第六章化工过程能量分析ppt课件.ppt
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1、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:, 体系与环境有物质的交换。,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,基准水平面,如图为一稳定流动过程:,当
2、只有一股物料流入和流出:,列出平衡方程:,对单位质量流体:,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:,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,若设备散热很小,可近似看成绝热过程,则:,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,(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
3、 当流体流经阀门或孔板等装置,,,(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,、喷管,喷管:作用是通过流体获得高速,而压强下降。,当入口流速音速,当出口流速音速时,用于拉法尔喷管 :,(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。,(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。,由热力学基本关系式可知,例 6-1例 6-5,5)柏努利方程,不可压缩的流体在管道中的
4、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。,(6-10),6.2 热力学第二定律及其应用,第二定律的典型表述:,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。,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。,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
5、,即孤立体系永远不会发生熵减少的过程。,封闭系统热力学第二定律表达式,若将系统和环境看作一个大系统,则:,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:,(无轴功交换),热力学第一定律:,热力学第二定律:,所以,只考虑两个热源的情况下:,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:,由热力学第二定律:,可逆过程:,循环过程:,则:,可逆:,可逆热机效率:,由此可
6、见:,即使在可逆热机中做了最大功,也不可能将热,全部转化为功,即:,通过以上讨论可以说明以下几点:,过程中体系做功能力损失了,而损失做功能力大小与,成正比。,实际过程的热温熵:,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:,热源温度,熵流:,熵流定义:,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:,写成等式:,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:,可逆过程,不可能过程,6.2.2 熵平衡方程式,熵平衡的一般关系式:,图6-3 敞开系统熵平衡示意图,进入物流 流出
7、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:,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:,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:,则:,当流体通过节流阀时,只有一股流体,故:,流体经过节流阀时熵的变化,不可逆绝热过程:,则有:,可逆绝热过程:,则有:,绝热可逆的稳流过程为等熵过程,即:,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,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
8、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,解,根据热力学第一定律,绝热混合过程Q=0,,因此,可求得混合后空气的温度,对于绝热稳流过程,由式(6-18)可得,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
9、的。,注意:,理想功和可逆功并非同一概念。理想功是只可逆有用功,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,可逆的稳流过程,做功衡算:,忽略动、位能变化,则:,由稳流过程的熵衡算:,对于只有一股物流的可逆稳流过程:,,,,,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
10、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,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:,由热力学第一定律,稳流过程的实际功为:,热量。故:,代入上式:,耗功过程:,是反应过程可逆的程度,故又称为可逆度。,越接近于1,越合理。,6.3.3 热力学效率( ),产功过程:,当实际功无法求出时,可通过理想功和损耗功求热力学效率,,再求实际功。,产功:,耗功:,就要减少 ,增加 。,6.4 有效能,功和热的数量与质量,6.4.1 能量的级别与有效能,问题:数量相同的能量做功能力是否相同?,能量不
11、但有数量,还有品位。,6.4.1.1 化工生产中主要能量形式,热能:机械能:电能:化学能,6.4.1.2 能量的级别(品位),自然界能量,高级能量,低级能量,僵态能量,能量的贬质:,是指由高品位能量转化为低品位能量.,合理用能:,就是希望获得的功要多,消耗的功要少,损失的功要小。,节能:,实质对高级能量和低级能量而言,对于僵态能量,由于其不能转化为功,故无研究的必要。,1.基本概念,定义:体系由所处的状态变到基本态时所提供的理想功。,为了表达体系处于某状态的作功能力,必须确定基准态,,6.4.1.3 有效能,态时所具有的最大作功能力。,规定体系的环境为基准态。环境是指人类活动的环境:大气、地球
12、、水源,变到基准态包括两个概念:,(1)与基准态完全相同。,(2)与基准态达到完全平衡。,完全平衡,热平衡温度相等,力平衡压力相等,化学平衡组成相等或平衡聚集状态、 浓度达到化学平衡,我们规定环境的T、P化学组成不变(即恒定的),规定了,基准态的规定原则:,T、P及化学组成的环境并不是自然环境,这种人为规定的环境即为环境模型。我们是以环境模型为基准态。,能级:,单位能量所含的有效能称为能级,或称为有效能浓度,,用表示。能级是衡量能量质量的指标,能级的大小代表体系能量品质的优劣。,高级能量:=1,僵态能量:=0,低级能量:10,越大, 有效能越高,利用价值愈大。,有效能 的组成(有四个主要组成部
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