第六章化工過程能量分析

第六章化工過程能量分析18:56:24118:56:242主要內(nèi)容：6.1能量平衡方程6.2功熱之間的轉(zhuǎn)換6.3熵函數(shù)6.4理想功、損失功及熱力學效率6.5有效能6.6有效能衡算及有效能效率6.7化工過程與系統(tǒng)的有效能分析18:56:243本章重點：運用熱力學第一定律、第二定律，借助理想功、損失功、有效能等概念，對：化工過程中的能量轉(zhuǎn)換、傳遞與利用進行熱力學分析，評價過程能量利用的有效程度，確定能量利用的總效率。揭示能量損失的根源，指出過程用能的薄弱環(huán)節(jié)及其改進的方向和潛力，提出相應(yīng)的改進措施，如改進工藝或設(shè)備、優(yōu)化操作參數(shù)。18:56:244火力發(fā)電：能量的形式有：機械能、熱能、電能、化學能等。各種不同形式的能量相互轉(zhuǎn)換，但總量不變。化學能-熱能熱能-機械能機械能-電能電能-機械能燃料化學能熱能電能機械能鍋爐透平發(fā)電機電動機18:56:245化工過程能量分析的作用：了解過程用能極限（理想過程）；發(fā)現(xiàn)用能存在問題；揭示問題根源；指出用能改進的方向與潛力。能量分析與改進的兩個階段：用能分析；（分析問題）綜合優(yōu)化。（解決問題）18:56:2466.1能量平衡方程6.1.1能量守恒與轉(zhuǎn)換所有物質(zhì)都具有能量，能量是物質(zhì)固有特性。通常，能量可分為兩大類：一類是系統(tǒng)蓄積的能量，如動能、勢能和熱力學能（內(nèi)能），它們都是系統(tǒng)狀態(tài)的函數(shù)。另一類是過程中系統(tǒng)和環(huán)境傳遞的能量，常見的有功和熱，它們并非狀態(tài)函數(shù)，而與過程有關(guān)。熱量是因為溫差引起的能量傳遞，而做功則是由某種勢差引起的能量傳遞，因此，熱和功是兩種本質(zhì)不同且與過程傳遞方式有關(guān)的能量形式。18:56:247熱力學第一定律孤立系統(tǒng)中，不同形式的能量可以相互轉(zhuǎn)換或傳遞，在轉(zhuǎn)換或傳遞的過程中，能量的數(shù)量是守恒的，這就是熱力學第一定律，即能量轉(zhuǎn)換和守恒原理?；拘问剑杭?，體系能量的增加等于環(huán)境能量的減少。18:56:248體系在過程前后的能量變化應(yīng)與體系在該過程中傳遞的熱量Q與功W相等。體系吸熱為正值，放熱為負值；體系得功為正值，對環(huán)境做功為負值。內(nèi)能動能勢能熱力學第一定律的基本式：18:56:2496.1.2封閉體系的能量平衡方程封閉體系與環(huán)境只有能量交換，而沒有物質(zhì)傳遞，所進行的過程通常不能引起外部勢能或動能變化，只能引起內(nèi)能變化。封閉系統(tǒng)的熱力學第一定律數(shù)學表達式為：18:56:24106.1.3穩(wěn)態(tài)流動體系的能量平衡方程穩(wěn)態(tài)流動：系統(tǒng)中沒有物料和能量的積累。流體流動過程中所有點的狀態(tài)均不隨時間變化；垂直于流向的各個截面處的質(zhì)量流量相等。穩(wěn)態(tài)流動系統(tǒng)的能量平衡關(guān)系式為：18:56:2411流體從截面1通過設(shè)備流到截面2，在截面1處流體進入設(shè)備所具有的狀況用下標1表示，此處距基準面的高度為z1，流動平均速度u1，比容V1，壓力p1以及內(nèi)能U1等。同樣在截面2處流體流出所具有的狀況用下標2表示。單位質(zhì)量的流體帶入、帶出能量的形式為動能（u2/2），勢能（gz）和熱力學能（U）。18:56:2412系統(tǒng)與環(huán)境交換的功W，通常包括三部分：軸功、流動功、體積功。通過泵、壓縮機等機械設(shè)備的轉(zhuǎn)動軸，使系統(tǒng)與環(huán)境交換的軸功Ws。單位質(zhì)量物質(zhì)被推入系統(tǒng)時，接受環(huán)境所給予的功，以及離開系統(tǒng)時推動前面物質(zhì)對環(huán)境所做的功，稱為流動功Wf。假設(shè)系統(tǒng)入口處截面面積為A1，流體的比容為V1，壓力為p1，則推動力為p1A1，使單位質(zhì)量流體進入系統(tǒng)，需要移動的距離為V1/A1，推動單位質(zhì)量流體進入系統(tǒng)需要的功為：18:56:2413即單位質(zhì)量流體進入系統(tǒng)時，接受后面流體（環(huán)境）所給予的功流動功；同樣，單位質(zhì)量流體離開系統(tǒng)時，必須推動前面的流體（環(huán)境），對環(huán)境所做的流動功：這種流體內(nèi)部相互推動所交換的功，稱為流動功，只有在連續(xù)流動過程中才存在。18:56:2414體積功：體系反抗環(huán)境壓力做的功，分為膨脹功和壓縮功。該過程無體積功。因此，對流動過程，系統(tǒng)與環(huán)境交換的功是軸功與流動功之和：輸入的能量–輸出的能量=積累的能量對該體系進行能量衡算：18:56:2415將焓的定義式H=U+pV帶入上式可得穩(wěn)流系統(tǒng)能量平衡方程：流動功包含在焓中。18:56:2416分別為單位質(zhì)量流體的焓變、動能變化、位能變化、與環(huán)境交換的熱量和軸功。一些常見穩(wěn)流體系的裝置：18:56:2417噴嘴與擴壓管：噴嘴與擴壓管的結(jié)構(gòu)特點是進出口截面積變化很大。流體通過時，使壓力沿著流動方向降低，而使流速加快的部件稱為噴嘴。反之，使流體流速減緩，壓力升高的部件稱為擴壓管。18:56:2418是否存在軸功？否是否與環(huán)境交換熱量？通?？梢院雎晕荒苁欠褡兓?？否流體通過焓值的改變來換取動能的調(diào)整。18:56:2419透平機和壓縮機：透平機是借助流體的減壓和降溫來產(chǎn)出功。壓縮機可以提高流體的壓力，但需要消耗功。18:56:2420是否存在軸功？是是否與環(huán)境交換熱量？通?？梢院雎晕荒苁欠褡兓坎蛔兓蛘呖梢院雎詣幽苁欠褡兓?？通?？梢院雎?8:56:2421節(jié)流閥：18:56:2422是否存在軸功？否是否與環(huán)境交換熱量？通?？梢院雎晕荒苁欠褡兓坎蛔兓蛘呖梢院雎詣幽苁欠褡兓?？通常可以忽略理想氣體通過節(jié)流閥溫度不變。18:56:2423混合設(shè)備：混合兩種或多種流體很常見！混合器18:56:2424是否存在軸功？否是否與環(huán)境交換熱量？通常可以忽略位能是否變化？否動能是否變化？否18:56:2425換熱設(shè)備：整個換熱設(shè)備與環(huán)境交換的熱量可以忽略不計，換熱設(shè)備內(nèi)部兩股物流存在熱量交換。換熱設(shè)備的能量平衡方程與混合設(shè)備的能量平衡方程相同，但物流之間不發(fā)生混合。18:56:2426管路和流體輸送：通常近似作穩(wěn)態(tài)流動模型處理。通過泵得到軸功位能變化！18:56:2427是否存在軸功？有時存在是否與環(huán)境交換熱量？通常是位能是否變化？有時變化動能是否變化？通常不變化18:56:2428Bernoulli方程：光滑管的流動過程視為可逆：將上式用于不可壓縮流體，且無軸功時：18:56:2429單位質(zhì)量流體：積分得：表達了靜壓頭、動壓頭和位壓頭之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。適用條件是：不可壓縮流體作無摩擦流動，且與環(huán)境沒有軸功交換。（伯努利方程）18:56:2430例6-1：30℃的空氣，以5m/s的流速流過一垂直安裝的熱交換器，被加熱到150℃，若換熱器進出口管徑相同，忽略空氣流過換熱器的壓降，換熱器高度為3m，求50kg空氣從換熱器吸收的熱量。且已知空氣的熱容：解：無軸功。忽略壓降：18:56:2431若將空氣看作理想氣體：動能和位能的變化與焓變相比可忽略不計！50kg空氣吸收的熱量為：18:56:24326.2功熱間的轉(zhuǎn)換熱力學第二定律：克勞修斯說法：熱不可能自動的從低溫物體傳給高溫物體。開爾文說法：不可能從單一熱源吸熱使之變?yōu)橛杏玫墓Χ灰鹌渌兓?。熱力學第二定律說明過程按照特定方向，而不是按照任意方向進行。自然界中的物理過程能夠自發(fā)的向平衡方向進行。18:56:243318:56:2434注意：可以人為地使以上過程反方向進行，但是需要消耗功；第一定律沒有說明過程發(fā)生的方向，只表示了總量上的限制；第二定律告訴我們過程發(fā)生的方向；自發(fā)過程：不消耗功；非自發(fā)過程：消耗功。18:56:2435熱量傳遞的方向和限度：高溫低溫自發(fā)非自發(fā)限度：溫差為零熱功轉(zhuǎn)換的方向：功熱100%，自發(fā)＜100%，非自發(fā)熱功轉(zhuǎn)換的限度由卡諾循環(huán)的熱機效率來決定！18:56:2436熱機的熱效率：熱量可以經(jīng)過熱機循環(huán)而轉(zhuǎn)換為功，如左圖所示：循環(huán)工質(zhì)從高溫熱源TH吸收熱量，部分轉(zhuǎn)換為功，其余排至低溫熱源TL。火力發(fā)電廠的熱效率約為40%。18:56:2437卡諾循環(huán)：由四個過程組成：可逆等溫膨脹可逆絕熱膨脹可逆等溫壓縮可逆絕熱壓縮卡諾熱機的效率：18:56:2438注意點：（1）η＜1，若使η=1則TH→∞或TL=0實際中不可能！（2）若使η

↑，則TH↑或TL↓。工程上通常采用高溫高壓，提高吸熱溫度TH，但受到材質(zhì)影響。（3）若TH=

TL，η=0，W=0說明單一熱源不能轉(zhuǎn)換為功，必須有兩個熱源。18:56:2439自發(fā)、非自發(fā)和可逆、不可逆之間的區(qū)別？自發(fā)與非自發(fā)過程決定于物系的始、終態(tài)與環(huán)境狀態(tài)；可逆與不可逆過程是（考慮）過程完成的方式，與狀態(tài)沒有關(guān)系。18:56:24406.3熵函數(shù)6.3.1熵與熵增原理熱力學第二定律：則必定存在一個使得：積分：稱為熵產(chǎn)生，是由于過程的不可逆性引起熵變。=0，可逆＞0，不可逆系統(tǒng)的總熵變由兩部分組成：熱交換引起的（熱熵流）及過程的不可逆性引起的（熵產(chǎn)生）。18:56:2441假定一個封閉體系的兩個平衡態(tài)之間，并行兩個過程，一個是可逆的一個是不可逆的。兩式相減：又：所以：18:56:2442若系統(tǒng)對外做功，則W＜0。若系統(tǒng)接受功，則W>

0。過程的不可逆性造成的熵產(chǎn)生，減少了系統(tǒng)對外做功能力，降低接受功的利用效率。熵產(chǎn)生越大，造成能量品位降低越多。18:56:2443可逆過程：沒有摩擦，推動力無限小,過程進行無限慢;體系內(nèi)部均勻一致，處于熱力學平衡;對產(chǎn)功的可逆過程，其產(chǎn)功最大，對耗功的可逆過程，其耗功最小;逆向進行時，體系恢復始態(tài)，環(huán)境不留下任何痕跡，即沒有功熱得失及狀態(tài)變化）可逆過程。不可逆過程：有摩擦，過程進行有一定速度；體系內(nèi)部不均勻（有擾動、渦流等現(xiàn)象）；逆向進行時，體系恢復始態(tài)，環(huán)境留下痕跡；如果與相同始終態(tài)的可逆過程相比較，產(chǎn)功小于可逆過程，耗功大于可逆過程。18:56:24446.3.2熵平衡敞開系統(tǒng)熵平衡：進入的熵+產(chǎn)生的熵-離開的熵=累積的熵功與熵變無關(guān)。系統(tǒng)累積的熵即為系統(tǒng)熵變。（熵平衡方程）18:56:2445封閉體系：穩(wěn)流體系：若封閉體系是可逆的：熵平衡方程與能量守恒和質(zhì)量守恒一樣，是任何一個過程都必須滿足的方程式，進而表明過程的不可逆程度，通過計算熵產(chǎn)生的大小，找出化工過程中能量消耗部位，進而可以合理的利用能量。18:56:2446例6-2：判斷以下穩(wěn)流過程是否可能：空氣在p=0.7MPa、T=294K下進入一個與環(huán)境絕熱的熱備中，設(shè)備與環(huán)境間沒有功的交換。由設(shè)備流出的空氣分成等質(zhì)量兩股，一股為p=0.1MPa、T=355K；另一股為p=0.1MPa、T=233K。假定空氣為理想氣體，其平均等壓熱容為：解：分析一個過程的可能性，從熱力學角度來講，必須同時滿足熱力學第一定律和熱力學第二定律。假定空氣共有2mol。18:56:2447根據(jù)穩(wěn)流系統(tǒng)熱力學第一定律：可忽略動能及勢能變化，無軸功，絕熱。以紅色范圍敞開系作為研究對象。理想氣體焓變：18:56:2448所以，該體系符合熱力學第一定律。熱力學第二定律：穩(wěn)流：對環(huán)境進行熵平衡計算：進入環(huán)境的為流股1、2，離開環(huán)境的為流股0。無熱交換，環(huán)境可認為無窮大，可逆，熵產(chǎn)生為零。18:56:2449也符合熱力學第二定律。所以，該過程可能發(fā)生。18:56:24506.4理想功、損失功及熱力學效率系統(tǒng)在變化過程中，由于路徑選擇的不同，所產(chǎn)生(或消耗)的功差別較大。為了更合理、更充分地利用能量，提高能量利用效率，基于熱力學原理，準確了解能量利用的極限，通過不同用能方案比較，更科學地評價實際過程中能量利用的完善程度，找出過程用能存在的差距及改進潛力，為改進生產(chǎn)過程提供理論依據(jù)。18:56:24516.4.1理想功理想功是指在一定環(huán)境條件下，系統(tǒng)的狀態(tài)變化以完全可逆方式完成，理論上能產(chǎn)生（或消耗）的有用功(Wid)。因此理想功是一個理想的極限值，可作為實際功的比較標準。所謂的完全可逆，指的是不僅系統(tǒng)內(nèi)的所有變化是完全可逆的，而且系統(tǒng)和環(huán)境之間的能量交換如傳熱過程等也是可逆的。18:56:2452（1）非流動封閉系統(tǒng)理想功由熱力學第一定律：若過程可逆：可逆功：環(huán)境溫度18:56:2453考慮體系的膨脹功：理想功：大氣壓力理想功取決于系統(tǒng)的始、終態(tài)和環(huán)境狀態(tài)，與過程無關(guān)。理想功不同于可逆功。18:56:2454（2）穩(wěn)流過程理想功穩(wěn)流系統(tǒng)熱力學第一定律：假定過程是完全可逆的，而且系統(tǒng)所處的環(huán)境可認為是一個溫度為T0的恒溫熱源。根據(jù)熱力學第二定律,系統(tǒng)與環(huán)境之間的可逆?zhèn)鳠崃繛?單位質(zhì)量流體忽略動能和勢能變化：18:56:2455要點：穩(wěn)流過程的理想功只與狀態(tài)變化有關(guān)，即與初、終態(tài)以及環(huán)境溫度T0有關(guān)，而與變化的途徑無關(guān)。只要初、終態(tài)相同，無論是否可逆過程，其理想功是相同的。理想功與軸功不同在于：理想功是完全可逆過程所作的功，它在與環(huán)境進行熱量交換過程中使用卡諾熱機作可逆功。通過比較理想功與實際功，可以評價實際過程的不可逆程度！18:56:24566.4.2損失功系統(tǒng)在相同的狀態(tài)變化過程中，不可逆過程的實際功與完全可逆過程的理想功之差稱為損失功。對于穩(wěn)態(tài)流動過程：18:56:2457又：根據(jù)熱力學第二定律(熵增原理)，ΔS≥0。實際過程總是存在損失功，過程的不可逆程度越大，總熵增越大，損失功也越大。損失功轉(zhuǎn)化為熱，使系統(tǒng)作功能力下降，因此，不可逆過程都是有代價的。18:56:24586.4.2熱力學效率熱力學效率ηT：理想功與實際功的比值。18:56:2459例6-3：求298K，0.1013MPa的水變成273K，同壓力下冰的過程的理想功。設(shè)環(huán)境溫度分別為：(1)298K；(2)248K。解：忽略壓力的影響，查水蒸汽圖表：狀態(tài)溫度/K焓/(kJ/kg)熵/(kJ/(kg·K))H2O(l)298104.80.3666H2O(s)273-334.9-1.2265(1)環(huán)境溫度為298K，高于冰點時18:56:2460若使水變成冰，需用冰機，理論上應(yīng)消耗的最小功為35.04kJ/kg。(2)環(huán)境溫度為248K，低于冰點時當環(huán)境溫度低于冰點時，水變成冰，不僅不需要消耗外功，而且理論上可以回收的最大功為44.61kJ/kg。理想功不僅與系統(tǒng)的始、終態(tài)有關(guān)，而且與環(huán)境溫度有關(guān)。18:56:2461例6-3：用1520kPa，753K的過熱蒸汽推動透平機作功，并在71kPa下排出。此透平機既不是可逆的也不是絕熱的，實際輸出的軸功相當于可逆絕熱功的85％。另有少量的熱散入293K的環(huán)境，損失熱為7.1kJ/kg。求此過程的理想功、損失功和熱力學效率。解：未知量已知：又若求得可逆絕熱功WR，則可求解Ws，進而求得?H，?S。18:56:2462令始態(tài)為1，終態(tài)為2，經(jīng)絕熱可逆過程的終態(tài)為2’。對于絕熱可逆過程，利用熱力學第一定律：若得到狀態(tài)1和2’的焓值，則?H’即可獲得。狀態(tài)1和2’的焓值可利用水蒸汽熱力學圖表查得。詳細計算過程如下：18:56:2463對于絕熱可逆過程：查過熱水蒸汽圖表(p277、p278)以確定初始1狀態(tài)1520kPa，480℃時過熱蒸汽的焓值與熵值（插值法）。參數(shù)1500kPa450℃1500kPa500℃2000kPa450℃2000kPa500℃H3364.23473.13357.53467.7S7.42427.56997.28457.43181500kPa，480℃：同理：2000kPa，480℃：18:56:2464若蒸汽按絕熱可逆膨脹，則是等熵過程，當膨脹至71kPa時，熵為S2’=S1=7.5061kJ/(kg·K)，1520kPa，480℃：即，初始狀態(tài)1.52MPa，480℃時的蒸汽焓、熵值為H1=3429.30kJ/kg，S1=7.5061kJ/(kg·K)18:56:2465查飽和水蒸汽表（p271）,71kPa飽和水蒸汽熵值為7.4743kJ/(kg·K)。該值小于S2’，因此2’點仍為過熱蒸汽。查水蒸汽表（p271、p274）得：參數(shù)50kPa100℃70kPa飽和蒸汽100kPa100℃75kPa飽和蒸汽H2682.12659.62675.92662.5S7.69117.47897.36097.4557參數(shù)71kPa,100℃2’71kPa,飽和蒸汽H2679.50H2’2660.18S7.55247.50617.4743插值求解得：18:56:2466可逆絕熱過程熱力學第一定律：可逆絕熱功：實際輸出軸功：再利用插值法：18:56:2467實際過程熱力學第一定律：實際過程焓變：實際過程終態(tài)2焓：18:56:2468參數(shù)50kPa140℃50kPa160℃100kPa140℃100kPa160℃H2760.22799.12756.22795.8S7.89287.98487.56557.6591查過熱水蒸汽表（p275）得：插值求解得：參數(shù)71kPa140℃終態(tài)271kPa160℃H2758.52775.182797.7S7.7553S27.8480再利用插值法：18:56:2469實際過程熵變：理想功：損失功：熱力學效率：18:56:24706.5有效能（?）6.5.1有效能的概念以平衡的環(huán)境狀態(tài)(P0、T0)為基準：理論上能夠最大限度地轉(zhuǎn)化為功的能量稱為有效能(Exergy)，稱為?，用符號Ex表示；理論上不能轉(zhuǎn)化為功的能量稱為無效能(Anergy)，用符號An表示。18:56:2471有效能的定義式：系統(tǒng)在一定狀態(tài)下的有效能，就是系統(tǒng)從該狀態(tài)變化到基準態(tài)（環(huán)境狀態(tài)）過程所作的理想功。穩(wěn)流過程，從狀態(tài)1變到狀態(tài)2，過程的理想功為：當系統(tǒng)由任意狀態(tài)(T,p)變到基態(tài)(T0,p0)時，穩(wěn)流系統(tǒng)的有效能Ex為：無效能的定義式：18:56:2472有效能的概念將能量的“質(zhì)”與“量”二者有機地結(jié)合起來，真正體現(xiàn)了熱力學體系中能量的真正價值。對于所有用能過程，第二定律式可以用有效能表示為：即用能過程中可能作出的最大功等于體系的有效能Ex，同時放出的最小熱量等于體系的無效能An(可逆條件下)，而作功與放熱的總和不論條件是否可逆都等于體系的能量E，即：涵義：由于環(huán)境和熵函數(shù)的存在，能量中只有一部分（有效能）是可以無限轉(zhuǎn)換和可以推動過程進行的；另一部分（無效能）只能表現(xiàn)為同環(huán)境交換的熱量。18:56:2473有效能的本質(zhì)功和熱——能量傳遞方式的兩種過程量。功與微觀無序度無關(guān)，稱作有序的能量傳遞方式；熱伴有微觀無序度變化，稱作無序的能量傳遞方式。熵S是標志質(zhì)點運動無序度的唯一基本狀態(tài)參數(shù)。同熵的存在相聯(lián)系，即有效能是沒有熵變化的能量形式（ΔSt=0），表現(xiàn)為能量的有序運動和傳遞——功，如機械能、電能、動能、位能等，而熱能則是有序、無序運動能量的混合體。18:56:2474有效能的特性有效能是能量的有序部分，無效能是能量中的無序部分。有效能取決于兩個狀態(tài)：當前狀態(tài)和環(huán)境狀態(tài)環(huán)境成為一切過程的終點，強度量差為這些過程的推動力。18:56:2475有效能分類：18:56:2476有效能的性質(zhì)（1）加和性：即Ex=ΣExi；（2）有效能、無效能均為特殊的熱力學參量，需由兩個狀態(tài)量來決定（現(xiàn)狀態(tài)與環(huán)境狀態(tài)），且只與終始兩個狀態(tài)有關(guān)，與實際路徑無關(guān)，在此稱為含蓄量；（3）在可逆過程中，有效能沒有損失；在實際過程中，有效能發(fā)生損耗，有效能轉(zhuǎn)換為無效能。18:56:2477能級ε—單位能量所含有的有效能有效能Ex與能量E比值稱為“能級系數(shù)”ε：即ε為反映能量質(zhì)量的參數(shù)或能量的品位。有效能的損耗，亦即能的降質(zhì)，ε↓。18:56:24786.5.2有效能的計算（1）機械能、電能的有效能機械能和電能全部是有效能，即動能和位能也全部是有效能。（2）物理有效能物理有效能是指系統(tǒng)的溫度、壓力等狀態(tài)不同于環(huán)境而具有的有效能。——化工生產(chǎn)中與熱量傳遞有關(guān)的加熱、冷卻、冷凝過程，以及與壓力變化有關(guān)的壓縮、膨脹等過程，只考慮物理有效能。18:56:2479①熱有效能溫度為T的恒溫熱源的熱量Q,熱有效能按卡諾熱機所能做的最大功計算：變溫過程的熱有效能：18:56:2480②壓力有效能對于理想氣體：每摩爾理想氣體氣體的壓力有效能：18:56:2481（3）化學有效能處于環(huán)境溫度與壓力下的系統(tǒng)，與環(huán)境之間進行物質(zhì)交換（物理擴散或化學反應(yīng)），最后達到與環(huán)境平衡，此過程所能做的最大功為化學有效能。在計算化學有效能時不但要確定環(huán)境的溫度和壓力，而且要指定基準物和濃度。18:56:2482例6-4：

比較l.013MPa、6.867MPa、8.611MPa的飽和蒸汽以及1.013MPa、573K的過熱蒸氣的有效能大小。取環(huán)境狀態(tài)p＝0.1013MPa、T0＝298.15K，并就計算結(jié)果對蒸汽的合理利用加以討論。解：參數(shù)P/MPaT/K(H-H0)kJ/kgEx/kJ/kgEx/(H-H0)%水0.1013298.15飽和蒸汽1.013453267181430.48過熱蒸汽1.013573294893431.68飽和蒸汽6.867557.52670104339.06飽和蒸汽8.6115732678109240.7818:56:2483由計算結(jié)果可見：（1）壓力相同（1.013MPa）時，過熱蒸汽的有效能較飽和蒸汽為大，故其做功能力也大。（2）溫度相同（573K）時，高壓蒸汽的焓值反較低壓蒸汽為小，所以通常用低壓蒸汽作為工藝加熱之用，以減少設(shè)備費用。（3）溫度相同（573K）時，高壓蒸汽有效能比低壓蒸汽大，而且熱轉(zhuǎn)化為功的效率也較高（前者40.78%，后者31.68%）。所以大型合成氨廠，溫度在623K以上的高溫熱能都用來產(chǎn)生10.33MPa的蒸汽，作為獲得動力的能源，以提高熱能的利用率。（3）表中所列557.5K和453K時，飽和蒸汽所能放出的熱量基本相等，但高溫蒸汽的有效能比低溫蒸汽大。由此說明，盲目的把高溫高壓蒸汽用作加熱就是一種浪費。因此，一般用來供熱的大都是0.5~1.0MPa的飽和蒸汽。18:56:24846.5.3過程的不可逆性和有效能損失一切生產(chǎn)實際過程都是不可逆過程，在不可逆過程中存在各種不可逆因素，例如各種傳遞過程和反應(yīng)過程都存在著阻力，如流體阻力、熱阻、擴散阻力和化學反應(yīng)阻力等。要使過程以一定的速度進行，就必須克服阻力，保持一定的推動力，必然會造成體系有效能的損失。根據(jù)有效能的定義式，分別求得體系在始態(tài)1和終態(tài)2的有效能，并相減可得：18:56:2485即：系統(tǒng)由狀態(tài)1變化到狀態(tài)2，有效能的變化等于按完全可逆過程完成該狀態(tài)變化的理想功。當?Ex＞0，系統(tǒng)的變化需要消耗外功，最小為Wid當?Ex＜0，系統(tǒng)的變化可對外做功，最大為Wid18:56:2486因此，在可逆過程中減小的有效能全部用于做功，有效能沒有損失。但對于不可逆過程，情況有所不同，實際所做的功總是小于理想功，既小于有效能的減少，所以有效能必然要有損失。由此可見，在不可逆過程中，有部分有效能降級變?yōu)闊o效能而不做功，其總的有效能損失就等于損失功。即，有效能損失：18:56:2487（1）傳熱過程高溫物流放出熱量-

?Q的熵變：低溫物流吸收熱量?Q的熵變：有效能損失：因此：ⅰ)實際傳熱過程因存在溫差，存在有效能損失；ⅱ)溫差增大，有效能損失增大。總熵變：18:56:2488（2）流體輸送（穩(wěn)流過程）對穩(wěn)流體系，若忽略動能和勢能：對管道流動，一般情況下，Q=0（無熱交換）WS=0（無軸功）所以：ΔH=0dH=0對于封閉體系熱力學基本方程：即對于無換熱、無軸功穩(wěn)流體系中單位質(zhì)量流體：有效能損失：18:56:2489因此，要降低流動過程有效能損失，就應(yīng)適當減少流動過程的推動力，也就是減少壓降。這就要求減少管路上的彎頭和縮擴變化，適當加大管徑以減少阻力等。但管徑加大后，將使費用增加。這是一對矛盾，必須選擇經(jīng)濟流速，謀求最佳管徑，解決好能耗與投資的矛盾。（3）傳質(zhì)過程敞開系熱力學基本方程：18:56:2490發(fā)生傳質(zhì)過程的原因是兩相的化學位不等，將上式應(yīng)用于α和β兩相，并假定兩相溫度相等，略去壓力變化，假定總體系與環(huán)境之間既無熱也無功交換。可得：又知：所以：18:56:2491因此，傳質(zhì)過程有效能損失隨活度差的增大而增大。（4）結(jié)論：有效能損失在任何不可逆過程都是存在的，有效能損失與過程推動力的大小有關(guān)，推動力越大損失越大。18:56:2492例6-5：如圖所示，裂解氣在中冷塔中分離，塔的操作壓力為3.444MPa，液態(tài)烴（由C2、C3、C4等組成）由塔底進入再沸器，其溫度為318K；經(jīng)0.1965MP的飽和蒸汽加熱蒸發(fā)回到塔內(nèi)。已知再沸器中冷凝水為313K，大氣溫度T0為293K，液態(tài)烴在318K，3.444MP下氣化熱(?Hv)為293kJ/kg。汽化熵(?Sv)為0.921kJ/(kg.K)。求算加熱前后液態(tài)烴，水蒸氣的有效能變化及有效能損失。解：查飽和水蒸汽表：0.1965MP的飽和蒸汽：T=392.6K，H氣=2706kJ/kg,S氣=7.133kJ/(kg.K)冷凝水：H水=167.4kJ/kg,S水=0.572kJ/(kg.K)18:56:2493(1)求消耗1kg水蒸氣蒸發(fā)液烴的量m能量衡算：(2)液態(tài)烴有效能變化ΔEx烴18:56:2494(3)水蒸氣有效能變化(4)有效能損失18:56:24956.6有效能衡算及有效能效率6.6.1有效能平衡方程穩(wěn)流系統(tǒng)孤立系統(tǒng)有效能平衡式可由熱力學第一定律和熱力學第二定律推導。18:56:2496由熱力學第一定律：（忽略動能、勢能）由熱力學第二定律，分兩種情況考慮:(1)可逆過程：對該穩(wěn)流系統(tǒng)進行熵平衡計算：18:56:2497輸入的有效能：物流帶入有效能：熱有效能：功有效能：輸出的有效能：物流帶出有效能：即：18:56:2498(2)不可逆過程：即：對于實際過程，有效能損失總是存在的。18:56:2499注意點：①能量衡算是以第一定律為基礎(chǔ)，有效能衡算是以第一、第二定律為基礎(chǔ)；②能量守恒，但有效能不一定守恒?？赡孢^程有效能守恒，不可逆過程有效能總是減少；③能量衡算反映了能量的利用情況，而有效能衡算可反映能量的質(zhì)量、數(shù)量的利用情況；④EL

的計算方法，包括：18:56:241006.6.2有效能效率對于一個設(shè)備或過程，輸出的有效能與提供給它的有效能的比值。注意點：有效能效率在任何情況下均小于1，大于0；若EL=0，ηEx=1則說明過程為完全可逆過程;若EL

＞0，ηEx＜1，則說明過程為不可逆過程