= = u2/2v内能：内能：U=f(T,P, x)v位能：位能： E EP P= = gZ2、能量传递的两种形式、能量传递的两种形式(以以1kg为基准为基准) 在各种热力学过程中，体系与环境之间常发生能在各种热力学过程中，体系与环境之间常发生能量的传递，能量传递的形式有两种，即量

13、的传递，能量传递的形式有两种，即热热和和功功。2021-12-15v热热:系统与环境之间由于温差而引起的相互交换系统与环境之间由于温差而引起的相互交换的能量，用的能量，用Q表示。表示。规定规定：系统获得的热量，其值为正；反之为负。：系统获得的热量，其值为正；反之为负。v功功W：1.对流动系统：包括两部分对流动系统：包括两部分(1) 流体通过机械设备的流体通过机械设备的旋转轴与环境旋转轴与环境所交换的能量，所交换的能量，称为称为轴功轴功Ws。(2)物料在连续流动过程中，由于流体内部相互推动所物料在连续流动过程中，由于流体内部相互推动所交换的功，称为交换的功，称为流动功流动功Wf =PV。管道截面

14、积管道截面积A m2 1kg流体流体 Vm3/kg P 流动功流动功F.S =（P.A）.(V/A) = PV J/K g2021-12-15注意注意：*热热和和功功只是在能量传递中出现，并非系统本身具有的只是在能量传递中出现，并非系统本身具有的能量，故不能说能量，故不能说“某物质具有多少热或功某物质具有多少热或功”。当能量以热和功的当能量以热和功的形式形式传入体系后，传入体系后，增加的是内能增加的是内能。如：如：在换热设备中，冷热流体进行热交换，结果是热在换热设备中，冷热流体进行热交换，结果是热流体内能降低。冷流体内能增加。流体内能降低。冷流体内能增加。 *热热和和功功是过程函数，非状态函数

15、。是过程函数，非状态函数。2.对非流动系统对非流动系统，特定设备（如带活塞的气缸）中，因，特定设备（如带活塞的气缸）中，因流体体积改变而与环境交换的能量，称为流体体积改变而与环境交换的能量，称为体积功体积功W。规定规定：系统得功，其值为正；反之为负。：系统得功，其值为正；反之为负。 以以1Kg为基准为基准! Q为体系吸收的热量为体系吸收的热量 W为体系与环境交换为体系与环境交换的功。的功。 截面截面1的能量的能量E1E1 = U1 + gZ1+ u12/2 截面截面2的能量的能量E2E2 = U2 + gZ2+ u22/2P1,V1,Z1,u1P2,V2,Z2,u2根据能量守恒原理：根据能量守

16、恒原理：进入体系能量进入体系能量=离开体系能量离开体系能量+体系内积累的能量体系内积累的能量 稳定流动体系稳定流动体系无能量的积累无能量的积累 E1 +Q = E2 -W （1） 体系与环境交换的功体系与环境交换的功W包括与环境交换的包括与环境交换的轴功轴功Ws 和和流动功流动功Wf，即即W = Ws + Wf 其中：其中：Wf= P1V1 -P2V2 所以所以 W = Ws+ P1V1 -P2V2 (2) E = U + gZ + u2/2 (3) 将将(2)、(3)代入（代入（1）可得）可得(4)式式）（422sWQuZgH 焓变焓变位能变位能变化化动能变动能变化化喷嘴喷嘴扩压管扩压管节流

17、阀节流阀透平机透平机压缩机压缩机混合装置混合装置换热装置换热装置 应用中的简化应用中的简化1）流体通过压缩机、膨胀机流体通过压缩机、膨胀机 u20，g Z0 H=Q + Ws稳流过程中稳流过程中最常用最常用的公式的公式若绝热过程若绝热过程Q=0， Ws= H= H2-H1高压高温高压高温蒸汽带动透平产生蒸汽带动透平产生轴功轴功。sWQuZgH 222）流体通过换热器、管道、混合器）流体通过换热器、管道、混合器 Ws=0， u2=0，g Z=0 H=Q如发生化学反应，相变化，温度变化时，与环境交如发生化学反应，相变化，温度变化时，与环境交换的热量（反应热，相变热，显热）等于换的热量（反应热，相变

18、热，显热）等于体系的焓体系的焓差差。 sWQuZgH 22体系状态变化，如体系状态变化，如化学反应化学反应 相变化相变化 温度变化温度变化 反应热反应热 相变热相变热 显热显热 Q H 用于精馏、蒸发、吸收、结晶过程用于精馏、蒸发、吸收、结晶过程3）流体通过节流阀门或多孔塞，如节流膨）流体通过节流阀门或多孔塞，如节流膨胀过程。胀过程。 Ws=0， u2=0，g Z=0 ，Q=0 H=0冷冻冷冻过程是过程是节流节流过程，过程，焓未变焓未变但但温度降低温度降低sWQuZgH 224）对封闭体系，退化为封闭体系热力学第一定律）对封闭体系，退化为封闭体系热力学第一定律 u2=0，g Z=0 。 H=

19、Q + WS 又又 H=U+ PV U=Q + WsWQuZgH 22= =Q + W- Wf= Q + W-P1V1 +P2V2流动功流动功Wf= P1V1 -P2V21、注意区别：、注意区别： U=Q + W 封闭体系封闭体系 H=Q +Ws 稳定流动体系稳定流动体系2、注意符号、注意符号： 热量热量：体系：体系吸热为正吸热为正（+），体系），体系放热为负放热为负（-） ； 功：功：外界对体系做功为外界对体系做功为正正（+），体系），体系对外做功为负对外做功为负（-） 。 例例1：功率为功率为2.0 kw的泵将的泵将90oC水水从贮水罐泵压到换热从贮水罐泵压到换热器，水流量为器，水流量为3

20、.2kg/s，在换热器中以，在换热器中以697.3kJ/s的速率将的速率将水冷却后，水送入比第一贮水罐高水冷却后，水送入比第一贮水罐高20 m的第二贮水的第二贮水罐求送入第二贮水罐的罐求送入第二贮水罐的水温水温. 解：解：以以l kg的水为计算基准的水为计算基准。思路：思路：1）H2 = H+ H1 （H1为为90oC水的焓，查水蒸汽表得）水的焓，查水蒸汽表得）2）查水蒸汽表可得符合）查水蒸汽表可得符合H2 的饱和水的的饱和水的温度温度即得。即得。须注意：须注意： 由于水放热由于水放热Q为负、为负、泵对水做功泵对水做功W为正。为正。22uZgWQHs 1) Q=-697.3 kJ/s =-69

21、7.3/3.2 kJ/kg2) Ws=2 kw=2 kJ/s =2/3.2 kJ/kg注意：计算单位为注意：计算单位为kJ/kgkJ/kg6.2.1 热功转换的不等价性热功转换的不等价性6.2.2 热力学第二定律热力学第二定律6.2.3 热机工作原理热机工作原理6.2.4 热机效率热机效率6.2.5 卡诺循环卡诺循环6.2.6 可逆机的效率可逆机的效率热功转换的不等价性热功转换的不等价性功可以功可以100%100%转变为热转变为热热不可能热不可能100%100%转变为功。转变为功。热、功的不等价性正是热力学第二定律所表热、功的不等价性正是热力学第二定律所表述的一个基本内容。述的一个基本内容。

22、我们可以使这些过我们可以使这些过程按照相反方向进程按照相反方向进行，但是需要消耗行，但是需要消耗功。功。 第一定律没有说明第一定律没有说明过程发生的方向，过程发生的方向，它告诉我们能量必它告诉我们能量必须守衡。须守衡。 第二定律告诉我们第二定律告诉我们过程发生的方向。过程发生的方向。克劳修斯（克劳修斯（Clausius）的说法：的说法：“不可能把不可能把热从低温物体传到高温物体，而不引起其它热从低温物体传到高温物体，而不引起其它变化。变化。”开尔文（开尔文（Kelvin）的说法：的说法：“不可能从单一热不可能从单一热源取出热使之完全变为功，而不发生其它的源取出热使之完全变为功，而不发生其它的变

23、化。变化。”不可能把热从低温物不可能把热从低温物体传到高温物体，而体传到高温物体，而不引起其它变化不引起其它变化热机工作原理：热机工作原理：工质从高温工质从高温T1热源吸收热源吸收Q1的热的热量，量，一部分一部分通过热机用来对外通过热机用来对外做功做功W，另一部分另一部分Q2 的热量放的热量放给低温给低温T2 热源热源。 U=Q + W 循环过程循环过程 U=0W=Q1-Q2热机示意图热机示意图 热机效率热机效率：将将热机所作的功热机所作的功W与所吸的与所吸的热热Q1之比称为热机效率之比称为热机效率, 用用表示。表示。 热机效率大小与过程的可逆程度有关。热机效率大小与过程的可逆程度有关。卡诺定

24、理：卡诺定理：所有工作于所有工作于同温热源和同温冷同温热源和同温冷源源之间的热机，其效率都不能超过可逆之间的热机，其效率都不能超过可逆机，即机，即可逆机的效率最大可逆机的效率最大。11121211 QQQQQQW TS等温可逆膨胀等温可逆膨胀绝绝热热可可逆逆膨膨胀胀等温可逆压缩等温可逆压缩绝绝热热可可逆逆压压缩缩卡诺定理推论：卡诺定理推论：所有所有工作于工作于同温热源同温热源与与同同温冷源之间温冷源之间的可逆机，的可逆机，其其热机效率都相等热机效率都相等，即与热机的工作物质即与热机的工作物质无关。无关。卡诺定理的意义：卡诺定理的意义：解决了热机效率的解决了热机效率的极限值问题。极限值问题。12

25、1max1TTQW 可逆机的效率可逆机的效率： Tl高温热源的温度，高温热源的温度，K。 最高限最高限为锅炉的使用极限，约为锅炉的使用极限，约450oC。栖化。栖化800oC T2低温热源的温度，低温热源的温度，K。 最低限最低限为环境温度。常州夏天为环境温度。常州夏天30oC，北极，北极-50oC 常州夏天常州夏天max =58%；北极；北极 max =79%。 火力发电厂的热效率大约为火力发电厂的热效率大约为40%凡是凡是自发的过程都是不可逆的自发的过程都是不可逆的，而一切不可，而一切不可逆过程都可以归结为逆过程都可以归结为热转换为功的不可逆性热转换为功的不可逆性。一切一切不可逆过程都是向

26、混乱度增加的方向进不可逆过程都是向混乱度增加的方向进行行，而，而熵熵函数可以作为体系函数可以作为体系混乱度混乱度的一种量的一种量度。度。“” “” 号为自发过程，号为自发过程，“=” “=” 号为可逆过程号为可逆过程任何一个体系与它的环境捆绑在一起均可看作任何一个体系与它的环境捆绑在一起均可看作一个一个孤立体系孤立体系!0 环环境境体体系系总总dSdSdS注意：注意：判断孤立体系是否自发过程的依据是判断孤立体系是否自发过程的依据是总熵总熵变大于变大于0 0，而不是，而不是体系的熵变大于体系的熵变大于0 0 。环境环境孤立体系孤立体系体系体系熵增原理指出熵增原理指出： 一切自发的过程只能向一切自

27、发的过程只能向总熵值增加总熵值增加的方向的方向举行，它提供了判断过程方向的准则。当举行，它提供了判断过程方向的准则。当总熵值达到最大，也即体系达到了平衡总熵值达到最大，也即体系达到了平衡。应用熵增原理时应注意：应用熵增原理时应注意： 孤立体系孤立体系 总熵变总熵变 熵增熵增的过程即是的过程即是能量损耗能量损耗的过程的过程 熵平衡熵平衡就是用来检验过程熵的变化，它就是用来检验过程熵的变化，它可以精确地衡量过程的可以精确地衡量过程的能量有效利用能量有效利用 敞开体系的熵平衡方程敞开体系的熵平衡方程入入iiSm 出出iiSm TQ/ 产产生生出出进进积积累累熵熵熵熵熵熵熵熵 产生产生出出入入体系体系

28、SSmTQSmSiiii 产生产生S 不不可可能能可可逆逆过过程程不不可可逆逆过过程程产产生生产产生生产产生生000 SSS1、应用于封闭体系、应用于封闭体系产生产生体系体系STQS 0 产生产生若是可逆过程若是可逆过程 S0 出出入入iiiiSmSm TQS 体体系系则则产产生生出出入入体体系系STQSmSmSiiii 2、应用稳定流动过程应用稳定流动过程0 体体系系稳稳流流体体系系的的 S0 产生产生出出入入STQSmSmiiii 例例7：有人有一发明如下，请判断它的可行性：有人有一发明如下，请判断它的可行性水水CKg 0 ,1饱和蒸汽饱和蒸汽CKg 100,1装置T=450KT=450K

29、环境环境1 1T=273KT=273K环境环境2 20QKgKJQ/18601 kKgKJSKgKJH./354. 7/1 .267622 0011 SH高温储高温储热器热器冷却水冷却水 解题思路：是否同时符合热力学第一、第二定解题思路：是否同时符合热力学第一、第二定律（能量守恒、总熵变律（能量守恒、总熵变 0 ）；）稳流体系，）稳流体系，解：解：KgKJQHHQQHWS/1 .81618601 .26760011210 ；）蒸蒸汽汽经经过过装装置置的的蒸蒸汽汽KgKJSSS/3549. 721 816.12.9894273S环境环境0/2322. 0 KgKJSSSS环环境境环环境境蒸蒸汽汽

30、总总答：不可行答：不可行18604.1333450S环境环境P.153P.153例例 6-56-5 理想功理想功Wid 损失功损失功WL 热力学效率热力学效率1、理想功、理想功Wid： 指体系的状态变化以完全可逆过程实现时，理论指体系的状态变化以完全可逆过程实现时，理论上可能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。 完全可逆完全可逆是指：是指： (1)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 (2)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

31、论的极限值，是实际功的比较标准。（1）非流动过程）非流动过程 U=Q + W 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而且体系所处环境构成了一个温度为温度为T0的恒温热源。的恒温热源。体系体系STQR 0STUWR 0可逆功可逆功VPSTUWid 00理理想想功功 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RidWW 无无法法利利用用，需需扣扣除除。体体系系与与大大气气交交换换的的功功，VP 0（2）稳定流动过程）稳定流动过程sWQuZgH 22能量平衡方程能量平衡方程STQ0 220uZgSTHWid 理想功理想功STHWid 0理理想想功功0202 uZg；大多数

32、情况大多数情况环境的环境的温度温度（3）说明）说明 理想功理想功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与与环境的温度环境的温度T0有关有关。P,MPaT,0CH(KJ/Kg )S(KJ/Kg.K )Wid(KJ/Kg)蒸汽蒸汽7.00285.92772.15.8133-1044.3蒸汽蒸汽1.0179.92778.16.5865-819.90.00816925(水水)104.890.3674例例6：有一股压力分别是：有一股压力分别是7.0MPa和和1.0MPa蒸汽用于作蒸汽用于作功，经稳流过程变成功，经稳流过程变成250C的水

33、，求的水，求Wid(T0=298K)体体系系解解：STHWid 0结论结论：1 1）高压蒸汽的作功本领比低压蒸汽强。）高压蒸汽的作功本领比低压蒸汽强。 2 2）高压蒸汽的加热能力比低压蒸汽弱，因此用低压蒸）高压蒸汽的加热能力比低压蒸汽弱，因此用低压蒸 汽来加热最恰当。汽来加热最恰当。 2、损失功、损失功WL ： 由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该过程体系在给定状态变化过程中该过程实际功实际功Wac与所计算的与所计算的理想功理想功Wid的差值：的差值：idacLWWW 体系体系STHWid 0QHW

34、ac QSTWL 体体系系0环环境境体体系系STSTWL 000/TQS 环境环境总总STWL 000 总总STWL损失功损失功：与：与1 1）环境温度）环境温度T T0；2 2）总熵变总熵变有关有关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就越大，因就越大，因此应尽可能降低过程的不可逆性。此应尽可能降低过程的不可逆性。000S可逆可逆不可逆不可逆总总 实际过程的能量利用情况可通过热力实际过程的能量利用情况可通过热力学效率学效率加以评定加以评定idacWW 产生功产生功 acidWW 消耗功消耗功 例例7：流动水由：流动水由900C变为变为700C，CP=1Cal/g.K，

35、若大，若大气温度为气温度为250C忽略压差，求忽略压差，求WL(T0=298K) 。KKgKCalTTCSP./1066. 5ln212 体系体系解：解：KKgKCalCTQSP./1071. 615.29890702 ）（环境环境体系体系环境环境KKgKCalS./1005. 12 总总KgKCalSTWL/12. 30 总总 5.5.1 火用火用和和 定义定义5.5.2 火用火用的计算的计算5.5.3 火用火用的衡算及的衡算及火用火用效率效率 能量不仅有能量不仅有数量数量，而且有，而且有质量质量（品位）（品位）。 功的功的品位品位高于热高于热 。 1度电度电=1KWhr=3600KJ=86

36、0Kcal 但但860Kcal热不能变成热不能变成1度电。度电。 热转变为功的效率为热转变为功的效率为30%。 高压蒸汽的做功能力高于低压蒸汽。高压蒸汽的做功能力高于低压蒸汽。 高温热源产生的热的品位比低温热源产生的热的高温热源产生的热的品位比低温热源产生的热的品位高。品位高。 大气中的能量全部不能做功。大气中的能量全部不能做功。 1、火用火用( Ex) 做功的本领。做功的本领。 Exergy 中文别称：中文别称：有效能、可用能，有效能、可用能， 英文别称：英文别称：Available Energy, Availability、定义定义 ：任何形式在一定状态下的：任何形式在一定状态下的火用火用

37、Ex是该体系由所处的是该体系由所处的状态状态(P，T)以以完全可逆完全可逆的方式变换为与环境处于平衡的的方式变换为与环境处于平衡的状态状态(P0，T0)时所作出的时所作出的最大有用功（即理想功）最大有用功（即理想功）。 2、 不能转变为有用功的那部分能量。不能转变为有用功的那部分能量。注意定义中：注意定义中：（1）由于是理想功由于是理想功，因此过程，因此过程完全可逆。完全可逆。（2）基准态基准态：体系与环境处于平衡的状态：体系与环境处于平衡的状态(P0，T0)被称为被称为基准态或寂态、热力学死态基准态或寂态、热力学死态，基准态下的基准态下的Ex为为0。 （3） Ex是一种热力学性质，但它与内能

38、、熵和焓不是一种热力学性质，但它与内能、熵和焓不同，除与始终态有关，还与选定的同，除与始终态有关，还与选定的平衡态有关平衡态有关 。（4）平衡平衡：热平衡，力平衡，化学平衡，相平衡：热平衡，力平衡，化学平衡，相平衡（5）能量能量是用是用数量数量来衡量的；来衡量的；火用火用是用是用质量质量来衡量来衡量的（的（能级能级） 能级能级=火用火用/总能量总能量 高级能级高级能级=1（电能、机械能）；低级能级（电能、机械能）；低级能级=01；僵化；僵化=0（海水、大气）（海水、大气） 总能量总能量= 火用火用 + Exergy Axergy（6）能量能量仅包含仅包含热力学第一定律热力学第一定律，火用火用包

39、含了包含了热力热力学第一、二定律学第一、二定律。能量是一个完整的概念，是无法将其分能量是一个完整的概念，是无法将其分为哪一部分是可以用来作功的火用，哪为哪一部分是可以用来作功的火用，哪一部分是不能作功的火无，但在数量关一部分是不能作功的火无，但在数量关系上系上能量能量恰好恰好是是火火用和用和火火无之和无之和；火火用和用和火火无均为无均为容量性质容量性质，有加合性，有加合性，一个系统的火用值即为各子系统的一个系统的火用值即为各子系统的火火用用值之和。值之和。 A1st law：在任何能量转换和传递过程中，火用和火无：在任何能量转换和传递过程中，火用和火无的总量保持不变；的总量保持不变；B2nd

40、law： 一切能量形式都是由一切能量形式都是由火火用和用和火火无两部分组无两部分组成，且其中之一可为成，且其中之一可为0。 i）在一切不可逆过程中，）在一切不可逆过程中，火火用用 转化为转化为火火无无 ； ii）只有可逆过程，）只有可逆过程，火火用才守恒；用才守恒； iii）由）由火火无转化为无转化为火火用是不可能的。用是不可能的。 总之，能源实际上是总之，能源实际上是火火用源用源，用能实际上是用，用能实际上是用火火用用 ，节能实为节能实为节节火火用用，解决能源危机的实质在于，解决能源危机的实质在于节节火火用用 。HSTHHSSTSSTHHEx 0000000)(）（）（）（ 1、稳定流动体系

41、的火用、稳定流动体系的火用Ex)()(),(),()()()415(00000120120SSTHHWETPTPSSTHHSTHWidxid 时时体体系系由由稳稳流流系系统统 1.理想功与有效能的区别理想功与有效能的区别 （1）终态不一定相同，）终态不一定相同，理想功理想功的的终态不确定终态不确定，而，而有有效能效能的的终态为环境状态终态为环境状态； （2）研究对象不同，）研究对象不同，理想功理想功是对两个状态而言，是对两个状态而言，可可正可负，正可负，而而有效能有效能是对某一状态而言，与环境有关，是对某一状态而言，与环境有关，只为正值。只为正值。STHWid 0理理想想功功）（）（12012

42、SSTHH ）（）（HHSSTEx 000 稳定流动体系的有效能（稳定流动体系的有效能（火用火用）Ex比较：比较： 2）理想功与有效能的联系）理想功与有效能的联系 当体系从状态当体系从状态1到状态到状态2时，此过程有效能的变化时，此过程有效能的变化正好是此过程的理想功。正好是此过程的理想功。 对状态对状态1 对状态对状态2 有效能变化为有效能变化为100101xETSSHH （）（）200202xETSSHH（）（）（）（）01212TSSHH= （）-（）= （）-（）i d i d=W=W120020200101xETSSHHTSSHH（）（）- （）（）（）（）- （）（）STHSSTH

43、H 012012）（）（P,MPaT,0CH(KJ/Kg )S(KJ/Kg.K )Wid(KJ/Kg)Ex(KJ/Kg)蒸汽蒸汽7.002852772.15.8133蒸汽蒸汽1.0179.92778.16.58650.1013MPa25(水水) H0=104.89S0=0.3674例例8：1)有一股压力分别是有一股压力分别是7.0MPa和和1.0MPa蒸汽用于作蒸汽用于作功，经稳流过程均变成功，经稳流过程均变成0.1013MPa，250C的水的水，求，求Wid和和Ex(T0=298K).STHWid 0 解解：理理想想功功）（）（12012SSTHH ）（）（HHSSTEx 000P,MPaT

44、,0CH(KJ/Kg )S(KJ/Kg.K )Wid(KJ/Kg)Ex(KJ/Kg)蒸汽蒸汽7.002852772.15.8133-1044.3蒸汽蒸汽1.0179.92778.16.5865-819.90.1013MPa25(水水) H0=104.89S0=0.3674P,MPaT,0CH(KJ/Kg )S(KJ/Kg.K )Wid(KJ/Kg)Ex(KJ/Kg)蒸汽蒸汽7.002852772.15.8133-1044.31044.3蒸汽蒸汽1.0179.92778.16.5865-819.9819.90.1013MPa25(水水) H0=104.89S0=0.367401、物理火用、物理火

45、用： 浓度、组成不变，浓度、组成不变，T，P T0，P0引起的引起的火用火用变化。变化。2、化学火用、化学火用： T0，P0 T0，P0 ，但但浓度、浓度、组成组成变化引起的变化引起的火用火用变化。变化。3、功的、功的火用火用即是功即是功4、动能、位能对、动能、位能对火用火用的贡的贡献可忽略献可忽略扩散：浓度变化扩散：浓度变化化学反应：组成化学反应：组成变化变化热的热的火用火用ExQ压力压力火用火用ExP1）热的热的火用火用ExQQTTWECarnotQx）（01 热物体热物体P，T自然环境自然环境P0,T0Q0EWQ可见温度可见温度T越接近越接近T0，火用火用越小越小。B.热量传递为变温过程

46、热量传递为变温过程）（）（HHSSTEQx 000 000TTPTTPdTCdTTCT TTPdTCTT001）（A. 温度为温度为T的恒温热源的恒温热源按卡诺循环所转化的最大功计算按卡诺循环所转化的最大功计算 2）压力）压力火用火用EXP 000PPpPPpdPTVTVdPTVT 0PPpdPTVS）（）（HHSSTExp 000 0PPpdPTVTVH等等温温过过程程 PPpdPTVTTV00）（00ln/PPRTEPRTVxp ；对对于于理理想想气气体体例例9(例例6-9教材教材P.159 ）：设有压力为）：设有压力为1.013、 6.868、 8.611MPa的的饱和蒸汽饱和蒸汽和和1

47、.013MPa， 573K的的过热蒸汽过热蒸汽，若这四种蒸汽经充分利，若这四种蒸汽经充分利用后，最后排出用后，最后排出0.1013MPa， 298K的的水水。试比较它们的试比较它们的 火用火用和放出的热，并讨论蒸汽的合理利用。和放出的热，并讨论蒸汽的合理利用。 P,MPaT,KS(KJ/Kg.K )H(KJ/Kg )H0-H(KJ/Kg )EX(KJ/Kg)EX/( H-H0)水水0.10132980.3674104.89饱和蒸汽饱和蒸汽1.0134536.5822772.1-2671814过热蒸汽过热蒸汽1.0135737.133053-2948934饱和蒸汽饱和蒸汽6.868557.25.

48、8262775-26701043饱和蒸汽饱和蒸汽8.6115735.7872783-26781092）（）（解解：HHSSTEx 000P,MPaT,KS(KJ/Kg.K )H(KJ/Kg )H0-H(KJ/Kg )EX(KJ/Kg)EX/( H-H0)水水0.10132980.3674104.8900饱和蒸汽饱和蒸汽1.0134536.5822772.1-267181430.66过热蒸汽过热蒸汽1.0135737.133053-294893431.68饱和蒸汽饱和蒸汽6.868557.25.8262775-2670104339.06饱和蒸汽饱和蒸汽8.6115735.7872783-2678

49、109240.78分析分析：1）压力相同压力相同（1.013MPa ），过热蒸汽过热蒸汽的火用比的火用比饱和蒸汽饱和蒸汽大，大，所以其做功本领也大。所以其做功本领也大。2）温度相同温度相同（573K）高压蒸汽高压蒸汽的的作功作功本领比本领比低压蒸汽低压蒸汽强。强。3）温度相同温度相同（573K）高压蒸汽的）高压蒸汽的加热能力加热能力比低压蒸汽弱，因比低压蒸汽弱，因此用低压蒸汽作为工艺加热最恰当，并可减少设备费用。此用低压蒸汽作为工艺加热最恰当，并可减少设备费用。 4）放出的热相同放出的热相同（557.5K和和453K的饱和蒸汽），的饱和蒸汽），高温高压高温高压蒸蒸汽的火用比汽的火用比低温低压低

50、温低压蒸汽的高蒸汽的高28.13%。结论结论：1）一般供热用）一般供热用0.51.0MPa（1501800C）的饱和蒸汽。）的饱和蒸汽。2）高压蒸汽（高压蒸汽（10MPa）用来做功。温度在）用来做功。温度在3500C以上的高温热以上的高温热能（如烟道气），用来产生高压蒸汽，以获得动力能源，。能（如烟道气），用来产生高压蒸汽，以获得动力能源，。 不可逆性不可逆性 热力学第二定律认为自然界中热力学第二定律认为自然界中一切过程都是具有方向性和不可逆一切过程都是具有方向性和不可逆性的。性的。 即即S总总（S产生产生）0 有效能的方向和不可逆性有效能的方向和不可逆性表现在：表现在：当过程是当过程是可逆时

51、可逆时，有效能，有效能不会向不会向无无效能转化，有效能的总量保持不变。效能转化，有效能的总量保持不变。当过程是当过程是不可逆时不可逆时，有效能，有效能向向无效无效能转变，使有效能的总量减少。能转变，使有效能的总量减少。 定义定义：不可逆过程中有效能的减少量，：不可逆过程中有效能的减少量，称之有效能损失称之有效能损失E EL L 。 计算式：计算式：E EL L实际功理想功实际功理想功 对于稳流体系：若忽略动能、势能的影响对于稳流体系：若忽略动能、势能的影响 实际功实际功 Ws=H-Q 理想功理想功 WidH - T0S E EL L H-Q-H+T0S T0S-Q El=T0Ssys+T0Ss

52、ur=T0St 或或 El=T0S产生产生又又S环境环境=-Q/T0-Q=T0S环境环境 传热过程传热过程 传热过程在实际当中我们是经常碰到的，当两种温传热过程在实际当中我们是经常碰到的，当两种温度不同的物质接触时，热量就会从高温物体向低温度不同的物质接触时，热量就会从高温物体向低温物体传递，物体传递，传热过程中有效能的损失是存在的，它传热过程中有效能的损失是存在的，它是由于存在温差而造成的。是由于存在温差而造成的。 低温物体吸收的热量的有效能为：低温物体吸收的热量的有效能为： 高温物体放出的热量的有效能为：高温物体放出的热量的有效能为：01xQ,HHTEQT（）（）01xQ,LLTEQT （

53、） 有效能损失为有效能损失为00011LxQ,HxQ,LHLHLHLEEETTQQTTTTQT ()T T （）（）（）（）由此可以看出：传热由此可以看出：传热过程有效能损失是存过程有效能损失是存在的，在的，温差越大，则温差越大，则有效能损失越大有效能损失越大。欲。欲使有效能损失减少，使有效能损失减少，需减小温差，因此，需减小温差，因此，实际工业生产中，在实际工业生产中，在满足工艺条件下，要满足工艺条件下，要尽量减小温差。尽量减小温差。 稳流体系稳流体系sWQuZgH22 u20，g Z0，Q=0；Ws=00dHTdSVdP tdSV / TdP （） 对于管道流动，一般情况下，无热交换无轴功

54、对于管道流动，一般情况下，无热交换无轴功H= 0H= 000LtVdET dSTdPT 结论：结论：ELdP压力降压力降稳流过程的有效能损失是由于阻力引起的稳流过程的有效能损失是由于阻力引起的STEL0 通过通过火火用衡算可确定过程的用衡算可确定过程的火火用损失用损失和和火火用用效率效率，其主要包括：，其主要包括：n确定出入体系的各种确定出入体系的各种物流量，热流量和功流量物流量，热流量和功流量，以及各物流的状态参数；以及各物流的状态参数；n求出求出物流物流火火用和热流用和热流火火用用；n由由火火用平衡方程确定过程的用平衡方程确定过程的火火用损失用损失；确定确定火火用效率用效率。Wx2xQx1

55、xEEEEEx2Ex1QWRS火用火用火用火用 LixixEEE火火用用的的损损失失其其中中 LE 可逆过程可逆过程 ixixEEixixEE进入过程或设备的进入过程或设备的火用火用总和总和离开过程或设备的离开过程或设备的火用火用总和总和不可逆过程：不可逆过程：lLSTE 0 火火用衡算式形式上与普通能量衡算式相似，用衡算式形式上与普通能量衡算式相似，但存在以下实质区别：但存在以下实质区别：(1) 火火用衡算用衡算是是相同品位能量相同品位能量的数量衡算，它的数量衡算，它反映反映能量质量能量质量的利用情况（热二）；普通能的利用情况（热二）；普通能量衡算是量衡算是不同品位能量不同品位能量的数量衡算

56、，只反映的数量衡算，只反映能量数量能量数量的利用情况；的利用情况；(2) 能量是守恒的能量是守恒的；但一切实际过程由；但一切实际过程由于存在不可逆性，于存在不可逆性，火火用并不守恒用并不守恒。一部。一部分火用转化为分火用转化为火火无损失掉，计算无损失掉，计算El的目的目的是改进过程，揭示节的是改进过程，揭示节火火用环节。用环节。 XE xxEEEX xLEE1101XELE 、过过程程完完全全可可逆逆，则则210XELE 、过过程程完完全全不不可可逆逆，则则10,3 XE 则则、过过程程部部分分可可逆逆能量损失能量损失总能量总能量热效率热效率LTTLTQQQQQQ EX 越越大大，火火用用利利

57、用用越越大大，不不可可逆逆性性越越小小注意注意区别区别lixixEEEXE （失去）（失去）获得）获得）xxEEEX( 更常用。更常用。象；象；的对象是需要做功的对的对象是需要做功的对的对象是过程或设备；的对象是过程或设备；象不同；象不同；不同之处在于计算的对不同之处在于计算的对与与注意：注意：XXXEXXEEEE 某金属重75kg，加热到427后放入油箱内，箱内油重300kg，初温T0=21.5，油箱器壁缘良好，求达到平衡过程的火用损失及火用效率（两种）。 已知 kkgkcalCp./12. 0 金金kkgkcalCp./6 . 0 油油 例例1010（5-14 5-14 ）氨厂的高压蒸汽系

58、统，每小时产生）氨厂的高压蒸汽系统，每小时产生3.5 3.5 t t的中压冷凝水。如通过急速闪蒸，由于压力骤然下降，的中压冷凝水。如通过急速闪蒸，由于压力骤然下降，可产生低压蒸汽。现有两种回收方案可产生低压蒸汽。现有两种回收方案: : 方案方案A A是将中压冷凝水先预热锅炉给水，然后在闪蒸中是将中压冷凝水先预热锅炉给水，然后在闪蒸中产生较少量的低压蒸汽，锅炉给水流量为产生较少量的低压蒸汽，锅炉给水流量为3.53.5t/h,t/h,预热预热前后温度分别为前后温度分别为2020，8080。 方案方案B B是通过闪蒸气产生较多的蒸汽，中压冷凝水为是通过闪蒸气产生较多的蒸汽，中压冷凝水为1.9081.908Mpa,210,Mpa,210,在闪蒸气中急速降压至在闪蒸气中急速降压至0.47560.4756Mpa,Mpa,以以产生产生0.47560.4756Mpa Mpa 的低压蒸汽与冷凝水的低压蒸汽与冷凝水. . 如忽略过程的热损失如忽略过程的热损失, ,环境的温度为环境的温度为20.20.试计算试计算A,BA,B两两种方案的有效能损失种方案的有效能损失, ,并比较计算结果并比较计算结果. . 闪蒸器闪蒸器闪蒸器闪蒸器1231234中压冷凝水中压冷凝水3.53.5t/h,1.908MPa,210t/h,1