化工热力学第六章化工过程能量分析

第六章化工过程能量分析第一节热力学第一定律及其应用第二节热力学第二定律及其应用第三节理想功、损失功和热力学效率第四节有效能第五节化工过程能量分析及合理利用§6-1热力学第一定律及其应用热力学第一定律即为能量守恒定律，它阐明了能量“量”的属性。人体的能量平衡热量平衡§6-2稳流系统的热力学第一定律开系的特点：①体系与环境有物质的交换。②除有热功交换外，还包括物流输入和输出携带能量。任何系统能量平衡：进入系统的能量－离开系统的能量＝系统内能量的积累稳流系统能量平衡：进入系统的能量－离开系统的能量＝0图6-1稳定流动过程换热器透平机iVjViuQiZsWZjZ基准水平面IIIju如图为一稳定流动过程：当只有一股物料流入和流出：mmmji2211111222221122sEmUgzupvmUgzupvQW流体带入的能量流体带出的能量0列出平衡方程：由焓的定义：hUpv则上式可写成：mgz212mu1mh2mhHmh221112221212102smUpvUpvmgzzmuuQW对单位质量流体：swquzgh221上两式为开系稳流过程的能量平衡式或称为开系稳流过程热力学第一定律数学表达式。则：21612SHmgzmuQW6.1.2稳流系统热力学第一定律的简化及应用1）流体流经压缩机、透平机、鼓风机、泵等设备Hmgz212muSQW63SHQW则：若设备散热很小，可近似看成绝热过程，则：64sHW即系统与环境交换的轴功等于系统的焓变。若知道工作流体通过设备时进、出口状态下的焓值，即可求得该设备的轴功。2）流体流经管道、换热器、吸收塔、精馏塔、混合器、反应器等设备HQ（6-6）上式是冷凝器、蒸发器、冷却器等热负荷确定的依据，因此在进行设备设计中进行的热量衡算，严格的讲应称为焓衡算。3)流体流经节流阀或多孔塞当流体流经阀门或孔板等装置，0,H12HH（6-7）即节流过程为等焓流动4）流体流经蒸汽喷射泵及喷嘴⑴、喷管喷管：作用是通过流体获得高速，而压强下降。当出口流速﹤音速时，可用渐缩喷管：当入口流速﹤音速，当出口流速﹥音速时，用于拉法尔喷管：亚音速超音速2102Hmu（6-8）——称为绝热稳定流动方程式。流体流经喷射设备时，通过改变流动的截面积，将流体自身的焓转变为动能，从而获得较高的流速。)(2212HHu（6-9）（2）扩压管：在流动方向上流速降低、压力增大的装置称为扩压管。根据此式（6-8）、（6-9）可计算流体终温、质量流速、出口截面积等，因此它是喷管和扩压管的设计依据。dHTdSVdpQVdp由热力学基本关系式可知0Q0dS过程的，但T≠0，所以因此可逆绝热稳流过程为等熵过程。例6-1～例6-55）柏努利方程不可压缩的流体在管道中的流动，若假设流体无粘性（无阻力，无摩擦），并且管道保温良好，流动过程中流体环境无热、无轴功的交换。2102pgzu(6-10)§6.2热力学第二定律及其应用第二定律的典型表述：⑴有关热流方向的表述：1850年克劳休斯：热不可能自动的从低温物体传给高温物体。⑵有关循环过程的表述：1851年开尔文：不可能从单一热源使之完全变成有用功，而不引起其他变化。⑶有关熵的表述：孤立体系的熵只能增加，或达到极限时保持恒定。热力学第二定律揭示了不同形式的能量在传递和转换时存在“质”的差别。思考：功可以完全转化为热，热能否全部转化为功？6.2.1熵增原理与熵产生6.2.1.1熵增原理与过程不可逆性由0)(sursystSSS可知：即孤立体系永远不会发生熵减少的过程。QdST封闭系统热力学第二定律表达式孤立系统：0Q——熵增原理则：0dSt若将系统和环境看作一个大系统，则：循环装置热源1T热源2T1Q2Q21TT21QQLQ循环装置低温源LT高温源HTHQ功源)(RSW两个热源之间的传热工作于两个温源之间的热机1.有热量传递不做功两个热源之间热传递过程如下图所示：由于循环装置不对外做功：0)(RSW（无轴功交换）热力学第一定律：021QQH热力学第二定律：0)(sursysSS0sysSTQSsur所以，只考虑两个热源的情况下：0)11(121TTQ不可逆可逆11TQ22TQ)11(121TTQ任何传热过程都必须满足上式，否则无法实现。2.即有热量传递无做功的过程若在两个热源之间接一可逆热机，将视热机为体系，从高温热源吸热并对外做功，同时将一部分热传给低温热源。由热力学第一定律可得：()0SRHQWLHRSQQW)(由热力学第二定律：可逆过程：0)(sursysSS循环过程：0sysS则：surSSS低温源高温源HHTQS高温源LLTQS低温源可逆：0LLHHsurTQTQS则：HLHLTTQQ或HLHLTTQQ可逆热机效率：HRSRTQW)()(0(WQH))(RSLHWQQ由此可见：即使在可逆热机中做了最大功，也不可能将热%100)(RT全部转化为功，即：通过以上讨论可以说明以下几点：HLHQQQHLQQ1HLTT1⑴在孤立体系中，如果发生了可逆过程，，0tS可以获得最大功，)(RSW但热并不能全部转化为功。⑵在孤立体系中，如果发生了不可逆过程，0tS说明过程中体系做功能力损失了，而损失做功能力大小与tS成正比。0)(syssurdSdS不可逆可逆实际过程的热温熵：热源dSdSsur因此：sursyssysTQdS不可逆可逆通常写成：sursysTQdS不可逆可逆sursurTQsursysTQ6.2.1.2熵流和熵产生将热力学第二定律的写成微分形式：surT——热源温度⑴熵流：封闭体系经历一可逆过程，从环境热源接受RQ热量时，其熵变为：TQdSRsys热源体RRQQTQdSRsur我们称TQR为随RQ热流产生的熵流。熵流定义：fQdST——由于传热RQ而引起体系熵的变化。功源熵变为零，因此功的传递不会引起熵的流动。（2）熵产生不可逆过程：sysQdST写成等式：sysgQdSdSTgdS——熵产生熵产生：是由于过程的不可逆性而引起的那部分熵变。过程的不可逆程度越大，熵产生量也越大，熵产生永远不会小于零，写成：0gS不可逆过程0gS可逆过程0gS不可能过程6.2.2熵平衡方程式gSiniiism物流流入物流流出outjjjsm熵流fS)(TQ熵平衡的一般关系式：熵入熵出熵产生熵积累图6-3敞开系统熵平衡示意图outjjjiniiigfopsyssmsmSSdtdS系统熵积累速率opsysdSdt可以写成：进入物流流出物流物流熵差与环境热量交换引起的熵变过程不可逆引起的熵变敞开系统熵平衡式即为：outjjjiniiigfopsyssmsmSSdtdS0KQKQ敞开系统放热为负（），吸热为正值。KT是与敞开系统换热热源的绝对温度。（6-16）（1）敞开系统稳定流动过程：opsysfgiijjijinoutdSSSmsmsdt0式（6-16）变为——敞开系统稳流过程的熵平衡式（2）敞开系统稳流绝热过程：0对于稳流过程：0dtdSopsys则：iniiioutjjjgsmsmS当流体通过节流阀时，只有一股流体mmmji故：SmssmSijgS——流体经过节流阀时熵的变化由此可见：节流过程gS应大于零（不可逆过程）。不可逆绝热过程：0gS则有：iniiioutjjjsmsm可逆绝热过程：0gS则有：iniiioutjjjsmsm绝热可逆的稳流过程为等熵过程，即：jiSS例6-7设有温度、压力MPaP1.01的空气，KT5001KT1002其质量流量为1110skgm，与、MPaP1.02、125skgm的空气流在绝热下相互混合，求混合过程的熵产生量。设在上述有关温度范围内，空气的平均等压热容都相等，而且1101.1KkgkJCCpmhpms。例6-7图空气稳流混合过程两股气流混合为绝热稳流过程，并且在有关温度、压力下的空气可视为理想气体。从质量守恒原理可得混合后质量流量11210515Mmmkgs[解]根据热力学第一定律，绝热混合过程Q=0，过程不做功，0SW，则有0H因此2211hmhmMh可求得混合后空气的温度id11223idpppmhmCTmCTTMCMTmTm221115300550010K3.433857.1446.1id331212lnlnidppTTmCmCTT3003.433ln01.155003.433ln01.01011411.0sKkJ对于绝热稳流过程，由式(6-18)可得iiijjjgsmsmS入出22113smsmMs232131ssmssm2211321smsmsmm由上述结果可知，对于绝热稳流混合过程，虽然敞开体系的熵变为零，且无熵流，但由于混合过程是不可逆的，内部必然有熵产生，因此流出混合器物料熵的总和大于流入物料熵的总和。定义：系统在一定的环境条件下，沿完全可逆的途径从一个状态变到另一个状态所能产生的最大有用功或必须消耗的最小功。理想功是一个理论的极限值，是用来作为实际功的比较标准。过程完全可逆：（1）体系发生的所有变化都是可逆的。（2）体系与环境间有热交换时也是可逆的。6.3理想功、损失功和热力学效率idW6.3.1理想功注意：理想功和可逆功并非同一概念。理想功是指可逆有用功，即可利用的功，但并不等于可逆功的全部。图6-4稳流过程理想功示意图无数个小型卡诺热机周围自然环境（温度）0TRSWcW)(21TTQ)(00TQ可逆的稳流过程1111SHPT、、、状态112222SHPT、、、状态22做功衡算：CRSid忽略动、位能变化，则：0idHQW由稳流过程的熵衡算：ifiniijoutjjgSSMSMS对于只有一股物流的可逆稳流过程：TQS00gS，0012TQSSSf，STQ00idWQHid0WHTS因为HS、是状态函数，因此稳流过程的理想功只与流体的始末有关，与具体过程无关，但与环境温度有关。环境温度一般指大气或天然水源的温度。——稳流过程理想功计算式理想功是一个重要的基本概念，应注意以下几点：（1）就功的代数值而言，理想功均为最大功。（2）理想功是可逆有用功，但并不等于可逆功的全部。（3）理想功是完成给定状态变化所消耗的最小有用功，所以它可以作为评价实际过程的标准。通过比较实际过程的有用功和理想功，就可以判断实际过程的不可逆程度。6.3.2损失功LW定义：在相同的始末态下，实际过程比完全可逆过程少产生的功或多消耗的功称为损失功。表示为：Lsid不可逆过程总会引起总熵变的增加，所以损耗功与总熵变必有一定的联系。现设稳流过程体系由始态（）1111SHPT、、、变到末态（）其理想功为：2222SHPT、、、0idsyssysWHTS由热力学第一定律，稳流过程的实际功为：式中Q为体系在实际过程中与温度0T的环境所交换的热量。故：00LSidsyssyssyssysssysWHQ0SurQST0SurQTS代入上式：tSursysSur