化工能量分析

化工能量分析2024/3/30化工能量分析(3)稳定流动过程

dE=0E入+Q=E出+WW包括轴功WS和流动功WF两项

对于1kg流体：

化工能量分析进入时，后面流体推动它，所作流动功为A截为截面积，V为比容敞开系统的流动功为稳流过程热力学第一定律，稳流过程总能量衡算式

化工能量分析例：有一燃气轮机装置如图2-16所示。空气流量m=10kg/s；在压气机进口处空气的焓h1=290kJ/kg；经过压气机压缩后，空气的焓升为580kJ/kg；在燃烧室中喷油燃烧生成高温燃气，其焓为h3=1250kJ/kg；在燃气轮机中膨胀作功后，焓降低为h4=780kJ/kg；然后排向大气。试求：(1)压气机消耗的功率；(2)燃料消耗量(已知燃料发热量HV=43960kJ/kg)；(3)燃气轮机产出的功率；(4)燃气轮机装置输出的功率。

化工能量分析解：稳定流动的能量衡算方程为

(1)压气机Q=0；Δc2=0；Δz=0-Ws=Wc=H2-H1=580-290=290kJ/kg消耗的功率为Pc=mWc=10×290=2900kW(2)燃烧室Δc2=0；Δz=0；Ws=0

Q=ΔH=H3-H2=1250-580=670kJ/kg燃料消耗量为mF=mQ/HV=10×670/43960=0.1524kg/s化工能量分析(3)燃气轮机Q=0；Δc2=0；Δz=0

Ws=-ΔH=H3-H4=1250-780=470kJ/kg燃气轮机发出的功率PT=mWs=10×470=4700kW(4)燃气轮机装置输出的功率P=PT–PC=4700-2900=1800kW化工能量分析10．热力学第一定律的应用(1)无热功交换、不可压缩流体稳流过程液体流动，Q=0，WS=0，ΔU=0密度为ρ

得

柏努利方程

化工能量分析(2)无热功交换、可压缩流体如气体经过管道、喷管、扩压管、节流装置(阀、孔板)Q=0，WS=0，gΔz≈0，则动能增加等于焓值降低绝热稳流方程式，设计喷咀的依据化工能量分析(3)绝热节流气体、液体节流时，若通道截面积不变，P变化较小，ρ变化较小，动能变化较小，为等焓过程H1=H2

理想气体T2=T1

实际气体化工能量分析(4)有大量热功交换的化工过程传热、化学反应过程、液体混合、气体压缩则对比ΔU=Q–W两个功不一样U静止物系的总能量，H流动物系的总能量(4.1)绝热过程Q=0，ΔH=–WS，如：气体绝热压缩、膨胀环境对系统作功，WS<0，ΔH>0，H↑系统对环境作功，WS>0，ΔH<0，H↓化工能量分析(4.2)无功交换过程WS=0，如：传热、化学反应、精馏、蒸发、结晶、萃取ΔH=Q热衡算基本式，应用广系统吸热，Q>0，ΔH>0，H↑系统放热，Q<0，ΔH<0，H↓没等压限制(静止、封闭系统ΔH=QP条件是等压)化工能量分析(5)充气过程p2≤p0

ΔE=m2U2-m1U1

W=-minp0v0=-(m2-m1)p0v0

绝热时，Q=0，充气前容器真空，p1=0，m1=0，理想气体

γ=Cp/Cv，化工能量分析充入容器的气体质量快速充气近似绝热。缓慢充气近似等温T2=T1

Q=(m2-m1)CV0(T1-γT0)化工能量分析(6)放气过程p2≥p0

ΔE=m2U2-m1U1

快速放气近似绝热,Q=0,化工能量分析理想气体

容器中剩余的气体质量放出气体的质量缓慢放气近似等温T2=T1

化工能量分析

Q=(p1-p2)V放出气体的质量

化工能量分析例5：某化肥厂生产半水煤气，其组成为：CO2：9%；CO：33%；H2：36%；N2：21.5%；CH4：0.5%；进变换炉时，水蒸汽与一氧化碳的摩尔比为6，温度为653.15K。设CO的反应转化率为85%，试计算出变换炉的气体温度。

化工能量分析解：物料衡算进入变换炉各组分组分CO2COH2N2H2OCH4kmol9333621.51980.5按CO变换反应298.15K下，摩尔反应热ΔH=-41198J/mol反应掉的CO量33×0.85=28.05kmol出变换炉组分

CO2COH2N2H2OCH4kmol37.054.9564.0521.5169.950.5与外界无热功交换，ΔH=Q-Ws=0炉内近似恒压，设计如下过程

化工能量分析

可得ΔH=ΔH1+ΔH2+ΔH3=0查气体(298.15K至653.15K)的平均比热，可得组分CO2COH2N2H2OCH4Cp43.529.8129.2229.6435.0445.34化工能量分析ΔH1=(ΣniCpi)ΔTΔH1=(9×43.5+33×29.81+36×29.22+21.5×29.6+198×35.04+0.5×45.34)×(298.15-653.15)=-3.56×106kJΔH2=28.05×(-41198)=-1.156×106kJ出口物的平均比热与T有关，设T=753.15K，查298.15K至753.15K的平均比热组分CO2COH2N2H2OCH4Cp44.7230.1029.2729.8935.5948.19ΔH3=(37.05×44.72+4.95×30.10+64.05×29.27+21.5×29.89+169.95×35.59+0.5×48.19)×(T-298.15)=1.04×104×(T-298.15)化工能量分析ΔH1+ΔH2+ΔH3

=-3.56×106-1.156×106+1.04×104×(T-298.15)=0得T=751.8K与原设值相近，不必重新查Cp化工能量分析11．热力学第二定律和卡诺效率

(1)目的意义各种过程进行的方向、条件与限度

(2)表述形式根据不同的应用有多种表述形式有关热量传递：(克劳休斯)热不能自动地从低温物体传给高温物体有关热功转化：(开尔文)从一个热源吸热，使之完全转化为功，而不产生其它变化是不可能的有关熵变化：孤立系统的总熵增只能大于或等于零化工能量分析(3)熵增原理

(3.1)孤立系统：总熵变ΔS孤≥0，过程的方向：ΔS孤>0，极限ΔS孤=0

(3.2)封闭系统：与环境交换的能量：功与热

热源——具有很大热容量的物系放热或取热时温度不变,视作可逆功源

化工能量分析得≥封闭系统热力学第二定律数学表达式(3.3)敞开系统:≥热流熵入流熵出流熵稳流过程得≥0稳流过程热力学第二定律数学表达式

化工能量分析(3.4)熵平衡式

熵产，可逆过程，不可逆过程>0

孤立系统：封闭系统：敞开系统：稳流过程：

化工能量分析(4)卡诺循环热转化为功1至2等温膨胀过程；2至3绝热膨胀；3至4等温压缩过程；4至1绝热压缩。

化工能量分析热转化为功：①必须要有两个热源若乏汽直接放入大气，则低温热源就是大气高温热源：燃烧气；低温热源：天然水或大气②热不可能全部变为功循环，ΔH=0，ΔH=Q-WSWS=Q=QH+QL，WS(+)，QH(+)，QL(-)，得QH>WS可逆化工能量分析得QL=-QHTL/TH

卡诺功最大热机效率是卡诺效率<1高温热源温度越高，ηC越大；低温热源温度越低，ηC越大.气体卡诺循环特点：无相变

缺点：等温吸热和等温放热实际上难以实现每循环完成的功较小

实际不采用

化工能量分析蒸气卡诺循环特点：有相变，等温吸热和等温放热可实现缺点：等温压缩困难，湿度大，易出事故上限温度受限制

实际不采用湿度：液体质量分率；干度：蒸汽质量分率化工能量分析(5)朗肯(Rankine)循环特点：有相变，采用等压吸热和等压放热乏汽完全凝结，3-5段；冷凝水由泵增压，6-1段增加了过热，3-4段

实际应用很广化工能量分析12．轴功的计算(1)可逆轴功WS(R)

WS(R)——无摩擦损耗可逆过程：ΔH=QR–WS(R)根据dH=TdS+VdP积分式中对照两式工程应用:压缩功:可逆压缩P↑，dP>0，WS(R)<0可逆膨胀P↓，dP<0，WS(R)>0

化工能量分析液体:V可视为常数(2)实际轴功WS(ac)的计算产功装置：WS(R)>WS(ac)，机械效率耗功装置：，机械效率得机械效率可实验测定，一般在0.6~0.8之间。

化工能量分析(3)等熵效率从状态1至状态2

产功装置：耗功装置：HS2是在指定压力P2、S2=S1条件下的焓值ηS可由实验测定，一般在0.6~0.9之间

化工能量分析例4：某化工厂用蒸汽透平带动其它设备。泵入口水0.10MPa(绝)，由泵加压至0.7MPa(绝)，泵的等熵效率为0.85，水在锅炉中被加热成为280℃的过热蒸汽，进入透平机膨胀作功，排出蒸汽(乏汽)压力为0.10MPa(绝)。透平输出的轴功有一部分用于带动水泵，大部分作为输出轴功，透平的等熵效率为0.9。试求热机效率，以及点4处的蒸汽干度(蒸汽占总量的比例)。t1=15℃，P1=0.10MPa，H1=63.05kJ/kg，V1=0.001001m3/kgP2=0.70MPat3=280.0℃，P3=0.70MPa，H3=3017.1kJ/kg，S3=7.2233kJ/kgK

P4=0.10MPa

化工能量分析例4附图蒸汽透平装置

化工能量分析解：实际，计算基准取1kg水1)水泵=-600.6J/kg=-0.6006kJ/kg