化工能量分析

化工能量分析2024/3/30化工能量分析(3)穩(wěn)定流動過程

dE=0E入+Q=E出+WW包括軸功WS和流動功WF兩項

對于1kg流體：

化工能量分析進入時，后面流體推動它，所作流動功為A截為截面積，V為比容敞開系統(tǒng)的流動功為穩(wěn)流過程熱力學(xué)第一定律，穩(wěn)流過程總能量衡算式

化工能量分析例：有一燃氣輪機裝置如圖2-16所示。空氣流量m=10kg/s；在壓氣機進口處空氣的焓h1=290kJ/kg；經(jīng)過壓氣機壓縮后，空氣的焓升為580kJ/kg；在燃燒室中噴油燃燒生成高溫燃氣，其焓為h3=1250kJ/kg；在燃氣輪機中膨脹作功后，焓降低為h4=780kJ/kg；然后排向大氣。試求：(1)壓氣機消耗的功率；(2)燃料消耗量(已知燃料發(fā)熱量HV=43960kJ/kg)；(3)燃氣輪機產(chǎn)出的功率；(4)燃氣輪機裝置輸出的功率。

化工能量分析解：穩(wěn)定流動的能量衡算方程為

(1)壓氣機Q=0；Δc2=0；Δz=0-Ws=Wc=H2-H1=580-290=290kJ/kg消耗的功率為Pc=mWc=10×290=2900kW(2)燃燒室Δc2=0；Δz=0；Ws=0

Q=ΔH=H3-H2=1250-580=670kJ/kg燃料消耗量為mF=mQ/HV=10×670/43960=0.1524kg/s化工能量分析(3)燃氣輪機Q=0；Δc2=0；Δz=0

Ws=-ΔH=H3-H4=1250-780=470kJ/kg燃氣輪機發(fā)出的功率PT=mWs=10×470=4700kW(4)燃氣輪機裝置輸出的功率P=PT–PC=4700-2900=1800kW化工能量分析10．熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用(1)無熱功交換、不可壓縮流體穩(wěn)流過程液體流動，Q=0，WS=0，ΔU=0密度為ρ

得

柏努利方程

化工能量分析(2)無熱功交換、可壓縮流體如氣體經(jīng)過管道、噴管、擴壓管、節(jié)流裝置(閥、孔板)Q=0，WS=0，gΔz≈0，則動能增加等于焓值降低絕熱穩(wěn)流方程式，設(shè)計噴咀的依據(jù)化工能量分析(3)絕熱節(jié)流氣體、液體節(jié)流時，若通道截面積不變，P變化較小，ρ變化較小，動能變化較小，為等焓過程H1=H2

理想氣體T2=T1

實際氣體化工能量分析(4)有大量熱功交換的化工過程傳熱、化學(xué)反應(yīng)過程、液體混合、氣體壓縮則對比ΔU=Q–W兩個功不一樣U靜止物系的總能量，H流動物系的總能量(4.1)絕熱過程Q=0，ΔH=–WS，如：氣體絕熱壓縮、膨脹環(huán)境對系統(tǒng)作功，WS<0，ΔH>0，H↑系統(tǒng)對環(huán)境作功，WS>0，ΔH<0，H↓化工能量分析(4.2)無功交換過程WS=0，如：傳熱、化學(xué)反應(yīng)、精餾、蒸發(fā)、結(jié)晶、萃取ΔH=Q熱衡算基本式，應(yīng)用廣系統(tǒng)吸熱，Q>0，ΔH>0，H↑系統(tǒng)放熱，Q<0，ΔH<0，H↓沒等壓限制(靜止、封閉系統(tǒng)ΔH=QP條件是等壓)化工能量分析(5)充氣過程p2≤p0

ΔE=m2U2-m1U1

W=-minp0v0=-(m2-m1)p0v0

絕熱時，Q=0，充氣前容器真空，p1=0，m1=0，理想氣體

γ=Cp/Cv，化工能量分析充入容器的氣體質(zhì)量快速充氣近似絕熱。緩慢充氣近似等溫T2=T1

Q=(m2-m1)CV0(T1-γT0)化工能量分析(6)放氣過程p2≥p0

ΔE=m2U2-m1U1

快速放氣近似絕熱,Q=0,化工能量分析理想氣體

容器中剩余的氣體質(zhì)量放出氣體的質(zhì)量緩慢放氣近似等溫T2=T1

化工能量分析

Q=(p1-p2)V放出氣體的質(zhì)量

化工能量分析例5：某化肥廠生產(chǎn)半水煤氣，其組成為：CO2：9%；CO：33%；H2：36%；N2：21.5%；CH4：0.5%；進變換爐時，水蒸汽與一氧化碳的摩爾比為6，溫度為653.15K。設(shè)CO的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率為85%，試計算出變換爐的氣體溫度。

化工能量分析解：物料衡算進入變換爐各組分組分CO2COH2N2H2OCH4kmol9333621.51980.5按CO變換反應(yīng)298.15K下，摩爾反應(yīng)熱ΔH=-41198J/mol反應(yīng)掉的CO量33×0.85=28.05kmol出變換爐組分

CO2COH2N2H2OCH4kmol37.054.9564.0521.5169.950.5與外界無熱功交換，ΔH=Q-Ws=0爐內(nèi)近似恒壓，設(shè)計如下過程

化工能量分析

可得ΔH=ΔH1+ΔH2+ΔH3=0查氣體(298.15K至653.15K)的平均比熱，可得組分CO2COH2N2H2OCH4Cp43.529.8129.2229.6435.0445.34化工能量分析ΔH1=(ΣniCpi)ΔTΔH1=(9×43.5+33×29.81+36×29.22+21.5×29.6+198×35.04+0.5×45.34)×(298.15-653.15)=-3.56×106kJΔH2=28.05×(-41198)=-1.156×106kJ出口物的平均比熱與T有關(guān)，設(shè)T=753.15K，查298.15K至753.15K的平均比熱組分CO2COH2N2H2OCH4Cp44.7230.1029.2729.8935.5948.19ΔH3=(37.05×44.72+4.95×30.10+64.05×29.27+21.5×29.89+169.95×35.59+0.5×48.19)×(T-298.15)=1.04×104×(T-298.15)化工能量分析ΔH1+ΔH2+ΔH3

=-3.56×106-1.156×106+1.04×104×(T-298.15)=0得T=751.8K與原設(shè)值相近，不必重新查Cp化工能量分析11．熱力學(xué)第二定律和卡諾效率

(1)目的意義各種過程進行的方向、條件與限度

(2)表述形式根據(jù)不同的應(yīng)用有多種表述形式有關(guān)熱量傳遞：(克勞休斯)熱不能自動地從低溫物體傳給高溫物體有關(guān)熱功轉(zhuǎn)化：(開爾文)從一個熱源吸熱，使之完全轉(zhuǎn)化為功，而不產(chǎn)生其它變化是不可能的有關(guān)熵變化：孤立系統(tǒng)的總熵增只能大于或等于零化工能量分析(3)熵增原理

(3.1)孤立系統(tǒng)：總熵變ΔS孤≥0，過程的方向：ΔS孤>0，極限ΔS孤=0

(3.2)封閉系統(tǒng)：與環(huán)境交換的能量：功與熱

熱源——具有很大熱容量的物系放熱或取熱時溫度不變,視作可逆功源

化工能量分析得≥封閉系統(tǒng)熱力學(xué)第二定律數(shù)學(xué)表達式(3.3)敞開系統(tǒng):≥熱流熵入流熵出流熵穩(wěn)流過程得≥0穩(wěn)流過程熱力學(xué)第二定律數(shù)學(xué)表達式

化工能量分析(3.4)熵平衡式

熵產(chǎn)，可逆過程，不可逆過程>0

孤立系統(tǒng)：封閉系統(tǒng)：敞開系統(tǒng)：穩(wěn)流過程：

化工能量分析(4)卡諾循環(huán)熱轉(zhuǎn)化為功1至2等溫膨脹過程；2至3絕熱膨脹；3至4等溫壓縮過程；4至1絕熱壓縮。

化工能量分析熱轉(zhuǎn)化為功：①必須要有兩個熱源若乏汽直接放入大氣，則低溫?zé)嵩淳褪谴髿飧邷責(zé)嵩矗喝紵龤猓坏蜏責(zé)嵩矗禾烊凰虼髿猗跓岵豢赡苋孔優(yōu)楣ρh(huán)，ΔH=0，ΔH=Q-WSWS=Q=QH+QL，WS(+)，QH(+)，QL(-)，得QH>WS可逆化工能量分析得QL=-QHTL/TH

卡諾功最大熱機效率是卡諾效率<1高溫?zé)嵩礈囟仍礁?，ηC越大；低溫?zé)嵩礈囟仍降?，ηC越大.氣體卡諾循環(huán)特點：無相變

缺點：等溫吸熱和等溫放熱實際上難以實現(xiàn)每循環(huán)完成的功較小

實際不采用

化工能量分析蒸氣卡諾循環(huán)特點：有相變，等溫吸熱和等溫放熱可實現(xiàn)缺點：等溫壓縮困難，濕度大，易出事故上限溫度受限制

實際不采用濕度：液體質(zhì)量分率；干度：蒸汽質(zhì)量分率化工能量分析(5)朗肯(Rankine)循環(huán)特點：有相變，采用等壓吸熱和等壓放熱乏汽完全凝結(jié)，3-5段；冷凝水由泵增壓，6-1段增加了過熱，3-4段

實際應(yīng)用很廣化工能量分析12．軸功的計算(1)可逆軸功WS(R)

WS(R)——無摩擦損耗可逆過程：ΔH=QR–WS(R)根據(jù)dH=TdS+VdP積分式中對照兩式工程應(yīng)用:壓縮功:可逆壓縮P↑，dP>0，WS(R)<0可逆膨脹P↓，dP<0，WS(R)>0

化工能量分析液體:V可視為常數(shù)(2)實際軸功WS(ac)的計算產(chǎn)功裝置：WS(R)>WS(ac)，機械效率耗功裝置：，機械效率得機械效率可實驗測定，一般在0.6~0.8之間。

化工能量分析(3)等熵效率從狀態(tài)1至狀態(tài)2

產(chǎn)功裝置：耗功裝置：HS2是在指定壓力P2、S2=S1條件下的焓值ηS可由實驗測定，一般在0.6~0.9之間

化工能量分析例4：某化工廠用蒸汽透平帶動其它設(shè)備。泵入口水0.10MPa(絕)，由泵加壓至0.7MPa(絕)，泵的等熵效率為0.85，水在鍋爐中被加熱成為280℃的過熱蒸汽，進入透平機膨脹作功，排出蒸汽(乏汽)壓力為0.10MPa(絕)。透平輸出的軸功有一部分用于帶動水泵，大部分作為輸出軸功，透平的等熵效率為0.9。試求熱機效率，以及點4處的蒸汽干度(蒸汽占總量的比例)。t1=15℃，P1=0.10MPa，H1=63.05kJ/kg，V1=0.001001m3/kgP2=0.70MPat3=280.0℃，P3=0.70MPa，H3=3017.1kJ/kg，S3=7.2233kJ/kgK

P4=0.10MPa

化工能量分析例4附圖蒸汽透平裝置

化工能量分析解：實際，計算基準(zhǔn)取1kg水1)水泵=-600.6J/kg=-0.6006kJ/kg