化工节能原理与技术课件2.ppt

1、1.热力学基本概念热力学基本概念 2.热力学第一定律热力学第一定律 3.热力学第二定律热力学第二定律4.火火用用5.合理利用能量的原则合理利用能量的原则2.1 热力学基本概念热力学基本概念1.热力系统2.热力系统状态参数3.热力过程定义：定义：由某种边界包围，被取作研究对象的特定物质或空间。状态参数：描述热力系所处宏观状态各个物理量。状态参数：描述热力系所处宏观状态各个物理量。状态参数的特性状态参数的特性状态的单值函数状态的单值函数物理描述物理描述与过程无关；与过程无关；数学描述数学描述微分是全微分微分是全微分 0dx温度、压力、比容、焓、熵、温度、压力、比容、焓、熵、火火用用2.2 热力学第

2、热力学第一定律一定律进入的能量E1=储存能量的增量E+离开的能量E2 ddQUWQUWquwquw 闭口系能量方程闭口系能量方程 Q=U+pdVq=u+pdv可逆过程可逆过程 稳定流动系能量方程及应用 2.2 热力学第热力学第一定律一定律Q=H+1/2mc2+mgz+Ws=H+Wt q=h+1/2c2+gz+ws=h+wt Q=H-Vdp q=h-vdp 可逆过程 9 1.蒸汽轮机、汽轮机蒸汽轮机、汽轮机 流进系统：1111hvpu 流出系统：Swhvpu,2222内部储能增量：012Sthhww10 2、换热器（锅炉、加热器等）、换热器（锅炉、加热器等）(heat exchanger:boi

3、ler、heater)11 流流入：入：1221f1123f331212mmqhcgzqhcgz流出：流出：1222f 2224f 441212mmqhcgzqhcgz内增：0若忽略动能差、位能差124312mmqhhhhq2、换热器（锅炉、加热器等）、换热器（锅炉、加热器等）12 3、管内流动、管内流动流入：流入：流出：流出：内增：内增：021f111 112ucgzp v22f 222212ucgzp v2f1d02pucgz2.3 热力学第热力学第二定律二定律1.热力学第二定律的几种表述热力学第二定律的几种表述克劳修斯说法：克劳修斯说法：不可能把热从低温物体传到高温物体不可能把热从低温物

4、体传到高温物体而不引起其他变化。而不引起其他变化。开尔文说法开尔文说法:不可能从单一热源取热使之完全变成功不可能从单一热源取热使之完全变成功而不产生其他影响。而不产生其他影响。普朗克说法：普朗克说法：不可能制造一个机器，使之在循环动作不可能制造一个机器，使之在循环动作中把一重物升高，而同时使一热源冷却。中把一重物升高，而同时使一热源冷却。熵增原理熵增原理:孤立系统或绝热系统的熵可以增大孤立系统或绝热系统的熵可以增大,不变不变,但但绝对不会减少。绝对不会减少。热力学第二定律告诉我们什么？热力学第二定律告诉我们什么？能量的转换具有方向性和不可逆性！能量的转换具有方向性和不可逆性！2.卡诺定理卡诺定

5、理热效率卡诺定理1、在相同的高温热源和相同的低温热源之间的可逆热、在相同的高温热源和相同的低温热源之间的可逆热机的热效率恒高于不可逆热机的热效率机的热效率恒高于不可逆热机的热效率2、在相同的高温热源和低温热源工作的可逆热机有共、在相同的高温热源和低温热源工作的可逆热机有共同的热效率，而与工质无关。同的热效率，而与工质无关。3.熵增原理熵增原理过程：克劳修斯不等式 循环：克劳修斯积分不等式(绝热)孤立系统:熵增原理 由于熵不具有守恒性，过程的不可逆会引起熵产，熵产热流引起熵的变化产STQSS/122.4 1.的基本概念的基本概念在周围环境条件下，任一形式的能量中理论上能转换在周围环境条件下，任一

6、形式的能量中理论上能转换为有用功的那部分能量称为该能量的火用，能量中不为有用功的那部分能量称为该能量的火用，能量中不能转换为有用功的那部分能量称为该能量的火无或无能转换为有用功的那部分能量称为该能量的火无或无效能。效能。从能量的可利用性，可把能量分为三类：从能量的可利用性，可把能量分为三类：第一类：具有完全转换能力的能量，如机械能、电能等第一类：具有完全转换能力的能量，如机械能、电能等第二类：具有部分转换能力的能量，如热能、内能等第二类：具有部分转换能力的能量，如热能、内能等第三类：完全不具有转换能力的能量，如环境温度下的第三类：完全不具有转换能力的能量，如环境温度下的 热能热能2.4 1.的

7、基本概念的基本概念热力学第热力学第一定律一定律:在任何能量转换中，在任何能量转换中，火火用和用和火火无的总量保无的总量保持不变。持不变。2.热力系统热力系统火火用的计算用的计算QTTQWEe0max1TTe01QEe 2.热力系统热力系统火火用的计算用的计算21QEe(1)封闭系统封闭系统火火用的计算用的计算00000,;,shTvpshuTvp环境状态：初始状态：max0ddwvpuq0dTqs 化等于环境熵的变化可逆状态：系统熵的变sTvpuwedddd00max封闭状态的火用等于(1)封闭系统封闭系统火火用的计算用的计算从给定状态到环境状态积分从给定状态到环境状态积分)(00000000

8、0000maxssTvvpuusTvpusTvpuwe封闭系统的封闭系统的火火无等于无等于:)(00000ssTvvpueua从状态从状态1可逆转变到状态可逆转变到状态2所能完成的最大功为所能完成的最大功为:)(2102102121maxssTvvpuueew(2)稳定流动开口系统稳定流动开口系统火火用的计算用的计算工质从给定状态以可逆方式转变到环境状态工质从给定状态以可逆方式转变到环境状态,并且只与环并且只与环境交换热量时所做出的最大有用功境交换热量时所做出的最大有用功由能量平衡方程式由能量平衡方程式:max2dd2/1dwzgchqgzcssThhwezczgcsThwe2000max00

9、20max21)(0,0dd21ddd相应的相应的火火无为无为:)(000ssTha从状态从状态1可逆转变到状态可逆转变到状态2所能完成的最大功为所能完成的最大功为:)()(21)(210212122212102121maxssThhzzgccssThheew例例2-4 p46(3)理想气体理想气体火火用的计算用的计算)(000ssThhe利用理想气体状态方程也可以进行计算利用理想气体状态方程也可以进行计算 温度温度火火用用TTTCTeTTpd)1()(00 压力压力火火用用00ln)(ppRTPe00000lnln),()(ppRTTTTTTCeCTePeePP为常数时：当AWQQ0产dST

10、TQTQWA00/产STTQTQWA00/系统从状态1变化到状态2，热机作出的有用功为对于可逆过程，热机作出的最大有用功即为系统热量的火用QTTTQTQWEAQ)/1(/00max,TQTEQAQQ/0)(120SSTQEQ热量火无为也可以用熵的变化来表示)(120SSTAQQTTEQ)/1(0对于恒定的热源TQTAQ/0对于变温的热源(T1T2)QTTEmQ)/1(0)/ln(/)(1212TTTTTm温差传热要引起火用损失，并且在温差相同、传热量相同时，低温的火用损失要比高温时大得多。例2-2（P43),例2-3（P44)(4)化学火用化学火用任何一个系统，当其与环境处于热力学平衡的状态时

11、，任何一个系统，当其与环境处于热力学平衡的状态时，称其处于环境状态，这时系统所具有的各种形式能量的称其处于环境状态，这时系统所具有的各种形式能量的火用值为零。而与环境不同的任何系统所具有的能量都火用值为零。而与环境不同的任何系统所具有的能量都含有火用。含有火用。一个系统与环境处于热力学平衡，可以是完全的热力学一个系统与环境处于热力学平衡，可以是完全的热力学平衡，也可以是不完全的热力学平衡，这取决于研究的平衡，也可以是不完全的热力学平衡，这取决于研究的问题。当取不完全平衡环境状态作为基准计算时，一个问题。当取不完全平衡环境状态作为基准计算时，一个系统的能量所具有的火用称为该能量的系统的能量所具有

12、的火用称为该能量的物理火用物理火用；当取；当取完全平衡环境状态作为计算基准时，一个系统所具有的完全平衡环境状态作为计算基准时，一个系统所具有的火用为物理火用和化学火用之和。一个系统的能量的火用为物理火用和化学火用之和。一个系统的能量的化化学火用学火用是系统在是系统在p0、T0时相对于完全平衡环境状态因化学时相对于完全平衡环境状态因化学不平衡所具有的火用。不平衡所具有的火用。(5)燃料燃料火火用的计算用的计算燃料与氧气完全燃烧反应后燃料与氧气完全燃烧反应后,以可逆方式转变到完全平衡以可逆方式转变到完全平衡的环境状态所能做出的最大功。的环境状态所能做出的最大功。标准燃料标准燃料火火用：用：1个大气

13、压，个大气压，25时的燃料时的燃料火火用用燃料燃料火火用用=标准燃料标准燃料火火用用+物理显物理显火火用（高温高压）用（高温高压）STQedw0应用朗特式简单算法固体燃料化学火用液体燃料化学火用气体燃料化学火用rQeFydwgw975.0QeFgw95.0QeF（1）火用损失：和可逆过程相比，不可逆过程中火用的减少量称为不可逆过程引起的火用损失，简称火用损失。（2）火用衡算方程式 【输入火用】=【输出火用】+【火用损失】+【系统火用的变化】AALWWEmax,LuuWQEEEEE12产STEL0火用损失是系统由于不可逆性引起的能够做出的最大有用功的减少。LhAhQEEcmWEcmE222121

14、22（1）有限温差传热过程（2）绝热节流过程（3）不可逆绝热压缩过程（4）不可逆绝热膨胀过程【例2-10】2.6 合理利用能量的原则合理利用能量的原则两个指标：热效率（数量损失）与两个指标：热效率（数量损失）与火火用效率（质量损失）用效率（质量损失）计算方法：收益计算方法：收益/代价（耗费）代价（耗费）目标：达到目标：达到100%举例说明：假设环境温度为举例说明：假设环境温度为0，为使室内保持，为使室内保持20，单，单位时间内需向室内供热位时间内需向室内供热10kJ，如果采用电炉供暖，在没，如果采用电炉供暖，在没有外部损失的情况下，比较热泵和电炉的两个效率？有外部损失的情况下，比较热泵和电炉的

15、两个效率？【例例2-11】LHHnetTTTwq1能量利用的经济指标能量利用的经济指标代价收益效率 能量品质能量品质动力循环动力循环制冷循环制冷循环热泵循环热泵循环间壁换热器间壁换热器热效率热效率(数量数量)火火用效率用效率(质质量量)1QWtWQ2WQ112QQ1,QxWxexEEWxQxexEE,2WxQxexEE,121,QxQxexEE能量利用的经济指标能量利用的经济指标代价收益效率 能量品质能量品质产功过程产功过程耗功过程耗功过程传热过程传热过程火火用效率用效率(质质量量)理想实际WWex热冷,xxexEE实际理想WWex热力学火用效率热力学火用效率电炉热效率电炉热效率:电炉的电炉的火火用效率用效率:%100%100101012QQ%82.6%10010102015.27315.2731,1WxQxexEE如果采用卡诺热泵如果采用卡诺热泵,kJ318.9682.010kJ,682.065.14/1065.142730273202732022111QWTTTWQ卡诺热效率卡诺热效率:%100%100682.0318.91012QQ电炉的电炉的火火用效率用效率:%100%100682.0102015.27315.2731,1WxQxexEE