化工熱力學(xué)第六章

化工熱力學(xué)第六章第一頁，共一百頁，2022年，8月28日2任務(wù)

對(duì)化工過程進(jìn)行熱力學(xué)分析，包括對(duì)化工過程的能量轉(zhuǎn)化、傳遞、使用和損失情況進(jìn)行分析，揭示能量消耗的大小、原因和部位，為改進(jìn)工藝過程，提高能量利用率指出方向和方法。第二頁，共一百頁，2022年，8月28日3能量的級(jí)別1）低級(jí)能量理論上不能完全轉(zhuǎn)化為功的能量，如熱能、熱力學(xué)內(nèi)能、焓等2）高級(jí)能量理論上完全可以轉(zhuǎn)化為功的能量，如機(jī)械能、電能、風(fēng)能等3）能量的貶值第三頁，共一百頁，2022年，8月28日4本章的主要內(nèi)容1）流動(dòng)系統(tǒng)的熱力學(xué)關(guān)系式2）過程的熱力學(xué)分析3）動(dòng)力循環(huán)第四頁，共一百頁，2022年，8月28日§6-2熱力學(xué)第一定律1封閉系統(tǒng)的熱力學(xué)第一定律

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，可以相互轉(zhuǎn)化或傳遞，但能量的數(shù)量是守恒的第五頁，共一百頁，2022年，8月28日2穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)的熱力學(xué)第一定律穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)：流體流動(dòng)途徑中所有各點(diǎn)的狀況都相等，且不隨時(shí)間而變化，即所有質(zhì)量和能量的流率均為常數(shù)，系統(tǒng)中沒有物料和能量的積累。穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)的熱力學(xué)第一定律表達(dá)式為：第六頁，共一百頁，2022年，8月28日所以得微分形式：第七頁，共一百頁，2022年，8月28日若忽略動(dòng)能和勢(shì)能變化，則有即為封閉系統(tǒng)的熱力學(xué)關(guān)系式第八頁，共一百頁，2022年，8月28日§6-3熱力學(xué)第二定律和熵平衡1熱力學(xué)第二定律1）Clausius說法：熱不可能自動(dòng)從低溫物體傳給高溫物體2）Kelvin說法：不可能從單一熱源吸熱使之完全變?yōu)橛杏玫墓Χ灰鹌渌兓?。?shí)質(zhì)：自發(fā)過程都是不可逆的第九頁，共一百頁，2022年，8月28日2熵及熵增原理1）熱機(jī)效率2）可逆熱機(jī)效率第十頁，共一百頁，2022年，8月28日3）熵的定義3.1）可逆熱溫商3.2）熵的微觀物理意義系統(tǒng)混亂程度大小的度量第十一頁，共一百頁，2022年，8月28日對(duì)可逆的等溫過程對(duì)可逆的絕熱過程常稱為等熵過程對(duì)封閉系統(tǒng)中進(jìn)行的任何過程，都有——熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式第十二頁，共一百頁，2022年，8月28日4）熵增原理若將系統(tǒng)和環(huán)境看作一個(gè)大系統(tǒng)，即為孤立系統(tǒng)，總熵變?chǔ)t等于封閉系統(tǒng)熵變?chǔ)和環(huán)境熵變?chǔ)0之和。第十三頁，共一百頁，2022年，8月28日自發(fā)進(jìn)行的不可逆過程只能向著總熵增大的方向進(jìn)行，最終趨向平衡態(tài)。此時(shí)總熵變達(dá)到最大值，即ΔSt=0達(dá)到了過程的終點(diǎn)。熵增原理為判斷過程進(jìn)行的方向和限度提供了依據(jù)。

第十四頁，共一百頁，2022年，8月28日3封閉系統(tǒng)的熵平衡熱力學(xué)第一定律無法計(jì)算由于過程不可逆引起的能量貶值的損耗，通過熵平衡關(guān)系可以精確衡量過程的能量利用效率。

熵平衡方程第十五頁，共一百頁，2022年，8月28日dSg—熵產(chǎn)生。不可逆過程中，有序能量耗散為無序熱能，并被系統(tǒng)吸收而導(dǎo)致系統(tǒng)熵的增加。不是系統(tǒng)的性質(zhì)，與系統(tǒng)的不可逆過程有關(guān)?？赡孢^程無熵產(chǎn)生第十六頁，共一百頁，2022年，8月28日4穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)的熵平衡ΔSgΔSf敞開系統(tǒng)熵平衡簡(jiǎn)圖第十七頁，共一百頁，2022年，8月28日敞開系統(tǒng)的熵平衡方程式為：ΔSf為熵流，伴隨熱量流動(dòng)而產(chǎn)生的相應(yīng)的熵變化?？烧?、可負(fù)、可零。規(guī)定流入體系為正，流出體系為負(fù)；

ΔSg為熵產(chǎn)生該式適用于任何熱力學(xué)系統(tǒng)第十八頁，共一百頁，2022年，8月28日對(duì)于不同系統(tǒng)可進(jìn)一步簡(jiǎn)化

對(duì)穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)

第十九頁，共一百頁，2022年，8月28日對(duì)可逆絕熱過程第二十頁，共一百頁，2022年，8月28日對(duì)絕熱節(jié)流穩(wěn)流過程，只有單股流體第二十一頁，共一百頁，2022年，8月28日§6-4理想功、損失功和有效能1理想功Wid：1）定義系統(tǒng)的狀態(tài)變化按完全可逆的過程進(jìn)行時(shí)，理論上產(chǎn)生的最大功或者消耗的最小功。是一個(gè)理想的極限值，可作為實(shí)際功的比較標(biāo)準(zhǔn)第二十二頁，共一百頁，2022年，8月28日2）完全可逆：完全可逆是指（1）系統(tǒng)的所有變化是可逆的；（2）系統(tǒng)與環(huán)境進(jìn)行可逆的熱交換。環(huán)境通常指大氣溫度T0和壓力p0=0.1013MPa的狀態(tài)第二十三頁，共一百頁，2022年，8月28日3）穩(wěn)流過程的理想功若忽略動(dòng)能和勢(shì)能變化，第二十四頁，共一百頁，2022年，8月28日

比較理想功與實(shí)際功，可以評(píng)價(jià)實(shí)際過程的不可逆程度第二十五頁，共一百頁，2022年，8月28日2損失功1）定義：損失功定義為系統(tǒng)在相同的狀態(tài)變化過程中，實(shí)際過程所作的功（產(chǎn)生或消耗）與完全可逆過程所作的理想功之差。第二十六頁，共一百頁，2022年，8月28日對(duì)穩(wěn)流過程表示為：第二十七頁，共一百頁，2022年，8月28日損失功由兩部分構(gòu)成：1）由過程不可逆性引起的熵增造成2）由過程的熱損失造成表明損失功與總熵變及環(huán)境溫度的關(guān)系過程的不可逆程度越大，總熵增越大，損失功越大。不可逆過程都是有代價(jià)的第二十八頁，共一百頁，2022年，8月28日例1：298K，0.1013MPa的水變成273K，同壓力冰的理想功。273K冰的熔化焓變?yōu)?34.7kJ?kg-1298K，0.1013MPa的水初態(tài)273K，0.1013MPa的冰終態(tài)H1=104.897kJ?kg-1，S1=0.367kJ?kg-1?K-1H2，S2第二十九頁，共一百頁，2022年，8月28日第三十頁，共一百頁，2022年，8月28日1）環(huán)境溫度為25℃時(shí)是一個(gè)耗功過程，消耗的最小功是35.10kJ?kg-1第三十一頁，共一百頁，2022年，8月28日2）環(huán)境溫度是268K時(shí)是一個(gè)做功過程，可提供的最大功是12.69kJ?kg-1理想功的計(jì)算與環(huán)境溫度有關(guān)第三十二頁，共一百頁，2022年，8月28日例2：計(jì)算損失功1.5MPa773K過熱蒸汽0.07MPaQ環(huán)境T0=293K第三十三頁，共一百頁，2022年，8月28日第三十四頁，共一百頁，2022年，8月28日3有效能B：一定狀態(tài)下的有效能即是系統(tǒng)從該狀態(tài)變到基態(tài)，即達(dá)到與環(huán)境處于完全平衡狀態(tài)時(shí)此過程的理想功。對(duì)于穩(wěn)流過程，從狀態(tài)1變到狀態(tài)2，過程的理想功為第三十五頁，共一百頁，2022年，8月28日選定基態(tài)為（T0，p0），系統(tǒng)由任意狀態(tài)變到基態(tài)時(shí)穩(wěn)流系統(tǒng)的有效能B為：系統(tǒng)具有的能量無效能第三十六頁，共一百頁，2022年，8月28日1）物理有效能物理有效能指系統(tǒng)的溫度、壓力等狀態(tài)不同于環(huán)境而具有的能量?；み^程中與熱量傳遞及壓力變化有關(guān)的過程只考慮物理有效能第三十七頁，共一百頁，2022年，8月28日2）化學(xué)有效能處于環(huán)境溫度、壓力下的系統(tǒng)，由于與環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換或化學(xué)反應(yīng)，達(dá)到與環(huán)境平衡所作的最大功為化學(xué)有效能。因此計(jì)算化學(xué)有效能需要確定每一元素的環(huán)境狀態(tài)，為簡(jiǎn)化計(jì)算，建立了環(huán)境模型。第三十八頁，共一百頁，2022年，8月28日

從系統(tǒng)狀態(tài)到環(huán)境狀態(tài)需經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)與物理擴(kuò)散兩個(gè)過程：

①化學(xué)反應(yīng)將系統(tǒng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化成環(huán)境物質(zhì)（基準(zhǔn)物）②物理擴(kuò)散使系統(tǒng)反應(yīng)后的物質(zhì)濃度變化到與環(huán)境濃度相同的過程第三十九頁，共一百頁，2022年，8月28日例：計(jì)算碳的化學(xué)有效能C的環(huán)境狀態(tài)是CO2純氣體，達(dá)到環(huán)境態(tài)需經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)C+O2→CO2計(jì)算基準(zhǔn)取1mol第四十頁，共一百頁，2022年，8月28日O2的濃度為0.21，因此第四十一頁，共一百頁，2022年，8月28日4有效能效率和有效能分析1）有效能效率從狀態(tài)1變到狀態(tài)2，有效能變化為當(dāng)ΔB<0，減少的有效能全部用于做可逆功，所作的最大功為Wid當(dāng)ΔB>0，增加的有效能等于外界消耗的最小功第四十二頁，共一百頁，2022年，8月28日

對(duì)可逆過程有效能守恒，不可逆過程的有效能不守恒。有效能的平衡方程為：D=0，可逆D>0，不可逆D<0，不可能自發(fā)進(jìn)行第四十三頁，共一百頁，2022年，8月28日不可逆過程中，有效能的損失等于損失功有效能效率定義為輸出的有效能與輸入的有效能之比可逆過程ηB=100%真實(shí)過程ηB<100%ηB反映了真實(shí)過程與理想過程的差別第四十四頁，共一百頁，2022年，8月28日2）有效能的分析計(jì)算有效能對(duì)有效能衡算，找出有效能損失的部位、大小、原因第四十五頁，共一百頁，2022年，8月28日例1：比較計(jì)算兩種余熱的有效能1高溫?zé)煹罋饬髁?00kJ?h-1800℃Cp=0.8kJ?kg-1?K-12低溫排水流量1348kJ?h-180℃Cp=4.18kJ?kg-1?K-1環(huán)境298K第四十六頁，共一百頁，2022年，8月28日第四十七頁，共一百頁，2022年，8月28日第四十八頁，共一百頁，2022年，8月28日例2：比較不同蒸氣的有效能和放出的熱序號(hào)狀態(tài)壓力p/MPa溫度T/K熵S/kJ..kg-1.K-1焓H/kJ.kg-1焓變H-H0kJ.kg-1有效能B/kJ.kg-10飽和液體水0.1013298.150.367105001飽和蒸氣1.0453.066.58727782673818.52過熱蒸氣1.0553.157.04730082903911.43飽和蒸氣6.0548.795.889278426791033.2第四十九頁，共一百頁，2022年，8月28日3）能量的合理利用3.1）防止能量無償降級(jí)3.2）采用最佳推動(dòng)力的工藝方案3.3）合理組織能量梯次利用先用功后用熱，使用熱能要溫位匹配總之，要按需供能，按質(zhì)用能，建立合理的綜合用能體系第五十頁，共一百頁，2022年，8月28日§6-5氣體的壓縮與膨脹過程1氣體的壓縮

穩(wěn)流過程壓縮的理論軸功計(jì)算式12a2c2bp1p2pV可逆過程第五十一頁，共一百頁，2022年，8月28日2氣體的膨脹1）絕熱節(jié)流膨脹

Q=0，WS=0

由能量方程得ΔH=0，即等焓過程。

由于存在摩擦阻力損耗，所以節(jié)流過程不可逆，節(jié)流后熵值一定增加。第五十二頁，共一百頁，2022年，8月28日流體節(jié)流時(shí)由于壓力變化而引起的溫度變化稱為節(jié)流效應(yīng)，微小壓力變化與所引起的溫度變化的比值稱為微分節(jié)流效應(yīng)系數(shù)μJ第五十三頁，共一百頁，2022年，8月28日對(duì)于理想氣體μJ=0對(duì)于真實(shí)氣體①

μJ

>0，節(jié)流后溫度降低稱冷效應(yīng)

②

μJ=0，節(jié)流后溫度不變稱零效應(yīng)，零效應(yīng)的狀態(tài)點(diǎn)稱為轉(zhuǎn)換點(diǎn)，轉(zhuǎn)換點(diǎn)的溫度稱為轉(zhuǎn)換溫度，轉(zhuǎn)換點(diǎn)的軌跡稱為轉(zhuǎn)換曲線第五十四頁，共一百頁，2022年，8月28日③

μJ

<0，節(jié)流后溫度升高稱熱效應(yīng)同一氣體在不同狀態(tài)下節(jié)流，可能為正、為負(fù)或零N2p/MPaT/K氮?dú)廪D(zhuǎn)化溫度示意圖第五十五頁，共一百頁，2022年，8月28日壓力變化引起的溫度變化ΔTH稱為積分節(jié)流效應(yīng)3412STT1T2T3T4第五十六頁，共一百頁，2022年，8月28日2）可逆絕熱膨脹

特征Q=0，

ΔS=0，是等熵過程。

等熵膨脹過程中，壓力微小的變化所引起的溫度變化稱為微分等熵效應(yīng)系數(shù)μS等熵膨脹,氣體溫度必降低,總是得到制冷效應(yīng)第五十七頁，共一百頁，2022年，8月28日壓力變化所引起的溫度變化稱積分等熵膨脹效應(yīng)ΔTS12ST2’T1T2’第五十八頁，共一百頁，2022年，8月28日§6-6動(dòng)力循環(huán)第五十九頁，共一百頁，2022年，8月28日第六十頁，共一百頁，2022年，8月28日第六十一頁，共一百頁，2022年，8月28日1

朗肯循環(huán)

透平機(jī)冷凝器過熱器3鍋爐2165461234578STp1p2蒸氣動(dòng)力裝置示意圖理想朗肯循環(huán)T-S圖第六十二頁，共一百頁，2022年，8月28日采用水蒸汽為工質(zhì)的動(dòng)力循環(huán)，稱為蒸汽動(dòng)力循環(huán)，也稱朗肯循環(huán)。分析動(dòng)力循環(huán)的目的是研究循環(huán)中熱、功轉(zhuǎn)換的效果及其影響因素，提高能量轉(zhuǎn)換效果。

1）循環(huán)過程能量分析

蒸汽動(dòng)力循環(huán)應(yīng)用穩(wěn)定流動(dòng)的能量方程ΔH=Q+WS（忽略流體的動(dòng)能、位能變化）進(jìn)行分析第六十三頁，共一百頁，2022年，8月28日⑴工質(zhì)被加熱成為過熱蒸汽1→2→3→4Q=H4-H1>0

⑵過熱蒸汽在透平中可逆絕熱膨脹4→5

WS=ΔH=H5-H4<0⑶乏氣的冷凝5→6Q0=H6-H5<0第六十四頁，共一百頁，2022年，8月28日⑷冷凝水的泵送6→1是將冷凝水通過水泵由p1升壓至p2的可逆絕熱壓縮（等熵過程）Wp=ΔH=H1-H6≈Vl(p1-p2)>0整個(gè)循環(huán)過程QN=Q+Q0

WN=Ws+WpΔH=0所以QN=-WN，即吸收的凈熱等于做出的凈功第六十五頁，共一百頁，2022年，8月28日2）評(píng)價(jià)指標(biāo)⑴蒸汽動(dòng)力循環(huán)的熱效率η：它表示動(dòng)力循環(huán)中鍋爐所供給的熱量Q轉(zhuǎn)化為凈功WN的比率。

反映了不同裝置輸出相同的功量時(shí)所消耗的能量的多少，是評(píng)價(jià)蒸汽動(dòng)力裝置的一個(gè)重要指標(biāo)第六十六頁，共一百頁，2022年，8月28日⑵汽耗率SSC（SpecificSteamConsumption）：做出單位量?jī)艄λ牡恼羝科穆实拇笮】捎脕肀容^裝置的尺寸和過程的經(jīng)濟(jì)性第六十七頁，共一百頁，2022年，8月28日3）實(shí)際的朗肯循環(huán)熱效率低于理想過程，汽耗率則高于理想過程。膨脹和壓縮過程均為不可逆過程，向熵增大的方向進(jìn)行。膨脹過程為4→7，實(shí)際做功為H4-H7<H4-H5,

兩者之比稱為透平機(jī)的等熵膨脹效率或相對(duì)內(nèi)部效率，用η

S表示，反映了透平機(jī)內(nèi)部所有損失第六十八頁，共一百頁，2022年，8月28日2朗肯循環(huán)的改進(jìn)盡可能減小不可逆因素造成的損耗，特別是傳熱溫差大的問題。1）提高蒸汽的過熱溫度使平均吸熱溫度相應(yīng)提高，循環(huán)效率提高，汽耗率下降。同時(shí)，乏氣干度增加。最高不超過873K第六十九頁，共一百頁，2022年，8月28日2）提高蒸汽的壓力提高壓力，平均吸熱溫度會(huì)相應(yīng)提高，但是乏氣干度下降，一般不應(yīng)低于0.88。此外，蒸汽壓力不能超過水的臨界壓力22.064MPa第七十頁，共一百頁，2022年，8月28日3）采用再熱循環(huán)12344’567高壓過熱蒸氣在高壓透平中膨脹到中間壓力，然后引入再熱器加熱，進(jìn)入低壓透平做功。提高了做功能力，避免了乏氣濕含量過高的缺點(diǎn)。第七十一頁，共一百頁，2022年，8月28日WSHWSLWSPQHQRH再熱循環(huán)熱效率第七十二頁，共一百頁，2022年，8月28日4）回?zé)嵫h(huán)利用蒸氣的熱加熱鍋爐給水，減少或消除工質(zhì)在預(yù)熱過程的對(duì)外吸熱，提高了平均吸熱溫度和熱效率第七十三頁，共一百頁，2022年，8月28日第七十四頁，共一百頁，2022年，8月28日5）熱電循環(huán)工質(zhì)全部做功，供熱量與乏氣壓力有關(guān)第七十五頁，共一百頁，2022年，8月28日§6-7制冷循環(huán)使物系溫度降到低于周圍環(huán)境溫度的過程稱為制冷過程。其實(shí)質(zhì)是利用外功將熱從低溫物體傳至高溫物體。1蒸汽壓縮制冷循環(huán)1）逆卡諾循環(huán)

逆卡諾循環(huán)是運(yùn)行在相應(yīng)的高、低溫之間最有效的制冷循環(huán)第七十六頁，共一百頁，2022年，8月28日冷凝器蒸發(fā)器膨脹機(jī)壓縮機(jī)Q0Q212341234T1T2p2p1ST第七十七頁，共一百頁，2022年，8月28日由四個(gè)可逆過程構(gòu)成⑴1—2：絕熱可逆壓縮，等熵過程，消耗外功，溫度上升T1→T2⑵2—3：等溫可逆放熱，循環(huán)放熱量⑶3—4：絕熱可逆膨脹，等熵過程，對(duì)外做功，溫度下降，T2

→T1第七十八頁，共一百頁，2022年，8月28日⑷4—1：等溫可逆吸熱，循環(huán)吸熱量循環(huán)過程所做凈功說明制冷循環(huán)要消耗功第七十九頁，共一百頁，2022年，8月28日⑸制冷效率的評(píng)價(jià)指標(biāo)制冷循環(huán)是逆向的熱機(jī)循環(huán)，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)用制冷系數(shù)ξ表示：從低溫物體吸收的熱量消耗的凈功第八十頁，共一百頁，2022年，8月28日對(duì)于逆卡諾循環(huán)即逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)僅是溫度的函數(shù)，與工質(zhì)無關(guān)。兩溫度之間的制冷循環(huán)以逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)最大，是一切實(shí)際循環(huán)的比較標(biāo)準(zhǔn)第八十一頁，共一百頁，2022年，8月28日2）單級(jí)蒸汽壓縮制冷循環(huán)冷凝器蒸發(fā)器節(jié)流閥壓縮機(jī)Q0Q2123412343’4’T0Tp2p1示意圖T-S圖S第八十二頁，共一百頁，2022年，8月28日

制冷循環(huán)中工作物質(zhì)稱為制冷劑，單位制冷劑的制冷量為制冷劑的制冷能力為Q0kJ?h-1，則其循環(huán)量為第八十三頁，共一百頁，2022年，8月28日壓縮單位重量制冷劑所消耗的功為制冷機(jī)的制冷系數(shù)為制冷機(jī)所消耗的理論功率為第八十四頁，共一百頁，2022年，8月28日3）多級(jí)壓縮制冷循環(huán)91234567812345678910ST第八十五頁，共一百頁，2022年，8月28日2吸收制冷循環(huán)原理介紹吸收制冷就是直接利用熱能制冷的冷凍循環(huán)，通過吸收和精餾裝置來完成循環(huán)過程，液體為工質(zhì)。1）制冷工質(zhì)氨水溶液吸收制冷通常用于低溫系統(tǒng)，最低可達(dá)208K(-65℃)，一般為228K(-45℃)以上第八十六頁，共一百頁，2022年，8月28日溴化鋰溶液吸收制冷通常用于大型中央空調(diào)系統(tǒng)，使用溫度不低于273K(0℃)，一般為278K(5℃)以上2）吸收制冷的特點(diǎn)直接利用熱能制冷，所需熱源溫度較低，可充分利用低品位熱能第八十七頁，共一百頁，2022年，8月28日3）原理利用二元溶液中各組分蒸氣壓不同來進(jìn)行。以揮發(fā)性大（蒸氣壓高）的組分為制冷劑，以揮發(fā)性?。ㄕ魵鈮旱停┑慕M分為吸收劑。第八十八頁，共一百頁，2022年，8月28日b吸收器eQQQQ蒸發(fā)器冷凝器再生器d換熱器f泵gac節(jié)流閥壓縮機(jī)氨吸收制冷循環(huán)示意圖第八十九頁，共一百頁，2022年，8月28日第九十頁，共一百頁，2022年，8月28日3氣體的液化利用制冷循環(huán)獲得低于