第四章熱量橫算

1、第二節(jié)第二節(jié) 能量衡算能量衡算教師：楊紹娟主主 要要 內(nèi)內(nèi) 容容 概述概述 熱量衡算熱量衡算 常用熱力學(xué)數(shù)據(jù)的計(jì)算常用熱力學(xué)數(shù)據(jù)的計(jì)算 加熱劑、冷卻劑及其他能量消耗計(jì)算加熱劑、冷卻劑及其他能量消耗計(jì)算 有效能的概念有效能的概念 13245一 概述必要性：有傳熱要求的設(shè)備，必須進(jìn)行能量衡算，必要性：有傳熱要求的設(shè)備，必須進(jìn)行能量衡算，來確定設(shè)備的主要尺寸。來確定設(shè)備的主要尺寸。1、能量衡算的目的、意義、能量衡算的目的、意義設(shè)計(jì)：設(shè)備的熱負(fù)荷設(shè)計(jì)：設(shè)備的熱負(fù)荷傳熱面的形式、面積、設(shè)傳熱面的形式、面積、設(shè)備的工藝尺寸、加熱劑或冷卻劑用量。備的工藝尺寸、加熱劑或冷卻劑用量。改造：合理的節(jié)能、用能、降低

2、單位產(chǎn)品的能耗，改造：合理的節(jié)能、用能、降低單位產(chǎn)品的能耗，節(jié)能的一項(xiàng)基礎(chǔ)工作節(jié)能的一項(xiàng)基礎(chǔ)工作用能設(shè)備進(jìn)行能量平用能設(shè)備進(jìn)行能量平衡的測定與計(jì)算。衡的測定與計(jì)算。2、能量衡算的依據(jù)及必要條件、能量衡算的依據(jù)及必要條件依據(jù)：能量守恒定律依據(jù)：能量守恒定律條件：物料衡算、熱力學(xué)數(shù)據(jù)（比熱容、條件：物料衡算、熱力學(xué)數(shù)據(jù)（比熱容、相變熱、反應(yīng)熱）相變熱、反應(yīng)熱）3、能量守恒基本方程、能量守恒基本方程環(huán)境輸入到系統(tǒng)的能量環(huán)境輸入到系統(tǒng)的能量=系統(tǒng)輸出到環(huán)境能系統(tǒng)輸出到環(huán)境能量量+系統(tǒng)內(nèi)積累的能量系統(tǒng)內(nèi)積累的能量化工用能以熱能為主，確定熱負(fù)荷，故為化工用能以熱能為主，確定熱負(fù)荷，故為熱量衡算。熱量衡算。

3、二 熱量衡算（一）、設(shè)備的熱量平衡方程式設(shè)備的熱量平衡方程式 對(duì)于有傳熱要求的設(shè)備，其熱量平衡均可由下對(duì)于有傳熱要求的設(shè)備，其熱量平衡均可由下式表示：式表示： Q1物料帶入到設(shè)備的熱量，物料帶入到設(shè)備的熱量，KJ Q2加熱劑或冷卻劑傳給設(shè)備或從設(shè)備帶走的熱加熱劑或冷卻劑傳給設(shè)備或從設(shè)備帶走的熱量，量，KJ Q3過程反應(yīng)熱，過程反應(yīng)熱， KJ Q4物料離開設(shè)備所帶走的熱量，物料離開設(shè)備所帶走的熱量， KJ Q5加熱或冷卻設(shè)備所消耗的熱量，加熱或冷卻設(shè)備所消耗的熱量， KJ Q6設(shè)備向環(huán)境散失的熱量，設(shè)備向環(huán)境散失的熱量， KJ 為了求出公式為了求出公式(4-36）中的，即設(shè)備的熱負(fù)荷，必）中的，

4、即設(shè)備的熱負(fù)荷，必須算出其他各項(xiàng)熱量。須算出其他各項(xiàng)熱量。14()Q QmctkJn物料帶入到設(shè)備或從設(shè)備帶走的熱量物料帶入到設(shè)備或從設(shè)備帶走的熱量nm輸入或輸出設(shè)備的物料質(zhì)量，輸入或輸出設(shè)備的物料質(zhì)量，kg；nc物料的平均比熱容，物料的平均比熱容，kJ/kg；nt物料的溫度，物料的溫度，。計(jì)算計(jì)算Q Q1 1與與Q Q4 4時(shí)，是取標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，即時(shí)，是取標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，即00及及1.0131.01310105 5papa為計(jì)算基準(zhǔn)。有時(shí)為了計(jì)算方便也可為計(jì)算基準(zhǔn)。有時(shí)為了計(jì)算方便也可以取物料的進(jìn)口狀態(tài)作為基準(zhǔn)狀態(tài)，這時(shí)以取物料的進(jìn)口狀態(tài)作為基準(zhǔn)狀態(tài)，這時(shí) Q1=0=0。1）、）、Q1與與Q4 消耗在

5、加熱或冷卻設(shè)備上的熱量消耗在加熱或冷卻設(shè)備上的熱量 ，凡屬間歇操作、，凡屬間歇操作、開車、停車等，可按下式計(jì)算：開車、停車等，可按下式計(jì)算：nM設(shè)備各部件的質(zhì)量，設(shè)備各部件的質(zhì)量，kg；nC設(shè)備各部件的比熱容，設(shè)備各部件的比熱容， kJ/kg；nt1設(shè)備各部件的初始溫度，設(shè)備各部件的初始溫度，；nt2設(shè)備各部件的最終溫度，設(shè)備各部件的最終溫度，。 設(shè)備各部件的初始溫度設(shè)備各部件的初始溫度 t1，一般情況下可取室溫；，一般情況下可取室溫；最終溫度最終溫度t2需視具體情況而定。需視具體情況而定。521()QMc tt kJ2）、）、Q560()TTQAttJ設(shè)備向環(huán)境散失的熱量可按下式計(jì)算：設(shè)備向

6、環(huán)境散失的熱量可按下式計(jì)算：nA設(shè)備散熱表面積，設(shè)備散熱表面積，m2；nT設(shè)備散熱表面與周圍介質(zhì)之間的聯(lián)合給熱系設(shè)備散熱表面與周圍介質(zhì)之間的聯(lián)合給熱系 數(shù)，數(shù)，W/（m2），其計(jì)算如），其計(jì)算如p123所示；所示；ntT與周圍介質(zhì)直接接觸的設(shè)備表面溫度，與周圍介質(zhì)直接接觸的設(shè)備表面溫度，；nt0周圍介質(zhì)的溫度，周圍介質(zhì)的溫度，；n 過程持續(xù)時(shí)間，過程持續(xù)時(shí)間，s。以上分別介紹了以上分別介紹了Q1、Q4、Q5、Q6的計(jì)算，再能求的計(jì)算，再能求出過程熱效應(yīng)的出過程熱效應(yīng)的Q3的數(shù)值，就可求出設(shè)備的熱負(fù)荷的數(shù)值，就可求出設(shè)備的熱負(fù)荷Q2。Q2正值表示需對(duì)設(shè)備加熱，負(fù)值表示需冷卻。正值表示需對(duì)設(shè)備加熱

7、，負(fù)值表示需冷卻。3）、）、Q6（二）、過程熱效應(yīng)（二）、過程熱效應(yīng)（Q3） 包括：化學(xué)反應(yīng)熱、狀態(tài)變化熱（相變熱、濃度變化熱）包括：化學(xué)反應(yīng)熱、狀態(tài)變化熱（相變熱、濃度變化熱） 熱效應(yīng)的符號(hào)：放熱為正、吸熱為負(fù)。熱效應(yīng)的符號(hào)：放熱為正、吸熱為負(fù)。 1、化學(xué)反應(yīng)熱：與溫度、反應(yīng)本身有關(guān)，、化學(xué)反應(yīng)熱：與溫度、反應(yīng)本身有關(guān)，298K，1個(gè)大氣壓的反應(yīng)熱為標(biāo)個(gè)大氣壓的反應(yīng)熱為標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱，習(xí)慣用準(zhǔn)反應(yīng)熱，習(xí)慣用H H表示，本教材用表示，本教材用qr 表示，表示，qr =- H H。 qr 數(shù)值的求法：數(shù)值的求法： （1）可查。）可查。 （2）由標(biāo)準(zhǔn)生成熱求得，）由標(biāo)準(zhǔn)生成熱求得， （3）由標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱

8、求得，）由標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱求得， 注意符號(hào)；有時(shí)需要將兩者互算。不同溫度下反應(yīng)熱的計(jì)算，注意有注意符號(hào)；有時(shí)需要將兩者互算。不同溫度下反應(yīng)熱的計(jì)算，注意有無相變。無相變。/rfqqkJ mol /rcqqkJ mol 二 熱量衡算（4）qf與與qc的換算的換算 n化合物中同種元素的原子數(shù)；化合物中同種元素的原子數(shù)； qce元素標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱，元素標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱，kJ/（g.atm），其數(shù)值見），其數(shù)值見表表4-7。例例4-12：今查得固態(tài)萘：今查得固態(tài)萘C10H8的標(biāo)準(zhǔn)生成熱的標(biāo)準(zhǔn)生成熱qf=H Hf f=-78.00kJ/mol，求萘的標(biāo)準(zhǔn)生成熱，求萘的標(biāo)準(zhǔn)生成熱qc 為多少？為多少？/fcceqqnqk

9、J mol （5）不同溫度下反應(yīng)熱）不同溫度下反應(yīng)熱qrt的計(jì)算的計(jì)算 qr 標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱，標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱，KJ/KJ/ molmol； 反應(yīng)方程式中化學(xué)計(jì)量系數(shù)，反應(yīng)物為負(fù)，生成反應(yīng)方程式中化學(xué)計(jì)量系數(shù)，反應(yīng)物為負(fù)，生成物為正；物為正； CpCp反應(yīng)物或生成物在（反應(yīng)物或生成物在（25-t25-t）范圍內(nèi)的平均比熱范圍內(nèi)的平均比熱容，容，KJ/KJ/（ molmol）；）； tt反應(yīng)溫度，反應(yīng)溫度，。（二）狀態(tài)變化熱二）狀態(tài)變化熱 只發(fā)生物質(zhì)聚集狀態(tài)或濃度變化的熱效應(yīng)只發(fā)生物質(zhì)聚集狀態(tài)或濃度變化的熱效應(yīng)潛熱（相變潛熱（相變焓）。焓）。 放熱為正、吸熱為負(fù)。放熱為正、吸熱為負(fù)。1、相變熱、相變熱恒溫

10、恒壓下，從一相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪幌?，注意正?fù)號(hào)。恒溫恒壓下，從一相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪幌啵⒁庹?fù)號(hào)。（可查得）（可查得）2、濃度變化熱、濃度變化熱恒溫恒壓下，因濃度變化熱效應(yīng)，用溶解熱恒溫恒壓下，因濃度變化熱效應(yīng)，用溶解熱或稀釋熱來求取。（或稀釋熱來求取。（Qp）二 熱量衡算溶解熱溶解熱將將1mol的溶質(zhì)溶于的溶質(zhì)溶于nmol的溶劑中過程產(chǎn)生的溶劑中過程產(chǎn)生的熱效應(yīng)；的熱效應(yīng)；qs表示，放熱為正，吸熱為負(fù)。表示，放熱為正，吸熱為負(fù)。例例4-13：磺化反應(yīng)過程中共滴入：磺化反應(yīng)過程中共滴入25濃度為濃度為88%的硫酸的硫酸1000kg，反應(yīng)結(jié)束時(shí)廢酸的量為，反應(yīng)結(jié)束時(shí)廢酸的量為640kg，廢酸中，廢酸中H2SO

11、4的質(zhì)量百分濃度為的質(zhì)量百分濃度為68%，其余為水。如圖所示。求反，其余為水。如圖所示。求反應(yīng)過程中應(yīng)過程中H2SO4的濃度變化熱。的濃度變化熱。m1=8979.6n1=0.7424m2=4440.8n2=2.56H2SO4 H2OQp稀釋熱稀釋熱將一定數(shù)量的溶劑加入到含將一定數(shù)量的溶劑加入到含1mol溶質(zhì)的溶液中去，溶質(zhì)的溶液中去，形成較稀的溶液時(shí)所產(chǎn)生的熱效應(yīng)。當(dāng)加入的溶劑量為無形成較稀的溶液時(shí)所產(chǎn)生的熱效應(yīng)。當(dāng)加入的溶劑量為無限大時(shí)，其熱效應(yīng)稱無限稀釋熱；限大時(shí)，其熱效應(yīng)稱無限稀釋熱；qid表示。表示。例例4-14 苯胺重氮化反應(yīng)中鹽酸的濃度由苯胺重氮化反應(yīng)中鹽酸的濃度由30%降低到降低

12、到1.21%（均為質(zhì)量百分濃度）。已知反應(yīng)中投入（均為質(zhì)量百分濃度）。已知反應(yīng)中投入30%鹽酸鹽酸2571kg，反應(yīng)中實(shí)際消耗，反應(yīng)中實(shí)際消耗HCl量為量為673.8kg。計(jì)算反應(yīng)中由于鹽酸的濃度變化而產(chǎn)生的熱效應(yīng)。計(jì)算反應(yīng)中由于鹽酸的濃度變化而產(chǎn)生的熱效應(yīng)。m1=21.13 310103 3qid1=102.9m2=2.6710103 3qid2=267.7無限稀釋狀態(tài)無限稀釋狀態(tài)Qp三 常用熱力學(xué)數(shù)據(jù)的計(jì)算一、比熱容一、比熱容1、氣體：、氣體： 定壓、定容定壓、定容適用于常溫、低壓（壓強(qiáng)不大于適用于常溫、低壓（壓強(qiáng)不大于5*105pa），否則，用圖），否則，用圖6-3修正。修正。2、液體：

13、與壓強(qiáng)無關(guān)，隨溫度增加略有增加，在、液體：與壓強(qiáng)無關(guān)，隨溫度增加略有增加，在1.72.5Kj/(Kg. )，液氨、水在，液氨、水在4左右，汞、液體金屬很小。左右，汞、液體金屬很小。溶液：由固體比熱容近似計(jì)算；溶液：由固體比熱容近似計(jì)算；有機(jī)化合物：結(jié)構(gòu)式有機(jī)化合物：結(jié)構(gòu)式基本結(jié)構(gòu)的摩爾熱容值求和基本結(jié)構(gòu)的摩爾熱容值求和摩爾熱摩爾熱容容比熱容，表比熱容，表6-4，例，例6-4.3、固體：元素、固體：元素Ce=Ca/A；化合物比熱容。；化合物比熱容。二、汽化熱二、汽化熱 化合物化合物6-18、液體在沸點(diǎn)、液體在沸點(diǎn)6-19三、熔融熱三、熔融熱 元素元素6-20、 無機(jī)物無機(jī)物6-21、有機(jī)物、有機(jī)

14、物6-22四、溶解熱四、溶解熱 硫酸硫酸6-23、 硝酸硝酸6-24、 鹽酸鹽酸6-25五、無限稀釋熱五、無限稀釋熱 硫酸、硝酸、混酸硫酸、硝酸、混酸 例例6-5 六、標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱六、標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱 使用查里德法的原則使用查里德法的原則1-7 例例6-6四 加熱劑、冷卻劑及其他能量消耗計(jì)算 一、水蒸氣消耗量一、水蒸氣消耗量 1、間接蒸汽加熱時(shí)蒸汽的消耗量、間接蒸汽加熱時(shí)蒸汽的消耗量 6-30 2、直接蒸汽加熱時(shí)蒸汽的消耗量、直接蒸汽加熱時(shí)蒸汽的消耗量 6-31 二、燃料的消耗量二、燃料的消耗量 6-32 三、電能的消耗量三、電能的消耗量 6-33 四、冷卻劑的消耗量四、冷卻劑的消耗量 W=Q2/C(

15、TK-TH) W-冷卻劑的消耗量冷卻劑的消耗量 C-冷卻劑的平均比熱容冷卻劑的平均比熱容 TK-冷卻劑的最終溫度冷卻劑的最終溫度 TH-冷卻劑的最初溫度冷卻劑的最初溫度 五、壓縮空氣的消耗量五、壓縮空氣的消耗量 1、壓縮液體物料、壓縮液體物料 2、攪拌液體、攪拌液體 六、真空的抽氣量六、真空的抽氣量 1、抽氣液體物料、抽氣液體物料 2、真空抽濾、真空抽濾3、真空蒸發(fā)、真空蒸發(fā)4、建立真空、建立真空抽氣量抽氣量 5、維持真空抽氣量、維持真空抽氣量五 有效能的概念一、一、火火用用定義：能量的轉(zhuǎn)換能力或有用程度，統(tǒng)一理解為能量轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ哪芰蚨x：能量的轉(zhuǎn)換能力或有用程度，統(tǒng)一理解為能量轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ哪?/p>

16、力或做功的能力，成為有效能。做功的能力，成為有效能。能量的數(shù)量：能量的數(shù)量：E=Ex+An 能量的質(zhì)量：能量的質(zhì)量：R=Ex/E=Ex/Ex+An(能級(jí)或能量的品質(zhì)系數(shù)能級(jí)或能量的品質(zhì)系數(shù))二、熱、功與物流的二、熱、功與物流的火火用用1、對(duì)外做功（容積有體積變化）、對(duì)外做功（容積有體積變化） 2、從熱源吸熱、從熱源吸熱3、物流的、物流的火火用用定義：物流所處狀態(tài)變化到與給定環(huán)境完全平衡時(shí)所作的最大有用功。定義：物流所處狀態(tài)變化到與給定環(huán)境完全平衡時(shí)所作的最大有用功。物理死態(tài)：與環(huán)境達(dá)成機(jī)械、熱平衡物理死態(tài)：與環(huán)境達(dá)成機(jī)械、熱平衡 ；化學(xué)死態(tài)：與環(huán)境達(dá)成機(jī)械、熱、；化學(xué)死態(tài)：與環(huán)境達(dá)成機(jī)械、熱、

17、化學(xué)平衡。化學(xué)平衡。物理物理火火用用：物理死態(tài)：物理死態(tài) Exiph 化學(xué)化學(xué)火火用用:化學(xué)死態(tài)化學(xué)死態(tài) Exch Ex=Exiph+ Exch組分不平衡組分不平衡化學(xué)反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)化學(xué)火用化學(xué)火用,濃度不平衡濃度不平衡擴(kuò)散過程擴(kuò)散過程擴(kuò)散火用擴(kuò)散火用五 有效能的概念三、三、火火用用平衡方程式平衡方程式理論基礎(chǔ)：可逆過程無理論基礎(chǔ)：可逆過程無火火用損失，任何不可逆過程必引起用損失，任何不可逆過程必引起火火用損失。實(shí)用損失。實(shí)際過程，需要附加一項(xiàng)際過程，需要附加一項(xiàng)火火用損失，才能建立平衡方程。用損失，才能建立平衡方程。表達(dá)式：表達(dá)式：EXH1+EXQ1+EXW1=EXH2+EXQ2+EXW2+D

18、KEXH1 EXH2進(jìn)、出系統(tǒng)物流的進(jìn)、出系統(tǒng)物流的火用火用EXQ1 EXQ2輸入、輸出系統(tǒng)的熱輸入、輸出系統(tǒng)的熱火用火用EXW1 EXW2輸入、輸出系統(tǒng)的功輸入、輸出系統(tǒng)的功火用火用DK火用火用損失損失特征：同品味能量的平衡，與熱量的異品位能量的數(shù)量平衡不同。特征：同品味能量的平衡，與熱量的異品位能量的數(shù)量平衡不同。四、四、火用火用損失損失傳熱過程的傳熱過程的火用火用損失：損失：DK=T0s s-總總火火商商差差 降低環(huán)境溫度和總降低環(huán)境溫度和總火火商商差可減少差可減少火用火用損失，傳熱推動(dòng)力損失，傳熱推動(dòng)力T越大，越大，DK越大，越大，當(dāng)當(dāng)T趨于零，趨于零，DK趨于零，過程越偏離可逆過程，趨于零，過程越偏離可逆過程，火用火用損失越大。損失越大。五、五、火火用用效率效率為了統(tǒng)一評(píng)定各類設(shè)備的用能完善程度，引入的統(tǒng)一的尺度，定義具有為了統(tǒng)一評(píng)定各類設(shè)備的用能完善程度，引入的統(tǒng)一的尺度，定義具有一定的不確定性。一定的不確定性。五 有效能的概念 六、有效能的應(yīng)用六、有效能的應(yīng)用 能量的雙重含義：