化工熱力學(xué)第6章 流動(dòng)系統(tǒng)的熱力學(xué)原理及應(yīng)用

第六章流動(dòng)系統(tǒng)(xìtǒng)的熱力學(xué)原理及應(yīng)用6.1引言6.2熱力學(xué)第一定律1、封閉系統(tǒng)的熱力學(xué)第一定律2、穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)的熱力學(xué)第一定律6.3熱力學(xué)第二定律和熵平衡6.4有效能與過程(guòchéng)的熱力學(xué)分析精品資料6.2熱力學(xué)第一(dìyī)定律1、封閉系統(tǒng)的熱力學(xué)第一(dìyī)定律克服恒定外壓所做的體積功為(6-1)(6-2)對(duì)于可逆過程精品資料2、穩(wěn)定流動(dòng)(liúdòng)系統(tǒng)的熱力學(xué)第一定律穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)——

流體流動(dòng)途徑所有各點(diǎn)的狀況都相等，且不隨時(shí)間而變化，即所有質(zhì)量和能量的流率均為常量，系統(tǒng)中沒有(méiyǒu)物料和能量的積累。精品資料(6-3)(6-5)pV稱為(chēnɡwéi)“流動(dòng)功”，流動(dòng)所做功是軸功和凈流動(dòng)功之和W=Ws-p2V2+p1V1 (6-4)H=U+pV在熱力學(xué)的許多應(yīng)用(yìngyòng)中，動(dòng)能和勢(shì)能與其他能量相比是比較小的，若略去不計(jì)，可得(6-7)精品資料可逆軸功表達(dá)式為

精品資料例題6-1將90℃的熱水，以12m3/h速率從儲(chǔ)罐1輸送到高度(gāodù)為15m的儲(chǔ)罐2，熱水泵的電動(dòng)機(jī)功率為1.5kW，并且熱水經(jīng)過一個(gè)冷卻器，放出熱量的速率為2.5×106kJ/h.試問：儲(chǔ)罐2的水溫度是多少？解：此例題是穩(wěn)定流動(dòng)過程式（6-5）的應(yīng)用，水在儲(chǔ)罐的流動(dòng)速度很慢，可以忽略動(dòng)能變化，其他能量項(xiàng)單位為kJkg-1。從附錄C水性質(zhì)表中可查得，90℃時(shí)水的密度為965.3kg·m-3，則水的質(zhì)量流率為965.3×12=11583.6kgh-1得到放出的熱量軸功勢(shì)能精品資料將上述(shàngshù)各項(xiàng)代入式（6-5），得到從附錄C-1飽和水性質(zhì)(xìngzhì)表中可查得90℃時(shí)飽和液體的焓再從飽和水性質(zhì)表中可內(nèi)插查到此時(shí)的溫度約為38.5℃。

精品資料6.3熱力學(xué)第二(dìèr)定律和熵平衡1、熱力學(xué)第二(dìèr)定律2、熵及熵增原理3、封閉系統(tǒng)的熵平衡4、穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)的熵平衡精品資料熵增原理(yuánlǐ)——自發(fā)過程的不可逆過程只能向著總熵增加的方向進(jìn)行，最終趨向(qūxiàng)平衡態(tài)。此時(shí)總熵變達(dá)到最大值，即△St=0達(dá)到了過程的終點(diǎn)?！鱏t

=△S

+△S0

≧0在封閉系統(tǒng)中進(jìn)行的任何過程對(duì)孤立系統(tǒng)δQ=0dS孤立≥0或（△S）孤立≥0(6-13)(6-14)(6-15)精品資料熵產(chǎn)生(chǎnshēng)——系統(tǒng)在不可逆過程中，有序的能量(néngliàng)耗散為無序的熱能（如摩擦等），并為系統(tǒng)吸收而導(dǎo)致系統(tǒng)熵的增加，這部分熵稱為熵產(chǎn)生,記為△Sg。(6-16)(6-17)精品資料熵流——若有熱量流入或流出系統(tǒng)，則必定(bìdìng)伴有相應(yīng)的熵變化，記為△Sf或dSf熵流可為正、為負(fù)、為零(6-18)精品資料敞開體系(tǐxì)熵平衡簡圖△Sg

物流流入物流流出△Sf圖6-3精品資料敞開系統(tǒng)的熵平衡方程式為：對(duì)穩(wěn)流過程,系統(tǒng)熵的累積為0對(duì)絕熱穩(wěn)流過程，且只有單股流體,有mi=mj=m△Sf=0對(duì)可逆絕熱的穩(wěn)流過程△Sf=0,△Sg=0若為單股物料(wùliào)，有Si=Sj,為常見的等熵過程。這里△So為系統(tǒng)(xìtǒng)熵的累積量(6-19)(6-20)精品資料6.4有效能與過程(guòchéng)的熱力學(xué)分析1、理想功2、損失功3、有效能4、有效能效率(xiàolǜ)和有效能分析精品資料1、理想功：——系統(tǒng)的狀態(tài)變化以完全可逆方式完成，理論上產(chǎn)生(chǎnshēng)最大功或者消耗最小功。環(huán)境指大氣(dàqì)溫度T0，壓力P0=0.1013MPa的狀態(tài)完全可逆，指的是不僅系統(tǒng)內(nèi)的所有變化是完全可逆的，而且系統(tǒng)和環(huán)境之間的能量交換,例如傳熱過程也是可逆的。(6-21)精品資料例題(lìtí)6-2求298K，0.1013MPa的水變成273K，同壓力下冰的過程的理想功。設(shè)環(huán)境溫度分別(fēnbié)為（1）25℃；（2）-5℃。已知273K冰的熔化焓變?yōu)?34.7kJ/kg精品資料298K，0.1013MPa水273K，0.1013MPa冰WidH1，S1H2，S2例題(lìtí)6-2Hl2=-0.02kJkg-1和Sl2≈0(a)(b)理想(lǐxiǎng)功的計(jì)算與環(huán)境有關(guān)精品資料P160三（1）求算在流動(dòng)過程中溫度為540℃，壓力(yālì)為5.0MPa的1kmol氮?dú)馑芙o出的理想功是多少？環(huán)境溫度為15℃，環(huán)境壓力(yālì)為0.1MPa。將氮?dú)猱?dāng)做(dàngzuò)理想氣體精品資料P160三（1）求算在流動(dòng)過程中溫度(wēndù)為540℃，壓力為5.0MPa的1kmol氮?dú)馑芙o出的理想功是多少？環(huán)境溫度(wēndù)為15℃，環(huán)境壓力為0.1MPa。將氮?dú)猱?dāng)做(dàngzuò)理想氣體精品資料P160三（2）某廠有一輸送90℃熱水的管道，由于保溫不良，到使用單位(dānwèi)時(shí)，水溫已降至70℃。試求水溫降低過程的熱損失與損失功。設(shè)環(huán)境溫度為25℃。精品資料2、損失功：實(shí)際過程所作的功（產(chǎn)生或消耗(xiāohào)）與完全可逆過程所作的理想功之差，就稱為損失功。穩(wěn)定流動(dòng)(liúdòng)過程對(duì)于環(huán)境來說，Q為可逆熱，Q=-T0△S0不可逆性的熵增加+過程的熱損失損失功與總熵變的關(guān)系,且與環(huán)境溫度有關(guān)。實(shí)際過程總是有損失功，過程的不可逆程度越大，總熵增越大，損失功也越大(6-24)精品資料例題(lìtí)6-3用1.50MPa,773K的過熱蒸汽來推動(dòng)透平機(jī),并在0.07MPa下排出.此透平機(jī)既不是可逆的，也不是絕熱的，實(shí)際輸出的軸功相當(dāng)于可逆絕熱功的85%。另有少量的熱散入293K的環(huán)境(huánjìng)，損失熱為79.4kJ/kg，求此過程的損失功。精品資料解：查附錄C-2過熱水蒸氣表可知(kězhī)，初始狀態(tài)1.50MPa,773K時(shí)的蒸氣焓、熵值為：若蒸汽按絕熱可逆膨脹，則是等熵過程，當(dāng)膨脹至0.07MPa時(shí)，熵仍為S2=7.5698kJkg-1K-1。查過熱水蒸汽表可知(kězhī)，此時(shí)狀態(tài)近似為0.07MPa，373K的過熱水蒸汽，其焓值H2=2680kJkg-1。因可逆絕熱過程，Q=0，則此透平機(jī)實(shí)際輸出軸功，依據(jù)穩(wěn)流系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律(dìnglǜ)，得到實(shí)際狀態(tài)2’的焓為由0.07MPa和H2’可查得過熱水蒸汽狀態(tài)為393K，S2’=7.6375kJ·kg-1·K-1，則過程的損失功精品資料3、有效能（availableenergy）：系統(tǒng)在一定狀態(tài)下的有效能，就是從該狀態(tài)變化到基態(tài)過程所作的理想功，用符號(hào)(fúhào)B表示物理有效能：指系統(tǒng)的T、p等狀態(tài)不同于環(huán)境而具有的能量化學(xué)有效能：處于環(huán)境溫度和壓力下的系統(tǒng)，由于(yóuyú)與環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換或化學(xué)反應(yīng)，達(dá)到與環(huán)境平衡，所做的最大功即為化學(xué)有效能系統(tǒng)的有效能B僅與系統(tǒng)狀態(tài)有關(guān)，是狀態(tài)函數(shù)。但是它和內(nèi)能、焓、熵等熱力學(xué)性質(zhì)不同，有效能的數(shù)值與所選定的環(huán)境狀態(tài)有關(guān)。T0(S-S0)不能用于作功，又稱為無效能。有效能的終態(tài)是基態(tài)，即是環(huán)境狀態(tài)，此時(shí)的有效能可視為0。(6-25)精品資料當(dāng)ΔB<0，即減小的有效能全部用于做可逆功，且所做功最大為Wid；當(dāng)ΔB>0，即增加的有效能等于(děngyú)外界消耗最小可功（可逆功），對(duì)可逆過程有效能是守恒的，對(duì)不可逆過程則不守恒精品資料4、有效(yǒuxiào)能效率和有效(yǒuxiào)能分析有效(yǒuxiào)能平衡方程：有效能效率：當(dāng)D=0時(shí)，是可逆過程；D>0是不可逆過程，D<0的過程不可能自發(fā)進(jìn)行。不可逆過程，實(shí)際所作的功Ws總是小于有效能的減少，有效能有損失情況。(6-28)(6-29)(6-30)精品資料例題(lìtí)6-6某工廠有兩種余熱可資利用，其一是高溫的煙道氣，主要(zhǔyào)成分是二氧化碳、氮?dú)馀c水汽，流量為500kg/h，溫度為800℃，其平均比等壓熱容為0.8kJkg-1K-1；其二是低溫排水，流量是1348kgh-1,溫度為80℃,水的平均比等壓熱容為4.18kJkg-1K-1，假設(shè)環(huán)境溫度為298K。問兩種余熱中的有效能各為多少?精品資料解：高溫的煙道氣是高溫、低壓氣體，可作為理想氣體處理，按照式（6-25）高溫的煙道氣從800℃降低到環(huán)境溫度25℃放出(fànɡchū)的熱量低溫排水的有效能低溫排水從80℃降低到環(huán)境溫度25℃放出(fànɡchū)的熱量低溫排水的余熱等于高溫?zé)煹罋獾挠酂?，但是其有效能只有高溫?zé)煹罋獾?/6，因此有效能才能(cáinéng)正確評(píng)價(jià)余熱資源精品資料有效(yǒuxiào)能的分析例題6-7設(shè)有壓力為1.0MPa、6.0MPa的飽和水蒸氣以及1.0MPa、553.15K的過熱(ɡuòrè)水蒸氣，若這三種蒸汽都經(jīng)過充分利用，最后排出0.1013MPa、298.15K的冷凝水。試比較每kg蒸汽的有效能(B)大小和所放出的熱。狀態(tài)壓力/MPa溫度/KS/kJkg-1K-1H/kJkg-10飽和液體水298.151飽和蒸汽1.02過熱蒸汽1.03飽和蒸汽6.0狀態(tài)壓力/MPa溫度/KS/kJkg-1K-1H/kJkg-10飽和液體水0.1013298.150.3671051飽和蒸汽1.0453.066.58727782過熱蒸汽1.0553.157.04730083飽和蒸汽6.0548.795.8892784精品資料序號(hào)狀態(tài)壓力p/MPa溫度T/K熵SkJ/kgK焓HkJ/kg（S-S0）（H-H0）BkJ/kg0液體水0.1013298.150.3671051飽和蒸汽1.0453.066.58727786.222673818.52過熱蒸汽1.0553.157.04730086.682903911.43飽和蒸汽6.0548.795.88927845.5226791033.2精品資料壓力相同（1.0MPa）時(shí)，過熱蒸汽的有效能較飽和蒸汽為大，故其作功本領(lǐng)也較大；高壓蒸汽的有效能較低壓蒸汽為大，而且熱轉(zhuǎn)化為功的效率也較高。目前在大型合成氨廠中，溫度在623K以上的高溫?zé)崮芏加糜谏a(chǎn)10.33MPa的蒸汽（過熱溫度753K），作為獲得動(dòng)力的能源，以提高熱能的利用率；溫度相同（蒸汽2、3相近）時(shí)，高壓蒸汽的焓值反較低壓蒸汽略少，故通常(tōngcháng)總是用低壓蒸汽作為工藝加熱之用，以減少設(shè)備費(fèi)用；表中所列1.0MPa和6.0MPa時(shí)，飽和蒸汽所放出來的熱量基本相等，但高溫蒸汽的有效能比低溫蒸汽大。由此進(jìn)一步表明，盲目地把高溫高壓蒸汽作加熱就是一種浪費(fèi)。故一般用來供熱的大都是0.5～1.0MPa的飽和蒸汽。精品資料能量的合理(hélǐ)利用1、防止能量(néngliàng)無償降級(jí)2、采用最佳推動(dòng)力的方案3、合理組織能量(néngliàng)梯次利用精品資料6.5氣體的壓縮與膨脹過程6.6動(dòng)力循環(huán)1、封閉系統(tǒng)的熱力學(xué)第一定律2、穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)的熱力學(xué)第一定律6.7制冷(zhìlěng)循環(huán)6.8熱泵精品資料氣體(qìtǐ)的壓縮與膨脹過程1、氣體(qìtǐ)的壓縮2、氣體(qìtǐ)的膨脹（1）絕熱節(jié)流膨脹（2）絕熱可逆膨脹精品資料（1）絕熱節(jié)流(jiéliú)膨脹節(jié)流效應(yīng)（或Joule-Thomson效應(yīng)）——流體節(jié)流時(shí)，由于壓力變化而引起(yǐnqǐ)的溫度變化微分節(jié)流效應(yīng)系數(shù)積分節(jié)流效應(yīng)精品資料（2）絕熱可逆膨脹(péngzhàng)微分(wēifēn)等熵效應(yīng)系數(shù)積分等熵膨脹效應(yīng)永遠(yuǎn)是正值

精品資料絕熱節(jié)流(jiéliú)膨脹和絕熱可逆膨脹從熱力學(xué)角度出發(fā)(chūfā)，從溫度降、冷凍量和回收軸動(dòng)來說，做外功的絕熱膨脹要比節(jié)流膨脹優(yōu)越節(jié)流膨脹所需設(shè)備簡單，只需一個(gè)節(jié)流閥，便于調(diào)節(jié)且可直接得到液體精品資料6.6動(dòng)力(dònglì)循環(huán)6.6.1朗肯循環(huán)(xúnhuán)（RankineCycle）透平機(jī)是借助流體的減壓和降溫過程來產(chǎn)出功壓縮機(jī)可以提高流體的壓力，但是要消耗功精品資料理想(lǐxiǎng)的朗肯循環(huán)1→2→3→4→5→6→11→2→3→4：流體在鍋爐、過熱器中被等壓加熱汽化成為過熱蒸汽(zhēnɡqì)的過程，加入的熱量：Q=H4－H1（正值）4→5：過熱蒸汽(zhēnɡqì)在透平機(jī)中的可逆絕熱膨脹過程，對(duì)外所做軸功可由膨脹前后水蒸汽(zhēnɡqì)的焓值求出-WS=－△H=H4－H5（負(fù)值）5→6：乏氣的冷凝過程，放出的熱量Q0=H6－H5（負(fù)值）6→1：將冷凝水通過泵由p2→p1Wp=△H=（H1－H6）(正值)=－VlH2O（p2－p1）精品資料理想(lǐxiǎng)朗肯循環(huán)循環(huán)(xúnhuán)的熱效率工質(zhì)通過循環(huán)作出的凈功WNWN=WS+WP=（H5－H4）+（H1－H6）≈H5－H4所吸收的凈熱（Q+Q0）

經(jīng)過一次循環(huán)后，ΔH=0，WN=Q+Q0汽耗率SSC等熵膨脹效率相對(duì)內(nèi)部效率精品資料例題6-9某一蒸汽動(dòng)力(dònglì)循環(huán)裝置，鍋爐壓力為4MPa，冷凝器工作壓力為0.004MPa。進(jìn)入透平機(jī)的過熱蒸汽，溫度為500℃。若此循環(huán)為理想朗肯循環(huán)，試求循環(huán)的熱效率和汽耗率。若過熱蒸汽通過透平機(jī)進(jìn)行實(shí)際的不可逆絕熱過程，排出乏汽的干度為0.92，試求此實(shí)際朗肯循環(huán)的熱效率和汽耗率。精品資料朗肯循環(huán)(xúnhuán)的改進(jìn)1、提高蒸汽(zhēnɡqì)的過熱溫度2、提高蒸汽(zhēnɡqì)的壓力3、采用再熱循環(huán)在相同的蒸汽壓力下，提高蒸汽的過熱溫度時(shí)，可使平均吸熱溫度相應(yīng)地提高。由圖6-7可見，功的面積隨過熱溫度的升高而增大，循環(huán)熱效率隨之提高，當(dāng)然汽耗率也會(huì)下降。同時(shí)乏氣的干度增加，使透平機(jī)的相對(duì)內(nèi)部效率也可提高。但是蒸汽的最高溫度受到金屬材料性能的限制，不能無限地提高，一般過熱蒸汽的最高溫度以不超873K為宜水的沸騰溫度隨著蒸汽壓力的增高而升高，故在保持相同的蒸汽過熱溫度時(shí)，提高水蒸汽壓力，平均吸熱溫度也會(huì)相應(yīng)提高。從圖6-8可以看出，當(dāng)蒸汽壓力提高時(shí)，熱效率提高，而汽耗率下降。但是隨著壓力的提高，乏汽的干度下降，即濕含量增加，因而會(huì)引起透平機(jī)相對(duì)內(nèi)部效率的降低，還會(huì)使透平中最后幾級(jí)的葉片受到磨蝕，縮短壽命。乏汽的干度一般不應(yīng)低于0.88。另外，蒸汽壓力的提高，不能超過水的臨界壓力(pC=22.064MPa)，而且設(shè)備制造費(fèi)用也會(huì)大幅上升。這都是不利的方面。再熱循環(huán)是使高壓的過熱蒸汽在高壓透平中先膨脹到某一中間壓力(一般取再熱壓力為新汽壓力的20~25%)，然后全部引入鍋爐中特設(shè)的再熱器進(jìn)行加熱，升高了溫度的蒸汽，進(jìn)入低壓透平再膨脹到一定的排氣壓力，這樣就可以避免乏氣濕含量過高的缺點(diǎn)。如圖6-9所示，高壓蒸汽由狀態(tài)點(diǎn)4等熵膨脹到某一中間壓力時(shí)的飽和狀態(tài)點(diǎn)4‘(膨脹后的狀態(tài)點(diǎn)也可以在過熱區(qū)),作出功。飽和蒸汽在再熱器中吸收熱量后升高溫度，其狀態(tài)沿等壓線由4’變至5(再熱溫度與新汽溫度可以相同，也可以不同)，最后再等熵膨脹到一定排氣壓力時(shí)的濕蒸汽狀態(tài)6，又做出功。精品資料6.7制冷(zhìlěng)循環(huán)1、逆卡諾循環(huán)制冷(zhìlěng)系數(shù)循環(huán)放熱量Q0=T2(S3-S2)循環(huán)吸熱量q0=T1(S1–S4)循環(huán)所做的凈功-WN=Q0+q0=(T1–T2)(S2–S3)T1<T2,S1>S2,WN>0逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)僅是工質(zhì)溫度的函數(shù)，與工質(zhì)無關(guān)（6-40）精品資料2、單級(jí)壓縮(yāsuō)制冷循環(huán)低壓蒸汽(zhēnɡqì)的壓縮、高壓蒸汽(zhēnɡqì)的冷卻冷凝、高壓液體的節(jié)流膨脹、濕蒸汽(zhēnɡqì)的定壓蒸發(fā)精品資料實(shí)際蒸汽壓縮制冷裝置中的膨脹過程，為何采用(cǎiyòng)節(jié)流閥而不用膨脹機(jī)?制冷裝置的膨脹過程，采用節(jié)流元件（如閥、孔板等）主要考慮到節(jié)流設(shè)備簡單，裝置緊湊。對(duì)于中小型設(shè)備而言，這個(gè)(zhège)膨脹功是不值得回收的，功量不大，但是設(shè)備投資要增加許多。因此，大多不采用膨脹機(jī)精品資料2、單級(jí)壓縮制冷(zhìlěng)循環(huán)制冷機(jī)所消耗的理論(lǐlùn)功率G----制冷劑的循環(huán)量制冷機(jī)的制冷系數(shù)單位質(zhì)量制冷劑的制冷量

q=H1－H4kJ·kg－1

制冷劑的循環(huán)量G=Qc/q （6-41）（6-42）（6-43）精品資料習(xí)題三（11）壓縮機(jī)出口氨的壓力(yālì)為1.0MPa，溫度為30℃，若按下述不同的過程膨脹到0.1MPa，試求經(jīng)膨脹后氨的溫度為多少？

（1）絕熱節(jié)流膨脹；

（2）可逆絕熱膨脹。122’3℃-33℃精品資料通過(tōngguò)例題6-10學(xué)習(xí)如何查壓焓圖壓焓圖上有等溫線、等熵線、等壓線、等容線精品資料習(xí)題三（14）某蒸汽壓縮制冷循環(huán)(xúnhuán)，制冷量Q0為4×104kJ·h-1，蒸發(fā)室溫度為-10℃，冷凝器用水冷卻，進(jìn)口為8℃。若供給冷凝器的冷卻水量無限大時(shí)，計(jì)算制冷循環(huán)(xúnhuán)消耗的最小功為多少？如果冷凝器用室溫（25℃）空氣冷卻時(shí)，其消耗的最小功又是多少？所有的制冷(zhìlěng)循環(huán)中，逆卡諾循環(huán)的制冷(zhìlěng)效率最高，即功耗最小當(dāng)冷卻水量無限大時(shí)，冷凝溫度T2=(8+273)K當(dāng)冷凝器用空氣冷卻時(shí)，冷凝溫度近似等于室溫25℃冷卻溫度越低，消耗功越小。但是空氣冷卻所用設(shè)備簡單，如家用空調(diào)器，冰箱采用散熱片空氣冷卻，不過它們的能耗要比水冷卻高許多精品資料3、多級(jí)壓縮(yāsuō)制冷循環(huán)1→2，3→4兩級(jí)壓縮(yāsuō)7→8，9→10兩級(jí)膨脹如果需要獲得較低的溫度，蒸氣蒸發(fā)壓力要低，則蒸氣的壓縮比就要增大，單級(jí)壓縮是不經(jīng)濟(jì)的，通常采用多級(jí)壓縮。多級(jí)壓縮制冷可提供多種不同溫的制冷量；制冷循環(huán)應(yīng)用于化工生產(chǎn)，有些制冷劑本身就是生產(chǎn)中的產(chǎn)品，如合成氨廠用液氨