化工熱力學第六章課件

2任務

對化工過程進行熱力學分析，包括對化工過程的能量轉化、傳遞、使用和損失情況進行分析，揭示能量消耗的大小、原因和部位，為改進工藝過程，提高能量利用率指出方向和方法。3能量的級別1）低級能量理論上不能完全轉化為功的能量，如熱能、熱力學內能、焓等2）高級能量理論上完全可以轉化為功的能量，如機械能、電能、風能等3）能量的貶值4本章的主要內容1）流動系統(tǒng)的熱力學關系式2）過程的熱力學分析3）動力循環(huán)§6-2熱力學第一定律1封閉系統(tǒng)的熱力學第一定律

熱和功是兩種本質不同且與過程傳遞方式有關的能量形式，可以相互轉化或傳遞，但能量的數(shù)量是守恒的

2穩(wěn)定流動系統(tǒng)的熱力學第一定律穩(wěn)定流動狀態(tài)：流體流動途徑中所有各點的狀況都相等，且不隨時間而變化，即所有質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)定流動系統(tǒng)的熱力學第一定律表達式為：所以得微分形式：若忽略動能和勢能變化，則有即為封閉系統(tǒng)的熱力學關系式§6-3熱力學第二定律和熵平衡1熱力學第二定律1）Clausius說法：熱不可能自動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?。實質：自發(fā)過程都是不可逆的2熵及熵增原理1）熱機效率2）可逆熱機效率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對可逆的等溫過程對可逆的絕熱過程常稱為等熵過程對封閉系統(tǒng)中進行的任何過程，都有——熱力學第二定律的數(shù)學表達式4）熵增原理若將系統(tǒng)和環(huán)境看作一個大系統(tǒng)，即為孤立系統(tǒng)，總熵變ΔSt等于封閉系統(tǒng)熵變ΔS和環(huán)境熵變ΔS0之和。自發(fā)進行的不可逆過程只能向著總熵增大的方向進行，最終趨向平衡態(tài)。此時總熵變達到最大值，即ΔSt=0達到了過程的終點。熵增原理為判斷過程進行的方向和限度提供了依據(jù)。

3封閉系統(tǒng)的熵平衡熱力學第一定律無法計算由于過程不可逆引起的能量貶值的損耗，通過熵平衡關系可以精確衡量過程的能量利用效率。

熵平衡方程dSg—熵產生。不可逆過程中，有序能量耗散為無序熱能，并被系統(tǒng)吸收而導致系統(tǒng)熵的增加。不是系統(tǒng)的性質，與系統(tǒng)的不可逆過程有關?？赡孢^程無熵產生4穩(wěn)定流動系統(tǒng)的熵平衡ΔSgΔSf敞開系統(tǒng)熵平衡簡圖敞開系統(tǒng)的熵平衡方程式為：

ΔSf為熵流，伴隨熱量流動而產生的相應的熵變化?？烧?、可負、可零。規(guī)定流入體系為正，流出體系為負；

ΔSg為熵產生該式適用于任何熱力學系統(tǒng)對于不同系統(tǒng)可進一步簡化

對穩(wěn)定流動系統(tǒng)

對可逆絕熱過程對絕熱節(jié)流穩(wěn)流過程，只有單股流體§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行時，理論上產生的最大功或者消耗的最小功。是一個理想的極限值，可作為實際功的比較標準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)3）穩(wěn)流過程的理想功若忽略動能和勢能變化，比較理想功與實際功，可以評價實際過程的不可逆程度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，實際過程所作的功（產生或消耗）與完全可逆過程所作的理想功之差。對穩(wěn)流過程表示為：損失功由兩部分構成：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的例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，S21）環(huán)境溫度為25℃時是一個耗功過程，消耗的最小功是35.10kJ?kg-12）環(huán)境溫度是268K時是一個做功過程，可提供的最大功是12.69kJ?kg-1理想功的計算與環(huán)境溫度有關例2：計算損失功1.5MPa773K過熱蒸汽0.07MPaQ環(huán)境T0=293K3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)，即達到與環(huán)境處于完全平衡狀態(tài)時此過程的理想功。對于穩(wěn)流過程，從狀態(tài)1變到狀態(tài)2，過程的理想功為選定基態(tài)為（T0，p0），系統(tǒng)由任意狀態(tài)變到基態(tài)時穩(wěn)流系統(tǒng)的有效能B為：系統(tǒng)具有的能量無效能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的過程只考慮物理有效能2）化學有效能處于環(huán)境溫度、壓力下的系統(tǒng)，由于與環(huán)境進行物質交換或化學反應，達到與環(huán)境平衡所作的最大功為化學有效能。因此計算化學有效能需要確定每一元素的環(huán)境狀態(tài)，為簡化計算，建立了環(huán)境模型。從系統(tǒng)狀態(tài)到環(huán)境狀態(tài)需經(jīng)過化學反應與物理擴散兩個過程：

①化學反應將系統(tǒng)物質轉化成環(huán)境物質（基準物）②物理擴散使系統(tǒng)反應后的物質濃度變化到與環(huán)境濃度相同的過程例：計算碳的化學有效能C的環(huán)境狀態(tài)是CO2純氣體，達到環(huán)境態(tài)需經(jīng)過化學反應C+O2→CO2計算基準取1molO2的濃度為0.21，因此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ΔB>0，增加的有效能等于外界消耗的最小功對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)進行不可逆過程中，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%真實過程ηB<100%ηB反映了真實過程與理想過程的差別2）有效能的分析計算有效能對有效能衡算，找出有效能損失的部位、大小、原因例1：比較計算兩種余熱的有效能1高溫煙道氣流量500kJ?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例2：比較不同蒸氣的有效能和放出的熱序號狀態(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6.0548.795.889278426791033.23）能量的合理利用3.1）防止能量無償降級3.2）采用最佳推動力的工藝方案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，按質用能，建立合理的綜合用能體系§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算式12a2c2bp1p2pV可逆過程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。流體節(jié)流時由于壓力變化而引起的溫度變化稱為節(jié)流效應，微小壓力變化與所引起的溫度變化的比值稱為微分節(jié)流效應系數(shù)μJ對于理想氣體μJ=0對于真實氣體①

μJ

>0，節(jié)流后溫度降低稱冷效應

②

μJ=0，節(jié)流后溫度不變稱零效應，零效應的狀態(tài)點稱為轉換點，轉換點的溫度稱為轉換溫度，轉換點的軌跡稱為轉換曲線③

μJ

<0，節(jié)流后溫度升高稱熱效應同一氣體在不同狀態(tài)下節(jié)流，可能為正、為負或零N2p/MPaT/K氮氣轉化溫度示意圖壓力變化引起的溫度變化ΔTH稱為積分節(jié)流效應3412STT1T2T3T42）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系數(shù)μS等熵膨脹,氣體溫度必降低,總是得到制冷效應壓力變化所引起的溫度變化稱積分等熵膨脹效應ΔTS12ST2’T1T2’§6-6動力循環(huán)1

朗肯循環(huán)

透平機冷凝器過熱器3鍋爐2165461234578STp1p2蒸氣動力裝置示意圖理想朗肯循環(huán)T-S圖采用水蒸汽為工質的動力循環(huán)，稱為蒸汽動力循環(huán)，也稱朗肯循環(huán)。分析動力循環(huán)的目的是研究循環(huán)中熱、功轉換的效果及其影響因素，提高能量轉換效果。

1）循環(huán)過程能量分析

蒸汽動力循環(huán)應用穩(wěn)定流動的能量方程ΔH=Q+WS（忽略流體的動能、位能變化）進行分析⑴工質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<0⑷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2）評價指標⑴蒸汽動力循環(huán)的熱效率η：它表示動力循環(huán)中鍋爐所供給的熱量Q轉化為凈功WN的比率。

反映了不同裝置輸出相同的功量時所消耗的能量的多少，是評價蒸汽動力裝置的一個重要指標⑵汽耗率SSC（SpecificSteamConsumption）：做出單位量凈功所消耗的蒸汽量汽耗率的大小可用來比較裝置的尺寸和過程的經(jīng)濟性3）實際的朗肯循環(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，向熵增大的方向進行。膨脹過程為4→7，實際做功為H4-H7<H4-H5,

兩者之比稱為透平機的等熵膨脹效率或相對內部效率，用η

S表示，反映了透平機內部所有損失2朗肯循環(huán)的改進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提高，循環(huán)效率提高，汽耗率下降。同時，乏氣干度增加。最高不超過873K2）提高蒸汽的壓力提高壓力，平均吸熱溫度會相應提高，但是乏氣干度下降，一般不應低于0.88。此外，蒸汽壓力不能超過水的臨界壓力22.064MPa3）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。WSHWSLWSPQHQRH再熱循環(huán)熱效率4）回熱循環(huán)利用蒸氣的熱加熱鍋爐給水，減少或消除工質在預熱過程的對外吸熱，提高了平均吸熱溫度和熱效率5）熱電循環(huán)工質全部做功，供熱量與乏氣壓力有關§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。其實質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)是運行在相應的高、低溫之間最有效的制冷循環(huán)冷凝器蒸發(fā)器膨脹機壓縮機Q0Q212341234T1T2p2p1ST由四個可逆過程構成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，對外做功，溫度下降，T2

→T1⑷

4—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⑸制冷效率的評價指標制冷循環(huán)是逆向的熱機循環(huán)，其技術經(jīng)濟指標用制冷系數(shù)ξ表示：從低溫物體吸收的熱量消耗的凈功對于逆卡諾循環(huán)即逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)僅是溫度的函數(shù)，與工質無關。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，是一切實際循環(huán)的比較標準2）單級蒸汽壓縮制冷循環(huán)冷凝器蒸發(fā)器節(jié)流閥壓縮機Q0Q2123412343’4’T0Tp2p1示意圖T-S圖S制冷循環(huán)中工作物質稱為制冷劑，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)量為壓縮單位重量制冷劑所消耗的功為制冷機的制冷系數(shù)為制冷機所消耗的理論功率為3）多級壓縮制冷循環(huán)91234567812345678910ST2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。1）制冷工質氨水溶液吸收制冷通常用于低溫系統(tǒng)，最低可達208K(-65℃)，一般為228K(-45℃)以上溴化鋰溶液吸收制冷通常用于大型中央空調系統(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3）原理利用二元溶液中各組分蒸氣壓不同來進行。以揮發(fā)性大（蒸氣壓高