C6化工過程的能量分析之有效能分析

1、化工熱力學(xué)第六章 化工過程熱力學(xué)分析第五節(jié)第五節(jié)65 熱力學(xué)分析的三種方法熱力學(xué)分析的三種方法定義：體系在定義：體系在一定狀態(tài)一定狀態(tài)下具有的下具有的做功能力做功能力，它的大小等于該狀態(tài)，它的大小等于該狀態(tài)可逆變化可逆變化到到與環(huán)境處于熱力學(xué)平衡與環(huán)境處于熱力學(xué)平衡的的基準態(tài)基準態(tài)的的理想功理想功。一、一、 （ ）與與 （ ） XENA（I）、）、 （有效能或可用能）（有效能或可用能） XESTHWid0)()(12012SSTHH當(dāng)體系由任意狀態(tài)（當(dāng)體系由任意狀態(tài)（P、T）變到基準態(tài)）變到基準態(tài) 0P0T、（ ）時，其理時，其理想功的想功的負值負值即即 ，可寫成：可寫成： idxWSSTHH

2、E)()(000為了表達體系處于某狀態(tài)的作功能力，必須確定基準態(tài)，為了表達體系處于某狀態(tài)的作功能力，必須確定基準態(tài)，并定義在基準態(tài)下體系作功能力為零，并定義在基準態(tài)下體系作功能力為零， 0 xE化工熱力學(xué)第六章 化工過程熱力學(xué)分析第五節(jié)第五節(jié)任何一個與環(huán)境處于熱力學(xué)平衡的系統(tǒng)狀態(tài)稱為任何一個與環(huán)境處于熱力學(xué)平衡的系統(tǒng)狀態(tài)稱為基準態(tài)基準態(tài)。熱力學(xué)平衡包括熱力學(xué)平衡包括不完全熱力學(xué)平衡不完全熱力學(xué)平衡完全熱力學(xué)平衡完全熱力學(xué)平衡與環(huán)境成熱平衡和壓力平衡而未達到化學(xué)平衡與環(huán)境成熱平衡和壓力平衡而未達到化學(xué)平衡體系和環(huán)境具有物理界限分隔，兩者相互不混和，也不發(fā)生化體系和環(huán)境具有物理界限分隔，兩者相互不

3、混和，也不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但體系的溫度和壓力與環(huán)境的溫度和壓力相等。學(xué)反應(yīng)，但體系的溫度和壓力與環(huán)境的溫度和壓力相等。不完全基準態(tài)不完全基準態(tài)物理物理與環(huán)境成熱平衡、壓力平衡、化學(xué)平衡與環(huán)境成熱平衡、壓力平衡、化學(xué)平衡(相平衡）相平衡）完全基準態(tài)完全基準態(tài)不完全基準態(tài)不完全基準態(tài)完全基準態(tài)完全基準態(tài)化學(xué)化學(xué)通常，體系由不完全基準態(tài)到達完全基準，通常，體系由不完全基準態(tài)到達完全基準，須經(jīng)化學(xué)反應(yīng)與物理擴散兩個過程。須經(jīng)化學(xué)反應(yīng)與物理擴散兩個過程?；崃W(xué)第六章 化工過程熱力學(xué)分析第五節(jié)第五節(jié)2、 的組成（有四個主要組成部分）的組成（有四個主要組成部分） 1）、）、動能動能 能能100%的轉(zhuǎn)化為功

4、。的轉(zhuǎn)化為功。 XKE2XK21Eu2）、）、位能位能 XPE也能也能100%轉(zhuǎn)化為功。轉(zhuǎn)化為功。 hgEXP3）、）、物理物理 XPhE能部分的轉(zhuǎn)化為功。能部分的轉(zhuǎn)化為功。 4）、）、化學(xué)化學(xué) XCE能部分的轉(zhuǎn)化為功。能部分的轉(zhuǎn)化為功。 XCXPhXPXKXEEEEE對于穩(wěn)定流動過程，流體的對于穩(wěn)定流動過程，流體的 由以上四個由以上四個 成分構(gòu)成：成分構(gòu)成： 化工熱力學(xué)第六章 化工過程熱力學(xué)分析第五節(jié)第五節(jié)3、物理物理 的計算：的計算： )()(12012SSTHHWid從某狀態(tài)變到終態(tài)，當(dāng)終態(tài)為環(huán)境狀態(tài)（基準態(tài)）時，則：從某狀態(tài)變到終態(tài)，當(dāng)終態(tài)為環(huán)境狀態(tài)（基準態(tài)）時，則： )()()(00

5、000SSHHSSTHHEXPhH、S 是流體處于某狀態(tài)的焓和熵是流體處于某狀態(tài)的焓和熵 這是有效能的基本計算公式，它適用于各種物理的、化學(xué)的這是有效能的基本計算公式，它適用于各種物理的、化學(xué)的或兩者兼而有之的有效能計算?；騼烧呒娑兄挠行苡嬎恪；崃W(xué)第六章 化工過程熱力學(xué)分析第五節(jié)第五節(jié)4、 與理想功：與理想功： 區(qū)別：區(qū)別： 可看作理想功的特例?？煽醋骼硐牍Φ奶乩?。的終態(tài)是基準態(tài)的終態(tài)是基準態(tài) 理想功理想功的的終態(tài)不確定終態(tài)不確定 理想功理想功是對兩個狀態(tài)而言，是對兩個狀態(tài)而言，可正可負，可正可負，而而 是對某一狀態(tài)而言，與環(huán)境有關(guān)，是對某一狀態(tài)而言，與環(huán)境有關(guān)，只為正值。只為正值

6、。聯(lián)系：聯(lián)系：某物系處于狀態(tài)某物系處于狀態(tài)1和狀態(tài)和狀態(tài)2的物理的物理 分別為：分別為：)()(100101SSTHHEX)()(200202SSTHHEX當(dāng)體系從狀態(tài)當(dāng)體系從狀態(tài)1變到狀態(tài)變到狀態(tài)2時，時，)()()()(1001020020SSTHHSSTHH)()(12012SSTHH12XXXEEEidWXidEW化工熱力學(xué)第六章 化工過程熱力學(xué)分析第五節(jié)第五節(jié)P,MPaT,0CH(KJ/Kg )S(KJ/Kg.K )Wid(KJ/Kg)Ex(KJ/Kg)蒸汽蒸汽7.002852772.15.8133-1044.31044.3蒸汽蒸汽1.0179.92778.16.5865-819.9

7、819.90.1013MPa 25(水水) H0=104.89S0=0.36740例例 有一股壓力分別是有一股壓力分別是7.0MPa和和1.0MPa蒸汽用于作功，經(jīng)穩(wěn)流過蒸汽用于作功，經(jīng)穩(wěn)流過程均變成程均變成0.1013MPa，250C的水的水，求，求Wid和和Ex(T0=298K).STHWid 0 解解：理理想想功功）（）（12012SSTHH ）（）（HHSSTEx 000化工熱力學(xué)第六章 化工過程熱力學(xué)分析第五節(jié)第五節(jié)5 熱量熱量 的計算：的計算： 定義：熱量相對于平衡環(huán)境態(tài)所具有的最大作功能力。定義：熱量相對于平衡環(huán)境態(tài)所具有的最大作功能力。XQEHXQTTQE01恒溫變溫mHXQT

8、TQE01 由卡諾熱機效率由卡諾熱機效率x,0QSHkHHHEWTTQQT熱物體熱物體P，T自然環(huán)境自然環(huán)境P0,T0Q0EWsQH化工熱力學(xué)第六章 化工過程熱力學(xué)分析第五節(jié)第五節(jié)例例 試計算以下三種狀態(tài)下穩(wěn)流過程水蒸氣的試計算以下三種狀態(tài)下穩(wěn)流過程水蒸氣的 ，設(shè)，設(shè)環(huán)境溫度環(huán)境溫度 為為25。0TMPaPCt10.005.0010.00500500400解解一般以一般以25 、0.10133MPa（1atm）液態(tài)水為基準態(tài)，但）液態(tài)水為基準態(tài)，但是為了查水蒸氣表方便起見，亦可取是為了查水蒸氣表方便起見，亦可取25 、3.169kPa（飽和蒸汽（飽和蒸汽壓）為基準，本例取后者。壓）為基準，本例

9、取后者?；崃W(xué)第六章 化工過程熱力學(xué)分析第五節(jié)第五節(jié)查附表查附表3，按式（，按式（627）分別求出上述三種狀態(tài)的焓、熵與）分別求出上述三種狀態(tài)的焓、熵與之值并列于下表：之值并列于下表：MPaPCt)(1kgkJh)(11KkgkJS)(1kgkJEXPh310169. 310.005.0010.0025500500400104.893373.73433.83096.40.36746.59666.98596.212001412.521359.591249.83化工熱力學(xué)第六章 化工過程熱力學(xué)分析第五節(jié)第五節(jié)例：設(shè)有壓力為例：設(shè)有壓力為1.013、 6.868、 8.611MPa的的飽和蒸飽和

10、蒸汽汽和和1.013MPa， 573K的的過熱蒸汽過熱蒸汽，若這四種蒸汽，若這四種蒸汽經(jīng)充分利用后，最后排出經(jīng)充分利用后，最后排出0.1013MPa， 298K的的水水。試比較它們的試比較它們的 火用火用和放出的熱，并討論蒸汽的合和放出的熱，并討論蒸汽的合理利用。理利用。 化工熱力學(xué)第六章 化工過程熱力學(xué)分析第五節(jié)第五節(jié)P,MPaT,KS(KJ/Kg.K )H(KJ/Kg )H0-H(KJ/Kg )EX(KJ/Kg)EX/( H-H0)水水0.10132980.3674104.8900飽和蒸飽和蒸汽汽1.0134536.5822772.1267181430.66過熱蒸過熱蒸汽汽1.013573

11、7.133053294893431.68飽和蒸飽和蒸汽汽6.868557.25.82627752670104339.06飽和蒸飽和蒸汽汽8.6115735.78727832678109240.78）（）（解解：HHSSTEx 000化工熱力學(xué)第六章 化工過程熱力學(xué)分析第五節(jié)第五節(jié)分析分析：1）壓力相同壓力相同（1.013MPa ），過熱蒸汽過熱蒸汽的火用比的火用比飽和蒸汽飽和蒸汽大，大，所以其做功本領(lǐng)也大。所以其做功本領(lǐng)也大。2）溫度相同溫度相同（573K）高壓蒸汽高壓蒸汽的的作功作功本領(lǐng)比本領(lǐng)比低壓蒸汽低壓蒸汽強。強。3）溫度相同溫度相同（573K）高壓蒸汽的）高壓蒸汽的加熱能力加熱能力比低

12、壓蒸汽弱，因比低壓蒸汽弱，因此用低壓蒸汽作為工藝加熱最恰當(dāng)，并可減少設(shè)備費用。此用低壓蒸汽作為工藝加熱最恰當(dāng)，并可減少設(shè)備費用。 4）放出的熱相同放出的熱相同（557.5K和和453K的飽和蒸汽），的飽和蒸汽），高溫高壓高溫高壓蒸蒸汽的火用比汽的火用比低溫低壓低溫低壓蒸汽的高蒸汽的高28.13%。結(jié)論結(jié)論：1）一般供熱用）一般供熱用0.51.0MPa（1501800C）的飽和蒸汽。）的飽和蒸汽。2）高壓蒸汽（高壓蒸汽（10MPa）用來做功。溫度在）用來做功。溫度在3500C以上的高溫?zé)嵋陨系母邷責(zé)崮埽ㄈ鐭煹罋猓脕懋a(chǎn)生高壓蒸汽，以獲得動力能源。能（如煙道氣），用來產(chǎn)生高壓蒸汽，以獲得動力能源

13、?；崃W(xué)第六章 化工過程熱力學(xué)分析第五節(jié)第五節(jié)6、化學(xué)化學(xué) 的計算：的計算： 000SSTHHEXC（A）波蘭學(xué)者斯蔡古特模型：一般規(guī)定環(huán)境溫度T0、環(huán)境壓力P0以及基準物的種類、狀態(tài)和組成。化工熱力學(xué)第六章 化工過程熱力學(xué)分析第五節(jié)第五節(jié)（B） 日本學(xué)者龜山吉田模型: 其他元素以T0、P0下最穩(wěn)定的化合物作為該元素的基準物，液體、固體的基準物濃度（摩爾分數(shù)）規(guī)定為1?；崃W(xué)第六章 化工過程熱力學(xué)分析第五節(jié)第五節(jié)化工熱力學(xué)第六章 化工過程熱力學(xué)分析第五節(jié)第五節(jié)化合物的標(biāo)準摩爾化學(xué) 應(yīng)是組成化合物的單質(zhì)標(biāo)準摩爾化學(xué) 之和減去生成反應(yīng)過程的理想功。)15.298/0,TEEXCXC（元素元

14、素倘若環(huán)境溫度不為298.15K，則元素的化學(xué)應(yīng)引入溫度修正系數(shù)(此值已列于附表5中）ifjjXCjidjXCjjiXCGEWEE00,0,0,化工熱力學(xué)第六章 化工過程熱力學(xué)分析第五節(jié)第五節(jié)iiiiXCiimXCyyRTEyEln00,0,液體混合物:理想溶液iiiiXCiimXCxxRTExEln00,0,非理想溶液iiiiiXCiimXCxxRTExEln00,0,理想氣體混合物：化工熱力學(xué)第六章 化工過程熱力學(xué)分析第五節(jié)第五節(jié)7、 一切生產(chǎn)實際過程都是不可逆過程一切生產(chǎn)實際過程都是不可逆過程, ,在不可逆過程在不可逆過程中存在各種不可逆因素中存在各種不可逆因素, ,例如各種傳遞過程和反

15、應(yīng)過程例如各種傳遞過程和反應(yīng)過程都存在著阻力都存在著阻力, ,如流體阻力、熱阻、擴散阻力和化學(xué)反如流體阻力、熱阻、擴散阻力和化學(xué)反應(yīng)阻力等。要使過程以一定的速度進行，就必須克服阻應(yīng)阻力等。要使過程以一定的速度進行，就必須克服阻力，保持一定的推動力，必然會造成體系力，保持一定的推動力，必然會造成體系 的損失。的損失。 NA在不可逆過程中，有部分在不可逆過程中，有部分 降級而不能變?yōu)橛杏霉?，這降級而不能變?yōu)橛杏霉?，這部分稱為部分稱為無效能或無效能或化工熱力學(xué)第六章 化工過程熱力學(xué)分析第五節(jié)第五節(jié)恒溫?zé)嵩礋崃亢銣責(zé)嵩礋崃?： TTQQTTQEXQ001Q為總能量，為總能量， TTQ0為熱量為熱量 ，

16、即：，即： NQXQAEQ對于穩(wěn)流過程：對于穩(wěn)流過程： )()(000SSTHHEX)(000SSTHH式中總能量為式中總能量為H，后一項為，后一項為 ，當(dāng)取，當(dāng)取 00H時，時， 為：為：)(00SST 總之，能量可分為總之，能量可分為 和和 兩部分，其中兩部分，其中 是高級能量，是是高級能量，是有用部分，可將其轉(zhuǎn)化為有用功，但要付出一定代價；而有用部分，可將其轉(zhuǎn)化為有用功，但要付出一定代價；而 是是僵態(tài)能量，不能轉(zhuǎn)化為有用功，節(jié)能的正確含義就是節(jié)僵態(tài)能量，不能轉(zhuǎn)化為有用功，節(jié)能的正確含義就是節(jié) ?；崃W(xué)第六章 化工過程熱力學(xué)分析第五節(jié)第五節(jié)LacidxxxWWWEEE 環(huán)總體系acxE

17、W 環(huán)境對環(huán)境而言，功的符號與體系相反。對環(huán)境而言，功的符號與體系相反。定義環(huán)境定義環(huán)境 的增加等于體系對環(huán)境所作的實際功，因此的增加等于體系對環(huán)境所作的實際功，因此即總的即總的 的損失（體系的損失（體系+環(huán)境）就等于損失功環(huán)境）就等于損失功T0Sg ，0LxWETS 總總總的變化0NA0NXAE總實際過程中實際過程中(不可逆過程）總能量守恒，但有效能降低，無效能增加不可逆過程）總能量守恒，但有效能降低，無效能增加化工熱力學(xué)第六章 化工過程熱力學(xué)分析第五節(jié)第五節(jié)根據(jù)能量守恒，根據(jù)能量守恒， 的減少量應(yīng)等于的減少量應(yīng)等于 的增加量，的增加量， NXAENA即為損耗功。即為損耗功。 因此，對因此，

18、對 轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)化為 的量可以表示能量貶質(zhì)的程度。的量可以表示能量貶質(zhì)的程度。用用 和和 的轉(zhuǎn)化表述第二定律為：的轉(zhuǎn)化表述第二定律為： 1）、）、在一切不可逆過程中，在一切不可逆過程中， 轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)化為 。3）、）、由由 轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)化為 是不可能的。是不可能的。2）、）、只有可逆過程，只有可逆過程， 才守恒。才守恒。化工熱力學(xué)第六章 化工過程熱力學(xué)分析第五節(jié)第五節(jié)傳熱過程傳熱過程傳熱過程在實際當(dāng)中我們是經(jīng)常碰到的，當(dāng)兩種溫傳熱過程在實際當(dāng)中我們是經(jīng)常碰到的，當(dāng)兩種溫度不同的物質(zhì)接觸時，熱量就會從高溫物體向低溫度不同的物質(zhì)接觸時，熱量就會從高溫物體向低溫物體傳遞，傳熱過程中有效能的損失是存在的，它物體傳

19、遞，傳熱過程中有效能的損失是存在的，它是由于存在溫差而造成的。是由于存在溫差而造成的。低溫物體吸收的熱量的有效能為：低溫物體吸收的熱量的有效能為：高溫物體放出的熱量的有效能為：高溫物體放出的熱量的有效能為：01xQ,HHTEQT（）（）01xQ,LLTEQT （）化工熱力學(xué)第六章 化工過程熱力學(xué)分析第五節(jié)第五節(jié)有效能損失為有效能損失為00011LxQ,HxQ,LHLHLHLEEETTQQTTTTQT ()T T （）（）（）（）由此可以看出：傳熱由此可以看出：傳熱過程有效能損失是存過程有效能損失是存在的，在的，溫差越大，則溫差越大，則有效能損失越大有效能損失越大。欲。欲使有效能損失減少，使有效

20、能損失減少，需減小溫差，因此，需減小溫差，因此，實際工業(yè)生產(chǎn)中，在實際工業(yè)生產(chǎn)中，在滿足工藝條件下，要滿足工藝條件下，要盡量減小溫差。盡量減小溫差。化工熱力學(xué)第六章 化工過程熱力學(xué)分析第五節(jié)第五節(jié)穩(wěn)流體系穩(wěn)流體系dPTVdSgsWQuZgH 22 u20，g Z0，Q=0；Ws=00dHTdSVdP 對于管道流動，一般情況下，無熱交換無軸功對于管道流動，一般情況下，無熱交換無軸功H= 0結(jié)論：結(jié)論：ELdP壓力降壓力降穩(wěn)流過程的有效能損失是由于阻力引起的穩(wěn)流過程的有效能損失是由于阻力引起的dPTVTdSTdEgL00化工熱力學(xué)第六章 化工過程熱力學(xué)分析第五節(jié)第五節(jié)（1）能量損失）能量損失損失損

21、失2、兩種效率、兩種效率 第一定律效率和第二定律效率。第一定律效率和第二定律效率。 效率：效率： 消耗量收益量（1）、）、第一定律效率第一定律效率 以熱力學(xué)第一定律為基礎(chǔ)，用于確定過程總能量的利用率。以熱力學(xué)第一定律為基礎(chǔ)，用于確定過程總能量的利用率。 定義：定義： 實際期望所消耗的能量過程所期望的能量ANEE（2）外部損失：體系向環(huán)境排出的能量中所包含的外部損失：體系向環(huán)境排出的能量中所包含的 損失。損失。 內(nèi)部損失：由體系內(nèi)部各種不可逆因素造成的內(nèi)部損失：由體系內(nèi)部各種不可逆因素造成的 損失。損失。 二、兩種損失和兩種效率二、兩種損失和兩種效率1、兩種損失：、兩種損失：化工熱力學(xué)第六章 化

22、工過程熱力學(xué)分析第五節(jié)第五節(jié)NEAE可以是能量，能量差或能流?？梢允悄芰浚芰坎罨蚰芰?。 、第一定律效率在不同的過程中，形式不同。第一定律效率在不同的過程中，形式不同。a、用于蒸汽動力循環(huán)，收益是得到的軸功，消耗的是熱量，用于蒸汽動力循環(huán)，收益是得到的軸功，消耗的是熱量， 比例系數(shù)是比例系數(shù)是熱效率熱效率：QWSTb、用于蒸汽壓縮制冷上，系數(shù)為用于蒸汽壓縮制冷上，系數(shù)為制冷系數(shù)制冷系數(shù)： SLWQc、用于吸收式制冷循環(huán)，系數(shù)為用于吸收式制冷循環(huán)，系數(shù)為熱力系數(shù)熱力系數(shù)： HLQQd、用于熱泵，系數(shù)為用于熱泵，系數(shù)為制熱系數(shù)制熱系數(shù)： SHWQe、傳熱過程：熱效率：傳熱過程：熱效率： HHHLQ

23、QQQQ損失化工熱力學(xué)第六章 化工過程熱力學(xué)分析第五節(jié)第五節(jié)優(yōu)點：優(yōu)點：簡單。簡單。缺點：缺點： 它只反映過程所需要的能量它只反映過程所需要的能量 AE的數(shù)量上的利用情況，卻的數(shù)量上的利用情況，卻不反映不同質(zhì)的能量的利用情況，即沒有反映不反映不同質(zhì)的能量的利用情況，即沒有反映 的利用情況。的利用情況。它不能作為衡量過程熱力學(xué)完善性的指標(biāo)。它不能作為衡量過程熱力學(xué)完善性的指標(biāo)。如如 ：傳熱過程：熱效率：傳熱過程：熱效率： HHHLQQQQQ損失僅決定于僅決定于 損失Q，若，若 0損失Q1，很顯然，沒有計入，很顯然，沒有計入傳熱過程不可逆因素即傳熱溫差造成的傳熱過程不可逆因素即傳熱溫差造成的 損失

24、，損失， 化工熱力學(xué)第六章 化工過程熱力學(xué)分析第五節(jié)第五節(jié)（2）、）、第二定律效率第二定律效率 以第一、第二定律為基礎(chǔ)，用于確定過程以第一、第二定律為基礎(chǔ)，用于確定過程 的利用率。的利用率。 定義：定義： 實現(xiàn)期望所消耗的功過程期望的XAXNEE式中，式中， XNEXAE可以是火用，也可以是可以是火用，也可以是 差或差或 流。流。 、定義：輸出的定義：輸出的 與輸入的與輸入的 之比之比 XinXoutEEE1）、）、普遍普遍 效率效率包括物流包括物流 、熱流熱流 、功流、功流 式中：式中： XoutE輸出的總的輸出的總的 量量 XinE輸入的總的輸入的總的 量量 化工熱力學(xué)第六章 化工過程熱力

25、學(xué)分析第五節(jié)第五節(jié)outXwXQXiXoutEEEEinXwXQXiXinEEEE衡衡算算XQEXiEXQEXiEXwEXwENA顯然：顯然：NoutXwXQXiinXwXQXiAEEEEEE要求普遍要求普遍 效率，必須對進入體系的效率，必須對進入體系的 進行進行 衡算。衡算?；崃W(xué)第六章 化工過程熱力學(xué)分析第五節(jié)第五節(jié)當(dāng)當(dāng) 0NA1E即無即無 損失損失，0NA1E有有 損失損失 當(dāng)當(dāng) ，（2）、）、熱力學(xué)效率：熱力學(xué)效率：產(chǎn)功：產(chǎn)功： idSaWW耗功：耗功： SidaWW傳熱：傳熱： 高低ididaWWTTQEXQ01高低XXEE化工熱力學(xué)第六章 化工過程熱力學(xué)分析第五節(jié)第五節(jié)所以，上

26、式寫成：所以，上式寫成：HLaTTQTTQ0011高低HLITTTT0011由此可見：由此可見： HT與與LT相差越大，則相差越大，則a越小，越小， 的利用率低。的利用率低。 完善性的量度。完善性的量度。因此，第二定律效率反映了因此，第二定律效率反映了 的利用率。是衡量過程熱力學(xué)的利用率。是衡量過程熱力學(xué)LXoutXinWEEXinLXinEEWE對于可逆過程：對于可逆過程： 0LW，則，則 1E； 不可逆過程：不可逆過程： 0LW1E，。 化工熱力學(xué)第六章 化工過程熱力學(xué)分析第五節(jié)第五節(jié)三、熱力學(xué)分析的基本方法匯總：三、熱力學(xué)分析的基本方法匯總： 1、能量衡算法：、能量衡算法： 實質(zhì)：實質(zhì)：

27、通過物料與能量的衡算。確定過程的進出的能量。通過物料與能量的衡算。確定過程的進出的能量。求出能量利用率。應(yīng)用熱力學(xué)第一定律：求出能量利用率。應(yīng)用熱力學(xué)第一定律： SKPWQEEH（能量守恒）（能量守恒） 化工熱力學(xué)第六章 化工過程熱力學(xué)分析第五節(jié)第五節(jié) 內(nèi)容：內(nèi)容： 、物料衡算和能量衡算：一般由單體設(shè)備到整個體系。物料衡算和能量衡算：一般由單體設(shè)備到整個體系。 、求總的輸入的能量。求總的輸入的能量。 、求被利用的能量。求被利用的能量。 、求求 。I、分析結(jié)果找到能量損失的原因。分析結(jié)果找到能量損失的原因。 如果僅從能量的收益和付出的差別找節(jié)能方法，找出改進如果僅從能量的收益和付出的差別找節(jié)能方

28、法，找出改進的途徑，應(yīng)用此方法較多，但此方法的的途徑，應(yīng)用此方法較多，但此方法的不足不足在于：在于：、熱力學(xué)第一定律方程說明各種能量可以互相轉(zhuǎn)化，但熱力學(xué)第一定律方程說明各種能量可以互相轉(zhuǎn)化，但從第一定律效率（各種系數(shù)從第一定律效率（各種系數(shù) T等）上看，等）上看， 、 、熱轉(zhuǎn)化為功熱轉(zhuǎn)化為功 化工熱力學(xué)第六章 化工過程熱力學(xué)分析第五節(jié)第五節(jié)是有限的。方程將熱、功寫在一起，并沒有指出各種能量是有限的。方程將熱、功寫在一起，并沒有指出各種能量轉(zhuǎn)化的方向和限度。轉(zhuǎn)化的方向和限度。 、能量衡算法只反映了能量數(shù)量的關(guān)系，沒有反映能能量衡算法只反映了能量數(shù)量的關(guān)系，沒有反映能量品位的高低。量品位的高低。

29、 、熱效率熱效率 T、制冷系數(shù)、制冷系數(shù) 。制熱系數(shù)。制熱系數(shù) 是兩個不同品是兩個不同品位能量之比，所以比例系數(shù)計算中不同品位能量作比較是不位能量之比，所以比例系數(shù)計算中不同品位能量作比較是不合理的。合理的。 、此方法只能反映能量的損失，但不能指出能量損失此方法只能反映能量的損失，但不能指出能量損失的原因，由熱力學(xué)第一定律計算結(jié)果可能造成制定出舍本的原因，由熱力學(xué)第一定律計算結(jié)果可能造成制定出舍本求末的節(jié)能措施。求末的節(jié)能措施。 化工熱力學(xué)第六章 化工過程熱力學(xué)分析第五節(jié)第五節(jié) 2、熵分析法：、熵分析法： 實質(zhì)：實質(zhì)：通過求熵產(chǎn)生：通過求熵產(chǎn)生： gLgSTWS0求損耗功。確定。確定內(nèi)容：內(nèi)容

30、： 、物料和能量衡算。物料和能量衡算。 損失和熱力學(xué)效率。損失和熱力學(xué)效率。 、對整個體系求理想功，熵產(chǎn)生及損耗功。對整個體系求理想功，熵產(chǎn)生及損耗功。 節(jié)能的部位），計算熱力學(xué)效率。節(jié)能的部位），計算熱力學(xué)效率。 、分別計算每臺設(shè)備的理想功分別計算每臺設(shè)備的理想功 idWgS及及 LW、（以便找到（以便找到、分析計算結(jié)果，找出損耗功的最大部位，造成損耗分析計算結(jié)果，找出損耗功的最大部位，造成損耗 功大的原因，確定改進方向。功大的原因，確定改進方向。 化工熱力學(xué)第六章 化工過程熱力學(xué)分析第五節(jié)第五節(jié)優(yōu)點：優(yōu)點：可以指出：可以指出： gS大的地方能量消耗多，需要改進的是大的地方能量消耗多，需要改

31、進的是 gS大的部位。大的部位。 缺點：缺點：能量有高、低、僵態(tài)能量之分，即能量有高、低、僵態(tài)能量之分，即不同，但究竟哪不同，但究竟哪種是有效的能量，有多大，此方法不能具體指出。種是有效的能量，有多大，此方法不能具體指出。3、 分析法：分析法： 內(nèi)容：內(nèi)容： 、選擇計算基準，選擇計算基準， 確定體系輸入和輸出確定體系輸入和輸出物流量物流量物料衡算物料衡算熱流量熱流量功流量功流量能量衡算能量衡算實質(zhì)：實質(zhì)：通過通過 衡算方程求衡算方程求 損失（損耗功）損失（損耗功）化工熱力學(xué)第六章 化工過程熱力學(xué)分析第五節(jié)第五節(jié)、確定體系由各狀態(tài)點的參數(shù)，計算物流確定體系由各狀態(tài)點的參數(shù)，計算物流 。（動能（動

32、能 XEXKE位能位能 XPE物理物理 XPhE化學(xué)化學(xué) XCE、）熱量熱量 XQE功流功流 XwE、。 、作作 衡算。利用衡算。利用 衡算方程，確定衡算方程，確定 損失（整個體損失（整個體系；每臺設(shè)備）的系；每臺設(shè)備）的 衡算，確定衡算，確定 效率效率 。 E、列表或畫圖分析計算結(jié)果。列表或畫圖分析計算結(jié)果。如圖如圖為開系穩(wěn)流過程為開系穩(wěn)流過程 平衡示意圖，平衡示意圖， （1）、）、穩(wěn)流體系穩(wěn)流體系 衡算方程：衡算方程：化工熱力學(xué)第六章 化工過程熱力學(xué)分析第五節(jié)第五節(jié)敞開體系敞開體系jsjWkXQkEiinXiE物流入物流入物流出物流出joutXjE控制體為可逆過程：控制體為可逆過程： 0i

33、LiW， 是守恒的。是守恒的。 輸入輸入 =輸入輸入 平衡方程為：平衡方程為： jjRsjoutXjkinXQKiinXiWEEE控制體為不可逆體系：控制體為不可逆體系： 0iLiW，有，有 損失，損失，化工熱力學(xué)第六章 化工過程熱力學(xué)分析第五節(jié)第五節(jié)平衡方程為：平衡方程為： iLijjsjoutXjkXQKiinXiWWEEEjjsjoutXjiXikXQKiLiWEEEWin輸入輸入 輸出輸出 損耗功即為內(nèi)部損耗功即為內(nèi)部 損失。損失。 ikXQkinXijsjjoutXjEEWE 效率： E輸出輸入（2）、）、定組成穩(wěn)流體系，定組成穩(wěn)流體系， 衡算方程的簡化：衡算方程的簡化：化工熱力學(xué)第

34、六章 化工過程熱力學(xué)分析第五節(jié)第五節(jié)對于組成穩(wěn)流過程，化學(xué)對于組成穩(wěn)流過程，化學(xué) 不變，不變， joutXciinXcEEKXQKinLLlolLLLiLiESSThhgzuMW10011212jsjoutLLlolLLLWSSThhgzuM20022222jsjLLLLLKXQKWzguMSTHE220 上式適用于無化學(xué)變化的各種物理過程，在具體應(yīng)用時可上式適用于無化學(xué)變化的各種物理過程，在具體應(yīng)用時可以進行簡化。以進行簡化?；崃W(xué)第六章 化工過程熱力學(xué)分析第五節(jié)第五節(jié)、當(dāng)動能當(dāng)動能 、位能、位能 比其它項小得多時，可忽略不計比其它項小得多時，可忽略不計（一般化工過程流速、位高變化不大）

35、上式寫成：（一般化工過程流速、位高變化不大）上式寫成： jSjLLKXQKiLiWSTHEW0jSjXLKXQKWEE、絕熱。有功交換過程絕熱。有功交換過程絕熱壓縮絕熱壓縮絕熱膨脹過程。絕熱膨脹過程。0KXQKE對于單個設(shè)備，對于單個設(shè)備， LiLiWWSjsjWW inxoutxLXLeeME為開系的為開系的1種物流種物流 值變化。值變化。 化工熱力學(xué)第六章 化工過程熱力學(xué)分析第五節(jié)第五節(jié)XLSLEWW、有熱交換，無功交換過程，有熱交換，無功交換過程， 0SjWlXLKXQKiLiEEW、絕熱，無功交換過程，絕熱，無功交換過程， 0, 0KXQKjSjEWlXLiLiEW、循環(huán)過程，若體系內(nèi)

36、僅包括循環(huán)工質(zhì)，則循環(huán)過程，若體系內(nèi)僅包括循環(huán)工質(zhì)，則 0lXLE化工熱力學(xué)第六章 化工過程熱力學(xué)分析第五節(jié)第五節(jié)即循環(huán)過程動、位能即循環(huán)過程動、位能 、物理、物理 不變，只剩下熱流不變，只剩下熱流 和和功流功流 。 jsjKXQKiLiWEW（3）、）、有化學(xué)反應(yīng)或組成變化的穩(wěn)流過程有化學(xué)反應(yīng)或組成變化的穩(wěn)流過程 此時只有化學(xué)此時只有化學(xué) 和物理和物理 變化。變化。ixiLXQLiLiEEW和濃度變化）和濃度變化）式中式中 xiE包括物理包括物理 變化和化學(xué)變化和化學(xué) 變化（包括狀態(tài)變化（包括狀態(tài)化工熱力學(xué)第六章 化工過程熱力學(xué)分析第五節(jié)第五節(jié)4、三種熱力學(xué)分析方法的比較、三種熱力學(xué)分析方法

37、的比較（1）、）、計算工作量：能量衡算法最少；熵分析法最大；計算工作量：能量衡算法最少；熵分析法最大； 分析法居中分析法居中 （2）、）、從計算結(jié)果得到的信息量：能量衡算法最少，只能從計算結(jié)果得到的信息量：能量衡算法最少，只能 求出能量的排出損失求出能量的排出損失 ； 分析法最大，通過對每一個分析法最大，通過對每一個效的節(jié)能措施。效的節(jié)能措施。物流的物流的 分析，還能得到各部能量的分析，還能得到各部能量的 級，找到過程級，找到過程 損失的大小，原因和損失的大小，原因和 的分布情況，從而制定有的分布情況，從而制定有（3）、）、三種分析法適用場合。三種分析法適用場合。 如果一個體系，只是為了利用熱

38、能（采暖、工業(yè)用加熱爐等）如果一個體系，只是為了利用熱能（采暖、工業(yè)用加熱爐等）可以只用可以只用能量衡算法能量衡算法。 對既有熱交換，又有功交換的定組成體系，最好用熵分析法。對既有熱交換，又有功交換的定組成體系，最好用熵分析法。 對既有熱交換，又有功的變組成體系。用對既有熱交換，又有功的變組成體系。用 分析法。分析法。 化工熱力學(xué)第六章 化工過程熱力學(xué)分析第五節(jié)第五節(jié)例例 設(shè)有合成氨廠二段爐出口高溫轉(zhuǎn)化氣余熱利用裝置，見圖，轉(zhuǎn)設(shè)有合成氨廠二段爐出口高溫轉(zhuǎn)化氣余熱利用裝置，見圖，轉(zhuǎn)化氣進入廢熱鍋爐的溫度為化氣進入廢熱鍋爐的溫度為1000，離開時為，離開時為380,其流量為其流量為5160Nm3/

39、t，可以忽略降溫過程中壓力變化。廢熱鍋爐產(chǎn)生，可以忽略降溫過程中壓力變化。廢熱鍋爐產(chǎn)生4MPa、430 的過熱蒸汽，蒸汽通過透平作功。離開透平乏汽的壓力為的過熱蒸汽，蒸汽通過透平作功。離開透平乏汽的壓力為0.01235MPa，其干度為，其干度為0.9853。轉(zhuǎn)化氣在有關(guān)溫度范圍的平均等。轉(zhuǎn)化氣在有關(guān)溫度范圍的平均等壓熱容為壓熱容為36kJkmol-1K-1。乏汽進入冷凝器用。乏汽進入冷凝器用30 的冷卻水冷凝，的冷卻水冷凝，冷凝水用水泵打入鍋爐進入鍋爐的水溫為冷凝水用水泵打入鍋爐進入鍋爐的水溫為50 ，試用能量衡算法，試用能量衡算法計算此余熱利用裝置的熱效率。計算此余熱利用裝置的熱效率。SW化

40、工熱力學(xué)第六章 化工過程熱力學(xué)分析第五節(jié)第五節(jié)解：根據(jù)水蒸氣表和已知狀態(tài)點參數(shù)，解：根據(jù)水蒸氣表和已知狀態(tài)點參數(shù)，查得各狀態(tài)點有關(guān)參數(shù)為：查得各狀態(tài)點有關(guān)參數(shù)為：狀態(tài)點狀態(tài)點壓力壓力/MPa溫度溫度/C h/kJkg-1s/kJkg-1K-110.0123550209.330.7038024.0004303283.66.869430.01235502557.07.967940.0123550209.330.7038070.1013330125.790.43690化工熱力學(xué)第六章 化工過程熱力學(xué)分析第五節(jié)第五節(jié)以以1噸氨為計算基準，忽略有關(guān)設(shè)備的熱損失和噸氨為計算基準，忽略有關(guān)設(shè)備的熱損失和水泵

41、消耗功。水泵消耗功。（1）求產(chǎn)汽量）求產(chǎn)汽量G0H 對廢熱鍋爐進行能量衡算，忽略熱損失，對廢熱鍋爐進行能量衡算，忽略熱損失，0HHH 水水轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)21()(3283.6209.33)HG hhG 水水211672 4HG. kghh 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)KJTTnCHmp656,101416. 5)1000380364 .225160)（轉(zhuǎn)水汽化吸熱：水汽化吸熱：65.1416 10QHkJ 水水化工熱力學(xué)第六章 化工過程熱力學(xué)分析第五節(jié)第五節(jié)（2）計算透平作功）計算透平作功對透平機進行能量衡算，忽略熱損失，則有：對透平機進行能量衡算，忽略熱損失，則有：（3）計算冷卻水吸收熱）計算冷卻水吸收熱對冷凝器進行能量衡算

42、，忽略熱損失，則有：對冷凝器進行能量衡算，忽略熱損失，則有：436()1672.4 (209.33 2557)3.9362 10HHG hhkJ 冷冷卻卻水水冷冷凝凝KJhhGHWS623102152. 1) 6 .328325574 .1672)(（透（4）計算熱效率）計算熱效率2363. 0101416. 5102152. 166QWST化工熱力學(xué)第六章 化工過程熱力學(xué)分析第五節(jié)第五節(jié)轉(zhuǎn)化氣余熱回收裝置能量衡算表轉(zhuǎn)化氣余熱回收裝置能量衡算表輸入輸入/ kJ （tNH3）-1%輸出輸出/ kJ （tNH3）-1% 高溫氣余高溫氣余熱熱5.1416106100透平作功透平作功1.2152106

43、23.63冷卻水帶冷卻水帶熱熱3.926210676.37合計合計5.1416 1061005.1416 106100.00化工熱力學(xué)第六章 化工過程熱力學(xué)分析第五節(jié)第五節(jié)2、熵分析法：通過計算不可過程的熵產(chǎn)生量，確定過程的、熵分析法：通過計算不可過程的熵產(chǎn)生量，確定過程的有效能損失和熱力學(xué)效率。即以第一定律和第二定律為基有效能損失和熱力學(xué)效率。即以第一定律和第二定律為基礎(chǔ)，通過物料和能量衡算，計算理想功和損失功，求出過程礎(chǔ)，通過物料和能量衡算，計算理想功和損失功，求出過程的熱力學(xué)效率。的熱力學(xué)效率。SW化工熱力學(xué)第六章 化工過程熱力學(xué)分析第五節(jié)第五節(jié)解：以每噸氨為計算基準解：以每噸氨為計算基

44、準（2）轉(zhuǎn)化氣降溫過程的理想功）轉(zhuǎn)化氣降溫過程的理想功 65.1416 10HkJ 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)61.2152 10SWkJ 1672.4Gkg （1）由物料和能量衡算和前例得：）由物料和能量衡算和前例得：kmolkmoln36.2304 .225160轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)STHWid0KJWid666610464. 3106774. 1101416. 51273653ln3636.230303101416. 5化工熱力學(xué)第六章 化工過程熱力學(xué)分析第五節(jié)第五節(jié)（3）計算有效能損失即損耗功，以整個裝置為體系，）計算有效能損失即損耗功，以整個裝置為體系，忽略熱損失。忽略熱損失。0006857,()()() ()gj j

45、outi i inLjiWT STmsmsT SSSS 總總0065870,() ()()gLWT STSSSSTSS 總總冷冷卻卻水水轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)6,6653303230.3636 ln3.9262 1012732.249 10LWkJ總總）（冷卻水總056,0,lnTHTTnCTWmpL化工熱力學(xué)第六章 化工過程熱力學(xué)分析第五節(jié)第五節(jié)每個設(shè)備的損耗功也可分別計算：每個設(shè)備的損耗功也可分別計算：0006251,()()()()gjjoutiiinLjiWTSTm sm sTSSSS 廢廢0065210,1266()()()1.6774103031672.46.86940.70381.44710gLW

46、TSTSSSSTSSkJ 水水廢廢轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)（）,00325()303 1672.4 (7.9679 6.8694)5.567 10LTurgWT STG SSkJ 00847304387,004365()()()()()303 1672.40.70387.96793.9262 102.452 10gLWTSTSSSSTSSSSTSST G ssHkJ 冷冷冷冷卻卻水水冷冷卻卻水水汽汽（）化工熱力學(xué)第六章 化工過程熱力學(xué)分析第五節(jié)第五節(jié)（4）整個裝置的熱力學(xué)效率）整個裝置的熱力學(xué)效率661.215 100.35103.464 10SaidWW （5）單個設(shè)備的的熱力學(xué)效率）單個設(shè)備的的熱力學(xué)效率廢熱

47、鍋爐：廢熱鍋爐：66,63.464 101.447 10110.5823.464 10idLaidWkJWW ，廢廢廢廢透平機：透平機： ,03203265,6,()()1672.4(25573283.6)303(7.96796.8694)1.772 105.567 10110.6861.772 10id TurL Turaid TurWHTSGhhT sskJWW 汽汽汽汽廢廢冷凝器：冷凝器： 043043,55,5,()()1672.4(209.332557)303(0.70387.9679)2.452 102.452 101102.452 10idLaidWHTSGhhT sskJWW

48、冷冷汽汽汽汽冷冷廢廢冷冷化工熱力學(xué)第六章 化工過程熱力學(xué)分析第五節(jié)第五節(jié)項目項目輸入輸入/ kJ （tNH3）-1%輸出輸出/ kJ （tNH3）-1% 理想功理想功3.464106100輸出功輸出功WS1.215210635.1損損耗耗功功1.44710641.80.5567 10616.10.2452 1067.1小計小計2.249 10664.9合計合計3.464 1061005.1416 106100.00,LW廢廢,L TurW,LW冷冷化工熱力學(xué)第六章 化工過程熱力學(xué)分析第五節(jié)第五節(jié)損失分布損失分布單體設(shè)備單體設(shè)備熱力學(xué)效率熱力學(xué)效率 / kJ （tNH3）-1%廢熱鍋爐廢熱鍋爐0

49、.5821.44710664.3透平機透平機0.6860.566710624.8冷凝器冷凝器00.245210610.9合計合計2.249 106100LWa 化工熱力學(xué)第六章 化工過程熱力學(xué)分析第五節(jié)第五節(jié)化工熱力學(xué)第六章 化工過程熱力學(xué)分析第五節(jié)第五節(jié)敞開體系敞開體系()XiiniE ()XjoutjE kXQkE SjW 0LiW ()()KXiinXQXjoutSjikjjEEEW 化工熱力學(xué)第六章 化工過程熱力學(xué)分析第五節(jié)第五節(jié)()()KXiinXQXjoutSjLiikjjiEEEWW ()()kLiXiinXQXjoutSjiikjjWEEEW XXKXPXPhXChEEEEE

50、0XChE 20()2klLiXQllllSjikllljuWEHTSmg zW ()(i )()lll outlnHm hh ()(i )()lll outlnSm ss化工熱力學(xué)第六章 化工過程熱力學(xué)分析第五節(jié)第五節(jié)00kXlllXllllLiXQXlSjikljEHTSEHTSWEEW 化工熱力學(xué)第六章 化工過程熱力學(xué)分析第五節(jié)第五節(jié)00kXQSjkjLiXlSjiljEWWEW LsXllWWE kLiXQXliklWEE LiXlilWE 0XllE kLiXQSjikjWEW 化工熱力學(xué)第六章 化工過程熱力學(xué)分析第五節(jié)第五節(jié)003030.10133TKPMPa 序序號號狀態(tài)狀態(tài)壓力

51、壓力/ /MPa溫度溫度/ /h/ /kJkg-1s/ /kJkg-1K-1eX/ kJkg-11液態(tài)水液態(tài)水0.0123550209.330.703802.6992過熱蒸汽過熱蒸汽4.0004303283.66.869412093濕蒸汽濕蒸汽0.01235502557.07.9679149.34飽和水飽和水0.0123550209.330.70382.6990基準態(tài)水基準態(tài)水0.1013330125.790.43690化工熱力學(xué)第六章 化工過程熱力學(xué)分析第五節(jié)第五節(jié)000000()()()lnXpmhpmsTEmHHT SSm CTTT CT 65653230.3636 (653303)303 36 ln0.9731 10303XEkJ 661273230.3636 (1273303)303 36 ln4.437 10303XEkJ 65kLiXQSXXLikWWEWEE 總總0kXQkE 6566664.437 100