有效能衡算和有效能效率資料實(shí)用教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1有效能衡算和有效能效率有效能衡算和有效能效率(xio l)資料資料第一頁，共30頁。能量降級(jí)(jing j)與熱力學(xué)第二定律軸功、各種( zhn)熱效應(yīng)的計(jì)算有效(yuxio)能衡算和有效(yuxio)能效率熱力學(xué)分析的基本方法噪聲污染及控制目目 錄錄熱管、熱泵和夾點(diǎn)技術(shù)能量的合理利用穩(wěn)流體系熱力學(xué)第一定律廢水處理方法、技術(shù)和流程廢固處理及利用廢氣污染的預(yù)防措施及治理第1頁/共30頁第二頁，共30頁。1、水在正常沸點(diǎn)下的汽化潛熱為2256kJ/kg，估算水在210 下的汽化潛熱并與文獻(xiàn)值比較。2、一空氣壓縮機(jī)每小時(shí)將0.10133Mpa、溫度為20的空氣120kg壓縮到4.0Mpa，設(shè)

2、空氣為理想氣體，壓縮過程為多變壓縮，多變指數(shù)m=1.20.試分別計(jì)算(j sun)單級(jí)壓縮和兩級(jí)壓縮、中間冷卻兩種方法所需功率和氣體的終溫。第2頁/共30頁第三頁，共30頁。 第3頁/共30頁第四頁，共30頁。為了比較體系在不同狀態(tài)下可用于做功的能量多少、確切地評(píng)價(jià)能量的做功能力，凱南（Keenen）提出了有效(yuxio)能（available energy ）的概念。并定義為處于一定熱力學(xué)狀態(tài)的物系，通過完全可逆的過程變化到與環(huán)境狀態(tài)處于完全熱力學(xué)平衡（即溫度、壓力、化學(xué)反應(yīng)及相均平衡）時(shí)所能做出的最大功（理想功）。用符號(hào) 表示。a 理想功就是體系變化過程按完全可逆地進(jìn)行時(shí)所作的最大功。b

3、 在有效(yuxio)能研究中，選定環(huán)境的狀態(tài)（ ）作為基態(tài)，即將周圍環(huán)境當(dāng)作一個(gè)具有熱力學(xué)平衡的龐大體系，這種狀態(tài)下的有效(yuxio)能值為零xE00Tp、第4頁/共30頁第五頁，共30頁。對(duì)于沒有(mi yu)核、磁、電與表面張力效應(yīng)的過程，穩(wěn)定流動(dòng)的流體（體系）的有效能可由下列四個(gè)主要成分組成，即動(dòng)能有效能、位能有效能、物理有效能和化學(xué)有效能。第5頁/共30頁第六頁，共30頁。a 動(dòng)能有效能 流體的動(dòng)能可以(ky)全部轉(zhuǎn)化成有效的功，因此流體的動(dòng)能即屬于有效能。動(dòng)能項(xiàng)中的線速度為物系與地球表面的相對(duì)線速度。b 位能有效能 流體的位能同樣也可以(ky)全部轉(zhuǎn)化為有效的功，因此流體的位能也

4、即屬于有效能。位能項(xiàng)中的位高是以當(dāng)?shù)丨h(huán)境海平面為零作基準(zhǔn)的。xkExpE第6頁/共30頁第七頁，共30頁。c 物理有效能 物系由所處的狀態(tài)到達(dá)僅與環(huán)境成熱平衡和力平衡而未達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)所提供的理想功為該物系的物理有效能。也就是說，物系因溫度和壓力與環(huán)境的溫度和壓力不同所具有的有效能稱為物理有效能。平衡時(shí)，體系和環(huán)境具有物理界限分隔，兩者相互不混和，也不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但此時(shí)(c sh)體系的溫度和壓力與環(huán)境的溫度和壓力相等。xphE第7頁/共30頁第八頁，共30頁。d 化學(xué)有效能 體系從與環(huán)境(hunjng)僅成熱平衡和力平衡的狀態(tài)到達(dá)與環(huán)境(hunjng)完全平衡的狀態(tài)時(shí)所提供的理想功即為該

5、體系的化學(xué)有效能。這也就是說，體系由于組成和環(huán)境(hunjng)組成不同所具有的有效能稱為化學(xué)有效能。所謂完全平衡是指體系和環(huán)境(hunjng)既有熱平衡、力平衡且又有化學(xué)平衡的平衡。此時(shí)體系與環(huán)境(hunjng)除溫度、壓力相等外，體系的組成還與環(huán)境(hunjng)物質(zhì)相互混了或者發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。通常，體系由熱平衡且力平衡的狀態(tài)到達(dá)完全平衡的狀態(tài)，須經(jīng)化學(xué)反應(yīng)與物理擴(kuò)散兩個(gè)過程。化學(xué)反應(yīng)是將原體系的物質(zhì)轉(zhuǎn)化成環(huán)境(hunjng)物質(zhì)（基準(zhǔn)物）。物理擴(kuò)散指原體系或經(jīng)化學(xué)反應(yīng)后生成物的濃度變到與環(huán)境(hunjng)中基準(zhǔn)物濃度相同的過程。xcE第8頁/共30頁第九頁，共30頁。穩(wěn)定流動(dòng)過程流體的有

6、效能應(yīng)由四個(gè)有效能成分組成，即： 通常計(jì)算穩(wěn)流流體經(jīng)過敞開體系（指某設(shè)備裝置）的有效能時(shí)，由于一般情況下敞開體系進(jìn)出口流體的動(dòng)能與位能變化(binhu)很小， 和 之值要比 和 小得多，往往可以忽路不計(jì)。如果在特定情況下，如蒸汽噴射泵的出口處，蒸汽 較大，則不能忽略。xxkxpxphxcEEEEExkExpExphExcExkE第9頁/共30頁第十頁，共30頁?；み^程中，比較常見的是穩(wěn)流體系。因此，下面以穩(wěn)流體系為例，討論有效(yuxio)能的計(jì)算。對(duì)于穩(wěn)流體系，由狀態(tài)1變到狀態(tài)2，其動(dòng)能、位能變化可略而不計(jì)時(shí)，則過程的理想功為：故當(dāng)體系由任意狀態(tài)變至基態(tài)時(shí)，根據(jù)有效(yuxio)能的定義，

7、得穩(wěn)流體系在任意狀態(tài)時(shí)有效(yuxio)能的計(jì)算式為：這是有效(yuxio)能的基本計(jì)算公式，它適用于各種物理的、化學(xué)的或兩者兼而有之的有效(yuxio)能計(jì)算。 20210121021idWHT SHT SHHTSS000idWHHTSS第10頁/共30頁第十一頁，共30頁。在基態(tài)時(shí) 均可視為常數(shù)，故體系的有效能僅決定于體系的狀態(tài)，它是狀態(tài)函數(shù)。根據(jù)定義式可分別求出體系在始態(tài)（ 、 ）和終態(tài)（ 、 ）時(shí)的有效能 與 ，二者之差為：即 式中 為有效能的變化(binhu)。由上式可見，體系由狀態(tài)1可逆變化(binhu)到狀態(tài)2時(shí)，過程的理想功等于體系有效能的減少。當(dāng) 0時(shí)，體系可對(duì)外做功，所做的

8、功最大為 ；當(dāng) 0時(shí)，要實(shí)現(xiàn)體系的狀態(tài)變化(binhu)就必須消耗外功，所消耗的功最小為 。 0000,P T HS1p1T2p2T1xE2xE2121021XXidEEHHTSSW210XXXidEEEHTSW XidEWXEXEXEidWidW第11頁/共30頁第十二頁，共30頁。在給定環(huán)境下，能量可轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ牟糠址Q為有效能；余下的不能轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ牟糠Q為無效能。能量由有效能與無效能兩個(gè)部分組成。 由此可見，在不可逆過程中，有部分有效能降級(jí)變?yōu)闊o效能而不能做功，其總的有效能的損失等于損耗功?？傊芰靠煞譃橛行芘c無效能兩個(gè)部分。有效能是能量的有用部分，是寶貴的，得花一定的代價(jià)(dij

9、i)才能得到；無效能則到處都有。因此，節(jié)能的實(shí)質(zhì)是節(jié)有效能。根據(jù)熱力學(xué)第一定律，總能量是守恒的，即： 0 xSLStEWWWTS0XNd EA第12頁/共30頁第十三頁，共30頁。但按熱力學(xué)第二定律，不可逆過程都有功損耗，功損耗也就是有效能損失，因此不可逆過程有效能的數(shù)值是減少(jinsho)的， 。由于總能量守恒，有效能的數(shù)值減少(jinsho)則無效能的數(shù)值必定增加， 。無效能的增加量等于有效能的減少(jinsho)量 損耗功就是不可逆過程中有效能轉(zhuǎn)化為無效能的量，故視其為能量貶質(zhì)的量度。對(duì)于可逆過程，則有效能是守恒的。0Xd E0Nd A 0 xNd Ed A第13頁/共30頁第十四頁，

10、共30頁。由前述討論可以將用能過程的熱力學(xué)第二定律(dngl)表述為：1、在一切不可逆過程中，有效能轉(zhuǎn)化為無效能。2、只有可逆過程，有效能才能守恒。3、由無效能轉(zhuǎn)化為有效能是不可能的。第14頁/共30頁第十五頁，共30頁。對(duì)一個(gè)體系或過程做出物料和能量平衡，并且根據(jù)各股物流及能流的熱力學(xué)性質(zhì)，求出它們單位質(zhì)量（或能量）的有效能之后，可以進(jìn)行該體系或過程的有效能衡算，從而確定體系或某一工序產(chǎn)生的有效能損失，查明有效能轉(zhuǎn)化、傳遞、利用和損失的情況，以便確定節(jié)能改造的最佳途徑，以達(dá)到合理用能之目的。在完全可逆的情況下，理論上對(duì)某一耗能產(chǎn)物(chnw)進(jìn)行有效能衡算，可以確定該產(chǎn)品的理論能耗和生產(chǎn)過程

11、的理想功，它可作為衡量實(shí)際能耗的理論依據(jù)。第15頁/共30頁第十六頁，共30頁。由于任何不可逆過程必引起有效能的損失，因此在建立有效能平衡方程時(shí)，與能量衡算并非一樣。能量衡算中，輸入的各項(xiàng)能量之總和恒等于(dngy)輸出的各項(xiàng)能量之總和；而有效能的輸入與輸出是否相等，則要看過程是否可逆。對(duì)不可逆過程，必附加一項(xiàng)有效能損失。現(xiàn)以穩(wěn)流過程為例，建立有效能平衡方程。設(shè)有如圖所示的具有多股物流進(jìn)出的，和外界有熱功交換的敞開體系穩(wěn)流過程。進(jìn)入體系的物流有效能為 ；離開體系的物流有效能為 。進(jìn)入體系的熱流有效能（熱量有效能）為 。（EXQ中的Q可正也可負(fù)）；離開體系的功流為 ( WS可正也可負(fù)）。Xiin

12、iEXjoutjEkXQkEsjjW第16頁/共30頁第十七頁，共30頁。第17頁/共30頁第十八頁，共30頁。對(duì)于可逆過程，體系(tx)內(nèi)部無有效能損失，損耗功為零，有效能是守恒的。因此有效能平衡方程為：kXiXQXjsjinoutikjjEEEW第18頁/共30頁第十九頁，共30頁。對(duì)于不可逆過程，體系內(nèi)部存在有效能損耗，損耗功小于零，有效能數(shù)值(shz)減少，無效能數(shù)值(shz)增加。其有效能平衡方程為：上式即為不可逆穩(wěn)流過程的有效能平衡方程。有效能平衡方程的主要用途是確定體系（系列設(shè)備或單體設(shè)備）的內(nèi)部有效能損失。上式移項(xiàng)后即為內(nèi)部有效能損失的計(jì)算式：kXiXQXjsjLiinouti

13、kjjiEEEWWkLiXiXQXjsjinoutiikjjWEEEW第19頁/共30頁第二十頁，共30頁。右邊各項(xiàng)值可根據(jù)可測(cè)參數(shù)（如溫度、壓力、流量、組成(z chn)、電壓和電流等）直接求得。由此可見，因過程的不可逆性引起的有效能損失可有兩種計(jì)算方法。一種是根據(jù)損耗功的定義，通過計(jì)算參與過程的有關(guān)體系組成(z chn)的孤立體系的總熵變，從而求得損耗功；另一種方法是通過有效能衡算，來計(jì)算過程和裝置的損耗功。此時(shí)需要計(jì)算各物流及能流的有效能，然后進(jìn)行有效能平衡，從而確定有效能的損失。由于熵增法（ ）求 時(shí)，對(duì)體系的選取是有限制的，所以有效能衡算法較熵增法往往要方便些。0LtWTS tS第2

14、0頁/共30頁第二十一頁，共30頁。對(duì)于有動(dòng)能、位能和組成變化的穩(wěn)流過程(guchng)，物料有效能應(yīng)包括動(dòng)能有效能、位能有效能、物理有效能、化學(xué)有效能。對(duì)于恒組成穩(wěn)流過程(guchng)，有效能損失的衡算式可以寫成202klLiXQllllsjikjuWEHTSmg ZW 第21頁/共30頁第二十二頁，共30頁。具體應(yīng)用(yngyng)時(shí)，根據(jù)不同情況有下述幾種簡(jiǎn)化形式。第22頁/共30頁第二十三頁，共30頁。第23頁/共30頁第二十四頁，共30頁。第24頁/共30頁第二十五頁，共30頁。第25頁/共30頁第二十六頁，共30頁。第26頁/共30頁第二十七頁，共30頁。看起來，有效能衡算方程與普通的能量衡算方程頗為(p wi)相似，但存在著幾點(diǎn)實(shí)質(zhì)性的區(qū)別。a普通能量衡算的依據(jù)是熱力學(xué)第一定律；而有效能衡算的依據(jù)是熱力學(xué)第一、第二定律，因此，有效能衡算的結(jié)果能更全面、更深刻地反映過程進(jìn)行的情況；b能量是守恒的，但在一切實(shí)際過程中有效能并不守恒，由于過程的不可逆性，使部分有效能轉(zhuǎn)化為無效能而損失掉；第27頁/共30頁第二十八頁，共30頁。c普通能量衡算是不同品位能量總量的數(shù)量衡算，它只能反映體系中能量的數(shù)量利用情況；而有效能衡算是相同品位能量