第六章 化工過程的能量分析6[1].3

1、6.6.1 能量平衡方程能量平衡方程6.6.2 熱功間的轉(zhuǎn)化熱功間的轉(zhuǎn)化6.6.3 熵函數(shù)熵函數(shù)6.46.4 理想功、損失功及熱力學(xué)效率理想功、損失功及熱力學(xué)效率6.6.5 火用火用與與火無火無6.6.6 火用火用衡算及衡算及火用火用效率效率6.6.7 化工過程與化工過程與系統(tǒng)的系統(tǒng)的火用火用分析分析v(1) 理想功理想功Widv(2) 損失功損失功WL v(3) 熱力學(xué)效率熱力學(xué)效率 在一定的環(huán)境條件下，體系的狀態(tài)變化是按完全可在一定的環(huán)境條件下，體系的狀態(tài)變化是按完全可逆過程進(jìn)行時，理論上可能逆過程進(jìn)行時，理論上可能產(chǎn)生的最大功產(chǎn)生的最大功或者必須或者必須消耗的最小功消耗的最小功。 完全可

2、逆完全可逆是指：是指：體系內(nèi)所有的變化過程必須是可逆的。體系內(nèi)所有的變化過程必須是可逆的。體系與溫度為體系與溫度為T0的環(huán)境進(jìn)行熱交換是可逆的。的環(huán)境進(jìn)行熱交換是可逆的。 理想功是一個理論的極限值，是實(shí)際功的比較標(biāo)準(zhǔn)。理想功是一個理論的極限值，是實(shí)際功的比較標(biāo)準(zhǔn)。概念：理想功概念：理想功Wid 大氣溫度大氣溫度T T0 0和和壓力壓力p p0 0=101.325kPa=101.325kPa研究理想功的目的研究理想功的目的1) 非流動過程的理想功非流動過程的理想功 U=Q + W0RQTS體系WidP0Q若過程可逆若過程可逆 0sursystSSSsursysSSSTSTSTQsyssur000

3、0TQSsur過程完全可逆過程完全可逆，而且體系所處環(huán)境構(gòu)成了一個溫而且體系所處環(huán)境構(gòu)成了一個溫度為度為T0的恒溫?zé)嵩?。的恒溫?zé)嵩础?0idWUTSP V 理想功 理想功理想功產(chǎn)生最大功；消耗最小功產(chǎn)生最大功；消耗最小功0RWUT S可逆功0P V而大氣壓力通過活塞與體系交換的功，應(yīng)考慮。VPWWRid0非流動過程的理想功非流動過程的理想功5 52) 穩(wěn)定流動過程的理想功穩(wěn)定流動過程的理想功sWQuZgH22能量平衡方程STQ 0202iduWHg ZTS 0idWHTS 理想功0202 uZg；大多數(shù)情況大多數(shù)情況穩(wěn)定流動過程的理想功穩(wěn)定流動過程的理想功理想功的說明理想功的說明： 理想功理想

4、功Wid僅與體系狀態(tài)有關(guān)，與具體僅與體系狀態(tài)有關(guān)，與具體的變化途徑無關(guān)。的變化途徑無關(guān)。 理想功理想功Wid與環(huán)境的溫度與環(huán)境的溫度T0有關(guān)有關(guān)。 理想功理想功Wid是可逆有用功。是可逆有用功。理想功和可逆功并非同一概念理想功和可逆功并非同一概念7 7 例例：冬天室內(nèi)外溫度分別為：冬天室內(nèi)外溫度分別為25 和和-15 。欲將。欲將298K、0.10133MPa的水變成的水變成273K、同壓力下的、同壓力下的冰，（冰，（1）將水放入冰箱；（）將水放入冰箱；（2）直接放到室外，）直接放到室外，問哪種方法更合理？（已知問哪種方法更合理？（已知0 冰的熔融焓為冰的熔融焓為334.7kJ/kg）8 8由

5、于實(shí)際過程的不可逆性，將導(dǎo)致作功能力的損失。由于實(shí)際過程的不可逆性，將導(dǎo)致作功能力的損失。 損失功損失功體系在給定狀態(tài)變化過程中體系在給定狀態(tài)變化過程中實(shí)際功實(shí)際功Wac與與該過程所計(jì)算的該過程所計(jì)算的理想功理想功Wid的差值：的差值：LacidWWW體系STHWid0QHWacQSTWL 體系體系0環(huán)環(huán)境境體體系系STSTWL 00環(huán)境環(huán)境STQ 00LWTS總9 900 總總STWL損失功損失功：與：與1）環(huán)境溫度）環(huán)境溫度T0；2）總熵變總熵變有關(guān)。有關(guān)。v過程的不可逆性過程的不可逆性越大，越大，S總總越大，越大，WL就越就越大，因此應(yīng)盡可能降低過程的不可逆性。大，因此應(yīng)盡可能降低過程的

6、不可逆性。000可逆不可逆總S1010 例例：在生產(chǎn)中流體經(jīng)過管道進(jìn)行輸送，當(dāng)與環(huán)境溫度不相等：在生產(chǎn)中流體經(jīng)過管道進(jìn)行輸送，當(dāng)與環(huán)境溫度不相等時，管道將向環(huán)境散熱（冷），據(jù)分析，不保溫的蒸汽管道時，管道將向環(huán)境散熱（冷），據(jù)分析，不保溫的蒸汽管道散熱損失是保溫管道的散熱損失是保溫管道的9倍。因此，設(shè)備和管道的保溫，是十倍。因此，設(shè)備和管道的保溫，是十分重要的節(jié)能措施。分重要的節(jié)能措施。損失功例題損失功例題某廠有輸送某廠有輸送90900 0C C熱水的管道，由于保溫不良，到使用熱水的管道，由于保溫不良，到使用單位時，水溫已降至單位時，水溫已降至70700 0C C。試求水溫降低過程的熱損。試求

7、水溫降低過程的熱損失與損失功。大氣溫度為失與損失功。大氣溫度為25250 0C C，水的恒壓熱容為，水的恒壓熱容為C CP P=4.1868kJ/kg.K=4.1868kJ/kg.K，忽略壓差。，忽略壓差。1111 實(shí)際過程的能量利用情況可通過熱力學(xué)實(shí)際過程的能量利用情況可通過熱力學(xué)效率效率T 加以評定加以評定()TacidLididWWWWW產(chǎn)生功()TididacidLWWWWW消耗功T T 又稱為可逆度又稱為可逆度反映過程可逆的程度反映過程可逆的程度T T =1 =1 可逆過程可逆過程T T 1 1 不可逆過程不可逆過程1212）（膨脹膨脹12VVPWe 設(shè)在定溫下，一定量理想氣體在活塞

8、筒中克服外設(shè)在定溫下，一定量理想氣體在活塞筒中克服外壓壓 , ,經(jīng)經(jīng)4 4種不同途徑，體積從種不同途徑，體積從V1 1膨脹膨脹到到V2 2所作的功。所作的功。ep體系所作的功如陰體系所作的功如陰影面積所示。影面積所示。 膨脹過程：膨脹過程：1.1.自由膨脹自由膨脹（free expansion） 2.2.等外壓膨脹等外壓膨脹（pe保持不變）保持不變）012 ）（膨膨脹脹VVPWe0 eP21VVPdVWPdVW體積體積1313 圖圖）（ VVP P2， V2P1， V13.3.多次等外壓膨脹多次等外壓膨脹）（多級膨脹多級膨脹1VVPW ）（ 22VVP 體系所作的功如體系所作的功如陰影面積所示

9、。陰影面積所示。 P11414 圖圖4.可逆膨脹過程可逆膨脹過程12ln21VVnRTPdVWVV可逆膨脹1515 圖圖 在外壓為在外壓為 P1 下，一下，一次從次從 V2 壓縮到壓縮到 V1 ，環(huán)境對體系所作的功為：環(huán)境對體系所作的功為：）（壓壓縮縮211VVPW 1.一次等外壓壓縮一次等外壓壓縮 壓縮過程壓縮過程將體積從將體積從V V2 2 壓縮到壓縮到V V1 1 ，有如下三種途徑：有如下三種途徑：P2， V2P1， V11616 圖圖P2， V2P1， V12.多次等外壓壓縮多次等外壓壓縮 ）（ VVP ）（多多級級壓壓縮縮2 VVPW ）（11VVP 1717 圖圖3.可逆壓縮可逆壓

10、縮21lnVVnRTW 可逆壓縮可逆壓縮1818 圖圖12lnVVnRTW 可逆膨脹可逆膨脹 從以上的膨脹與壓縮過程看出，功與變化的途徑有關(guān)。從以上的膨脹與壓縮過程看出，功與變化的途徑有關(guān)。雖然始終態(tài)相同，但途徑不同，所作的功也大不相同。顯然雖然始終態(tài)相同，但途徑不同，所作的功也大不相同。顯然，可逆膨脹，體系對環(huán)境作最大功；可逆膨脹，體系對環(huán)境作最大功；可逆壓縮，環(huán)境對體系作可逆壓縮，環(huán)境對體系作最小功。最小功。21lnVVnRTW 可逆壓縮可逆壓縮）（膨脹膨脹122VVPW ）（壓壓縮縮211VVPW ）（）（）（多多級級壓壓縮縮11 2 VVPVVPVVPW ）（）（）（多多級級膨膨脹脹

11、22 1VVPVVPVVPW 191920 例例 某合成氨廠甲烷蒸氣轉(zhuǎn)化工段轉(zhuǎn)化氣量為某合成氨廠甲烷蒸氣轉(zhuǎn)化工段轉(zhuǎn)化氣量為5160Nm3/tNH3，因工藝需要，將其溫度從因工藝需要，將其溫度從1000 降至降至380 ?，F(xiàn)有廢熱鍋?，F(xiàn)有廢熱鍋爐機(jī)組回收余熱，已知通過蒸汽透平回收到得實(shí)際功為爐機(jī)組回收余熱，已知通過蒸汽透平回收到得實(shí)際功為283kW.h/tNH3。試求（。試求（1）轉(zhuǎn)化氣降溫過程的理想功；（）轉(zhuǎn)化氣降溫過程的理想功；（2）余熱利用動力裝置的熱效率；（余熱利用動力裝置的熱效率；（3）此余熱利用過程的熱力）此余熱利用過程的熱力學(xué)效率。已知大氣溫度為學(xué)效率。已知大氣溫度為30 ，設(shè)轉(zhuǎn)化

12、氣降溫過程壓力不，設(shè)轉(zhuǎn)化氣降溫過程壓力不變，在變，在3801000 溫度范圍平均等壓熱溫度范圍平均等壓熱容容 ，廢熱鍋爐和透平的熱，廢熱鍋爐和透平的熱損失可忽略不計(jì)，透平乏汽直接排入大氣。損失可忽略不計(jì)，透平乏汽直接排入大氣。 1136pmhpmsCCkJkmolK21 例例 在一個往復(fù)式壓氣機(jī)的實(shí)驗(yàn)中，環(huán)境空氣從在一個往復(fù)式壓氣機(jī)的實(shí)驗(yàn)中，環(huán)境空氣從100kPa及及5 壓縮到壓縮到1000kPa，壓縮機(jī)的氣缸用水冷卻。在此特殊實(shí)驗(yàn)，壓縮機(jī)的氣缸用水冷卻。在此特殊實(shí)驗(yàn)中，水通過冷卻夾套，其流率為中，水通過冷卻夾套，其流率為100kg/kmol(空氣空氣)。冷卻水。冷卻水入口溫度為入口溫度為5 ，出口溫度為，出口溫度為