有效能衡算和有效能效率

1、化工节能与减排化工节能与减排 张頔TEL-mail：化学工业出版社化学工业出版社 n 目目 录录能量降级与热力学第二定律轴功、各种热效应的计算有效能衡算和有效能效率热力学分析的基本方法噪声污染及控制目目 录录热管、热泵和夹点技术能量的合理利用稳流体系热力学第一定律废水处理方法、技术和流程废固处理及利用废气污染的预防措施及治理化学工业出版社化学工业出版社 n 今日作业今日作业1、水在正常沸点下的汽化潜热为2256kJ/kg，估算水在210 下的汽化潜热并与文献值比较。2、一空气压缩机每小时将0.10133Mpa、温度为20的空气120kg压缩到4.0Mpa，设空气为理想

2、气体，压缩过程为多变压缩，多变指数m=1.20.试分别计算单级压缩和两级压缩、中间冷却两种方法所需功率和气体的终温。有效能衡算有效能衡算和有效能效率和有效能效率 化学工业出版社化学工业出版社 n 有效能有效能为了比较体系在不同状态下可用于做功的能量多少、确切地评价能量的做功能力，凯南（Keenen）提出了有效能（available energy ）的概念。并定义为处于一定热力学状态的物系，通过完全可逆的过程变化到与环境状态处于完全热力学平衡（即温度、压力、化学反应及相均平衡）时所能做出的最大功（理想功）。用符号 表示。a 理想功就是体系变化过程按完全可逆地进行时所作的最大功。b 在有效能研究中

3、，选定环境的状态（ ）作为基态，即将周围环境当作一个具有热力学平衡的庞大体系，这种状态下的有效能值为零xE00Tp、化学工业出版社化学工业出版社 n 有效能的组成有效能的组成对于没有核、磁、电与表面张力效应的过程，稳定流动的流体（体系）的有效能可由下列四个主要成分组成，即动能有效能、位能有效能、物理有效能和化学有效能。化学工业出版社化学工业出版社 n a 动能有效能 流体的动能可以全部转化成有效的功，因此流体的动能即属于有效能。动能项中的线速度为物系与地球表面的相对线速度。b 位能有效能 流体的位能同样也可以全部转化为有效的功，因此流体的位能也即属于有效能。位能项中的位高是以当地环境海平面为零

4、作基准的。xkExpE化学工业出版社化学工业出版社 n c 物理有效能 物系由所处的状态到达仅与环境成热平衡和力平衡而未达到化学平衡状态所提供的理想功为该物系的物理有效能。也就是说，物系因温度和压力与环境的温度和压力不同所具有的有效能称为物理有效能。平衡时，体系和环境具有物理界限分隔，两者相互不混和，也不发生化学反应，但此时体系的温度和压力与环境的温度和压力相等。xphE化学工业出版社化学工业出版社 n d 化学有效能 体系从与环境仅成热平衡和力平衡的状态到达与环境完全平衡的状态时所提供的理想功即为该体系的化学有效能。这也就是说，体系由于组成和环境组成不同所具有的有效能称为化学有效能。所谓完全

5、平衡是指体系和环境既有热平衡、力平衡且又有化学平衡的平衡。此时体系与环境除温度、压力相等外，体系的组成还与环境物质相互混了或者发生化学反应。通常，体系由热平衡且力平衡的状态到达完全平衡的状态，须经化学反应与物理扩散两个过程。化学反应是将原体系的物质转化成环境物质（基准物）。物理扩散指原体系或经化学反应后生成物的浓度变到与环境中基准物浓度相同的过程。xcE化学工业出版社化学工业出版社 n 稳定流动过程流体的有效能应由四个有效能成分组成，即： 通常计算稳流流体经过敞开体系（指某设备装置）的有效能时，由于一般情况下敞开体系进出口流体的动能与位能变化很小， 和 之值要比 和 小得多，往往可以忽路不计。

6、如果在特定情况下，如蒸汽喷射泵的出口处，蒸汽 较大，则不能忽略。xxkxpxphxcEEEEExkExpExphExcExkE化学工业出版社化学工业出版社 n 有效能的计算有效能的计算化工过程中，比较常见的是稳流体系。因此，下面以稳流体系为例，讨论有效能的计算。对于稳流体系，由状态1变到状态2，其动能、位能变化可略而不计时，则过程的理想功为：故当体系由任意状态变至基态时，根据有效能的定义，得稳流体系在任意状态时有效能的计算式为：这是有效能的基本计算公式，它适用于各种物理的、化学的或两者兼而有之的有效能计算。 20210121021idWHT SHT SHHTSS000idWHHTSS化学工业出

7、版社化学工业出版社 n 在基态时 均可视为常数，故体系的有效能仅决定于体系的状态，它是状态函数。根据定义式可分别求出体系在始态（ 、 ）和终态（ 、 ）时的有效能 与 ，二者之差为：即 式中 为有效能的变化。由上式可见，体系由状态1可逆变化到状态2时，过程的理想功等于体系有效能的减少。当 0时，体系可对外做功，所做的功最大为 ；当 0时，要实现体系的状态变化就必须消耗外功，所消耗的功最小为 。 0000,P T HS1p1T2p2T1xE2xE2121021XXidEEHHTSSW210XXXidEEEHTSW XidEWXEXEXEidWidW化学工业出版社化学工业出版社 n 无效能无效能在

8、给定环境下，能量可转变为有用功的部分称为有效能；余下的不能转变为有用功的部称为无效能。能量由有效能与无效能两个部分组成。 由此可见，在不可逆过程中，有部分有效能降级变为无效能而不能做功，其总的有效能的损失等于损耗功。总之，能量可分为有效能与无效能两个部分。有效能是能量的有用部分，是宝贵的，得花一定的代价才能得到；无效能则到处都有。因此，节能的实质是节有效能。根据热力学第一定律，总能量是守恒的，即： 0 xSLStEWWWTS0XNd EA化学工业出版社化学工业出版社 n 但按热力学第二定律，不可逆过程都有功损耗，功损耗也就是有效能损失，因此不可逆过程有效能的数值是减少的， 。由于总能量守恒，有

9、效能的数值减少则无效能的数值必定增加， 。无效能的增加量等于有效能的减少量 损耗功就是不可逆过程中有效能转化为无效能的量，故视其为能量贬质的量度。对于可逆过程，则有效能是守恒的。0Xd E0Nd A 0 xNd Ed A化学工业出版社化学工业出版社 n 由前述讨论可以将用能过程的热力学第二定律表述为：1、在一切不可逆过程中，有效能转化为无效能。2、只有可逆过程，有效能才能守恒。3、由无效能转化为有效能是不可能的。化学工业出版社化学工业出版社 n 有效能衡算有效能衡算对一个体系或过程做出物料和能量平衡，并且根据各股物流及能流的热力学性质，求出它们单位质量（或能量）的有效能之后，可以进行该体系或过

10、程的有效能衡算，从而确定体系或某一工序产生的有效能损失，查明有效能转化、传递、利用和损失的情况，以便确定节能改造的最佳途径，以达到合理用能之目的。在完全可逆的情况下，理论上对某一耗能产物进行有效能衡算，可以确定该产品的理论能耗和生产过程的理想功，它可作为衡量实际能耗的理论依据。化学工业出版社化学工业出版社 n 由于任何不可逆过程必引起有效能的损失，因此在建立有效能平衡方程时，与能量衡算并非一样。能量衡算中，输入的各项能量之总和恒等于输出的各项能量之总和；而有效能的输入与输出是否相等，则要看过程是否可逆。对不可逆过程，必附加一项有效能损失。现以稳流过程为例，建立有效能平衡方程。设有如图所示的具有

11、多股物流进出的，和外界有热功交换的敞开体系稳流过程。进入体系的物流有效能为 ；离开体系的物流有效能为 。进入体系的热流有效能（热量有效能）为 。（EXQ中的Q可正也可负）；离开体系的功流为 ( WS可正也可负）。XiiniEXjoutjEkXQkEsjjW化学工业出版社化学工业出版社 n 化学工业出版社化学工业出版社 n 对于可逆过程，体系内部无有效能损失，损耗功为零，有效能是守恒的。因此有效能平衡方程为：kXiXQXjsjinoutikjjEEEW化学工业出版社化学工业出版社 n 对于不可逆过程，体系内部存在有效能损耗，损耗功小于零，有效能数值减少，无效能数值增加。其有效能平衡方程为：上式即

12、为不可逆稳流过程的有效能平衡方程。有效能平衡方程的主要用途是确定体系（系列设备或单体设备）的内部有效能损失。上式移项后即为内部有效能损失的计算式：kXiXQXjsjLiinoutikjjiEEEWWkLiXiXQXjsjinoutiikjjWEEEW化学工业出版社化学工业出版社 n 右边各项值可根据可测参数（如温度、压力、流量、组成、电压和电流等）直接求得。由此可见，因过程的不可逆性引起的有效能损失可有两种计算方法。一种是根据损耗功的定义，通过计算参与过程的有关体系组成的孤立体系的总熵变，从而求得损耗功；另一种方法是通过有效能衡算，来计算过程和装置的损耗功。此时需要计算各物流及能流的有效能，然

13、后进行有效能平衡，从而确定有效能的损失。由于熵增法（ ）求 时，对体系的选取是有限制的，所以有效能衡算法较熵增法往往要方便些。0LtWTS tS化学工业出版社化学工业出版社 n 对于有动能、位能和组成变化的稳流过程，物料有效能应包括动能有效能、位能有效能、物理有效能、化学有效能。对于恒组成稳流过程，有效能损失的衡算式可以写成202klLiXQllllsjikjuWEHTSmg ZW 化学工业出版社化学工业出版社 n 具体应用时，根据不同情况有下述几种简化形式。化学工业出版社化学工业出版社 n 化学工业出版社化学工业出版社 n 化学工业出版社化学工业出版社 n 化学工业出版社化学工业出版社 n 化学工业出版社化学工业出版社 n 看起来，有效能衡算方程与普通的能量衡算方程颇为相似，但存在着几点实质性的区别。a普通能量衡算的依据是热力学第一定律；而有效能衡算的依据是热力学第一、第二定律，因此，有效能衡算的结果能更全面、更深刻地反映过程进行的情况；b能量是守恒的，但在一切实际过程中有效能并不守恒，由于过程的不可逆性，使部分有效能转化为无效能而损失掉；化学工业出版社化学工业出版社 n c普通能量衡算是不同品位能量总量的数量衡算，它只能反映体系中能量的数量利用情况；而有效能衡