第六章 化工過程能量分析61.1

第六章化工過程的能量分析化工熱力學(xué)的任務(wù)即應(yīng)進(jìn)行分析能量品位的變化。化工過程總是伴隨著能量品位的降低。一個效率較高的過程是能量品位降低較少的過程。找出品位降低最多的薄弱環(huán)節(jié)，指出改造的方向。1、平衡研究相平衡、能量平衡、化學(xué)平衡2、化工過程的熱力學(xué)分析能量的有效利用化工過程的能量分析？1、化學(xué)工業(yè)是人類發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)；2、化工生產(chǎn)過程始終伴隨著能量的供應(yīng)、轉(zhuǎn)換、利用、回收、排放等環(huán)節(jié)；3、化學(xué)工業(yè)是耗能大戶，能量消耗在生產(chǎn)費(fèi)用中占有很高的比例；4、倡導(dǎo)節(jié)能減排?；み^程的能量分析1、化工過程的能量分析是以熱力學(xué)第一、二定律為基礎(chǔ)；2、應(yīng)用理想功、損失功和有效能等概念，對化工生產(chǎn)過程中能量轉(zhuǎn)化、傳遞及使用進(jìn)行分析；3、研究各種能量轉(zhuǎn)換過程中能量的利用及品位的變化，有效利用程度以及造成能量損耗和損失的原因；4、揭示能量損耗的大小和部位，為有效的降低生產(chǎn)能量消耗、經(jīng)濟(jì)合理的利用能量、科學(xué)節(jié)能提供依據(jù)。基本概念能量不僅有數(shù)量，而且有質(zhì)量（品位）。功的品位高于熱。高級能量：能完全轉(zhuǎn)化為功的能量，如機(jī)械能、電能、水力能和風(fēng)能等；低級能量：不能完全轉(zhuǎn)化為功的能量，如熱能等。高溫?zé)嵩串a(chǎn)生的熱的品位比低溫?zé)嵩串a(chǎn)生的熱的品位高?；靖拍畛ㄩ_系統(tǒng)

系統(tǒng)不受任何限制，與環(huán)境之間可以有能量交換，也可以有物質(zhì)的交換。封閉體系

系統(tǒng)與環(huán)境之間沒有物質(zhì)的交換，但可以發(fā)生能量的交換。隔離系統(tǒng)也稱為孤立系統(tǒng)

系統(tǒng)完全不受環(huán)境的影響，和環(huán)境之間沒有物質(zhì)或能量的交換。本章內(nèi)容§6.1

能量平衡方程§6.2熱功間的轉(zhuǎn)化§6.3熵函數(shù)§6.4

理想功、損失功及熱力學(xué)效率§6.5

火用與火無§6.6

火用衡算及火用效率§6.7

化工過程與系統(tǒng)的火用分析§6.1能量平衡方程§6.1.0能量的形式§6.1.1能量守恒與轉(zhuǎn)化§6.1.2能量平衡方程§6.1.3能量平衡方程的應(yīng)用化工生產(chǎn)中所涉及到的能量，主要有兩大類：物質(zhì)的能量、能量傳遞的兩種形式。(1)、物質(zhì)的能量E(以1kg為基準(zhǔn))動能：Ek=

u2/2內(nèi)能：U=f(T,P,x)位能：EP=

gZ(2)、能量傳遞的兩種形式(以1kg為基準(zhǔn))體系環(huán)境

在各種熱力學(xué)過程中，體系與環(huán)境之間常發(fā)生能量的傳遞，能量傳遞的形式有兩種，即熱和功?！?.1.0

能量的形式9§6.1.0能量的形式（續(xù)）熱Q:系統(tǒng)與環(huán)境之間由于溫差而引起的相互交換的能量。

功W：#對流動系統(tǒng)：包括兩部分1)軸功Ws：流體通過機(jī)械設(shè)備的旋轉(zhuǎn)軸與環(huán)境所交換的能量。2)流動功Wf：物料連續(xù)流動時，因流體內(nèi)部相互推動所交換的功。規(guī)定：系統(tǒng)獲得的熱量，其值為正；反之為負(fù)。流動功Wf=PV能量的形式（續(xù)）管道截面積A[m2]1kg流體

V[m3/kg]P

流動功＝F.S=（P.A）.(V/A)=PV[J/Kg]功W：#對非流動系統(tǒng)體積功W：特定設(shè)備（如帶活塞的氣缸）中，因流體體積改變而與環(huán)境交換的能量。規(guī)定：系統(tǒng)得功，其值為正；反之為負(fù)。注意：熱和功僅在能量傳遞中出現(xiàn)，并非系統(tǒng)本身具有的能量。當(dāng)能量以熱和功的形式傳入體系后，增加的是體系內(nèi)能。熱和功是過程函數(shù)，非狀態(tài)函數(shù)?！?.1.1

能量守恒與轉(zhuǎn)化

如：E1、E2分別代表系統(tǒng)在過程變化始、終態(tài)的總能量；E為系統(tǒng)在過程前后的能量變化；Q、W分別代表系統(tǒng)與環(huán)境所交換的熱、功，則

E=E2-E1=Q+W————熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式

體系環(huán)境WsQδm2

δm1

P1V1u1

U1P2V2u2

U2Z1Z2§6.1.2

能量平衡方程13敞開體系

1)物料平衡方程：m1-

m2=dm體系2)能量平衡方程

進(jìn)入體系的能量－離開體系的能量=體系積累的能量

進(jìn)入體系的能量:

微元體本身具有的能量E1δm1環(huán)境對微元體所作的流動功P1V1δm1環(huán)境傳入的熱量δQ

環(huán)境對體系所作的軸功δWs

14離開體系的能量:微元體帶出能量E2δm2流體對環(huán)境所作的流動功P2V2δm2

體系積累的能量:

d（mE）

能量恒等式為：

E1δm1+P1V1δm1+δQ+δWs-E2δm2-P2V2δm2=d(mE)體系15將和上式代入，整理可得－－普遍化的能量平衡方程單位質(zhì)量的物料的總能量：16§6.1.3.能量平衡方程的應(yīng)用(1)封閉體系：（非流動系統(tǒng)）m1=m2=m

δm1=δm2=dm=0

δQ+δWs=mdE

不存在流動功若δWs=δW則U

=Q+W————封閉體系單位質(zhì)量的能量平衡方程17(2)穩(wěn)定流動體系1）穩(wěn)定流動特點(diǎn)敞開體系穩(wěn)定、連續(xù)、流進(jìn)、流出，不隨時間變化，沒有能量和物料的積累?；み^程中最常用。18P1,V12）穩(wěn)定流動體系能量平衡方程P2,V2d(mE)體系=0

δm1=δm2=dm

由式(6-9)得：

=019

(H2-H1)δm+(u22-u12)δm+g(Z2-Z1)δm-δWs-δQ=0

積分：

即(u2/2)+(gZ)+U

+

(PV)

=Q+Ws或H

+u2/2+gZ=Q+Ws

————單位質(zhì)量的穩(wěn)流體系能量平衡方程注意：單位要一致，且用SI單位制.

H，Q，Ws—能量單位，J/Kg

u—m/s203）穩(wěn)流體系能量平衡方程的應(yīng)用應(yīng)用中的簡化1）流體通過壓縮機(jī)、膨脹機(jī)

∵

u2≈0，gZ≈0

∴

H=Q+Ws——穩(wěn)流過程中最常用的公式若絕熱過程Q=0，

Ws=H=H2-H1高壓高溫蒸汽帶動透平機(jī)產(chǎn)生軸功。應(yīng)用中的簡化2）流體通過換熱器、管道、混合器等

∵

Ws=0，u2=0，gZ=0

∴

H=Q用于精餾、蒸發(fā)、吸收、結(jié)晶過程。穩(wěn)流體系能量平衡方程的應(yīng)用（續(xù)）應(yīng)用中的簡化3）流體通過節(jié)流閥門或多孔塞，即流體流經(jīng)節(jié)流膨脹或絕熱閃蒸過程。∵Ws=0，u2=0，gZ=0，Q=0（絕熱）

∴H=0制冷循環(huán)中，當(dāng)流體通過節(jié)流閥，則焓未變但溫度降低。（將在第七章介紹）穩(wěn)流體系能量平衡方程的應(yīng)用（續(xù)）應(yīng)用中的簡化4）流體通過噴嘴獲得高速氣體（超音速）例：火箭、化工生產(chǎn)中的噴射器?！逹=0，gZ=0，Ws=0，

u2>>u1

H=-u2/2穩(wěn)流體系能量平衡方程的應(yīng)用（續(xù)）應(yīng)用中的簡化5）關(guān)于流體輸送過程的機(jī)械能平衡方程

考慮流體磨擦引起機(jī)械能損失F，有

對無粘性和不可壓縮流體，且Ws=0，有

---------------柏努利方程穩(wěn)流體系能量平衡方程的應(yīng)用（續(xù)）熱力學(xué)第一定律應(yīng)用注意事項1、注意區(qū)別：U=Q+W封閉體系H=Q+Ws穩(wěn)定流動體系2、注意Q、W符號：體系吸熱為正（+），體系放熱為負(fù)（-）；體系對外做功為負(fù)（-），外界對體系做功為正（+）?！?.1能量平衡方程（續(xù)）例題例1：功率為2.0kw的泵將90oC水從貯水罐泵壓到換熱器，水流量為3.2kg/s，在換熱器中以697.3kJ/s的速率將水冷卻后，水送入比第一貯水罐高20m的第二貯水罐．求送入第二貯水罐的水溫．解：以lkg的水為計算基準(zhǔn)。須注意：由于水放熱Q為負(fù)、泵對水做功W為正。H2

=H+H1（H1為90oC水的焓，可查水蒸汽表得）查水蒸汽表可得符合H2

的飽和水的溫度即得?！?.2功熱間的轉(zhuǎn)化§6.2.0

基本概念§6.2.1熱功轉(zhuǎn)換與熱量傳遞的方向和限度

§6.2.2熱機(jī)工作原理§6.2.3熱機(jī)效率§6.2.4卡諾循環(huán)§6.2.5制冷系數(shù)§6.2.6卡諾定理熱力學(xué)第二定律克勞修斯（Clausius）的說法：“熱不可能自動地從低溫物體傳給高溫物體。”開爾文（Kelvin）的說法：“不可能從單一熱源取出熱使之完全變?yōu)楣?，而不發(fā)生其他的變化?！薄?.2功熱間的轉(zhuǎn)化（續(xù)）物化知：St≥0

>不可逆=可逆§6.2.0基本概念

才可進(jìn)行的過程

自發(fā)過程：不消耗功非自發(fā)過程：消耗功

0℃

35℃

冰

冬天東北氣溫-30℃

自發(fā),具有產(chǎn)功能力

如夏天南寧氣溫35℃-30℃

非自發(fā)水水冰30§6.2.1

熱功轉(zhuǎn)換與熱量傳遞的方向和限度

（1）熱量傳遞的方向和限度高溫低溫自發(fā)

非自發(fā)

限度：ΔT=0（2）熱功轉(zhuǎn)化的方向和限度

功熱

100%非自發(fā)

100%自發(fā)

31熱功轉(zhuǎn)換的不等價性熱功轉(zhuǎn)換的不等價性功可以100%轉(zhuǎn)變?yōu)闊釤岵豢赡?00%轉(zhuǎn)變?yōu)楣Α?、功的不等價性正是熱力學(xué)第二定律所表述的一個基本內(nèi)容?！?.2功熱間的轉(zhuǎn)化（續(xù)）熱功轉(zhuǎn)化的限度要由卡諾循環(huán)的熱機(jī)效率來解決

32§6.2.2熱機(jī)工作原理：熱機(jī)工作原理：工質(zhì)從高溫T1熱源吸收Q1的熱量，一部分通過熱機(jī)用來對外做功W，另一部分Q2

的熱量放給低溫T2

熱源（一般來說，Q2散失于環(huán)境）。H=Q+Ws

∵

H=0∴-Ws=Q1+Q2熱機(jī)示意圖§6.2功熱間的轉(zhuǎn)化（續(xù)）Ws蒸汽機(jī)的工作過程T1高溫?zé)嵩矗ㄈ缛紵蟮臒釟怏w）T2低溫?zé)嵩矗ㄈ缋鋮s水）鍋爐冷凝器高壓水透平機(jī)Ws給水泵低壓水高溫高壓蒸汽低溫低壓蒸汽熱機(jī)Q1Q2恒溫汽化恒溫液化絕熱膨脹絕熱壓縮§6.2.3熱機(jī)效率熱機(jī)效率：將熱機(jī)所作的功W與所吸的熱Q1之比稱為熱機(jī)效率,用η表示。熱機(jī)效率大小與過程的可逆程度有關(guān)?？ㄖZ定理：所有工作于同溫?zé)嵩春屯瑴乩湓粗g的熱機(jī)，其效率都不能超過可逆熱機(jī)，即可逆熱機(jī)的效率η

max最大?！?.2.4卡諾循環(huán)（Carnotcycle）①等溫可