热能转换与利用-第二章课件

第二章能量转换基础ThesecondlawofEnergyconversionfoundation•2–1能量转换•2–2能量平衡•2–3（可用能）•2–4的计算•2–5平衡•2–6损失计算•2–7分析与火用效率•2–8分析举例•2–9分析的意义本章知识点1.理解能量转换与平衡；2.理解的概念、熟练的计算、了解的平衡、掌握损失计算；3.学会分析，以及分析的举例，分析的意义。本章重点1.了解能量转换；2.理解能量平衡；3.掌握的概念；4.熟练各种的计算包括温度、潜热、压力、混合气体的、化学。5.深入理解流动过程、混合过程、分离过程的平衡。6.掌握燃烧损失、传热损失、散热等损失、燃烧产物带走的损失的计算。7.掌握分析的方法，知道效率的一般定义以及各热工设备的效率。8.通过锅炉的热平衡与平衡、钢材连续加热炉的热平衡与平衡的例子进一步熟练分析。9.了解的性质、分析的作用、分析的发展。2–1能量转换钢铁企业中涉及到的主要能的形式有：热能、机械能、电能、化学能在这四种工业生产中所利用的主要能量形式之间，相互转换的关系如下：在实现能量转换时，对转换装置有以下几项基本要求：1）转换效率要高。2）转换速度要快。3）具有良好的负荷调节性能。4）满足环境的要求和经济上的合理能量守恒定律：输入能量-输出能量=储存能量的变化对于封闭系统，热力学第一定律的表达式为Q=∆E+W∆E表示储存能量的变化Q表示输入的能量W表示输出的功稳定流动系统的能量平衡关系HiQiWiHeQeWe2–2能量平衡（Hi+Qi+Wi）-（He+Qe+We）=0Q=Qi–Qe表示净输入的热量W=We-Wi表示净输出的热量则：Q=（He-Hi）+W对单纯的热设备，W=0注：焓的绝对值是不能求得的。在计算各项焓值时，实际上是指该状态的焓值与基准状态下的焓的差值，并取基准状态下的焓值为0.所取基准状态不同，不影响平衡结果。但是，在同一平衡关系中，需注意基准状态的一致。供给热设备的燃料实际是在炉内进行燃烧反应而释放出热量。因此对前平衡关系来说Qi=01kcal=4186J1kWh=860kcal=3600kJ2.3（可用能）根据能量可转换性的不同，可以把能量分为三类：高级能：可以不受限制地完全转换的能量中级能：具有部分转换能力的能量低级能：完全没有转换能力的能量热能属于第二类能量：它具有的可用能取决于它的状态参数（温度、压力等），同时与环境状态有关。当参数与环境相同，即与环境处于平衡状态时，其值为零。但是，只要与环境处于不平衡状态，它就具有一定的值。为了衡量能量的可用性，提出以“可用能”或“”作为衡量能量质量的物理量。的定义：在一定环境条件下，通过一系列的变化（可逆过程），最终达到与环境处于平衡时，所能做出的最大功。用Ex表示。由此可见，是指能量中的可用能那部分。即能量可分成“可用能”和“不可用能”两部分，将可用能称为；不可用能称为火无2.3.1热量热量是一个系统通过边界以传热的形式传递的能量。系统所传递的热量在给定环境条件下条件下，用可逆方式所能作出的最大功为该热量的。热量所能转变为功的数量与它的温度水平有关。根据卡诺定理，通过可逆热机它能转换的最大功比例是取决于卡诺热机的效率：TTc01因此，有热量可能得到的最大功Wmax为热量中不能转换为可用功的部分为火无用An表示。根据能量守恒，任何一种能量均可看成是由这两部分组成：E=Ex+An在转化过程中总和保持不变。2.3.2能级热量Q具有的能级为：由此可见，温度越高，其能级也约高，但不可能达到1。)1(0maxTTQWCQQTTQTTQQEx001)1(Ex=（HH0)-T0(S-S0)2.3.3开口体系工质的对于流动状态的工质，设它的状态参数分别为压力P，温度T，焓H，熵S，经过一系列可逆过程达到与环境平衡的状态。根据能量平衡：H=H0+Q0+W1+W2它具有的值为:Ex=Wmax=W1+W2=HH0-Q0由于只有当上述整个过程均为可逆时，作出的功才最大。而对可逆过程总熵变为零，总熵变为：S0-S+=0代入上式得：Q0=T0(S-S0)00TQEx=（HH0)-T0(S-S0)对于开口体系，在不考虑宏观运动的动能和位能时，工质具有的总能即为其焓，与环境状态相比，所具有的能量为：e=h-h0因此，它的能级为：能级的高低与熵差有直接关系，T0∆S即为火无。在转变为功的过程中，工质的熵变量越大，火无就越大，相应的值就越小，能级越低。因此熵变量也可以来评价热能的品质。00000001hhsThhssThhhhex2.4的计算2.4.1温度当只是工质的温度（T）与环境温度（T0）不同，压力与环境相同时，它所具有的值叫温度。当工质无相变，并已知其比热容时，由于可得其温度为dTcdhpTdTcTqdspdTTcTdTcTeTTTTppx000高中物质的当物质的温度高于环境温度时，由于温度的不平衡所具有的可用能即为其温度。当其定压比热容近似地视为常数时，则000000000000ln1]ln1)[(]ln)[(00TTTTThhTTTTTTTcTTTTTcTdTTcdTcTeppTTTTppx它的能级为0000ln1TTTTThhTexT如果需要考虑比热容cp随温度变化时，一般把比热容与温度的关系表示成幂函数的关系：将它代入式，经整理后可得的计算公式为2cTbTacp}262)()ln1){(()(0)(000000020TTacabTTTTTTTTTadTcTbTaTdTcTbTaTeTTTTxdTTcTdTcTeTTTTppx000低温物质的2.4.2潜热当物质在发生融化或气化等相等时，需要吸收热量，但温度保持不变。单位质量的物质相变所需的热量r叫“相变潜热”。潜热是指单位物质从相变开始至相变结束，吸收相变（融化或气化）潜热所产生的变化。因此，潜热是指物质在相变前后的变化。潜热的计算公式为由式可见，潜热即为恒温热量的一种形式，式中的T为相变温度。00000max000ssThhTdhTdhdhTTTeTTTTTTx)1()()(001201212TTrTrTrssThheeexxx2.4.3水及水蒸气的水蒸汽的图解法水蒸汽的-熵图常数h常数p常数t常数xCphAhBh0h00sO`B0T0pTA2.4.4压力对开口体系的工质的压力为式中Rg—气体常数，J/（）。对封闭体系的工质的压力为根据pV=nRT0可得pdV+Vdp=0000ln0ppTRpdpTRegppgxpKkg0)(00VVVVpOdVppdVpWEx20pdpnRTdppVdV将它代入式积分后可得ggppgxpRppTRpdpTRe000ln0)]1([ln0'00020000ppppnRTpdppnRTpdpnRTExPPppp2.4.5混合气体的气体的混合过程是不同分子相互扩散的过程，它是一个不可逆过程，体系的总熵将增加，可用能将减少。设混合前两种气体具有相同的温度T和压力p,分别有n1和n2。混合前的分别为混合后的温度和总压力保持不变，分压力分别为p1和p2,则混合物的为]lnln)([00001011111ppRTTTTcTTcnenExppx]lnln)([00002022222ppRTTTTcTTcnenExppx010001011lnln)('ppRTTTTcTTceppx020002022lnln)('ppRTTTTcTTceppx)lnln(lnln''221102120210122112211xnxnRTenppRTnppRTnenenenenExxiixxxxm式中N=n1+n2,因此，对每1mol混合气体由于各组分的摩尔成分xi1,lnxi0,式中的第二项为负值。因此，混合物的火用值小于组成混合气体的各组分的值之和。混合气体的值为ppNnxiii21210lniiiixiimxmxxRTexNExekikiiiiiikikikiiiiixiixmxxxRTxxRTxRTxxxRTexe11000111000lnln1lnln2.4.6化学由于与环境的温度、压力不同时属于物理不平衡，因而具有的叫物理。但是环境是由处于完全平衡状态下的大气、地表和海洋中的选定的参考物质所组成。因此，即使在环境温度T0和压力p0下，如果与环境存在化学不平衡，则仍可能具有可用能。因此，即使在环境温度T0和压力p0下，如果与环境存在化学不平衡，则仍可能具有可用能。这种由于化学不平衡具有的称为化学。化学不平衡包括系统与环境的成分不平衡和组成不平衡。为了确定元素的化学，首先需要规定与元素相对应的基准物。处于物理基准状态下的纯物质的称为该物质的标准，即为标准化学，记作,该值通常取摩尔量。e2.4.6.1化学反应的反应有热力学可知，在可逆等温反应过程中，稳定流动系统做出的最大有用功等于系统自由焓的减少。式中G—自由焓，G=H-TSH2-H1—反应焓；S2-S1—反应熵。如果反应是在标准状态下进行，所得的数据均为标准热力学数据，用上角标表示。可以前后标准自由焓的减少。2.4.6.2元素化学的计算对于存在于大气中的各元素，根据式（2-30）已可计算出其分子O2,N2等的标准，则其元素的标准化学为)]()[()]()[(12121122maxSSTHHTSHTSHGW对于以大气为基准物的C元素，由于CO2的生产反应为C+O2=CO2式中的O2和CO2都是标准大气的组成物，它们的标准已可以确定，因此，只要知道该反应的反应（CO2）,就可以计算出C的标准：22ln21)(21)(ln21210202NOxRTNeNexRTOeOefG222COeOeCOGCef对于其他任意元素X，需找出含有该元素的基准化合物（XxAaBb…)和元素A、B…的已知标准，就可按化学式求取元素X的标准：2.4.6.3化合物的标准的计算由化合物的一般生成反应aA+Bb+Cc+…=AaBbCc…生成化合物（AaBbCc…）=（AaBbCc…)+a(A)+b(B)+c(C)+…2.4.6.4燃料的化学燃料的氧化反应中释放出热量，它的化学的定义为：在基准状态p0、T0、下，燃料与氧气一起稳定地流经化学反应系统时，以可逆方式转变到完全平衡的环境状态所能做出的最大可用功。它包括氧化反应的反应以及燃烧产物在标准空气中的扩散。但是，由于燃烧产物的扩散实际上难以被利用，所以，习惯上暂不考虑扩散。因此，燃料的基准化学定义为......1BbeAaeBAXGxXebaxFFGeee式中Qdw——燃料的低位发热值；——反应熵，生成系熵的H2O按气态计算。对于媒、石油和化学组成未知的其他燃料，虽然可由实验测定-，但的数据缺乏，因此，实际难以用上式求得燃料的化学。国GB/T14909建议采用朗特的近似公式：对气体燃料=0.95Qgw对液体燃料=0.975Qgw对固体燃料=Qdw+2438式中Qgw——燃料的高位发热值，kJ/kg；——固体燃料中含水质量百分率；2348是水的气化潜热，单位为kJ/kg。STQSTHedwf00SHSfefefe式中——可燃组分i的标准化学；——组分i体积分数；R`——气体常数，R`=0.371。对理想气体，其为等式右边第一项为标准，第二项为温度，第三项为压力。kiiikiifxxTRxiee101ln'ieixKmkJ3/0000ln1,0ppRTdTcTTepTepTT