化工热力学第六章课件.ppt

1、2 任务任务 对化工过程进行热力学分析，包括对对化工过程进行热力学分析，包括对化工过程的能量转化、传递、使用和损失化工过程的能量转化、传递、使用和损失情况进行分析，揭示能量消耗的大小、原情况进行分析，揭示能量消耗的大小、原因和部位，为改进工艺过程，提高能量利因和部位，为改进工艺过程，提高能量利用率指出方向和方法。用率指出方向和方法。 v3 能量的级别能量的级别v1）低级能量）低级能量 理论上不能完全转化为功的能量，如热理论上不能完全转化为功的能量，如热能、热力学内能、焓等能、热力学内能、焓等v2）高级能量）高级能量 理论上完全可以转化为功的能量，如机理论上完全可以转化为功的能量，如机械能、电能

2、、风能等械能、电能、风能等v3）能量的贬值）能量的贬值v4 本章的主要内容本章的主要内容v1）流动系统的热力学关系式）流动系统的热力学关系式v2）过程的热力学分析）过程的热力学分析v3）动力循环）动力循环6-2 热力学第一定律热力学第一定律 1 封闭系统的热力学第一定律封闭系统的热力学第一定律 UQW 热和功是两种本质不同且与过程传递方式热和功是两种本质不同且与过程传递方式有关的能量形式，可以相互转化或传递，但有关的能量形式，可以相互转化或传递，但能量的数量是守恒的能量的数量是守恒的 2 稳定流动系统的热力学第一定律稳定流动系统的热力学第一定律 稳定流动状态：流体流动途径中所有稳定流动状态：流

3、体流动途径中所有各点的状况都相等，且不随时间而变化，各点的状况都相等，且不随时间而变化，即所有质量和能量的流率均为常数，系统即所有质量和能量的流率均为常数，系统中没有物料和能量的积累。中没有物料和能量的积累。 稳定流动系统的热力学第一定律表达式为：稳定流动系统的热力学第一定律表达式为：22uUg zQW 所以得所以得2211SWWp VpV其其中中流流体体所所做做的的功功HUpV由由212SHg zuQW 微分形式：微分形式：dddSHgzuuQWv若忽略动能和势能变化，则有若忽略动能和势能变化，则有 SHQW即为封闭系统的热力学关系式即为封闭系统的热力学关系式v6-3 热力学第二定律和熵平衡

4、热力学第二定律和熵平衡v1 热力学第二定律热力学第二定律v1） Clausius说法：热不可能自动从低温物说法：热不可能自动从低温物体传给高温物体体传给高温物体v2）Kelvin说法：不可能从单一热源吸热使说法：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它变化。之完全变为有用的功而不引起其它变化。v实质：自发过程都是不可逆的实质：自发过程都是不可逆的2熵及熵增原理熵及熵增原理 1）热机效率）热机效率1WQ 2）可逆热机效率）可逆热机效率1212211111QQTTTWQQTT v3）熵的定义）熵的定义v3.1）可逆热温商）可逆热温商2211revrevQdSTQSSST 积积分分得得熵

5、熵变变 3.2）熵的微观物理意义）熵的微观物理意义 系统混乱程度大小的度量系统混乱程度大小的度量v对可逆的等温过程对可逆的等温过程 对可逆的绝热过程对可逆的绝热过程revrevQSQT ST或或0S 常称为等熵过程常称为等熵过程 对封闭系统中进行的任何过程，都有对封闭系统中进行的任何过程，都有QdST 热力学第二定律的数学表达式热力学第二定律的数学表达式v4）熵增原理）熵增原理 000QdSS 孤孤立立孤孤立立孤孤立立系系统统，则则或或 若将系统和环境看作一个大系统，即若将系统和环境看作一个大系统，即为孤立系统，总熵变为孤立系统，总熵变St等于封闭系统熵等于封闭系统熵变变S和环境熵变和环境熵变

6、S0之和。之和。00tSSS 自发进行的不可逆过程只能向着总熵增自发进行的不可逆过程只能向着总熵增大的方向进行，最终趋向平衡态。此时总熵大的方向进行，最终趋向平衡态。此时总熵变达到最大值，即变达到最大值，即St=0达到了过程的终点达到了过程的终点 。 熵增原理为判断过程进行的方向和限度提熵增原理为判断过程进行的方向和限度提供了依据。供了依据。 v3 封闭系统的熵平衡封闭系统的熵平衡v 热力学第一定律无法计算由于过程不热力学第一定律无法计算由于过程不可逆引起的能量贬值的损耗，通过熵平衡可逆引起的能量贬值的损耗，通过熵平衡关系可以精确衡量过程的能量利用效率关系可以精确衡量过程的能量利用效率 。v

7、熵平衡方程熵平衡方程21ddggQSSTQSST 积积分分式式为为vdSg熵产生。不可逆过程中，熵产生。不可逆过程中， 有序能量有序能量耗散为无序热能，并被系统吸收而导致系耗散为无序热能，并被系统吸收而导致系统熵的增加。统熵的增加。 不是系统的性质，与系统的不可逆过不是系统的性质，与系统的不可逆过程有关。可逆过程无熵产生程有关。可逆过程无熵产生v4 稳定流动系统的熵平衡稳定流动系统的熵平衡Sg iiim S 物物流流流流入入 jjjm S 物物流流流流出出Sf敞开系统熵平衡简图敞开系统熵平衡简图 敞开系统的熵平衡方程式为：敞开系统的熵平衡方程式为： Sf为熵流，伴随热量流动而产生的相应为熵流，

8、伴随热量流动而产生的相应的熵变化。可正、可负、可零。规定流入的熵变化。可正、可负、可零。规定流入体系为正，流出体系为负；体系为正，流出体系为负； Sg为熵产生为熵产生该式适用于任何热力学系统该式适用于任何热力学系统 fgiijjijSSSm Sm S v对于不同系统可进一步简化对于不同系统可进一步简化v 对稳定流动系统对稳定流动系统 00fgiijjijgjjiifjiSSSm Sm SSm Sm SS v对可逆绝热过程对可逆绝热过程 0,0fgjjiijijiSSm Sm SSS 若若为为单单股股物物流流等等熵熵过过程程v对绝热节流稳流过程，只有单股流体对绝热节流稳流过程，只有单股流体 00

9、0fijgjiSSmmSm SS，v6-4 理想功、损失功和有效能理想功、损失功和有效能v1 理想功理想功Wid：v1）定义）定义 系统的状态变化按完全可逆的过程进行系统的状态变化按完全可逆的过程进行时，理论上产生的最大功或者消耗的最小时，理论上产生的最大功或者消耗的最小功。是一个理想的极限值，可作为实际功功。是一个理想的极限值，可作为实际功的比较标准的比较标准 v2）完全可逆：）完全可逆：v完全可逆是指（完全可逆是指（1）系统的所有变化是可）系统的所有变化是可逆的；（逆的；（2）系统与环境进行可逆的热交）系统与环境进行可逆的热交换。换。v环境通常指大气温度环境通常指大气温度T0和压力和压力p

10、0=0.1013MPa的状态的状态v3）稳流过程的理想功）稳流过程的理想功v若忽略动能和势能变化，若忽略动能和势能变化， SrevididrevHQWHQWWQH 第第一一定定律律完完全全可可逆逆时时0revQTS将将代代入入v 比较理想功与实际功，可以评价实际比较理想功与实际功，可以评价实际过程的不可逆程度过程的不可逆程度00ididWTSHWTSH 或或v2 损失功损失功v1）定义：）定义：v 损失功定义为系统在相同的状态变化损失功定义为系统在相同的状态变化过程中，实际过程所作的功（产生或消过程中，实际过程所作的功（产生或消耗）与完全可逆过程所作的理想功之差。耗）与完全可逆过程所作的理想功

11、之差。v对稳流过程表示为：对稳流过程表示为：LidSWWW0TSH HQ000LLWTSHHQTSQWTSQ 或或v损失功由两部分构成：损失功由两部分构成：v1）由过程不可逆性引起的熵增造成）由过程不可逆性引起的熵增造成v2）由过程的热损失造成）由过程的热损失造成000000LtgWTSQTSTSTSTS 表明损失功与总熵变及环境温度的关系表明损失功与总熵变及环境温度的关系 过程的不可逆程度越大，总熵增越大，损过程的不可逆程度越大，总熵增越大，损失功越大。失功越大。 不可逆过程都是有代价的不可逆过程都是有代价的 v例例1：298K，0.1013MPa的水变成的水变成273K，同压力冰的理想功。

12、同压力冰的理想功。 273K冰的熔化焓变冰的熔化焓变为为334.7kJkg-1298K，0.1013MPa的水的水初态初态273K，0.1013MPa的冰的冰终态终态H1=104.897kJkg-1，S1=0.367kJkg-1K-1H2，S2227311-1220.02334.7334.72kJ.kg334.721.226kJ.kg.K273KHHHHST 水水熔熔化化焓焓1）环境温度为环境温度为25时时02121-1298()()35.10kJ.kg0idWTSHSSHH 是一个耗功过程，消耗的最小功是是一个耗功过程，消耗的最小功是35.10kJkg-1v2）环境温度是）环境温度是268K

13、时时02121-1268()()12.69kJ.kg0idWTSHSSHH 是一个做功过程，可提供的最大功是是一个做功过程，可提供的最大功是12.69kJkg-1 理想功的计算与环境温度有关理想功的计算与环境温度有关v例例2：计算损失功：计算损失功1.5MPa773K过热蒸汽过热蒸汽0.07MPaQ环境环境T0=293K-11-1-113473.1kJ.kg7.5698kJ.kg .KHS 22HS,0.85SS revWW 0021LWTSQTSSQ21212SSHHHQWHQWHSv3 有效能有效能B：一定状态下的有效能即是系统：一定状态下的有效能即是系统从该状态变到基态，即达到与环境处于

14、完从该状态变到基态，即达到与环境处于完全平衡状态时此过程的理想功。全平衡状态时此过程的理想功。v 对于稳流过程，从状态对于稳流过程，从状态1变到状态变到状态2，过，过程的理想功为程的理想功为 002121101202()()idWTSHT SSHHHT SHT S v 选定基态为（选定基态为（T0，p0），系统由任意），系统由任意状态变到基态时稳流系统的有效能状态变到基态时稳流系统的有效能B为：为： 1012020000000()()BHT SHT SHT SHT SHHT SS系统具有的能量系统具有的能量无效能无效能v1）物理有效能）物理有效能v 物理有效能指系统的温度、压力等状物理有效能指

15、系统的温度、压力等状态不同于环境而具有的能量。态不同于环境而具有的能量。000()()BHHT SS 化工过程中与热量传递及压力变化有化工过程中与热量传递及压力变化有关的过程只考虑物理有效能关的过程只考虑物理有效能v2）化学有效能）化学有效能v 处于环境温度、压力下的系统，由于处于环境温度、压力下的系统，由于与环境进行物质交换或化学反应，达到与与环境进行物质交换或化学反应，达到与环境平衡所作的最大功为化学有效能。环境平衡所作的最大功为化学有效能。v 因此计算化学有效能需要确定每一元因此计算化学有效能需要确定每一元素的环境状态，为简化计算，建立了环境素的环境状态，为简化计算，建立了环境模型。模型

16、。 v 从系统状态到环境状态需经过化学反从系统状态到环境状态需经过化学反应与物理扩散两个过程：应与物理扩散两个过程：v 化学反应将系统物质转化成环境物质化学反应将系统物质转化成环境物质（基准物）（基准物）v物理扩散使系统反应后的物质浓度变化物理扩散使系统反应后的物质浓度变化到与环境浓度相同的过程到与环境浓度相同的过程v例：计算碳的化学有效能例：计算碳的化学有效能v C的环境状态是的环境状态是CO2纯气体，达到环纯气体，达到环境态需经过化学反应境态需经过化学反应v C+O2 CO2000()()BHHT SS22200000,COCOf COHHHHHH 计算基准取计算基准取1molvO2的浓度

17、为的浓度为0.21，因此，因此220COCOSSSSS220ln0.21OOSSR 22220000ln0.21COCOCOCOSSSSSSSRSv4 有效能效率和有效能分析有效能效率和有效能分析v1）有效能效率）有效能效率v从状态从状态1 变到状态变到状态2，有效能变化为，有效能变化为21210210()()idBBBHHT SSHTSBW 或或 当当B0，增加的有效能等于外界消耗的增加的有效能等于外界消耗的最小功最小功v 对可逆过程有效能守恒，不可逆过程对可逆过程有效能守恒，不可逆过程的有效能不守恒。的有效能不守恒。v有效能的平衡方程为：有效能的平衡方程为： inoutBBD D=0，可逆

18、，可逆 D0 ，不可逆，不可逆 D0，不可能自发进行不可能自发进行v不可逆过程中，有效能的损失等于损失功不可逆过程中，有效能的损失等于损失功v 有效能效率定义为输出的有效能与输入有效能效率定义为输出的有效能与输入的有效能之比的有效能之比 000tLDTSSTSW outBinBB 可逆过程可逆过程 B=100% 真实过程真实过程 B0，节流后温度降低称冷效应，节流后温度降低称冷效应v J =0，节流后温度不变称零效应，节流后温度不变称零效应，零效应的状态点称为转换点，转换点的零效应的状态点称为转换点，转换点的温度称为转换温度，转换点的轨迹称为温度称为转换温度，转换点的轨迹称为转换曲线转换曲线v

19、 J 0 过热蒸汽在透平中可逆绝热膨胀过热蒸汽在透平中可逆绝热膨胀 45 WS=H=H5-H40v乏气的冷凝乏气的冷凝 56 Q0=H6-H5 0 整个循环过程整个循环过程 QN= Q +Q0 WN= Ws +Wp H=0 所以所以QN= -WN，即吸收的净热等于做出的净功，即吸收的净热等于做出的净功v2）评价指标）评价指标v蒸汽动力循环的热效率蒸汽动力循环的热效率： 它表示动力它表示动力循环中锅炉所供给的热量循环中锅炉所供给的热量Q转化为净功转化为净功WN的比率。的比率。 5416454141()()NHHHHHHWQHHHH 反映了不同装置输出相同的功量时所消反映了不同装置输出相同的功量时

20、所消耗的能量的多少，是评价蒸汽动力装置的一耗的能量的多少，是评价蒸汽动力装置的一个重要指标个重要指标v 汽耗率汽耗率SSC（Specific Steam Consumption）：）：v做出单位量净功所消耗的蒸汽量做出单位量净功所消耗的蒸汽量1-1-113600SSC.kg.kW .hNNkg kJWW 汽耗率的大小可用来比较装置的尺寸和过程汽耗率的大小可用来比较装置的尺寸和过程的经济性的经济性v3）实际的朗肯循环）实际的朗肯循环v 热效率低于理想过程，汽耗率则高于理热效率低于理想过程，汽耗率则高于理想过程。膨胀和压缩过程均为不可逆过程，想过程。膨胀和压缩过程均为不可逆过程，向熵增大的方向进行

21、。膨胀过程为向熵增大的方向进行。膨胀过程为47，实际做功为实际做功为H4-H7 H4-H5 , 两者之比称为透平机的等熵膨胀效率两者之比称为透平机的等熵膨胀效率或相对内部效率，用或相对内部效率，用 S表示，反映了透平表示，反映了透平机内部所有损失机内部所有损失4745SHHHH v2 朗肯循环的改进朗肯循环的改进v 尽可能减小不可逆因素造成的损耗，特尽可能减小不可逆因素造成的损耗，特别是传热温差大的问题。别是传热温差大的问题。1）提高蒸汽的过热温度）提高蒸汽的过热温度使平均吸热温度相应使平均吸热温度相应提高，循环效率提高，提高，循环效率提高，汽耗率下降。同时，汽耗率下降。同时，乏气干度增加。乏

22、气干度增加。最高不超过最高不超过873Kv2）提高蒸汽的压力）提高蒸汽的压力提高压力，平均吸热温度提高压力，平均吸热温度会相应提高，但是乏气干会相应提高，但是乏气干度下降，一般不应低于度下降，一般不应低于0.88。此外，蒸汽压力不。此外，蒸汽压力不能超过水的临界压力能超过水的临界压力22.064MPav3）采用再热循环）采用再热循环12344567 高压过热蒸气在高压透高压过热蒸气在高压透平中膨胀到中间压力，平中膨胀到中间压力，然后引入再热器加热，然后引入再热器加热，进入低压透平做功。进入低压透平做功。 提高了做功能力，避免提高了做功能力，避免了乏气湿含量过高的缺了乏气湿含量过高的缺点。点。W

23、SHWSLWSPQHQRH()SSHSLSPHRHWQWWWQQ 再热循环热效率再热循环热效率4567144154()()()()()HHHHHHHHHH 4）回热循环）回热循环利用蒸气的利用蒸气的热加热锅炉热加热锅炉给水，减少给水，减少或消除工质或消除工质在预热过程在预热过程的对外吸热，的对外吸热，提高了平均提高了平均吸热温度和吸热温度和热效率热效率5）热电循环）热电循环 工质全工质全部做功，部做功，供热量与供热量与乏气压力乏气压力有关有关v6-7 制冷循环制冷循环v 使物系温度降到低于周围环境温度的过使物系温度降到低于周围环境温度的过程称为制冷过程。其实质是利用外功将热从程称为制冷过程。其

24、实质是利用外功将热从低温物体传至高温物体。低温物体传至高温物体。v1 蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环v1）逆卡诺循环）逆卡诺循环v 逆卡诺循环是运行在相应的高、低温之逆卡诺循环是运行在相应的高、低温之间最有效的制冷循环间最有效的制冷循环 冷凝器冷凝器蒸发器蒸发器膨胀机膨胀机压缩机压缩机Q0Q212341234T1T2p2p1STv由四个可逆过程构成由四个可逆过程构成v 12：绝热可逆压缩，等熵过程，消：绝热可逆压缩，等熵过程，消耗外功，温度上升耗外功，温度上升T1T2v 23：等温可逆放热，循环放热量：等温可逆放热，循环放热量2232()QT SS 34：绝热可逆膨胀，等熵过程，对：绝热可逆

25、膨胀，等熵过程，对外做功，温度下降，外做功，温度下降，T2 T1v 41：等温可逆吸热，循环吸热量：等温可逆吸热，循环吸热量0114()QT SS 循环过程所做净功循环过程所做净功021142321223()()()()0NNWQQQT SST SSTTSSW 说明制冷循环要消耗功说明制冷循环要消耗功v 制冷效率的评价指标制冷效率的评价指标v 制冷循环是逆向的热机循环，其技术制冷循环是逆向的热机循环，其技术经济指标用制冷系数经济指标用制冷系数 表示：表示：0NQW 从低温物体吸收的热量从低温物体吸收的热量消耗的净功消耗的净功对于逆卡诺循环对于逆卡诺循环01141121421()()()NQT

26、SSTWTTSSTT 即逆卡诺循环的制冷系数仅是温度的函即逆卡诺循环的制冷系数仅是温度的函数，与工质无关。两温度之间的制冷循环数，与工质无关。两温度之间的制冷循环以逆卡诺循环的制冷系数最大，是一切实以逆卡诺循环的制冷系数最大，是一切实际循环的比较标准际循环的比较标准v2）单级蒸汽压缩制冷循环）单级蒸汽压缩制冷循环 冷凝器冷凝器蒸发器蒸发器节流阀节流阀压缩机压缩机Q0Q21234123434T0Tp2p1示意图示意图T-S图图Sv 制冷循环中工作物质称为制冷剂，单制冷循环中工作物质称为制冷剂，单位制冷剂的制冷量为位制冷剂的制冷量为-1014(kJ.kg )qHH 制冷剂的制冷能力为制冷剂的制冷能

27、力为Q0 kJh-1，则其循则其循环量为环量为00QGq v压缩单位重量制冷剂所消耗的功为压缩单位重量制冷剂所消耗的功为-121(kJ.kg )SWHH013142121SqHHHHWHHHH TSNGW 制冷机的制冷系数为制冷机的制冷系数为 制冷机所消耗的理论功率为制冷机所消耗的理论功率为v3）多级压缩制冷循环）多级压缩制冷循环91234567812345678910STv2 吸收制冷循环原理介绍吸收制冷循环原理介绍v 吸收制冷就是直接利用热能制冷的冷冻吸收制冷就是直接利用热能制冷的冷冻循环，通过吸收和精馏装置来完成循环过循环，通过吸收和精馏装置来完成循环过程，液体为工质。程，液体为工质。v

28、1）制冷工质）制冷工质 v 氨水溶液吸收制冷通常用于低温系统，氨水溶液吸收制冷通常用于低温系统，最低可达最低可达208K(-65)，一般为，一般为228K(-45 )以上以上v 溴化锂溶液吸收制冷通常用于大型中央溴化锂溶液吸收制冷通常用于大型中央空调系统，使用温度不低于空调系统，使用温度不低于273K (0)，一般为一般为278K(5 )以上以上v2）吸收制冷的特点）吸收制冷的特点v 直接利用热能制冷，所需热源温度较直接利用热能制冷，所需热源温度较低，可充分利用低品位热能低，可充分利用低品位热能v3）原理）原理v 利用二元溶液中各组分蒸气压不利用二元溶液中各组分蒸气压不同来进行。以挥发性大（蒸

29、气压高）同来进行。以挥发性大（蒸气压高）的组分为制冷剂，以挥发性小（蒸气的组分为制冷剂，以挥发性小（蒸气压低）的组分为吸收剂。压低）的组分为吸收剂。b吸收吸收器器eQQQQ蒸发器蒸发器冷凝器冷凝器再再生生器器 d换热器换热器f泵泵gac节流阀节流阀压缩机压缩机氨吸收制冷循环示意图氨吸收制冷循环示意图v3 气体的液化气体的液化v 利用制冷循环获得低于利用制冷循环获得低于173K的低温称的低温称为深度冷冻（深冷），工业常用深冷技为深度冷冻（深冷），工业常用深冷技术使低沸点气体冷至其临界温度以下，术使低沸点气体冷至其临界温度以下，以获得液体状态。以获得液体状态。 如将空气液化分离得到纯的氮气、氧如将

30、空气液化分离得到纯的氮气、氧气。气。 v 气体的液化（深度冷冻循环）是以气体的液化（深度冷冻循环）是以Linde循环为基本的深冷循环。主要计算循环为基本的深冷循环。主要计算气体的液化量及压缩机消耗的功率。气气体的液化量及压缩机消耗的功率。气体的液化量计算是利用被确定的循环系体的液化量计算是利用被确定的循环系统的能量平衡方程式求得。统的能量平衡方程式求得。 压缩机消耗功的计算即为气体压缩功压缩机消耗功的计算即为气体压缩功的计算方法。的计算方法。 压缩机压缩机冷却器冷却器换热器换热器节流阀节流阀分离器分离器 1）装置的工作原理）装置的工作原理123456x1-xx123456p1p2STv2）气体

31、液化量的计算）气体液化量的计算v 以以1 kg气体为计算基准，设液化量为气体为计算基准，设液化量为x kg，对虚线框部分进行热量衡算。，对虚线框部分进行热量衡算。25112151(1)HxHx HHHxHH v装置的冷冻量为装置的冷冻量为015121515-112()()(kJ.kg )qx HHHHHHHHHH v3）压缩机功耗）压缩机功耗v 多级压缩功的总和，为计算方便，按理多级压缩功的总和，为计算方便，按理想气体等温压缩过程计算，再除以等温压想气体等温压缩过程计算，再除以等温压缩效率缩效率T2111lnTpWRTp 0.6T 等等温温压压缩缩效效率率，一一般般取取左左右右v6-8 热泵热

32、泵v 1 工作原理工作原理v 与制冷机完全相同，目的是制热。以消与制冷机完全相同，目的是制热。以消耗一部分高质量的能量为代价，耗一部分高质量的能量为代价， 通过热力通过热力循环从自然环境或生产余热中吸取热量，循环从自然环境或生产余热中吸取热量，并将它输送到人们需要的较高温度的物质并将它输送到人们需要的较高温度的物质中。为大量低品质的热能的再利用提供了中。为大量低品质的热能的再利用提供了可能。可能。 v2 评价指标评价指标v 制热系数：消耗单位功量所得到的供热制热系数：消耗单位功量所得到的供热量，即量，即HHNQW ,HHHLTTT 卡卡 可逆热泵的制热系数为可逆热泵的制热系数为v制热系数与制冷系数的关系制热系数与制冷系数的关系0011NHHNNNQWQQWWW 供热量大于压缩机的功耗，是一种节供热量大于压缩机的功耗，是一种节能装置。能装置。