[工学]化工过程能量分析课件(PPT 64页).pptx

1、5 化工过程的能量分析 5.1 能量平衡方程能量平衡方程 5.2 热功间的转换热功间的转换 5.3 熵函数熵函数 5.4 理想功、损失功和热力学效率理想功、损失功和热力学效率 5.5 有效有效能能第1页，共64页。5.1 能量平衡方程 5.1.1 能量守恒与转换 一切物质都具有能量，能量是物质固有的特性。通常，能量可分为两大类，一类是系统蓄积的能量，如动能、势能和热力学能，它们都是系统状态的函数。另一类是过程中系统和环境传递的能量，常见有功和热量，它们就不是状态函数，而与过程有关。热量是因为温度差别引起的能量传递，而做功是由势差引起的能量传递。因此，热和功是两种本质不同且与过程传递方式有关的能

2、量形式。第2页，共64页。能量的形式不同，但是可以相互转化或传递，在转化或传递的过程中，能量的数量是守桓的，这就是热力学第一定律，即能量转化和守恒原理。体系在过程前后的能量变换E应与体系在该过程中传递的热量Q与功W相等。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。WQE第3页，共64页。5.1.2 封闭体系的能量平衡方程 在闭系非流动过程中的热力学第一定律数学表达式为 WQU第4页，共64页。5.1.3 稳态流动体系的能量平衡方程 稳态流动是指流体流动途径中所有各点的状况都不随时间而变化，系统中没有物料和能量的积累。稳态流动系统的能量平衡关系式为：稳态流动系统的能量平衡关系式

3、为：WQEE12第5页，共64页。单位质量的流体带入、带出能量的形式为动能(u2/2)，势能(gz)和热力学能(U)。流体从截面1通过设备流到截面2，在截面1处流体进入设备所具有的状况用下标1表示，此处距基准面的高度为z1，流动平均速度u1，比容V1，压力P1以及内能U1等。同样在截面2处流体流出所具有的状况用下标2表示。1211121gzuUE2222221gzuUE g为重力加速度。第6页，共64页。系统与环境交换功W，实际上由两部分组成。一部分是通过泵、压缩机等机械设备的转动轴，使系统与环境交换的轴功Ws；另一部分是单位质量物质被推入系统时，接受环境所给与的功，以及离开系统时推动前面物质

4、对环境所作的功。假设系统入口处截面面积为Al，流体的比容为V1，压力为P1，则推动力为P1A1，使单位质量流体进入系统，需要移动的距离为V1/A1,推动单位质量流体进入系统所需要的功为111111VPAVAP这是单位质量流体进入系统时，接受后面流体(环境)所给予的功；同样,单位质量流体离开系统时，必须推动前面的流体(环境)，即对环境作 P2V2的功。这种流体内部相互推动所交换的功，称为流动功。只有在连续流动过程中才有这种功。第7页，共64页。对于流动过程，系统与环境交换的功是轴功与流动功之和2211VPVPWWs 稳态流动系统的能量平衡关系可写为22111211222222VPVPWQgzuU

5、gzuUssWQzguPVU22 将焓的定义 H=U+PV 代入上式可得稳定流动系统的能量平衡方程第8页，共64页。稳定流动系统的热力学第一定律表达式为：使用上式时要注意单位必须一致。按照SI单位制，每一项的单位为 Jkg-1。动能和位能的单位sWQzguH22kgJkgmNskgmkgsm2222流动功包含在焓中轴功 H、u2/2、g z、Q和Ws 分别为单位质量流体的焓变、动能变化、位能变化、与环境交换的热量和轴功。第9页，共64页。可逆条件下的轴功对于液体，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？对于理想气体等温过程对于理想气体等温

6、过程RTVP21lnRPWRTP左式只适用与理想气体等左式只适用与理想气体等温过程温过程21PRPWVdP第10页，共64页。一些常见的属于稳流体系的装置喷嘴扩压管节流阀透平机压缩机混合装置换热装置第11页，共64页。喷嘴与扩压管 喷嘴与扩压管的结构喷嘴与扩压管的结构特点是进出口截面积变特点是进出口截面积变化很大。流体通过时，化很大。流体通过时，使压力沿着流动方向降使压力沿着流动方向降低，而使流速加快的部低，而使流速加快的部件称为喷嘴。反之，使件称为喷嘴。反之，使流体流速减缓，压力升流体流速减缓，压力升高的部件称为扩压管。高的部件称为扩压管。喷嘴扩压管第12页，共64页。喷嘴与扩压管 202u

7、HsWQzguH22是否存在轴功?否否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?否否第13页，共64页。2222112uuHH质量流率质量流率222111VAuVAum流体通过焓值的改变来换取动能的调整第14页，共64页。透平机和压缩机 透平机是借助流体的减透平机是借助流体的减压和降温过程来产出功压和降温过程来产出功 压缩机可以提高流体的压缩机可以提高流体的压力，但是要消耗功压力，但是要消耗功 第15页，共64页。透平机和压缩机 sWH sWQzguH22是否存在轴功?是是!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

8、化？通常可以忽略通常可以忽略第16页，共64页。sWQzguH22节流阀是否存在轴功?否否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?通常可以忽略通常可以忽略0H第17页，共64页。节流阀 Throttling Valve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第18页，共64页。混合设备 混合两种或多种流体混合两种或多种流体是很常见。是很常见。混合器混合器第19页，共64页。sWQzguH22混合设备是否存在轴功?否否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第20页，共64页。当不止一个输入物流或（和）输

9、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。第21页，共64页。混合设备 1 3 2 混合器混合器0入出jjiiHxHxH32211HHxHx121xx第22页，共64页。换热设备 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。换热设备的能量平衡方程与混合设备的能量平衡方程相同，但物流之间不发生混合。0入出jjiiHxHxH4231H

10、xHxHxHxBABABABBBAAAmmmxmmmx mA和mB分别为流体A和流体B的质量流量第23页，共64页。管路和流体输送稳态流动模型通常是稳态流动模型通常是一个不错的近似一个不错的近似通过泵得到轴功通过泵得到轴功位能变化位能变化泵水第24页，共64页。管路和流体输送是否存在轴功?有时存在有时存在是否和环境交换热量?通常是通常是位能是否变化?有时变化有时变化动能是否变化?通常不变化通常不变化sWQzguH22第25页，共64页。Bernoulli 方程sWQzguH22PVUHPVU 实际流体的流动过程存在摩擦损耗，意味机械能转变为热力学能，实际流体的流动过程存在摩擦损耗，意味机械能转

11、变为热力学能，有摩擦损耗有摩擦损耗UF对于无热、对于无热、无轴功交换、无轴功交换、/PU 不可压缩流体的稳流过程不可压缩流体的稳流过程第26页，共64页。022uzgPF对于非粘性流体或简化的理想情况，可忽略摩擦损耗，则对于非粘性流体或简化的理想情况，可忽略摩擦损耗，则022uzgP第27页，共64页。例 5-1 1.5MPa的湿蒸汽在量热计中被节流到0.1MPa和403.15K，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/kg1202716.61602796.2130H26.27162.27966.271612016012013

12、02HkgkJH/5.27362第28页，共64页。1.5MPa 饱和液体焓值 Hl=844.9 饱和蒸汽焓值 Hg=2792.2xHxHHgl115273612.HH9709.09.8442.27929.8445.27361lglHHHHx第29页，共64页。例 5-2 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kJTTCmHmP6030303423005.15012第30页，共64页。将空气当作理想气体

13、，并将空气当作理想气体，并忽略压降时忽略压降时1122VTVTAuTAuT1122smTTuu/98.630342351212kJJum593.05932598.65021222第31页，共64页。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kJJzmg472.11472381.950kJQ6032472.1593.06030第32页，共64页。5.2 热功间的转化 热力学第二定律热力学第二定律 克劳修斯说法：热不可能自动从低温物体传给高温物体。克劳修斯说法：热不可能自动从低温物体传给高温物体。开尔文说法：不可能从单一热源吸热使之完全变为有用的开尔文说法：不可能

14、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。功而不引起其他变化。热力学第二定律说明过程按照特定方向，而不是按照任热力学第二定律说明过程按照特定方向，而不是按照任意方向进行。意方向进行。自然界中的物理过程能够自发地向平衡方向进行。自然界中的物理过程能够自发地向平衡方向进行。第33页，共64页。水往低处流第34页，共64页。气体由高压向低压膨胀第35页，共64页。热由高温物体传向低温物体第36页，共64页。我们可以使这些过程按照相反方向进行，但是需要消耗功。我们可以使这些过程按照相反方向进行，但是需要消耗功。第一定律没有说明过程发生的方向，它告诉我们能第一定律没有说明过程发生的方向，它告诉

15、我们能量必须守衡。量必须守衡。第二定律告诉我们过程发生的方向。第二定律告诉我们过程发生的方向。第37页，共64页。热机的热效率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%高温热源 TH低温热源 TL1211QQWQQ卡诺热机的效率卡诺热机的效率1211TTQW第38页，共64页。第39页，共64页。熵增原理等号用于可逆过程，不等号用于不可逆过程。等号用于可逆过程，不等号用于不可逆过程。孤立体系孤立体系 TQdS0dS5.3 熵函数熵函数 5.3.1熵与熵增原理熵与熵增原理第40页，共64页。5.3.2 熵平衡产生出入体系STQSmSmSjjii0产生S 熵流是由于有热量流入或流出系统

16、所伴有的墒变化熵流是由于有热量流入或流出系统所伴有的墒变化 可逆过程可逆过程 TQ 由于传递的热量可正，可负，可零，墒流也亦可正，可负，可零。由于传递的热量可正，可负，可零，墒流也亦可正，可负，可零。熵产生是体系内部不可逆性引起的熵变化熵产生是体系内部不可逆性引起的熵变化 不可逆过程不可逆过程 0产生S第41页，共64页。产生体系STQS 稳态流动体系稳态流动体系 0产生出入STQSmSmjjii绝热节流过程绝热节流过程 ，只有单股流体，只有单股流体，mimjm,SmSSmSij产生可逆绝热过程可逆绝热过程出入jjiiSmSm单股流体单股流体jiSS 封闭体系封闭体系0TQ第42页，共64页。

17、5.4 理想功、损失功及热力学效率 5.4.1 理想功 系统在变化过程中，由于途径的不同，所产生(或消耗)的功是不一样的。理想功就是系统的状态变化以完理想功就是系统的状态变化以完全可逆方式完成，理论上产生最大功或者消耗最全可逆方式完成，理论上产生最大功或者消耗最小功。小功。因此理想功是一个理想的极限值,可作为实际功的比较标准。所谓的完全可逆，指的是不仅系统内的所有变化是完全可逆的，而且系统和环境之间的能量交换，例如传热过程也是可逆的。环境通常是指大气温度T0和压力P0=0.1013MPa的状态。第43页，共64页。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：sW

18、QzguH22 假定过程是完全可逆的，而且系统所处的环境可认为假定过程是完全可逆的，而且系统所处的环境可认为是是个温度为个温度为T0的恒温热源。根据热力学第二定律的恒温热源。根据热力学第二定律,系统与系统与环境之间的可逆传热量为环境之间的可逆传热量为 Qrev=T0SSTzguHWid022忽略动能和势能变化忽略动能和势能变化STHWid0第44页，共64页。稳流过程的理想功只与状态变化有关，即与初、终稳流过程的理想功只与状态变化有关，即与初、终态以及环境温度态以及环境温度T0有关，而与变化的途径无关。只要初、有关，而与变化的途径无关。只要初、终态相同，无论是否可逆过程，其理想功是相同的。理终

19、态相同，无论是否可逆过程，其理想功是相同的。理想功与轴功不同在于：理想功是完全可逆过程所作的功，想功与轴功不同在于：理想功是完全可逆过程所作的功，它在与环境换热它在与环境换热Q过程中使用卡诺热机作可逆功。过程中使用卡诺热机作可逆功。通过比较理想功与实际功，可以评价实际过程的通过比较理想功与实际功，可以评价实际过程的不可逆程度。不可逆程度。第45页，共64页。例 5-6 计算稳态流动过程N2中从813K、4.052MPa变到373K、1.0 1 3 M P a时 可 做 的 理 想 功。N2的 等 压 热 容Cp=27.89+4.271 10-3T kJ/(kmolK),T0=293K。解kmo

20、lkJdTTdTCHp/1338610271.489.273738133KkmolkJdTTdPPRdTTCSp/083.12052.4013.1ln314.810271.489.273738133kmol/kJ.STHWid984682312293133860第46页，共64页。5.4.2 损失功 系统在相同的状态变化过程中，不可逆过程的实际系统在相同的状态变化过程中，不可逆过程的实际功与完全可逆过程的理想功之差称为损失功。功与完全可逆过程的理想功之差称为损失功。对稳态流动过程对稳态流动过程idsLWWWQzguHWs22STzguHWid022第47页，共64页。QSTWL0Q是系统与温度

21、为是系统与温度为T0的环境所交换的热量，的环境所交换的热量，S是系统的熵是系统的熵变。由于环境可视为恒温热源，变。由于环境可视为恒温热源，Q相对环境而言，是可逆相对环境而言，是可逆热量，但是用于环境时为负号，即热量，但是用于环境时为负号，即 -QT0 S0。总00000STSTSTQSTWL 根据热力学第二定律根据热力学第二定律(熵增原理熵增原理)，S 0，等号表示可，等号表示可逆过程；不等号表示不可逆过程。实际过程总是有损失功的，逆过程；不等号表示不可逆过程。实际过程总是有损失功的，过程的不可逆程度越大，总熵增越大，损失功也越大。损失过程的不可逆程度越大，总熵增越大，损失功也越大。损失的功转

22、化为热，使系统作功本领下降，因此，不可逆过程都的功转化为热，使系统作功本领下降，因此，不可逆过程都是有代价的。是有代价的。第48页，共64页。5.4.3 热力学效率sidTidsTWWWW需要功产生功第49页，共64页。例 5-7 求298K，0.1013MPa的水变成273K，同压力下冰的过程的理想功。设环境温度分别为(1)298K；(2)248K。解：忽略压力的影响。查得有关数据状态温度/K焓/(kJ/kg)熵/(kJ/(kgK)H2O(l)298104.80.3666H2O(s)273-334.9-1.2265(1)环境温度为298K，高于冰点时kmolkJSTHWid/04.35366

23、6.02265.12988.1049.3340第50页，共64页。若使水变成冰，需用冰机，理论上应消耗的最小功为若使水变成冰，需用冰机，理论上应消耗的最小功为35.04kJ/kg。(2)环境温度为248K，低于冰点时kmolkJSTHWid/61.443666.02265.12488.1049.3340 当环境温度低于冰点时，水变成冰，不仅不需要消耗当环境温度低于冰点时，水变成冰，不仅不需要消耗外功，而且理论上可以回收的最大功为外功，而且理论上可以回收的最大功为44.61kJ/kg。理想功不仅与系统的始、终态有关，而且与环境温度理想功不仅与系统的始、终态有关，而且与环境温度有关。有关。第51页

24、，共64页。例 5-8 用1.57MPa，484的过热蒸汽推动透平机作功，并在0.0687MPa下排出。此透平机既不是可逆的也不是绝热的，实际输出的轴功相当干可逆绝热功的85。另有少量的热散入293K的环境，损失热为7.12kJ/kg。求此过程的理想功、损失功和热力学效率。解STHWid0QSTWWWidsL0idsTWW产生功85.0RsWW可逆绝热过程可逆绝热过程21SSsWQHRWH 第52页，共64页。查过热水表汽表可知，初始状态1.57MPa，484 时的蒸汽焓、熵值为H1=3437.5kJ/kg,S1=7.5035kJ/(kgK)(参见例3-12)若蒸汽按绝热可逆膨胀，则是等熵过程

25、，当膨胀至0.0687MPa时,熵为 S2=S1=7.5035kJ/(kgK)查过热水蒸汽表0.035MPaH S0.07MPaH S0.0687MPaH S饱和蒸汽2631.4 7.71532660.0 7.4797100 2684.4 7.86042680.0 7.53412658.9 7.48852680.2 7.5462第53页，共64页。H kJ/kgS kJ/(kgK)2658.97.4885H27.50352680.27.5462P=0.0687MPa9.26582.26809.26584885.75462.74885.75035.72HkgkJH/4.26642kgkJHHWR

26、/1.7735.34374.266412kgkJWWRs/1.65785.01.77385.0 此透平机实际输出轴功第54页，共64页。依据稳流系统热力学第一定律得到实际状态2的焓为sWQHkgkJWQHHs/3.27731.65712.75.3437120.035MPaH S0.07MPaH S0.0687MPaH S120 2723.1 7.96442719.9 7.63752720.0 7.6496160 2800.6 8.15192798.2 7.82792798.3 7.8399第55页，共64页。H kJ/kgS kJ/(kgK)2720.07.64962773.3S22798.3

27、7.83996496.78399.76496.70.27203.27980.27203.27732S7791.72SkgkJSSTHHSTHWid/0.7455035.77791.72935.34373.2773120120第56页，共64页。kgkJWWWidsL/9.870.7451.657kgkJQSTWL/9.8712.75035.77791.72930或%20.880.7451.657idsTWW第57页，共64页。5.5 有效能 5.5.1 有效能的概念 以平衡的环境状态为基准，理论上能够最大以平衡的环境状态为基准，理论上能够最大限度地转化为功的能量称为有效能，理论上不限度地转化为

28、功的能量称为有效能，理论上不能转化为功的能量称为无效能。能转化为功的能量称为无效能。第58页，共64页。5.5.2 有效能的计算 系统在一定状态下的有效能，就是系统从该状态变系统在一定状态下的有效能，就是系统从该状态变化到基态（环境状态）过程所作的理想功。化到基态（环境状态）过程所作的理想功。12012SSTHHWid 稳流过程，从状态稳流过程，从状态1变到状态变到状态2，过程的理想功为，过程的理想功为：当系统由任意状态当系统由任意状态(P,T)变到基态变到基态(T0,P0)时稳流时稳流系统的有效能系统的有效能EX为为:HSTSSTHHEX0000第59页，共64页。(1)机械能、电能的有效能

29、机械能、电能的有效能 机械能和电能全部是有效能，即机械能和电能全部是有效能，即 EX=W 动能和位能也全部是有效能。动能和位能也全部是有效能。（2）物理有效能）物理有效能 物理有效能是指系统的温度、压力等状态不同于环物理有效能是指系统的温度、压力等状态不同于环境而具有的有效能。境而具有的有效能。化工生产中与热量传递有关的加热、化工生产中与热量传递有关的加热、冷却、冷凝过程，以及与压力变化有关的压缩、膨胀等冷却、冷凝过程，以及与压力变化有关的压缩、膨胀等过程，只考虑物理有效能。过程，只考虑物理有效能。第60页，共64页。变温过程的热有效能变温过程的热有效能dTCTTdTCdTTCTHSTEPTT

30、TTPTTPXQ0000001 热有效能热有效能 温度为温度为T的恒温热源的热量的恒温热源的热量Q,有效能按卡诺热机所有效能按卡诺热机所能做的最大功计算：能做的最大功计算：QTTWECarnotXQ01第61页，共64页。PPPPPPPPPXPdPTVTTVdPTVTVdPTVTHSTE000000 压力有效能对于理想气体PRTV每摩尔气体的压力有效能0000ln00PPRTdPPRTTVdPTVTTVEPPPPPXP第62页，共64页。（3）化学有效能 处于环境温度与压力下的系统，与环境之间进行物处于环境温度与压力下的系统，与环境之间进行物质交换（物理扩散或化学反应），最后达到与环境平衡，质

31、交换（物理扩散或化学反应），最后达到与环境平衡，此过程所能做的最大功为化学有效能。此过程所能做的最大功为化学有效能。在计算化学有效能时不但要确定环境的温度和压力，而且要指定基准物和浓度。第63页，共64页。例5-9 比较l.013MPa、6.867MPa、8.611MPa的饱和蒸汽以及1.013MPa,573K的过热蒸气的有效能大小。取环境状态P0.1013MPa、T0298.15K,并就计算结果对蒸气的合理利用加以讨论。解HHSSTEX000 P/MPaT/K(H-H0)/kJ/kgEx/kJ/kg水 0.1013298.15饱和蒸汽1.013 453 2671814过热蒸汽1.013 5732948934饱和蒸汽6.868 557.52670 1043饱和蒸汽8.611 5732678 1092第64页，共64页。