第六章化工過程的能量分析6[1].1

1、 即應進行分析能量品位的變化。即應進行分析能量品位的變化?；み^程總是伴隨著能量品位的降低化工過程總是伴隨著能量品位的降低。一個一個效率較高效率較高的過程是能量的過程是能量品位降低較少品位降低較少的過程。的過程。找出找出品位降低最多品位降低最多的薄弱環(huán)節(jié)的薄弱環(huán)節(jié)，指出改造的方向。，指出改造的方向。 1、平衡研究、平衡研究 相平衡、能量平衡、化學平衡相平衡、能量平衡、化學平衡2、化工過程的熱力學分析、化工過程的熱力學分析 能量的有效利用能量的有效利用1 1、化學工業(yè)是人類發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)；、化學工業(yè)是人類發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)；2 2、化工生產(chǎn)過程始終伴隨著能量的供應、轉換、利用、化工生產(chǎn)過程始終伴隨著

2、能量的供應、轉換、利用、 回收、排放等環(huán)節(jié)；回收、排放等環(huán)節(jié)；3 3、化學工業(yè)是耗能大戶，能量消耗在生產(chǎn)費用中占有、化學工業(yè)是耗能大戶，能量消耗在生產(chǎn)費用中占有很高的比例；很高的比例；4 4、倡導節(jié)能減排。、倡導節(jié)能減排。1 1、化工過程的能量分析是以、化工過程的能量分析是以熱力學第一、二定律為基礎熱力學第一、二定律為基礎；2 2、應用理想功、損失功和有效能等概念應用理想功、損失功和有效能等概念，對化工生產(chǎn)過，對化工生產(chǎn)過程中能量轉化、傳遞及使用進行分析；程中能量轉化、傳遞及使用進行分析；3 3、研究研究各種能量轉換過程中能量的利用及品位的變化，各種能量轉換過程中能量的利用及品位的變化，有效利

3、用程度以及造成能量損耗和損失的原因；有效利用程度以及造成能量損耗和損失的原因；4 4、揭示揭示能量損耗的大小和部位，為有效的降低生產(chǎn)能量能量損耗的大小和部位，為有效的降低生產(chǎn)能量消耗、經(jīng)濟合理的利用能量、科學節(jié)能消耗、經(jīng)濟合理的利用能量、科學節(jié)能提供依據(jù)提供依據(jù)。 能量不僅有能量不僅有數(shù)量數(shù)量，而且有，而且有質(zhì)量質(zhì)量（品位）（品位）。 功的功的品位品位高于熱高于熱 。 高級能量：高級能量： 能完全轉化能完全轉化為為功功的能量，如機械能、電能、水的能量，如機械能、電能、水力能和風能等；力能和風能等； 低級能量：低級能量： 不能完全轉化不能完全轉化為為功功的能量，如熱能等。的能量，如熱能等。 高溫

4、高溫熱源產(chǎn)生的熱的熱源產(chǎn)生的熱的品位品位比比低溫低溫熱源產(chǎn)生的熱的熱源產(chǎn)生的熱的品位品位高高。 敞開系統(tǒng)敞開系統(tǒng) 系統(tǒng)不受任何限制，與環(huán)境之間可以有系統(tǒng)不受任何限制，與環(huán)境之間可以有能量交換能量交換，也可以有也可以有物質(zhì)的交換物質(zhì)的交換。 封閉體系封閉體系 系統(tǒng)與環(huán)境之間沒有物質(zhì)的交換，但可以發(fā)生系統(tǒng)與環(huán)境之間沒有物質(zhì)的交換，但可以發(fā)生能能量的交換量的交換。 隔離系統(tǒng)也稱為孤立系統(tǒng)隔離系統(tǒng)也稱為孤立系統(tǒng) 系統(tǒng)完全不受環(huán)境的影響，和環(huán)境之間系統(tǒng)完全不受環(huán)境的影響，和環(huán)境之間沒有物質(zhì)沒有物質(zhì)或能量的交換或能量的交換。6.1 能量平衡方程能量平衡方程6.2 熱功間的轉化熱功間的轉化6.3 熵函數(shù)熵函

5、數(shù)6.4 理想功、損失功及熱力學效率理想功、損失功及熱力學效率6.5 火用火用與與火無火無6.6 火用火用衡算及衡算及火用火用效率效率6.7 化工過程與系統(tǒng)的化工過程與系統(tǒng)的火用火用分析分析6.1 .0 能量的形式能量的形式6.1 .1 能量守恒與轉化能量守恒與轉化6.1 .2 能量平衡方程能量平衡方程6.1 .3 能量平衡方程的應用能量平衡方程的應用 化工生產(chǎn)中所涉及到的能量，主要有兩大類：化工生產(chǎn)中所涉及到的能量，主要有兩大類：物物質(zhì)的能量質(zhì)的能量、能量傳遞的兩種形式能量傳遞的兩種形式。(1)、物質(zhì)的能量、物質(zhì)的能量E(以以1kg為基準為基準)v動能：動能：Ek= u2/2v內(nèi)能：內(nèi)能：U

6、=f(T,P, x)v位能：位能： EP= gZ(2)、能量傳遞的兩種形式、能量傳遞的兩種形式(以以1kg為基準為基準)體系體系環(huán)境環(huán)境 在各種熱力學過程中，體系與環(huán)境之間常發(fā)生能在各種熱力學過程中，體系與環(huán)境之間常發(fā)生能量的傳遞，量的傳遞，能量傳遞的形式有兩種，即能量傳遞的形式有兩種，即熱和功熱和功 。 6.1 .0 96.1 .0 6.1 .0 能量的形式能量的形式 （續(xù)）（續(xù)）v熱熱Q : 系統(tǒng)與環(huán)境之間由于溫差而引起的相互交換系統(tǒng)與環(huán)境之間由于溫差而引起的相互交換的能的能 量。量。v功功W：# 對流動系統(tǒng)：包括兩部分對流動系統(tǒng)：包括兩部分1)軸功軸功Ws： 流體通過機械設備的旋轉軸與環(huán)

7、境所交換的能量流體通過機械設備的旋轉軸與環(huán)境所交換的能量。2)流動功流動功Wf ： 物料連續(xù)流動時，因流體內(nèi)部相互推動所交換的功物料連續(xù)流動時，因流體內(nèi)部相互推動所交換的功。規(guī)定規(guī)定：系統(tǒng)獲得的熱量，其值為正；反之為負。系統(tǒng)獲得的熱量，其值為正；反之為負。流動功流動功Wf =PV能量的形式能量的形式 （續(xù)）（續(xù)）管道截面管道截面積積Am2 1kg流體流體 Vm3/kg P 流動功流動功F.S =（P.A）.(V/A) = PV J/K gv功功W：#對非流動系統(tǒng)對非流動系統(tǒng) 體積功體積功W：特定設備（如帶活塞的氣缸）中，因流特定設備（如帶活塞的氣缸）中，因流體體積改變而與環(huán)境交換的能量體體積改

8、變而與環(huán)境交換的能量。規(guī)定規(guī)定：系統(tǒng)得功，其值為正；反之為負。：系統(tǒng)得功，其值為正；反之為負。注意注意：熱熱和和功功僅在能量傳遞中出現(xiàn)，僅在能量傳遞中出現(xiàn)，并非系統(tǒng)本身具有的并非系統(tǒng)本身具有的能量能量。當能量以熱和功的當能量以熱和功的形式形式傳入體系后，增加的傳入體系后，增加的是體系內(nèi)能。是體系內(nèi)能。熱熱和和功功是過程函數(shù)，非狀態(tài)函數(shù)。是過程函數(shù)，非狀態(tài)函數(shù)。6.1 .1 如：如：E1、E2分別代表系統(tǒng)在過程變化始、終態(tài)的總能分別代表系統(tǒng)在過程變化始、終態(tài)的總能量；量； E為系統(tǒng)在過程前后的能量變化為系統(tǒng)在過程前后的能量變化；Q、W分別代分別代表系統(tǒng)與環(huán)境所交換的熱、功，則表系統(tǒng)與環(huán)境所交換的

9、熱、功，則 E= E2- E1=Q+W 熱力學第一定律的數(shù)學表達式熱力學第一定律的數(shù)學表達式 體系體系環(huán)境環(huán)境WsQm2 m1 P1 V1 u1 U1P2 V2 u2 U2Z1Z213敞開體系敞開體系 1) 物料平衡方程：物料平衡方程： m1- m2=dm體系體系2) 能量平衡方程能量平衡方程 進入體系的能量離開體系的能量進入體系的能量離開體系的能量=體系積累的能量體系積累的能量 進入體系的能量進入體系的能量: 微元體本身具有的能量微元體本身具有的能量 E1m1 環(huán)境對微元體所作的流動功環(huán)境對微元體所作的流動功 P1V1m1 環(huán)境傳入的熱量環(huán)境傳入的熱量 Q 環(huán)境對體系所作的軸功環(huán)境對體系所作

10、的軸功Ws 14離開體系的能量離開體系的能量: 微元體帶出能量微元體帶出能量E2m2 流體對環(huán)境所作的流動功流體對環(huán)境所作的流動功 P2V2m2 體系積累的能量體系積累的能量: d（mE） 能量恒等式為：能量恒等式為： E1m1+P1V1m1+Q +Ws -E2m2-P2V2m2=d(mE)體系15將將 和和 上式上式代入，整理可得代入，整理可得PVUH2212111222uu()()22HgZmHgZmQWsd mE體系普遍化的能量平衡方程普遍化的能量平衡方程212kpEUEEUugZ單位質(zhì)量的物料的總能量：單位質(zhì)量的物料的總能量：UkpEE為單位質(zhì)量流體的內(nèi)能；為單位質(zhì)量流體動能；為單位質(zhì)

11、量流體位能。16 6.1 .3.能量平衡方程的應用能量平衡方程的應用 (1) (1) 封閉體系封閉體系：（非流動系統(tǒng)）（非流動系統(tǒng)）m1=m2=m m1=m2=dm=0 Q+Ws=mdE 不存在流動功不存在流動功2()02ud0d gZ 若若Ws=W則則 U = Q + W 封閉體系封閉體系單位質(zhì)量的能量平衡方程單位質(zhì)量的能量平衡方程171）穩(wěn)定流動特點穩(wěn)定流動特點 敞開體系敞開體系 穩(wěn)定、連續(xù)、穩(wěn)定、連續(xù)、流進、流進、流出，不隨時間變化，流出，不隨時間變化，沒有沒有能量和物料的積能量和物料的積累累。 化工過程中最常用。化工過程中最常用。18P1,V1u2u1QWsZ1Z212 P2,V2d(

12、 (mE) )體系體系=0=0 m1=m2=dm 由式由式(6-9)得：得： 2111()2uHgZm2222()2uHgZmQWs=019 (H2-H1) m+ (u22-u12) m+g(Z2-Z1) m-Ws-Q=0 21積分：積分： 即即 (u2/2)+ (gZ)+ U + (PV) =Q+ Ws 或或H +u2/2+ g Z =Q+ Ws 單位質(zhì)量的穩(wěn)流體系能量平衡方程單位質(zhì)量的穩(wěn)流體系能量平衡方程注意：注意：單位要一致，且用單位要一致，且用SI單位制單位制. H，Q，Ws能量單位，能量單位，J/Kg um/s20 應用中的簡化應用中的簡化1）流體通過壓縮機、膨脹機流體通過壓縮機、膨

13、脹機 u20，g Z0 H=Q + Ws 穩(wěn)流過程中穩(wěn)流過程中最常用最常用的公式的公式若絕熱過程若絕熱過程Q=0， Ws= H= H2-H1高壓高溫高壓高溫蒸汽帶動透平蒸汽帶動透平機機產(chǎn)生產(chǎn)生軸功軸功。sWQuZgH22 應用中的簡化應用中的簡化2）流體通過換熱器、管道、混合器等流體通過換熱器、管道、混合器等 Ws=0， u2=0，g Z=0 H = Q 用于精餾、蒸發(fā)、吸收、結晶過程。用于精餾、蒸發(fā)、吸收、結晶過程。sWQuZgH22穩(wěn)流體系能量平衡方程的應用穩(wěn)流體系能量平衡方程的應用 （續(xù)）（續(xù)） 應用中的簡化應用中的簡化3）流體通過節(jié)流閥門或多孔塞，即流體流經(jīng)流體通過節(jié)流閥門或多孔塞，即

14、流體流經(jīng) 節(jié)流膨脹或絕熱閃蒸過程。節(jié)流膨脹或絕熱閃蒸過程。 Ws=0， u2=0，g Z=0 ，Q=0（絕熱）絕熱） H = 0 制冷循環(huán)制冷循環(huán)中，當流體通過節(jié)流閥，則中，當流體通過節(jié)流閥，則焓未變焓未變但但溫度降低。溫度降低。（將在第七章介紹）（將在第七章介紹）sWQuZgH22穩(wěn)流體系能量平衡方程的應用穩(wěn)流體系能量平衡方程的應用 （續(xù)）（續(xù)） 應用中的簡化應用中的簡化4）流體通過噴嘴獲得高速氣體（超音速）流體通過噴嘴獲得高速氣體（超音速）例：例：火箭火箭、化工生產(chǎn)中的、化工生產(chǎn)中的噴射器噴射器。 Q=0，g Z=0 ， Ws=0， u2 u1 H= - u2/2 )(2212HHu sW

15、QuZgH22穩(wěn)流體系能量平衡方程的應用穩(wěn)流體系能量平衡方程的應用 （續(xù)）（續(xù)）應用中的簡化應用中的簡化5）關于流體輸送過程的機械能平衡方程關于流體輸送過程的機械能平衡方程 考慮流體磨擦引起機械能損失考慮流體磨擦引起機械能損失 F F，有有 sWQuZgH22對無粘性和不可壓縮流體，且對無粘性和不可壓縮流體，且 Ws=0 Ws=0 ，有有 -柏努利方程柏努利方程穩(wěn)流體系能量平衡方程的應用穩(wěn)流體系能量平衡方程的應用 （續(xù)）（續(xù)）dsHudugdZQW,;HUpV dHdUpdVVdp dUQpdVsVdpudugdZWsWVdpudugdZF20,02puVdpudugdZg Z 1、注意區(qū)別：

16、、注意區(qū)別： U=Q +W 封閉體系封閉體系 H=Q + Ws 穩(wěn)定流動體系穩(wěn)定流動體系2、注意、注意Q、W 符號符號： 體系體系吸熱為正吸熱為正（+），體系），體系放熱為負放熱為負（-） ； 體系體系對外做功為負對外做功為負（-） ，外界對體系做功，外界對體系做功為為正正（+）。）。4.1 4.1 能量平衡方程能量平衡方程 （續(xù)）（續(xù)） 例例1：功率為功率為2.0 kw的泵將的泵將90oC水水從貯水罐泵壓到換熱從貯水罐泵壓到換熱器，水流量為器，水流量為3.2kg/s，在換熱器中以，在換熱器中以697.3kJ/s的速率將的速率將水冷卻后，水送入比第一貯水罐高水冷卻后，水送入比第一貯水罐高20

17、m的第二貯水的第二貯水罐求送入第二貯水罐的罐求送入第二貯水罐的水溫水溫 解：以解：以l kg的水為計算基準。的水為計算基準。 須注意須注意： 由于水放熱由于水放熱Q為負、為負、泵對水做功泵對水做功W為正。為正。H2 = H+ H1 （H1為為90oC水的焓，可查水蒸汽表得）水的焓，可查水蒸汽表得）查水蒸汽表可得符合查水蒸汽表可得符合H2 的飽和水的的飽和水的溫度溫度即得。即得。22uZgWQHs 基本概念基本概念熱機工作原理熱機工作原理熱機效率熱機效率卡諾循環(huán)卡諾循環(huán)制冷系數(shù)制冷系數(shù)卡諾定理卡諾定理熱力學第二定律熱力學第二定律克勞修斯（克勞修斯（Clausius）的說法：的說法：“熱不可能熱不

18、可能自動地從低溫物體傳給高溫物體。自動地從低溫物體傳給高溫物體?！遍_爾文（開爾文（Kelvin）的說法：的說法：“不可能不可能從單一熱從單一熱源取出熱使之完全變?yōu)楣Γ话l(fā)生其他的源取出熱使之完全變?yōu)楣?，而不發(fā)生其他的變化。變化?！?.6.2 功熱間的轉化（續(xù)）功熱間的轉化（續(xù)） 物化知：物化知： St00 不可逆不可逆= =可逆可逆基本概念基本概念 才可進行的過程才可進行的過程 自發(fā)過程：不消耗功自發(fā)過程：不消耗功非自發(fā)過程：消耗功非自發(fā)過程：消耗功 0 35 冰冰 冬天冬天 東北氣溫東北氣溫 -30 自發(fā)自發(fā), ,具有產(chǎn)功能力具有產(chǎn)功能力 如如 夏天夏天 南寧氣溫南寧氣溫35-30 非自發(fā)

19、非自發(fā)水水水水冰冰30 （1）熱量傳遞的方向和限度）熱量傳遞的方向和限度高溫高溫低溫低溫自發(fā)自發(fā) 非自發(fā)非自發(fā) 限度：限度：T=0 （2 2）熱功轉化的方向和限度）熱功轉化的方向和限度 功功熱熱 100%非自發(fā)非自發(fā) 100%自發(fā)自發(fā) 31熱功轉換的不等價性熱功轉換的不等價性熱功轉換的不等價性熱功轉換的不等價性功可以功可以100%轉變?yōu)闊徂D變?yōu)闊釤岵豢赡軣岵豢赡?00%轉變?yōu)楣?。轉變?yōu)楣Α?、功的不等價性正是熱力學第二定律熱、功的不等價性正是熱力學第二定律所表述的一個基本內(nèi)容。所表述的一個基本內(nèi)容。6.2 功熱間的轉化（續(xù)）功熱間的轉化（續(xù)）熱功轉化的限度要由熱功轉化的限度要由卡諾循環(huán)的熱機效

20、率卡諾循環(huán)的熱機效率來解決來解決 32熱機工作原理：熱機工作原理：熱機工作原理：熱機工作原理：工質(zhì)從高溫工質(zhì)從高溫T1 熱源吸收熱源吸收Q1的熱的熱量，量，一部分一部分通過熱機用來對外通過熱機用來對外做功做功W，另一部分另一部分Q2 的熱量放的熱量放給低溫給低溫T2 熱源（一般來說，熱源（一般來說， Q2散失于環(huán)境）散失于環(huán)境）。 H=Q + Ws H=0- -Ws=Q1+Q2 熱機示意圖熱機示意圖6.6.2 功熱間的轉化（續(xù)）功熱間的轉化（續(xù)）WsWs 蒸汽機的工作過程蒸汽機的工作過程T1T1高溫熱源（如燃燒后的熱氣體）高溫熱源（如燃燒后的熱氣體）T2T2低溫熱源（如冷卻水）低溫熱源（如冷卻

21、水）鍋爐鍋爐冷凝器冷凝器高壓水高壓水透平機透平機WsWs給給水水泵泵低壓水低壓水高溫高壓蒸汽高溫高壓蒸汽低溫低壓蒸汽低溫低壓蒸汽熱機熱機Q1Q1Q2Q2恒溫汽化恒溫汽化恒溫液化恒溫液化絕熱膨脹絕熱膨脹絕熱壓縮絕熱壓縮熱機效率熱機效率：將將熱機所作的功熱機所作的功W與所吸的熱與所吸的熱Q1之比稱為熱機效率之比稱為熱機效率, 用用表示。表示。熱機效率大小與過程的可逆程度有關。熱機效率大小與過程的可逆程度有關。卡諾定理：卡諾定理：所有工作于所有工作于同溫熱源和同溫冷同溫熱源和同溫冷源源之間的熱機，其效率都不能超過可逆熱之間的熱機，其效率都不能超過可逆熱機，即機，即可逆熱機的效率可逆熱機的效率 max最大最大。12111QQWQQ卡諾循環(huán)（卡諾循環(huán)（Carnot cycle）等溫可逆膨脹等溫可逆膨脹絕熱可逆膨脹絕熱可逆膨脹等溫可逆壓縮等溫可逆壓縮絕熱可逆壓縮絕熱可逆壓縮引言引言：實際熱機的：實際熱機的熱機效