C6化工过程的能量分析之有效能分析

化工热力学第六章化工过程热力学分析第五节§6—5热力学分析的三种方法定义：体系在一定状态下具有的做功能力，它的大小等于该状态可逆变化到与环境处于热力学平衡的基准态的理想功。一、（）与（）XENA（I）、（有效能或可用能）XESTHWid0)()(12012SSTHH当体系由任意状态（P、T）变到基准态0P0T、（）时，其理想功的负值即，可写成：idxWSSTHHE)()(000为了表达体系处于某状态的作功能力，必须确定基准态，，并定义在基准态下体系作功能力为零，0xE化工热力学第六章化工过程热力学分析第五节任何一个与环境处于热力学平衡的系统状态称为基准态。热力学平衡包括不完全热力学平衡完全热力学平衡与环境成热平衡和压力平衡而未达到化学平衡体系和环境具有物理界限分隔，两者相互不混和，也不发生化学反应，但体系的温度和压力与环境的温度和压力相等。不完全基准态物理与环境成热平衡、压力平衡、化学平衡(相平衡）完全基准态不完全基准态完全基准态化学通常，体系由不完全基准态到达完全基准，须经化学反应与物理扩散两个过程。化工热力学第六章化工过程热力学分析第五节2、的组成（有四个主要组成部分）1）、动能能100%的转化为功。XKE2XK21Eu2）、位能XPE也能100%转化为功。hgEXP3）、物理XPhE能部分的转化为功。4）、化学XCE能部分的转化为功。XCXPhXPXKXEEEEE对于稳定流动过程，流体的由以上四个成分构成：化工热力学第六章化工过程热力学分析第五节3、物理的计算：)()(12012SSTHHWid从某状态变到终态，当终态为环境状态（基准态）时，则：)()()(00000SSHHSSTHHEXPhH、S是流体处于某状态的焓和熵这是有效能的基本计算公式，它适用于各种物理的、化学的或两者兼而有之的有效能计算。化工热力学第六章化工过程热力学分析第五节4、与理想功：区别：可看作理想功的特例。的终态是基准态理想功的终态不确定理想功是对两个状态而言，可正可负，而是对某一状态而言，与环境有关，只为正值。联系：某物系处于状态1和状态2的物理分别为：)()(100101SSTHHEX)()(200202SSTHHEX当体系从状态1变到状态2时，)]()([)()(1001020020SSTHHSSTHH)()(12012SSTHH12XXXEEEidWXidEW化工热力学第六章化工过程热力学分析第五节P,MPaT,0CH(KJ/Kg)S(KJ/Kg.K)Wid(KJ/Kg)Ex(KJ/Kg)蒸汽7.002852772.15.8133-1044.31044.3蒸汽1.0179.92778.16.5865-819.9819.90.1013MPa25(水)H0=104.89S0=0.36740例有一股压力分别是7.0MPa和1.0MPa蒸汽用于作功，经稳流过程均变成0.1013MPa，250C的水，求Wid和Ex(T0=298K).STHWid0解：理想功　）（）（12012SSTHH）（）（HHSSTEx000化工热力学第六章化工过程热力学分析第五节5热量的计算：定义：热量相对于平衡环境态所具有的最大作功能力。XQEHXQTTQE01恒温变温mHXQTTQE01由卡诺热机效率x,0QSHkHHHEWTTQQT热物体P，T自然环境P0,T0Q0EWsQH化工热力学第六章化工过程热力学分析第五节例试计算以下三种状态下稳流过程水蒸气的，设环境温度为25℃。0TMPaPCt10.005.0010.00500500400[解]一般以25℃、0.10133MPa（1atm）液态水为基准态，但是为了查水蒸气表方便起见，亦可取25℃、3.169kPa（饱和蒸汽压）为基准，本例取后者。化工热力学第六章化工过程热力学分析第五节查附表3，按式（6—27）分别求出上述三种状态的焓、熵与之值并列于下表：MPaPCt)(1kgkJh)(11KkgkJS)(1kgkJEXPh310169.310.005.0010.0025500500400104.893373.73433.83096.40.36746.59666.98596.212001412.521359.591249.83化工热力学第六章化工过程热力学分析第五节例：设有压力为1.013、6.868、8.611MPa的饱和蒸汽和1.013MPa，573K的过热蒸汽，若这四种蒸汽经充分利用后，最后排出0.1013MPa，298K的水。试比较它们的火用和放出的热，并讨论蒸汽的合理利用。化工热力学第六章化工过程热力学分析第五节P,MPaT,KS(KJ/Kg.K)H(KJ/Kg)H0-H(KJ/Kg)EX(KJ/Kg)EX/(H-H0)水0.10132980.3674104.8900饱和蒸汽1.0134536.5822772.1267181430.66过热蒸汽1.0135737.133053294893431.68饱和蒸汽6.868557.25.82627752670104339.06饱和蒸汽8.6115735.78727832678109240.78）（）（解：HHSSTEx000化工热力学第六章化工过程热力学分析第五节分析：1）压力相同（1.013MPa），过热蒸汽的火用比饱和蒸汽大，所以其做功本领也大。2）温度相同（573K）高压蒸汽的作功本领比低压蒸汽强。3）温度相同（573K）高压蒸汽的加热能力比低压蒸汽弱，因此用低压蒸汽作为工艺加热最恰当，并可减少设备费用。4）放出的热相同（557.5K和453K的饱和蒸汽），高温高压蒸汽的火用比低温低压蒸汽的高28.13%。结论：1）一般供热用0.5~1.0MPa（150~1800C）的饱和蒸汽。2）高压蒸汽（10MPa）用来做功。温度在3500C以上的高温热能（如烟道气），用来产生高压蒸汽，以获得动力能源。化工热力学第六章化工过程热力学分析第五节6、化学的计算：000SSTHHEXC（A）波兰学者斯蔡古特模型：一般规定环境温度T0、环境压力P0以及基准物的种类、状态和组成。化工热力学第六章化工过程热力学分析第五节（B）日本学者龟山—吉田模型:其他元素以T0、P0下最稳定的化合物作为该元素的基准物，液体、固体的基准物浓度（摩尔分数）规定为1。化工热力学第六章化工过程热力学分析第五节化工热力学第六章化工过程热力学分析第五节化合物的标准摩尔化学应是组成化合物的单质标准摩尔化学之和减去生成反应过程的理想功。)15.298/0,,TEEXCXC（元素元素倘若环境温度不为298.15K，则元素的化学应引入温度修正系数(此值已列于附表5中）ifjjXCjidjXCjjiXCGEWEE00,0,0,化工热力学第六章化工过程热力学分析第五节iiiiXCiimXCyyRTEyEln00,0,液体混合物:理想溶液iiiiXCiimXCxxRTExEln00,0,非理想溶液iiiiiXCiimXCxxRTExEln00,0,理想气体混合物：化工热力学第六章化工过程热力学分析第五节7、过程的不可逆性和损失一切生产实际过程都是不可逆过程,在不可逆过程中存在各种不可逆因素,例如各种传递过程和反应过程都存在着阻力,如流体阻力、热阻、扩散阻力和化学反应阻力等。要使过程以一定的速度进行，就必须克服阻力，保持一定的推动力，必然会造成体系的损失。NA在不可逆过程中，有部分降级而不能变为有用功，这部分称为无效能或化工热力学第六章化工过程热力学分析第五节恒温热源热量：TTQQTTQEXQ001Q为总能量，TTQ0为热量，即：NQXQAEQ对于稳流过程：)()(000SSTHHEX)]([000SSTHH式中总能量为H，后一项为，当取00H时，为：)(00SST总之，能量可分为和两部分，其中是高级能量，是有用部分，可将其转化为有用功，但要付出一定代价；而是僵态能量，不能转化为有用功，节能的正确含义就是节。化工热力学第六章化工过程热力学分析第五节Lacidxxx环总体系＝－acxEW环境对环境而言，功的符号与体系相反。定义环境的增加等于体系对环境所作的实际功，因此即总的的损失（体系+环境）就等于损失功T0ΔSg，0LxWETS总总总的变化0NA0NXAE总实际过程中(不可逆过程）总能量守恒，但有效能降低，无效能增加化工热力学第六章化工过程热力学分析第五节根据能量守恒，的减少量应等于的增加量，NXAENA即为损耗功。因此，对转化为的量可以表示能量贬质的程度。用和的转化表述第二定律为：1）、在一切不可逆过程中，转化为。3）、由转化为是不可能的。2）、只有可逆过程，才守恒。化工热力学第六章化工过程热力学分析第五节①传热过程传热过程在实际当中我们是经常碰到的，当两种温度不同的物质接触时，热量就会从高温物体向低温物体传递，传热过程中有效能的损失是存在的，它是由于存在温差而造成的。低温物体吸收的热量的有效能为：高温物体放出的热量的有效能为：01xQ,HHTEQT（）01xQ,LLTEQT（）化工热力学第六章化工过程热力学分析第五节有效能损失为00011LxQ,HxQ,LHLHLHLEEETTQQTTTTQT()TT（）（）由此可以看出：传热过程有效能损失是存在的，温差越大，则有效能损失越大。欲使有效能损失减少，需减小温差，因此，实际工业生产中，在满足工艺条件下，要尽量减小温差。化工热力学第六章化工过程热力学分析第五节②稳流体系dPTVdSgsWQuZgH22u2≈0，gZ≈0，Q=0；Ws=00dHTdSVdP对于管道流动，一般情况下，无热交换无轴功H=0结论：⑴EL∝dP压力降⑵稳流过程的有效能损失是由于阻力引起的dPTVTdSTdEgL00化工热力学第六章化工过程热力学分析第五节（1）能量损失损失2、两种效率——第一定律效率和第二定律效率。效率：消耗量收益量（1）、第一定律效率以热力学第一定律为基础，用于确定过程总能量的利用率。定义：实际期望所消耗的能量过程所期望的能量ANEE（2）外部损失：体系向环境排出的能量中所包含的损失。内部损失：由体系内部各种不可逆因素造成的损失。二、两种损失和两种效率1、两种损失：化工热力学第六章化工过程热力学分析第五节NEAE可以是能量，能量差或能流。、第一定律效率在不同的过程中，形式不同。a、用于蒸汽动力循环，收益是得到的轴功，消耗的是热量，比例系数是热效率：QWSTb、用于蒸汽压缩制冷上，系数为制冷系数：SLWQc、用于吸收式制冷循环，系数为热力系数：HLQQd、用于热泵，系数为制热系数：SHWQe、传热过程：热效率：HHHLQQQQQ损失化工热力学第六章化工过程热力学分析第五节优点：简单。缺点：它只反映过程所需要的能量AE的数量上的利用情况，却不反映不同质的能量的利用情况，即没有反映的利用情况。它不能作为衡量过程热力学完善性的指标。如：传热过程：热效率：HHHLQQQQQ损失仅决定于损失Q，若0损失Q1，，很显然，没有计入传热过程不可逆因素即传热温差造成的损失，化工热力学第六章化工过程热力学分析第五节（2）、第二定律效率以第一、第二定律为基础，用于确定过程的利用率。定义：实现期望所消耗的功过程期望的XAXNEE式中，XNEXAE可以是火用，也可以是差或流。、定义：输出的与输入的之比XinXoutEEE1）、普遍效率包括物流、热流、功流式中：Xou