矿大(北京)化工热力学06第六章(328)

1、第第6 6章章 化工过程的能量分析化工过程的能量分析 化工过程需要消耗大量能量，化工过程需要消耗大量能量，提高能量利提高能量利用率、合理地使用能量用率、合理地使用能量已成为人们共同关心的已成为人们共同关心的问题。从最原始的意义上来说，热力学是研究问题。从最原始的意义上来说，热力学是研究能量的科学，用热力学的观点、方法来指导能能量的科学，用热力学的观点、方法来指导能量的合理使用已成为现代热力学一大任务。量的合理使用已成为现代热力学一大任务。 进行化工过程能量分析的理论基础是进行化工过程能量分析的理论基础是 热力学第一定律热力学第一定律 热力学第二定律热力学第二定律 在在“物化物化”课程中我们已经

2、学习过热力学两大定课程中我们已经学习过热力学两大定律，利用这两大定律可以计算过程的热和功，以及判律，利用这两大定律可以计算过程的热和功，以及判断过程的方向和限度。断过程的方向和限度。 但但“物化物化”上上着重着重介绍两大定律在介绍两大定律在封闭系统封闭系统中的中的应用，而在实际化工生产中大量遇到的是应用，而在实际化工生产中大量遇到的是敞开体系敞开体系，这类体系中进行的是这类体系中进行的是流动过程流动过程，因此在化工热力学，因此在化工热力学课程中进一步讨论课程中进一步讨论两大定律对流动过程两大定律对流动过程的应用。的应用。6.1 6.1 能量平衡方程能量平衡方程6.1.1 能量守恒与转化能量守恒

3、与转化 自然界的物质是千变万化的，但就其自然界的物质是千变万化的，但就其数量数量来说是来说是不变的，不变的，能量能量也是守恒的，热力学第一定律明确表也是守恒的，热力学第一定律明确表明了自然界中能量的多种形式之间是可以相互转换明了自然界中能量的多种形式之间是可以相互转换的，但只能是等量相互转换，这就说明能量既不能的，但只能是等量相互转换，这就说明能量既不能被消灭，也不能凭空产生，必须遵循守恒规律。被消灭，也不能凭空产生，必须遵循守恒规律。用数学式来表示就是用数学式来表示就是（体系的能量）体系的能量）+（环境的能量）环境的能量）= 0或或（体系的能量）体系的能量）= -（环境的能量）环境的能量）6

4、.1.1 能量守恒与转化能量守恒与转化体系的概念体系的概念1 1、封闭体系（限定质量体系）、封闭体系（限定质量体系） 与环境仅有能量交换，而无质量交换，体系内部是固定的。2 2、敞开体系（限定容积体系）、敞开体系（限定容积体系） 与环境既有能量交换也有质量交换。由于敞开体系与环境有物质交换，因此，体系内部的物质是不断更新的，敞开体系实际是以一定一定空间范围空间范围为研究对象的。3 3、稳流过程、稳流过程 敞开体系中发生的过程为流动过程，如果流动过程进行时，限定容积体系内任一点的状态都不随时间而变（但各点状态可以不同），则此过程称为稳定流动过程，简称稳流过程。化工生产中大都为稳定流动体系化工生产

5、中大都为稳定流动体系4 4、均流过程、均流过程 如果在流动过程中的任何时刻，整个限定容积内物质的状态是均匀的，限定容积内任一点都处于相同的状态（但整个限定容积内的状态随时间而变），则此过程称为均匀流动过程，简称均流过程。如：钢瓶充气或排气的过程如：钢瓶充气或排气的过程6.1.2 能量平衡方程能量平衡方程“物化物化”中我们已经讨论了中我们已经讨论了封闭体系封闭体系的能量平衡的能量平衡方程，形式为方程，形式为： 体系吸热为正值，放热为负值；体系得功为体系吸热为正值，放热为负值；体系得功为正值，对环境做功为负值。正值，对环境做功为负值。21VVRpdVW体积膨胀功体积膨胀功能量通常有以下几种能量通常

6、有以下几种（储存能和传递能）（储存能和传递能）p(1) 内能U 系统内部所有粒子除整体势能和整体动能外，全部能量的总和。n分子内动能：分子内动能：分子不是静止，在任一时刻做平动、转动和振动。n分子内势能：分子内势能：分子间具有相互作用力，同时分子间存在相互间的距离。n分子内部的能量：分子内部的能量：分子由原子构成，原子由原子核和核外高速运转的电子构成，它们会带来一定能量。p(2) 动能EK 物质具有质量m，并且以速度u 运动，物系动能EK = 1/2 mu2 。p(3) 重力势能Ep 物质具有质量m，并且与势能基准面的垂直距离为z，物系就具有势能EK =mgz 。p(4) 热Q 由于温差而引起

7、的能量传递叫做热。规定物系得到热时Q 为正值，物系向环境放热时Q 为负值。p(5) 功W 除热Q 之外的能量传递均叫做功。物系得到功作用，记为正值；而物系向环境做功，记为负值。能量通常有以下几种：能量通常有以下几种：容量性质的数量衡算：容量性质的数量衡算：进入体系的量进入体系的量- 离开体系的量离开体系的量= 体系积累的量体系积累的量可得到体系的物料平衡和能量平衡方程式可得到体系的物料平衡和能量平衡方程式物料平衡方程：物料平衡方程：6.1.2 能量平衡方程能量平衡方程体系dmmm21能量平衡方程：能量平衡方程：进入体系的能量进入体系的能量= 微元体本身具有的能量微元体本身具有的能量 + 环境对

8、微元体所作的环境对微元体所作的流动功流动功 + 环境传入的热量环境传入的热量11mE111mVpQ进入体系的能量进入体系的能量- -离开体系的能量离开体系的能量= =体系积累的能量体系积累的能量能量平衡方程：能量平衡方程：离开体系的能量离开体系的能量= 微元体带出的能量微元体带出的能量 + 流体对环境所作的流体对环境所作的流动功流动功 + 体系对环境所作的轴功体系对环境所作的轴功体系积累的能量体系积累的能量=22mE222mVpSW体系mEd能量平衡方程：能量平衡方程：注意：注意： E 单位质量单位质量流体的流体的总能量总能量，它包含有内能、动，它包含有内能、动能和位能。能和位能。gZuUEE

9、UEpk22体系mEdWmVpmEQmVpmES2212221111能量平衡方程：能量平衡方程： pV 流动功流动功，表示单位质量流体对环境或环境，表示单位质量流体对环境或环境对流体所作的功。对流体所作的功。pApVdlW流流 =力距离力距离= pA dl = pV1111111VpAVApW如：由于工质的进出，外界与系统之间所传递的一由于工质的进出，外界与系统之间所传递的一种机械功，表现为流动工质进出系统使所携带和所传递的种机械功，表现为流动工质进出系统使所携带和所传递的一种能量。一种能量。p1V1输入流动功，环境对体系做功输入流动功，环境对体系做功p2V2输出流动功，体系对环境做功输出流动

10、功，体系对环境做功对流动功的说明对流动功的说明1、与宏观、与宏观流动流动有关，流动停止，有关，流动停止，流动流动功不存在。功不存在。2、作用过程中，工质仅发生、作用过程中，工质仅发生位置位置变化，变化，无状态无状态变化。变化。3、W流流pV与所处状态有关，是与所处状态有关，是状态量状态量。4、并非工质、并非工质本身的能量本身的能量（动能、位能）变化引起，（动能、位能）变化引起， 而由外界做出，而由外界做出，流动工质流动工质所携带的能量。所携带的能量。 Ws 单位流体通过单位流体通过设备的设备的运动机构运动机构时，由时，由轴传递轴传递的流体对环境或环境对流体所作的功的流体对环境或环境对流体所作的

11、功。可逆功：可逆功：可逆可逆轴轴功功为为RSVVRWVpVppdVW11222121212211)(ppVVVpVpVdppdVpVd21ppRSVdpW对于液体，在积分时一般可将对于液体，在积分时一般可将V当作常数。当作常数。对于气体怎么办？对于气体怎么办？ 能量平衡方程的一般形式：能量平衡方程的一般形式：gZuUEEUEpk22pVUHsWQmgZupVUmgZupVUmEd体系）（）（22)(2112sWQmgZuHmgZuHmEd体系）（）（22)(2112普遍化的能量平衡方程：普遍化的能量平衡方程：不受流体属性的限制，也不受其过程的限制。不受流体属性的限制，也不受其过程的限制。6.1

12、.3 能量平衡方程的应用能量平衡方程的应用1 1）封闭体系）封闭体系：限定质量体系，无质量交换：限定质量体系，无质量交换sWQmEd体系)(mmm21021dmmmsWQmdE 封闭体系过程封闭体系过程通常都不能引起外部的势能或动能通常都不能引起外部的势能或动能变化，只能引起内能的变化。变化，只能引起内能的变化。gZuUE22sWQdU单位质量的封闭体系单位质量的封闭体系：sWQmgZuHmgZuHmEd体系）（）（22)(21122 2）稳定流动体系）稳定流动体系sWQmgZuHmgZuHmEd体系）（）（22)(2112mmm21mmm21稳定流动体系没有物质及能量的积累稳定流动体系没有物

13、质及能量的积累0)(体系mEd0222112sWQmgZuHmgZuH）（）（sWQZguH22单位质量稳流体系的能量方程：单位质量稳流体系的能量方程：注意：注意： 单位要一致，且用单位要一致，且用国际单位制国际单位制，若用工程单位制，所，若用工程单位制，所得公式与此式不同；得公式与此式不同； 式中式中Q和和WS为代数值，即：为代数值，即：Q以体系吸热为正，以体系吸热为正，WS以以体系得功体系得功(环境对体系做功）为正；环境对体系做功）为正； 应用条件是应用条件是稳定流动体系稳定流动体系，不受过程是否可逆或流体，不受过程是否可逆或流体性质的影响。性质的影响。kgJkgmNskgmkgsm222

14、2sWQZguH22一些常见的属于稳流体系的装置一些常见的属于稳流体系的装置喷嘴喷嘴扩压管扩压管节流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流体输送、增压或减压设备流体输送、增压或减压设备提高流体压力：泵、压缩机、风机等（消耗功消耗功）降低流体压力：膨胀机（透平）（产出功产出功）能量平衡方程的应用与简化能量平衡方程的应用与简化sWQZguH22透平机透平机是借助流体的减压和降温是借助流体的减压和降温过程来产出功过程来产出功。压缩机压缩机可以提高流体的压力，但可以提高流体的压力，但是要消耗功。是要消耗功。 单级透平结构图（单级透平结构图（Turbine）是否存在轴功?是是

15、! !是否和环境交换热量?通常可以忽略通常可以忽略位能是否变化?不变化或者可以忽略不变化或者可以忽略动能是否变化？通常可以忽略通常可以忽略流体输送、增压或减压设备流体输送、增压或减压设备sWQzguH22绝热压缩或膨胀过程：绝热压缩或膨胀过程： 整个换热设备与环境交换的热量可以忽略不计，换热设备内部两股物流存在热量交换。0jjiiHxHxH入出4231HxHxHxHxBABABABBBAAAmmmxmmmx mA和mB分别为流体A和流体B的质量流量 换热设备换热设备换热设备换热设备热交换器（蒸发器、冷凝器）、反应器、加热炉和传质设备（吸收器、蒸馏塔和增/减湿器） Ek=0；Ep=0 ；WS=0

16、 体系状态变化，如发生化学反应、体系状态变化，如发生化学反应、相变化、温度变化时与环境交换相变化、温度变化时与环境交换的热量（反应热、相变热、显热）的热量（反应热、相变热、显热）等于体系的焓差。等于体系的焓差。sWQZguH22例例解sWQzguH22 30 的空气，以5m/s的流速流过一垂直安装的热交换器，被加热到150 ，若换热器进出口管直径相等，忽略空气流过换热器的压降，换热器高度为3m，空气Cp=1.005kJ(kgK)，求50kg空气从换热器吸收的热量。kJ.TTCmHmP603030342300515012dpTVTVdTCdHpp将空气当作理想气体，并将空气当作理想气体，并忽略压

17、降时忽略压降时1122VTVTAuTAuT1122s/m.TTuu98630342351212kJ.J.um5930593259865021222换热器的动能变化和位能变化可以忽略不计换热器的动能变化和位能变化可以忽略不计kJ.J.zmg47211472381950kJ.Q6032472159306030 对化工机器的绝热过程对化工机器的绝热过程Ek=0；Ep=0 ；在绝热情况下，当动能和位能的变化相对很小时，在绝热情况下，当动能和位能的变化相对很小时，体体系对环境所做的功等于体系焓的减少系对环境所做的功等于体系焓的减少，功和热都是过，功和热都是过程的函数，但焓是状态函数，在特定条件下就可以利

18、程的函数，但焓是状态函数，在特定条件下就可以利用流体经过运转设备进出口的焓差计算功，不论是什用流体经过运转设备进出口的焓差计算功，不论是什么工质，也不论过程是否可逆，这个式子总是成立。么工质，也不论过程是否可逆，这个式子总是成立。sWQZguH22阀门的节流阀门的节流将流体通过阀门前后所发生的状态变化。节流过程节流过程 throttling process Ek=0；Ep=0 ；Ws=0；sWQZguH22理想气体通过节流阀温度不变理想气体通过节流阀温度不变混合设备混合设备 混合两种或多种流体是很常见。混合两种或多种流体是很常见。混合器混合器sWQzguH22混合设备混合设备是否存在轴功?否否

19、是否和环境交换热量?通常可以忽略通常可以忽略位能是否变化?否否动能是否变化?否否0H当不止一个输入物流或（和）输出物流时 Hi为单位质量第i股输出物流的焓值，xi为第i股输出物流占整个输出物流的质量分数。 Hj为单位质量第j股输入物流的焓值，xj为第j股输入物流占整个输入物流的质量分数。jjiiHxHxH入出mmxmmxjjii为一股物流的质量流量。jimmmmmji入出m 为总质量流量。混合设备混合设备 1 3 2 混合器混合器0jjiiHxHxH入出32211HHxHx121 xx例例 1.5MPa的湿蒸汽在量热计中被节流到的湿蒸汽在量热计中被节流到0.1MPa和和403.15K，求湿蒸汽

20、的干度。，求湿蒸汽的干度。解sWQzguH22节流过程无功的传递， 忽略散热、动能变化 和位能变化12HHT H kJ/kg1202716.6130H21602796.26271622796627161201601201302.Hkg/kJ.H5273621.5MPa 饱和液体焓值 Hl=844.9 饱和蒸汽焓值 Hg=2792.2xHxHHgl115273612.HH970909844227929844527361.HHHHxlgl 喷嘴与扩压管喷嘴与扩压管 进出口的截面积变化很大进出口的截面积变化很大喷嘴：流体流动时沿着流动方向喷嘴：流体流动时沿着流动方向压力降低压力降低，流速加快流速加快

21、。扩压管：流体流动时沿着流动方向扩压管：流体流动时沿着流动方向压力升高压力升高，流速减缓流速减缓。喷嘴喷嘴扩压管扩压管 Ep=0 ；Ws=0；Hu22Venturi 喉管喉管sWQZguH22 机械能平衡方程机械能平衡方程 Bernoulli方程方程管路及流体输送管路及流体输送 Ws=0；SSWQZgupVUWQZguH2)(222流体不可压缩ppVpV)(022ZgupBernoulli方程方程泵水例：例：现利用功率为现利用功率为2.0kW的泵将的泵将95、流、流量为量为3.5kgS-1的热水从的热水从低位贮水槽抽出，经过低位贮水槽抽出，经过热交换器以热交换器以698kJ S-1的速率冷却，

22、送入高出的速率冷却，送入高出15m的高位贮水槽，试的高位贮水槽，试求高位贮水槽的水温。求高位贮水槽的水温。sWQZguH22解：体系的输入与输出相等，m1=m2，故以1kg水为计算基准，有输入功1571. 05 . 30 . 2kgkJWS输出热14 .1995 . 3698kgkJQ位能变化11472. 01581. 9kgkJZg11991472. 05714. 0)4 .199(kgkJZgWQHs由饱和蒸汽表知，95的饱和热水的焓值为H1=397.96kJkg-1，故1120 .19996.198)0 .199(96.397kgkJHHH再查饱和蒸汽表，反推出高位贮槽的水温为47.5s

23、WQZguH22 热力学第一定律是从热力学第一定律是从能量传递或转换过程能量传递或转换过程中总中总结出来的一条客观规律。凡违背热力学第一定律结出来的一条客观规律。凡违背热力学第一定律的过程一定不会发生，但不违背热力学第一定律的过程一定不会发生，但不违背热力学第一定律的过程是否一定会的过程是否一定会自发发生自发发生呢？这个问题热力学呢？这个问题热力学第一定律是回答不了的，必须用热力学第二定律。第一定律是回答不了的，必须用热力学第二定律。6.2 6.2 功热间的转化功热间的转化6.2 6.2 功热间的转化功热间的转化热力学第二定律热力学第二定律 克劳修斯说法：克劳修斯说法：热不可能自动从低温物体传

24、给高温热不可能自动从低温物体传给高温物体。物体。开尔文说法：开尔文说法：不可能从单一热源吸热使之完全变为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他变化。有用的功而不引起其他变化。 热力学第二定律说明过程按照热力学第二定律说明过程按照特定方向特定方向，而不是按照，而不是按照任意方向任意方向进行。进行。 自然界中的物理过程能够自然界中的物理过程能够自发地向平衡方向自发地向平衡方向进行。进行。6.2 6.2 功热间的转化功热间的转化由物化知道，热力学第一定律主要解决由物化知道，热力学第一定律主要解决自然自然界能量守恒问题界能量守恒问题，而热力学第二定律主要解，而热力学第二定律主要解决决方向

25、和限度问题方向和限度问题。0孤立S0 0 可逆时可逆时=0 =0 不可逆时不可逆时对孤立体系对孤立体系 1）基本概念）基本概念自发过程自发过程是不消耗功即可进行的过程；是不消耗功即可进行的过程；非自发过程非自发过程需要消耗功才可进行。需要消耗功才可进行。如：夏天水变成冰就是非自发过程，如：夏天水变成冰就是非自发过程， 冬天水变成冰就是自发过程。冬天水变成冰就是自发过程。可逆过程：可逆过程：没有摩擦，推动力无限小，因此过程进行无没有摩擦，推动力无限小，因此过程进行无限慢，体系内部均匀一致，处于热力学平衡；限慢，体系内部均匀一致，处于热力学平衡；对产功的对产功的可逆过程，产功最大可逆过程，产功最大

26、；对耗功的可逆过程，耗功最小对耗功的可逆过程，耗功最小；逆向进行时，体系恢复始态，环境不留下任何痕迹，也逆向进行时，体系恢复始态，环境不留下任何痕迹，也就是没有功热得失及状态变化。就是没有功热得失及状态变化。 1 1）基本概念）基本概念pdVWRTdSQR VdPWSR不可逆过程不可逆过程：有摩擦，过程进行有一定速度，体系内部：有摩擦，过程进行有一定速度，体系内部不均匀（有扰动、涡流等现象），逆向进行时体系恢复不均匀（有扰动、涡流等现象），逆向进行时体系恢复始态，环境留下痕迹，如果与相同始、终态的可逆过程始态，环境留下痕迹，如果与相同始、终态的可逆过程相比较，产功小于可逆过程，耗功大于可逆过程

27、。相比较，产功小于可逆过程，耗功大于可逆过程。 1 1）基本概念）基本概念2 2）热功转换与热量传递的方向和限度）热功转换与热量传递的方向和限度 自然界中的许多过程，如热从高温物体传递给低温物自然界中的许多过程，如热从高温物体传递给低温物体，气体向真空或低压膨胀，由高处流向低处这些过程都体，气体向真空或低压膨胀，由高处流向低处这些过程都不需要借助外力不需要借助外力即可进行。自然界中类似的自发过程的进即可进行。自然界中类似的自发过程的进行行有一定的方向性有一定的方向性。水往低处流气体由高压向低压膨胀热由高温物体传向低温物体 热量传递的热量传递的方向性方向性是指高温物体可自发向低是指高温物体可自发

28、向低温物体传热，而低温物体向高温物体传热则必温物体传热，而低温物体向高温物体传热则必须消耗功。热量传递的须消耗功。热量传递的限度限度是温度达到一致，是温度达到一致，不存在温差。不存在温差。热量传递的方向与限度热量传递的方向与限度动力机械：热动力机械：热 功功制冷设备：制冷设备： 功功 热热能量质量的差异能量质量的差异某种形式能的“品质”（quality）取决于其它形式转换的能力。热量传递的方向与限度热量传递的方向与限度（1）可无限转换的能量可无限转换的能量：机械能（水的动能和位能）、电磁能和风能等。能量的品质与数量完全统一，可认为是品质完美的能量。（2）有限转换的能量有限转换的能量：各种热过程

29、释放的热。不能单纯用它的数量来度量它的品质，可认为是品质有限的能量。（3）不可转换的能量不可转换的能量：环境介质的内能。在环境条件下已无法无限制地转换为其它形式的能量。能量质量的差异能量质量的差异热功转换的方向性是指热功转换的方向性是指功可以完全转化为热，而功可以完全转化为热，而热只能部分转化为功热只能部分转化为功。 由于由于热热是是无序无序能量，而能量，而功功是是有序有序能量，自然界都遵能量，自然界都遵循这样一个规律：有序运动可以自发转变为无序运动，循这样一个规律：有序运动可以自发转变为无序运动，而无序运动不能自发转变为有序运动。而无序运动不能自发转变为有序运动。热功转换的方向热功转换的方向

30、正卡诺循环正卡诺循环和和逆卡诺循环逆卡诺循环。正卡诺循环正卡诺循环是指工质吸热温是指工质吸热温度高于排热温度，是产功过度高于排热温度，是产功过程；（热电厂、蒸汽机）程；（热电厂、蒸汽机）逆卡诺循环逆卡诺循环是指吸热温度低是指吸热温度低于排热温度，是耗功过程。于排热温度，是耗功过程。（空调、冰机、热泵）（空调、冰机、热泵）热功转换的限度热功转换的限度卡诺循环卡诺循环 卡诺循环是热力学的基卡诺循环是热力学的基本循环，它由本循环，它由四个可逆过四个可逆过程程完成一个工作循环，卡完成一个工作循环，卡诺循环解决了工质从高温诺循环解决了工质从高温热源吸收的热量转换为功热源吸收的热量转换为功的的最大限度最大

31、限度。热功转换的限度热功转换的限度卡诺循环卡诺循环高温热源 TH低温热源 TLCarnotCarnot循环（正热力循环，产功）循环（正热力循环，产功）4个过程个过程可逆等温膨胀可逆等温膨胀12 工作介质蒸发，吸热工作介质蒸发，吸热QH可逆绝热膨胀可逆绝热膨胀23 做功做功WC可逆等温压缩可逆等温压缩34 工作介质冷凝放热工作介质冷凝放热QL可逆绝热压缩可逆绝热压缩41 对液体做功（可忽略）对液体做功（可忽略）sWQZguH22卡诺循环的热效率最大卡诺循环的热效率最大, ,可以根据热力学第一定律可以根据热力学第一定律推出卡诺循环的热效率。推出卡诺循环的热效率。 H 为状态函数，工质通过一个循环为

32、状态函数，工质通过一个循环H= 0 CarnotCarnot循环（正热力循环，产功）循环（正热力循环，产功） 卡诺循环的结果是热部分地转化为功，其经济性用卡诺循环的结果是热部分地转化为功，其经济性用热热效率效率来评价。热效率的物理意义为工质从高温热源吸收来评价。热效率的物理意义为工质从高温热源吸收的热量转化为净功的比率。的热量转化为净功的比率。CarnotCarnot循环（正热力循环，产功）循环（正热力循环，产功）CarnotCarnot循环（正热力循环，产功）循环（正热力循环，产功）)()()(123412SSTSSTQSSTQLLLHHHLHLHHLHcTTTTTSSTSSTSST1)()

33、()(121212 TdSQRHLcTT1注意注意: : 0=00时，体系内部的过程不可逆或自发时，体系内部的过程不可逆或自发v当当 S产生产生=0时，体系内部的过程可逆或平衡；时，体系内部的过程可逆或平衡；v当当 S产生产生T2TQdSTQdS11TTTTQTQTQdSdSdS1111TTTTQTdEl110因温差传热过程而引起因温差传热过程而引起的有效能的损失的有效能的损失传热过程传热过程 传热过程有效能损失是存在的，当冷热流体的温度传热过程有效能损失是存在的，当冷热流体的温度一定时，一定时，传热温差愈大传热温差愈大，有效能的损失愈多；当冷热，有效能的损失愈多；当冷热流体的温差一定时，则流

34、体的温差一定时，则有效能与冷热流体温度的乘积有效能与冷热流体温度的乘积成反比成反比。 在在低温工程低温工程中，为了减少有效能的损失，采用中，为了减少有效能的损失，采用较小较小的传热温差的传热温差；在；在高温传热高温传热下，下，温差可取得较大一些温差可取得较大一些，使换热面积不至于过大。使换热面积不至于过大。传热过程传热过程TTTTQTdEl110 流体输送过程流体输送过程VdpTdSdH封闭体系：封闭体系：稳流体系：稳流体系：SWQdH0dHdpTVdS总假设体系与环境之间既无热也功的交换，一般管道中的输送假设体系与环境之间既无热也功的交换，一般管道中的输送dpTVTdEl0有效能的损失：有效

35、能的损失： El p 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稳定流动过程要减少有效能损失，首先要考虑稳定流动过程要减少有效能损失，首先要考虑减少压减少压力降力降，但欲使压力降减少，必然使，但欲使压力降减少，必然使流速降低流速降低，使，使设备设备费用增加费用增加。因此考虑能量的合理利用的同时，还要考。因此考虑能量的合理利用的同时，还要考虑虑设备材料费用设备材料费用的问题。的问题。 流体输送过程流体输送过程dpTVTdEl0 对于敞开体系，体系与环境既有能量交换，又有质量对于敞开体系，体系与环境既有能量交换，又有质量传递。发生传质的原因是传递。发生传质

36、的原因是两相的化学位两相的化学位不等。不等。 传质过程传质过程ikiiiidnTnSddndpnVnSTdnHdi1)()()()()(TT 略去压力变化略去压力变化传质过程中有效能损失为传质过程中有效能损失为iiiaRTln0iiiaaRTilnikiiidnaaRnSd1ln)(ikiiildnaaRTnSdTE100ln)(传质过程传质过程注意注意 有效能损失在有效能损失在任何不可逆过程任何不可逆过程中都是存在的；中都是存在的； 有效能损失的大小与过程的有效能损失的大小与过程的推动力推动力有关，推动力有关，推动力增大，则有效能损失增大。增大，则有效能损失增大。例例 裂解气在中冷塔中分离，

37、塔的操作裂解气在中冷塔中分离，塔的操作压力为压力为3.444MPa，液态烃（由液态烃（由C2、C3、C4等组成）由塔底进入再沸器，其温等组成）由塔底进入再沸器，其温度为度为45；经；经0.1965MP的饱和蒸汽加的饱和蒸汽加热蒸发回到塔内。已知再沸器中冷凝热蒸发回到塔内。已知再沸器中冷凝水为水为40 ，大气温度大气温度0为为20 ，液液态烃在态烃在45 ，3.444MPa下汽化热为下汽化热为293kJ/kg。汽化熵为汽化熵为0.921kJ/(kg.K)。求算加热前后液态烃，水蒸气的有效求算加热前后液态烃，水蒸气的有效能变化及损失功。能变化及损失功。 T0=293K,3.444MP,318K下下

38、 烃烃 Hv=293kJ/kg Sv=0.921kJ/(kg.K) 0.1965MP的饱和蒸汽的饱和蒸汽，查表查表T=392.6KH气气=2706kJ/kg,S气气=7.133kJ/(kg.K)40饱和水饱和水 查表查表H水水=167.4kJ/kg, S水水=0.572kJ/(kg.K) 解：解：求消耗求消耗1kg水蒸气能蒸发液烃的量水蒸气能蒸发液烃的量mmHv=H水气水气-H水水（热量衡算）（热量衡算）m=( H水气水气-H水水)/Hv=(2706-167.4)/293=8.66kg烃烃液态烃有效能变化液态烃有效能变化Ex1=m To(S0-S1)-(H0-H1)Ex2=m To(S0-S2

39、)-(H0-H2)Ex=Ex2-Ex1=m (Hv- ToSv)=8.66(293-293*0.921)=201kJ)()(0SSTHHEx气水气水蒸气 水蒸气有效能变化水蒸气有效能变化=(167.4-2706)-293(0.572-7.133)=-616KJ ) (293)(SSSSSTSTWvotoLm气水水烃KJ415)1337.7572.0(921.066.8293（4）求）求WLKJEl4156.6 6.6 有效能衡算及有效能效率有效能衡算及有效能效率6.6.1 6.6.1 有效能衡算方程有效能衡算方程稳流体系稳流体系热力学第一定律热力学第一定律: :热力学第二定律热力学第二定律:

40、:TQSTQS0TQTQSS0S0STQSmSmoutoutinininoutinoutggoutiiiniiout, soutoutin, sininWQHWQHout, sout0out0out00outin, sin0in0in00in000out, sout0outout0outin, sin0inin0inWTT1QSSTHHWTT1QSSTHHSTHWTT1QSTHWTT1QSTH两边都减去outoutininW,xQ,xout,xW,xQ,xin,xEEEEEElW,xQ,xout,xW,xQ,xin,xEEEEEEEoutoutininloutxinxEEE有效能衡算有效能衡算有效能的损失有效能的损失有效能衡算法有效能衡算法总STEl06