第6章-熱力學第一定律及其工程應用-南陽理工學院-71

1、化工熱力學化工熱力學第六章 化 工 過 程 能 量 分 析南陽理工學院 生化學院 第第6章章 熱力學第一定律及其工程應用熱力學第一定律及其工程應用內(nèi)容概要內(nèi)容概要能量守恒定律能量守恒定律能量既不能被創(chuàng)造，也不能被消滅，只能在一定條件下從一種形式的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式。轉(zhuǎn)換中，能量的總量保持不變。不消耗任何能量而不斷作功的第一類永動機是造不成的。不消耗任何能量而不斷作功的第一類永動機是造不成的。熱機的熱效率不可能大于熱機的熱效率不可能大于1化工熱力學化工熱力學第六章 化 工 過 程 能 量 分 析南陽理工學院 生化學院 熱力學第一定律的實質(zhì)就是能量在數(shù)量上是守恒的熱力學第一定律的實質(zhì)就是能量在數(shù)

2、量上是守恒的基本形式為：基本形式為： （體系的能量）體系的能量）（環(huán)境的能量）環(huán)境的能量）0或或 （體系的能量）體系的能量）（環(huán)境的能量）環(huán)境的能量）體系的能量的增加等于環(huán)境的能量的減少。體系的能量的增加等于環(huán)境的能量的減少。 熱力學第一定律的實質(zhì)熱力學第一定律的實質(zhì)化工熱力學化工熱力學第六章 化 工 過 程 能 量 分 析南陽理工學院 生化學院 能量具有各種不同的形式能量具有各種不同的形式機械能機械能 熱能熱能 電能電能 化化學能學能 核能等核能等各種不同形式的能量相互轉(zhuǎn)化各種不同形式的能量相互轉(zhuǎn)化熱能熱能機械能機械能重點內(nèi)容重點內(nèi)容敞開系統(tǒng)熱力學第一定律敞開系統(tǒng)熱力學第一定律 穩(wěn)定流動與可

3、逆過程穩(wěn)定流動與可逆過程 可逆軸功與實際軸功的計算可逆軸功與實際軸功的計算 氣體壓縮及膨脹過程熱力學分析氣體壓縮及膨脹過程熱力學分析 節(jié)流與等熵膨脹過程中的溫度效應節(jié)流與等熵膨脹過程中的溫度效應 化工熱力學化工熱力學第六章 化 工 過 程 能 量 分 析南陽理工學院 生化學院 6161、封閉系統(tǒng)的能量平衡封閉系統(tǒng)的能量平衡體系能量的變化體系能量的變化= =體系與環(huán)境能量交換的凈能量。體系與環(huán)境能量交換的凈能量。 即：即： 存出入能能能封閉體系封閉體系非流動非流動過程的熱力學第一定律過程的熱力學第一定律： UQ WfWWeW內(nèi)能：物質(zhì)內(nèi)部所有微觀粒子所具有的能量的總和。內(nèi)能：物質(zhì)內(nèi)部所有微觀粒子

4、所具有的能量的總和。（僅與微觀粒子的數(shù)目和溫度有關(guān)）（僅與微觀粒子的數(shù)目和溫度有關(guān)）fWWeW化工熱力學化工熱力學第六章 化 工 過 程 能 量 分 析南陽理工學院 生化學院 6262、敞開系統(tǒng)的能量平衡敞開系統(tǒng)的能量平衡開系的特點：開系的特點： 體系與環(huán)境有物質(zhì)的交換。體系與環(huán)境有物質(zhì)的交換。 除有熱功交換外，還包括物流輸入和除有熱功交換外，還包括物流輸入和 輸出輸出(攜帶能量攜帶能量) 。開系的劃分：開系的劃分： 可以是化工生產(chǎn)中的一臺或幾臺設備?？梢允腔どa(chǎn)中的一臺或幾臺設備。 可以是一個過程或幾個過程?？梢允且粋€過程或幾個過程。 可以是一個化工廠。可以是一個化工廠。 把劃定的開放體系

5、那部分稱為控制體，用把劃定的開放體系那部分稱為控制體，用表示。表示。 化工熱力學化工熱力學第六章 化 工 過 程 能 量 分 析南陽理工學院 生化學院 開放體系熱力學第一定律：開放體系熱力學第一定律：控制體如圖所示：控制體如圖所示：圖圖61 開系的平衡開系的平衡（a）質(zhì)量平衡質(zhì)量平衡（b）能量平衡能量平衡imjmdtdM控制體控制體dtdE控制體控制體jjem iiem dtQ dtW 化工熱力學化工熱力學第六章 化 工 過 程 能 量 分 析南陽理工學院 生化學院 單位質(zhì)量流體攜帶的能量單位質(zhì)量流體攜帶的能量e為：為： 212eUgzuz位高位高g重力加速度重力加速度u流體的平均流速流體的平

6、均流速控制體中能量變化：控制體中能量變化： jjjiiiememdtWdtQdtdE兩端對時間積分得：兩端對時間積分得： dtmedtmeWQEjjttjiitti2121 和和 分別為分別為 內(nèi)開系與外界交換的熱和功內(nèi)開系與外界交換的熱和功 QWt化工熱力學化工熱力學第六章 化 工 過 程 能 量 分 析南陽理工學院 生化學院 16p1 A1系統(tǒng)與環(huán)境交換功系統(tǒng)與環(huán)境交換功W，實際上由兩部分組成：，實際上由兩部分組成：軸功：軸功：通過泵、壓縮機等機械設備的轉(zhuǎn)動軸，使系統(tǒng)與環(huán)境交換的通過泵、壓縮機等機械設備的轉(zhuǎn)動軸，使系統(tǒng)與環(huán)境交換的軸功軸功Ws；流動功：流動功：單位質(zhì)量物質(zhì)被推入系統(tǒng)時，接受

7、環(huán)境所給與的功，以及單位質(zhì)量物質(zhì)被推入系統(tǒng)時，接受環(huán)境所給與的功，以及離開系統(tǒng)時推動前面物質(zhì)對環(huán)境所作的功。離開系統(tǒng)時推動前面物質(zhì)對環(huán)境所作的功。假設系統(tǒng)入口處截面面積為假設系統(tǒng)入口處截面面積為Al ，流體的比容為，流體的比容為V1 ，壓力為，壓力為p1 ，則推動，則推動力為力為p1A1 ，使單位質(zhì)量流體進入系統(tǒng)，需要移動，使單位質(zhì)量流體進入系統(tǒng)，需要移動的距離為的距離為V1/A1,推動單推動單位質(zhì)量流體進入系統(tǒng)所需要的功為：位質(zhì)量流體進入系統(tǒng)所需要的功為：即單位質(zhì)量流體進入系統(tǒng)時，接受后面流體（環(huán)境）所給予的功；同樣單位即單位質(zhì)量流體進入系統(tǒng)時，接受后面流體（環(huán)境）所給予的功；同樣單位質(zhì)量流

8、體離開系統(tǒng)時，必須推動前面的流體（環(huán)境），即對環(huán)境作質(zhì)量流體離開系統(tǒng)時，必須推動前面的流體（環(huán)境），即對環(huán)境作-p2V2的的功。功。這種流體內(nèi)部相互推動所交換的功，稱為流動功，只有在連續(xù)流動過程中才這種流體內(nèi)部相互推動所交換的功，稱為流動功，只有在連續(xù)流動過程中才存在。存在。1111 11Vp ApVA化工熱力學化工熱力學第六章 化 工 過 程 能 量 分 析南陽理工學院 生化學院 2211ttfiiijjjttijWPv m dtPv m dt 1 122WWspVp V1 122fWpVp VittjjjjittiiiisdtmvPedtmvPeWQE2121)()(2211ttiijjt

9、tijEQWem dte m dt結(jié)合化工熱力學化工熱力學第六章 化 工 過 程 能 量 分 析南陽理工學院 生化學院 再結(jié)合再結(jié)合212eUgzu將將 代入，得：代入，得：221122epvUpvgzuHgzu2121()2tsiiiitiEQWHgzum dt 2121()2tjjjjtjHgzum dt將將 0 t時，將上式寫成微分式：時，將上式寫成微分式：212siiiiiWdEQmHgzudtdtdt212jjjjjmHgzu此式是開系通用的能量平衡方程此式是開系通用的能量平衡方程 (開系熱力學第一定律）開系熱力學第一定律）化工熱力學化工熱力學第六章 化 工 過 程 能 量 分 析南

10、陽理工學院 生化學院 穩(wěn)流體系沒有能量和質(zhì)量的積累，即：穩(wěn)流體系沒有能量和質(zhì)量的積累，即：0;0Em穩(wěn)定流動穩(wěn)定流動非穩(wěn)定流動非穩(wěn)定流動 穩(wěn)定流動：穩(wěn)定流動：流體的流速及其他物理量僅隨位置而變而流體的流速及其他物理量僅隨位置而變而不隨時間而變。不隨時間而變。6-3 6-3 穩(wěn)流過程的能量平衡穩(wěn)流過程的能量平衡 化工熱力學化工熱力學第六章 化 工 過 程 能 量 分 析南陽理工學院 生化學院 一些常見的屬于穩(wěn)流體系的裝置一些常見的屬于穩(wěn)流體系的裝置噴嘴噴嘴擴壓管擴壓管節(jié)流閥節(jié)流閥透平機透平機壓縮機壓縮機混合裝置混合裝置換熱裝置換熱裝置化工熱力學化工熱力學第六章 化 工 過 程 能 量 分 析南陽

11、理工學院 生化學院 0dtdEsiijjiiijjjijQWH mH mm g zm g z222121jjiiumumspKQWHEE 如圖為一穩(wěn)定流動過程：如圖為一穩(wěn)定流動過程： pEKE：勢能：勢能：動能：動能穩(wěn)定流動過程無能量變化穩(wěn)定流動過程無能量變化一、開系穩(wěn)流過程的能量平衡式一、開系穩(wěn)流過程的能量平衡式化工熱力學化工熱力學第六章 化 工 過 程 能 量 分 析南陽理工學院 生化學院 換熱器換熱器透平機透平機1111,P T V U2222,P TVU11um Q1hsWh2h零勢能基準面零勢能基準面122u圖6-1 穩(wěn)定流動示意圖21 63UUU22221111 64222kEuu

12、u21 65pEghghg h11111 11 67fVWp ApVA222 68fWp V 22211 1 69HUp VUpV化工熱力學化工熱力學第六章 化 工 過 程 能 量 分 析南陽理工學院 生化學院 當只有一股物料流入和流出：則當只有一股物料流入和流出：則 mmmji寫出通式：寫出通式： ()jiHm HHm h()pjiEmg zzmg z22221)(21umuumEijk212sm hmg zm uQ W 則則: 如果將單位質(zhì)量看成一個體系，因為質(zhì)量不變，可看如果將單位質(zhì)量看成一個體系，因為質(zhì)量不變，可看成是一個成是一個流動的封閉體系流動的封閉體系。 化工熱力學化工熱力學第六

13、章 化 工 過 程 能 量 分 析南陽理工學院 生化學院 同除同除m變?yōu)閱挝毁|(zhì)量：變?yōu)閱挝毁|(zhì)量：212shg zuqw 上兩式為上兩式為開系穩(wěn)流過程開系穩(wěn)流過程的能量平衡式或稱為開系穩(wěn)流的能量平衡式或稱為開系穩(wěn)流過程熱力學第一定律數(shù)學表達式。過程熱力學第一定律數(shù)學表達式。 例例 61 用功率為用功率為2.0kW的泵將的泵將95的熱水從貯水罐送到的熱水從貯水罐送到換熱器。熱水的流量為換熱器。熱水的流量為3.5kgs3.5kgs-1-1。在換熱器中以在換熱器中以698kJs698kJs-1-1的速的速率將熱水冷卻后送入比第一貯水罐高率將熱水冷卻后送入比第一貯水罐高15m15m的第二貯水罐中，求第的

14、第二貯水罐中，求第二貯水罐的水溫。二貯水罐的水溫?；崃W化工熱力學第六章 化 工 過 程 能 量 分 析南陽理工學院 生化學院 t=t=？貯水罐貯水罐換換熱熱器器95 貯水罐貯水罐進水進水泵泵SWQ15m15m例例6161穩(wěn)流過程示意圖穩(wěn)流過程示意圖化工熱力學化工熱力學第六章 化 工 過 程 能 量 分 析南陽理工學院 生化學院 以以1kg1kg水為計算基準水為計算基準 輸入的功輸入的功5 . 310000 . 2sw14 .571kgJ15714. 0kgkJ放出的熱放出的熱5 . 3698q14 .199kgkJ位能的變化位能的變化 1581. 9zg12 .147kgJ11472.

15、0kgkJ解解1瓦瓦=1焦焦/秒秒 化工熱力學化工熱力學第六章 化 工 過 程 能 量 分 析南陽理工學院 生化學院 可以忽略此過程動能的變化，即可以忽略此過程動能的變化，即0212u根據(jù)穩(wěn)流過程能量平衡式（根據(jù)穩(wěn)流過程能量平衡式（6868），），221uzgwqhs1472. 05714. 04 .19910 .199kgkJ由附表由附表3 3（水蒸汽表）查得（水蒸汽表）查得9595飽和水的焓飽和水的焓1196.397kgkJh故有故有hhh120 .19996.39796.19810 .199kgkJ根據(jù)根據(jù)2h再查附表再查附表3 3，得，得51.472t化工熱力學化工熱力學第六章 化 工

16、 過 程 能 量 分 析南陽理工學院 生化學院 二、穩(wěn)流過程能量平衡方程式的簡化形式及其應用二、穩(wěn)流過程能量平衡方程式的簡化形式及其應用1、機械能平衡方程式（柏努力方程）：機械能平衡方程式（柏努力方程）：流體：不可壓縮，無粘性無熱、無軸功的交換流體：不可壓縮，無粘性無熱、無軸功的交換 0,0,0sqwu 由此例可見，對液體穩(wěn)流過程，熱流量較大而位能變化不由此例可見，對液體穩(wěn)流過程，熱流量較大而位能變化不大時，大時，swzg和和與與 相比，顯得很小，可以忽略。相比，顯得很小，可以忽略。q自看例自看例6.1 作業(yè)：作業(yè)：6.4內(nèi)能內(nèi)能化工熱力學化工熱力學第六章 化 工 過 程 能 量 分 析南陽理

17、工學院 生化學院 hupvpv 不可壓縮流體不可壓縮流體v不變，不變， ppvpv212shg zuqw 方程方程 變成：變成： 0212pzgu這就是著名的這就是著名的柏努力方程柏努力方程。 適用條件：適用條件：不可壓縮，無粘性流體的穩(wěn)態(tài)流動。不可壓縮，無粘性流體的穩(wěn)態(tài)流動。（6-10）化工熱力學化工熱力學第六章 化 工 過 程 能 量 分 析南陽理工學院 生化學院 2 2、與外界有大量熱、軸功交換的穩(wěn)流過程、與外界有大量熱、軸功交換的穩(wěn)流過程SWQHswqh或或、有大量熱、無軸功交換，、有大量熱、無軸功交換， 0SWqhQH,無熱交換（絕熱）無熱交換（絕熱） 0Q方程為：方程為： SWHs

18、wh或或忽略過程中系統(tǒng)的動能和位能變化忽略過程中系統(tǒng)的動能和位能變化化工熱力學化工熱力學第六章 化 工 過 程 能 量 分 析南陽理工學院 生化學院 例：例：某工廠一工段需要流量為某工廠一工段需要流量為10 m3h-1，溫度為，溫度為80的熱水。的熱水?，F(xiàn)有現(xiàn)有0.3MPa的飽和水蒸汽和的飽和水蒸汽和30的循環(huán)回水可供調(diào)用。請你的循環(huán)回水可供調(diào)用。請你設計一個熱水槽，進入該槽的蒸汽和冷水的流量？相應的蒸設計一個熱水槽，進入該槽的蒸汽和冷水的流量？相應的蒸汽管和冷水管尺寸如何？汽管和冷水管尺寸如何？解：解：這是一個穩(wěn)定流動系統(tǒng)，動能及勢能不是很突出，可以這是一個穩(wěn)定流動系統(tǒng)，動能及勢能不是很突出

19、，可以忽略不計。忽略不計。 若忽略混合時的熱量損失，而混合過程無機械軸功產(chǎn)生，若忽略混合時的熱量損失，而混合過程無機械軸功產(chǎn)生，即即Q=0，Ws=0。穩(wěn)流系統(tǒng)熱力學第一定律，穩(wěn)流系統(tǒng)熱力學第一定律，H=Q-Ws=0，即進出焓相等，即進出焓相等 冷水的熱力學性質(zhì)：冷水的熱力學性質(zhì)： 30，近似為飽和液體，近似為飽和液體，H冷水冷水=125.79 kJkg-1，比容，比容1.0043l10-3m3kg-1化工熱力學化工熱力學第六章 化 工 過 程 能 量 分 析南陽理工學院 生化學院 1133132971810029110hkg.kgm.hmm熱水熱水熱水蒸汽汽冷水水HmHmHm91.3342 .

20、97183 .2725)2 .9718(79.125水水mm14 .8936hkgm水18 .781hkgm蒸汽3311.029 10 mkg飽和蒸汽的熱力學性質(zhì)：飽和蒸汽的熱力學性質(zhì)：0.3MPa，飽和溫度為，飽和溫度為133.55，H蒸汽蒸汽=2725.3 kJkg-1，比容，比容 6.0610-3 m3kg-1熱水的熱力學性質(zhì)：熱水的熱力學性質(zhì)：80，近似為飽和液體，近似為飽和液體，H熱水熱水=334.91 kJkg- 比容為比容為 設冷水的流量為設冷水的流量為m水水，蒸汽的質(zhì)量流量為，蒸汽的質(zhì)量流量為m汽汽。熱水流量為熱水流量為 則則 解得解得 mmm水汽熱水化工熱力學化工熱力學第六章

21、 化 工 過 程 能 量 分 析南陽理工學院 生化學院 查閱查閱“化工工藝設計手冊化工工藝設計手冊”，可知：一般工業(yè)用水在管，可知：一般工業(yè)用水在管中的流速要求在中的流速要求在1.0m/s左右，低壓蒸汽流速為左右，低壓蒸汽流速為20m/s左右。左右。 VmUA2/14UVmD 則則 式中式中A為管道截面積，為管道截面積，D為管徑，為管徑，U為流速，為流速，V為比容。為比容。 即即mD056. 036000 . 114. 3100043. 14 .893642/13mD092. 036002014. 3106068 .78142/13冷水管徑冷水管徑 按照管道規(guī)格尺寸，選取按照管道規(guī)格尺寸，選取

22、DN50的冷水管道。的冷水管道。選取選取DN100的蒸汽管道。的蒸汽管道。蒸汽管徑蒸汽管徑化工熱力學化工熱力學第六章 化 工 過 程 能 量 分 析南陽理工學院 生化學院 2221Kg126700189.27.35.44.2 3600427.12.35.41 1.0051089THuQWskJ kgkJ kgHmCp TT 解：以理想氣體物料為計算標準。取透平機為體系，若不考慮透平機進、出口的勢能變化，則能量方程式為 式中 Q=- Ws=-對于理想氣體，過程的焓變 式中為透平機出口氣體溫度習題習題6.6化工熱力學化工熱力學第六章 化 工 過 程 能 量 分 析南陽理工學院 生化學院 33111

23、122421318.314 1010890.456.0.7091 283.14160.01602.011 104435.4.9.83 10.RTVm kgp MDmmkg hkg s透平機進氣的體積 透平機進、出口管路界面積 A=透平機進氣的質(zhì)量流量 透平機進、排氣的流速 3111411211 22212122112 19.83 100.45622.29 .2.011 1022.29 0.70910.14330.1013 1089mVumsAuVu pTTRTRTuuTp Mp MVp T 化工熱力學化工熱力學第六章 化 工 過 程 能 量 分 析南陽理工學院 生化學院 22222222222

24、222110.143322.292211.00510890.143322.29189.27427.122T1.005726.4770221.50.14330.1433 221.5uTTTTTkuT -2得 將上面所得的結(jié)果代人能量方程式，得整理后得 1.027 10解得 則 131.74 .ms化工熱力學化工熱力學第六章 化 工 過 程 能 量 分 析南陽理工學院 生化學院 二、二、可逆過程可逆過程耗散效應耗散效應：可用功由于摩擦阻力等造成功轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬默F(xiàn)象可用功由于摩擦阻力等造成功轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬默F(xiàn)象汽缸汽缸活塞活塞飛輪可逆過程：當系統(tǒng)進行正、反兩個方向后，系統(tǒng)與外界環(huán)境均能完全回復當系統(tǒng)進行正、反

25、兩個方向后，系統(tǒng)與外界環(huán)境均能完全回復到其初始狀態(tài)，這樣的過程稱為可逆過程到其初始狀態(tài)，這樣的過程稱為可逆過程 化工熱力學化工熱力學第六章 化 工 過 程 能 量 分 析南陽理工學院 生化學院 三、軸功三、軸功1、可逆軸功可逆軸功 RSW、絕熱可逆過程：、絕熱可逆過程： HWRS、對于靜止的或流動的封閉體系、對于靜止的或流動的封閉體系單位質(zhì)量流體：單位質(zhì)量流體： vdpqvdptdshR可逆無任何摩擦損失的軸功化工熱力學化工熱力學第六章 化 工 過 程 能 量 分 析南陽理工學院 生化學院 當流體經(jīng)產(chǎn)功或耗功裝置時，可忽略動位能變化，則通用當流體經(jīng)產(chǎn)功或耗功裝置時，可忽略動位能變化，則通用能量

26、平衡方程寫成：能量平衡方程寫成：vdPqwqRRsR)(可逆過程可逆過程: )()RsRwqh（21)(PPRsvdPw或或 2211( )pPS RpPWmvdPVdP用于液體時用于液體時: 不可壓縮流體不可壓縮流體V=常數(shù)常數(shù) PvwRs)(PVWRS)(化工熱力學化工熱力學第六章 化 工 過 程 能 量 分 析南陽理工學院 生化學院 2、實際軸功的計算：、實際軸功的計算：產(chǎn)功設備（透平）：產(chǎn)功設備（透平）： )(RSSWW實1)(RSSmWW 的大小與機器制作水平有關(guān)。的大小與機器制作水平有關(guān)。 耗功設備：耗功設備： )(RSSWW實1)(SRSmWW01,0.60.8mm通?；崃W

27、化工熱力學第六章 化 工 過 程 能 量 分 析南陽理工學院 生化學院 例例某化工廠用蒸汽透平帶動事故泵，動力裝置流程如某化工廠用蒸汽透平帶動事故泵，動力裝置流程如圖所示。給水的圖所示。給水的壓力為壓力為0.09807MPa（絕）絕），溫度溫度15。水被。水被加壓到加壓到0.687MPa（絕）絕）后進入鍋爐，將水加熱成飽和蒸汽。蒸后進入鍋爐，將水加熱成飽和蒸汽。蒸汽由鍋爐進入透平，并在透平中進行膨脹作功。排出的蒸汽（汽由鍋爐進入透平，并在透平中進行膨脹作功。排出的蒸汽（稱乏汽）稱乏汽）壓力為壓力為0.09807MPa。蒸汽透平輸出的功主要用于帶動蒸汽透平輸出的功主要用于帶動事故泵，有一小部分用

28、于帶動給水泵。若事故泵，有一小部分用于帶動給水泵。若透平機和給水泵都是絕透平機和給水泵都是絕熱、可逆操作熱、可逆操作的，的，問有百分之幾的熱能轉(zhuǎn)化為功（即用于事故泵問有百分之幾的熱能轉(zhuǎn)化為功（即用于事故泵的功）？的功）？解解計算基準取計算基準取1kg水。水。給水泵軸功可用式（給水泵軸功可用式（615）進行計算）進行計算化工熱力學化工熱力學第六章 化 工 過 程 能 量 分 析南陽理工學院 生化學院 31()0.0010.6780.09807100.5799.S Rwv PkJ Kg 查附表查附表3（水蒸汽表）可知（水蒸汽表）可知15水水的飽和蒸汽壓為的飽和蒸汽壓為1.7051KPa1.7051

29、KPa、比容比容為為13001. 0kgm泵的操作絕熱可逆，因此：泵的操作絕熱可逆，因此：鍋爐鍋爐透透平平Ws（泵）驅(qū)動水泵需用功泵）驅(qū)動水泵需用功1給水給水a(chǎn)MPP09807. 01t=15泵泵aMPP678. 02243aMPP678.03飽和蒸汽飽和蒸汽aMPP09807. 04廢蒸汽（乏汽）廢蒸汽（乏汽）TurSW.12hhh10.5799kJ kg)(泵Sw化工熱力學化工熱力學第六章 化 工 過 程 能 量 分 析南陽理工學院 生化學院 倘若知道進入水泵時水的焓倘若知道進入水泵時水的焓 ，則可從上式求出，則可從上式求出 ，即進入鍋，即進入鍋1h2h爐的液體水的焓。爐的液體水的焓。15

30、飽和水的焓飽和水的焓 可以從水蒸汽表中查到可以從水蒸汽表中查到飽和水h199.62kgkJh飽和水1h飽和水h與與的關(guān)系為的關(guān)系為1h101PPTdPPhhh飽和水（A）式中式中011.705,98.07aaPkP PkP由由12hhh10.5799kJ kg)(泵SwTphvvTPT化工熱力學化工熱力學第六章 化 工 過 程 能 量 分 析南陽理工學院 生化學院 并用并用PVT數(shù)據(jù)進行積分計算表明，式（數(shù)據(jù)進行積分計算表明，式（A）右邊積分項之值很小，右邊積分項之值很小，可以忽略。因此可以忽略。因此飽和水hh 1262.990.5799h 鍋爐出口為鍋爐出口為687kPa的飽和蒸汽，的飽和蒸

31、汽， 從水蒸氣表中查得從水蒸氣表中查得199.62kgkJ163.57kJ kg132763kgkJh11370. 6KkgkJS101PPTdPPhhh飽和水（A）化工熱力學化工熱力學第六章 化 工 過 程 能 量 分 析南陽理工學院 生化學院 可根據(jù)式（可根據(jù)式（614）對鍋爐進行能量衡算）對鍋爐進行能量衡算;shqw 0sw12699kgkJ每每kg水通過鍋爐吸熱水通過鍋爐吸熱2699kJ。按題意透平機是在絕熱、可逆條件下操作的，因此是等熵過程，按題意透平機是在絕熱、可逆條件下操作的，因此是等熵過程，34SS 已知已知aMPP09807. 04，根據(jù)，根據(jù) 和和 之值從水蒸氣的焓熵圖之值

32、從水蒸氣的焓熵圖4S4P（Mollier圖）可查得圖）可查得142425kgkJh1170. 6KkgkJhq23hh 58.632763化工熱力學化工熱力學第六章 化 工 過 程 能 量 分 析南陽理工學院 生化學院 根據(jù)式（根據(jù)式（614）對透平機進行能量衡算）對透平機進行能量衡算.;S Turhqw 0qhwTurS.其中有一部分軸功用于水泵，因而提供給事故泵的軸功為其中有一部分軸功用于水泵，因而提供給事故泵的軸功為3380.5799Sw Sw與與q之比，稱熱效率之比，稱熱效率 ，T由此可見，只有由此可見，只有12.5%的熱轉(zhuǎn)化為功，此功用于事故泵。的熱轉(zhuǎn)化為功，此功用于事故泵。%5 .

33、12qwST26994 .3371250. 014 .337kgkJ1338kgkJ43hh 24252763化工熱力學化工熱力學第六章 化 工 過 程 能 量 分 析南陽理工學院 生化學院 例：例：30 的空氣，以的空氣，以5m/s的流速流過一垂直安裝的熱的流速流過一垂直安裝的熱交換器，被加熱到交換器，被加熱到150 ，若換熱器進出口管直徑相若換熱器進出口管直徑相等，忽略空氣流過換熱器的壓降，換熱器高度為等，忽略空氣流過換熱器的壓降，換熱器高度為3m，空氣空氣Cp=1.005kJ(kg.K),求求50kg空氣從換熱器吸收的空氣從換熱器吸收的熱量熱量化工熱力學化工熱力學第六章 化 工 過 程

34、能 量 分 析南陽理工學院 生化學院 將將空氣當作理想氣體，并忽略壓降時空氣當作理想氣體，并忽略壓降時1122VTVTAuTAuT1122s/m.TTuu98630342351212解：解：22suhg zqw 2150 1.0054233036030Pm hmCTTkJ 化工熱力學化工熱力學第六章 化 工 過 程 能 量 分 析南陽理工學院 生化學院 換熱器的動能變化和位能變化可以忽略不計換熱器的動能變化和位能變化可以忽略不計kJ.J.zmg47211472381950kJ.Q6032472159306030kJ.J.um5930593259865021222化工熱力學化工熱力學第六章 化

35、工 過 程 能 量 分 析南陽理工學院 生化學院 例題例題6.36.3 將將298K298K、0.09807MPa(0.09807MPa(絕絕) )的水用泵送到壓力為的水用泵送到壓力為0.588MPa 0.588MPa ( (絕絕) )的鍋爐中，問輸送的鍋爐中，問輸送1000kg1000kg水要消耗多少可逆軸功？若給水泵水要消耗多少可逆軸功？若給水泵的效率為的效率為0.850.85，間實際耗功為多少，間實際耗功為多少? ?解： 查附錄3水蒸汽表298K、0.09807MPa(絕)水的比容為33-11.003 10mkg由此可求出可逆軸功為21S(R)213-153-1-1d() 1 1.003

36、 (0.588 0.09807)0.4914(m MPa t )4.914 10 m Pa t0.1365kWh tppWmV pmV pp 實際功耗S(R)-1Sm0.1365=0.1606(kWh t )0.85WW化工熱力學化工熱力學第六章 化 工 過 程 能 量 分 析南陽理工學院 生化學院 四、熱量衡算四、熱量衡算無軸功交換，只有熱交換過程的能量衡算稱為無軸功交換，只有熱交換過程的能量衡算稱為熱衡算熱衡算 穩(wěn)流過程的熱量衡算的基本關(guān)系式：穩(wěn)流過程的熱量衡算的基本關(guān)系式： qhJ/kg QH熱量衡算時應將生產(chǎn)過程中各種可能熱效應考慮進去。熱量衡算時應將生產(chǎn)過程中各種可能熱效應考慮進去。

37、生產(chǎn)中的四種熱效應：生產(chǎn)中的四種熱效應： 顯熱顯熱物流的溫度變化物流的溫度變化 潛熱潛熱物流的相變化物流的相變化 混合熱效應混合熱效應多股物流混合多股物流混合 反應熱效應反應熱效應化學反應產(chǎn)生化學反應產(chǎn)生化工熱力學化工熱力學第六章 化 工 過 程 能 量 分 析南陽理工學院 生化學院 6-4、 氣體壓縮過程氣體壓縮過程常用于壓縮氣體的機械有：常用于壓縮氣體的機械有：（終壓（終壓0.3 aMP，壓縮比，壓縮比4） 壓縮機壓縮機 鼓風機（終壓鼓風機（終壓0.0150.3aMP， 壓縮比壓縮比4） 通風機（終壓通風機（終壓0.015aMP（表壓）（表壓） 按運動機構(gòu)，壓縮機分按運動機構(gòu)，壓縮機分往復

38、式往復式葉輪式葉輪式化工熱力學化工熱力學第六章 化 工 過 程 能 量 分 析南陽理工學院 生化學院 一、壓縮過熱力學分析一、壓縮過熱力學分析 理想壓縮過程：理想壓縮過程： 整個過程均為可逆，不存在任何摩擦整個過程均為可逆，不存在任何摩擦損耗，輸入的功完全用于壓縮氣體。損耗，輸入的功完全用于壓縮氣體。 往復式壓縮機壓縮過程示意圖：往復式壓縮機壓縮過程示意圖： 排氣活門排氣活門吸氣活門吸氣活門沖程沖程活塞活塞沖程：沖程：活塞從一端到另一端的行程距離稱為沖程或行程活塞從一端到另一端的行程距離稱為沖程或行程 化工熱力學化工熱力學第六章 化 工 過 程 能 量 分 析南陽理工學院 生化學院 PV2P6

39、512c2a2b31 1、恒溫壓縮過程：、恒溫壓縮過程： ( )0SHQW3、絕熱壓縮過程：、絕熱壓縮過程：常數(shù)KPV2、多變壓縮過程：、多變壓縮過程：常數(shù)mPV氣體壓縮過程在氣體壓縮過程在 P-V 圖中的表達圖中的表達圖圖 6-3化工熱力學化工熱力學第六章 化 工 過 程 能 量 分 析南陽理工學院 生化學院 就功的絕對值而言：就功的絕對值而言：等溫過程壓縮功最小，絕熱壓縮功最大，等溫過程壓縮功最小，絕熱壓縮功最大， 多變過程居中多變過程居中 二、單級壓縮機可逆軸功的計算：二、單級壓縮機可逆軸功的計算：1、等溫壓縮等溫壓縮理想氣體：理想氣體： QWHRS)(, 0QWRS)(2、絕熱過程絕熱

40、過程21PPVdP211PPdPPnRT121lnPPnRT與體積功計算與體積功計算公式的區(qū)別公式的區(qū)別化工熱力學化工熱力學第六章 化 工 過 程 能 量 分 析南陽理工學院 生化學院 0Q )(RSWH 12*TTnCHPKKPPTT1121211121*TPPTnCHKKP11121*KKPPPRRTnC;PPVVCK CCRC化工熱力學化工熱力學第六章 化 工 過 程 能 量 分 析南陽理工學院 生化學院 121111KKPKnRTKP1111211KKPPVPKK12()1111KKS RPKWnRTKP1111211KKPPVPKK1*21*11KKPPvCPHnRTCCP化工熱力學

41、化工熱力學第六章 化 工 過 程 能 量 分 析南陽理工學院 生化學院 理想氣體的理想氣體的K 可?。嚎扇。?單單原子氣體：原子氣體：K =5/3=1.667雙雙原子氣體：原子氣體：K=7/5=1.40多多原子氣體：原子氣體：K=4/3=1.333混合氣體的絕熱指數(shù)混合氣體的絕熱指數(shù)mK可按下式計算：可按下式計算： iiimKyK111iK混合氣體中某組分的絕熱指數(shù)混合氣體中某組分的絕熱指數(shù)iy混合氣體中某組分的摩爾數(shù)混合氣體中某組分的摩爾數(shù)化工熱力學化工熱力學第六章 化 工 過 程 能 量 分 析南陽理工學院 生化學院 由公式可知：由公式可知： 氣體壓縮過程所耗的理論軸功決定于氣體壓縮過程所

42、耗的理論軸功決定于始溫下始溫下絕熱指數(shù)絕熱指數(shù)K和壓縮比和壓縮比。3、多變過程：多變過程：1111211)(mmRSPPVPmmW111121mmPPnRTmm1mk化工熱力學化工熱力學第六章 化 工 過 程 能 量 分 析南陽理工學院 生化學院 4、真實氣體壓縮功的計算：真實氣體壓縮功的計算：、當壓縮因子系數(shù)當壓縮因子系數(shù)Z變化不大時：變化不大時：若壓縮機進出口若壓縮機進出口Z 變化不大，可取平均值：變化不大，可取平均值：2mZZZ進出，然后將其看成常數(shù)。，然后將其看成常數(shù)。 等溫壓縮：等溫壓縮： 121)(lnPPnRTZWmRS化工熱力學化工熱力學第六章 化 工 過 程 能 量 分 析南

43、陽理工學院 生化學院 絕熱壓縮：絕熱壓縮： 111121)(KKmRSPPnRTZKKW 多變壓縮：多變壓縮： 111121)(mmmRSPPnRTZmmW、易液化氣體易液化氣體（上述公式不適用）（上述公式不適用） 絕熱過程：絕熱過程： HWRS)(QHWRS)( 多變過程：多變過程： 化工熱力學化工熱力學第六章 化 工 過 程 能 量 分 析南陽理工學院 生化學院 例例 設空氣的設空氣的初態(tài)壓力為初態(tài)壓力為0.10814MPa，溫度為溫度為15.6，今，今將將1kg空氣壓縮至空氣壓縮至aMPP8424. 12（絕壓）。（絕壓）。試比較可逆等溫、絕試比較可逆等溫、絕熱和多變壓縮過程熱和多變壓縮

44、過程（m=1.25）的功耗和終點溫度。（空氣可作雙的功耗和終點溫度。（空氣可作雙原子氣體處理）原子氣體處理）解解空氣在壓力較低時可視為理想氣體。空氣在壓力較低時可視為理想氣體。（a）等溫壓縮。等溫壓縮。2()1lnS RPwR TP16 .234kgkJ式中式中。129,kmolkgMMRRairair10814. 08424. 1ln6 .1527329314. 8根據(jù)式（根據(jù)式（618），有），有化工熱力學化工熱力學第六章 化 工 過 程 能 量 分 析南陽理工學院 生化學院 110814. 08424. 16 .1527329314. 814 . 14 . 114 . 14 . 1)(R

45、Sw17631. 16 .2882867. 04 . 04 . 1144.361kgkJ（c）多變壓縮。多變壓縮。1.251.25 1()1.251.84240.2867288.611.25 10.10814S Rw17631. 16 .2882867. 025. 025. 117 .315kgkJ根據(jù)式（根據(jù)式（620），有），有（b）絕熱壓縮。絕熱壓縮。 空氣空氣 K=1.4K=1.4，根據(jù)式（根據(jù)式（619619），有），有化工熱力學化工熱力學第六章 化 工 過 程 能 量 分 析南陽理工學院 生化學院 壓縮過程終點的溫度為壓縮過程終點的溫度為絕熱壓縮：絕熱壓縮：KKPPTT11212C

46、79.375多變壓縮：多變壓縮：mmPPTT11212K83.508計算結(jié)果列表如下：計算結(jié)果列表如下：4 . 114 . 110814. 08424. 16 .288K79.64825. 1125. 110814. 08424. 16 .288C83.235化工熱力學化工熱力學第六章 化 工 過 程 能 量 分 析南陽理工學院 生化學院 壓縮過程壓縮過程終溫，終溫，Ct功耗，功耗，)(1)(kgkJwRS等溫等溫多變多變15.6235.83234.6315.7375.79361.44絕熱絕熱 從表中數(shù)據(jù)可見，在從表中數(shù)據(jù)可見，在1mp2)的現(xiàn)象。 節(jié)流閥 Throttling Valve化工

47、熱力學化工熱力學第六章 化 工 過 程 能 量 分 析南陽理工學院 生化學院 JouleThomson節(jié)流溫度效應節(jié)流溫度效應JppHVTVTTpc理想氣體節(jié)流前后溫度不變理想氣體節(jié)流前后溫度不變實際氣體節(jié)流前后溫度有三種變化可能，實際氣體節(jié)流前后溫度有三種變化可能，絕熱節(jié)流節(jié)流過程中流體與外界沒有熱量交換 1221,SSHHpTpTJJ若則u 0若則u 0 表示節(jié)流膨脹后氣體溫度下降；表示節(jié)流膨脹后氣體溫度下降； J-T 0 ；在點；在點 3 右側(cè)，右側(cè)，J-T 0 ，是致冷區(qū)，在這個，是致冷區(qū)，在這個區(qū)內(nèi)，可以把氣體液化；虛線以右，區(qū)內(nèi)，可以把氣體液化；虛線以右，J-T 0 ，是致熱區(qū)，氣

48、體，是致熱區(qū)，氣體通過節(jié)流過程溫度反而升高。通過節(jié)流過程溫度反而升高?；崃W化工熱力學第六章 化 工 過 程 能 量 分 析南陽理工學院 生化學院 顯然，工作物質(zhì)（即筒內(nèi)的氣顯然，工作物質(zhì)（即筒內(nèi)的氣體）不同，轉(zhuǎn)回曲線的體）不同，轉(zhuǎn)回曲線的 T,p 區(qū)區(qū)間也不同。例如，間也不同。例如，N2 的轉(zhuǎn)回的轉(zhuǎn)回曲線溫度高曲線溫度高 ，N2 氣能液化的氣能液化的范圍大；而范圍大；而 H2 和和 He 則很難則很難液化。液化。 圖圖 1-17 為不同氣體在為不同氣體在等焓條件下溫度隨壓力變化的等焓條件下溫度隨壓力變化的實驗曲線。實驗曲線。 化工熱力學化工熱力學第六章 化 工 過 程 能 量 分 析南陽

49、理工學院 生化學院 例例 1.5MPa的濕蒸汽在量熱計中被節(jié)流到的濕蒸汽在量熱計中被節(jié)流到0.1MPa和和403.15K的過熱蒸汽，求濕蒸汽的干度（蒸汽組成）。的過熱蒸汽，求濕蒸汽的干度（蒸汽組成）。解sWQzguH22節(jié)流過程無功的傳遞，節(jié)流過程無功的傳遞，忽略散熱、忽略散熱、 動能變化動能變化和位能變和位能變化化12HHT H kJ/kg1202716.61602796.2130H26271622796627161201601201302.Hkg/kJ.H527362內(nèi)插法查表求內(nèi)插法查表求H2化工熱力學化工熱力學第六章 化 工 過 程 能 量 分 析南陽理工學院 生化學院 1.5MPa 飽和液體焓值飽和液體焓值 Hl=844.9 飽和蒸汽焓值飽和