第6章_2熱力學分析-1

1、第6章 熱力學分析100()idWHTSmhTs 理想功：熱力學效率*26-1 某水蒸氣動力裝置，進入水蒸氣透平的水蒸氣流量為1680 ，溫度為430，壓力為3.727MPa。水蒸氣經(jīng)透平絕熱膨脹對外作功。產(chǎn)功后的乏汽為0.1049MPa的飽和水蒸氣。求水蒸氣經(jīng)透平機的理想功和熱力學效率。已知大氣溫度為25 。-1kg h*3解：由附表3用插值法求得P20.1049MPa時飽和水蒸氣的溫度，T2101.0。此狀態(tài)下的焓和熵也可以用插值法得到，即 h22677.6 ， s27.3429 從附表3再用插值法查P13.727MPa，T1430的過熱蒸汽的焓和熵，得 h13287.8 ，s16.910

2、1 則蒸汽經(jīng)透平的理想功為：00()idWHTSmhTs 21021 ()()mhhT ss-11680 (2677.63287.8)298.15(7.34296.9101)1241922.1kJ h345.0kW *4因過程絕熱，Q0。忽略動能、位能的變化，根據(jù)熱力學第一定律，過程產(chǎn)生的軸功為對于產(chǎn)功過程，熱力學效率可按下式計算，即蒸汽經(jīng)透平的理想功與熱力學效率分別為345.0kW和82.55。1680(2677.63287.8)sWHm h -11025136kJ h284.8kW284.80.825582.55%345.0saidWW*52、不可逆過程的損耗功WLQSTWWhQWhSTW

3、WWWsyssidsysssyssysidsidL00恒恒質(zhì)質(zhì)量量流流體體為為計計算算基基準準與環(huán)境交換的熱gtsursysLsursyssidsursursurSTSTSTSTWSTSTWWSTQTQTQS000000000高烏斯托多拉公式*66-3 某廠有輸送90熱水的管道，由于保溫不良，到使用單位時，水溫已降至70。試求水溫降低過程的熱損失和熱耗功。大氣溫度為25?！窘狻?從附表3分別查得70和90時飽和液體水的焓和熵為 70時：h2292.98 ，s20.9549 90時：h1376.92 ，s21.1925 故根據(jù)理想功的定義，過程的理想功為 （376.92292.98）298.15

4、（0.95491.1925） 13.1 12021()()idWhhT ss-1kJ kg-1kJ kg-1-1kJ kgK-1-1kJ kgK-1kJ kg*7忽略動能和位能的變化，有因無軸功交換，ws0，故過程的熱損失q為 -83.94 過程的損耗功：shqw 21292.98376.92qhhh -1kJ kg00210()()LsyssurqWTSSTssT83.94298.15 (0.9549 1.1925)298.1513.1-1kJ kg 在管道中每輸送1kg熱水，因保溫不良，熱損失為83.94kJ，損耗功為13.1kJ。這就是說，本來83.94kJ的熱量通過卡諾機可提供13.1

5、kJ的功，但因熱損失而使13.1kJ的功也消耗掉。*86.2 化工單元過程的熱力學分析傳熱過程流體流動過程分離過程化學反應(yīng)過程*91. 傳熱過程的不可逆損耗功來自熱的溫差。QTTTTTTTQTTQWQQQQQLHLHLLHHLLHLH00011,則傳熱過程的熱損耗為且，低溫時得到換熱器高溫流體給出12120/lnTTTTTQTTTTTWTTTTmLmHmLmHmLLmHmLH替代、為變量，則用平均溫度、若*10注意： 即使換熱器無散熱損失，即熱流體放出的熱量全部被冷流體吸收，仍然會有損失功。這是由于高溫熱量變成了低溫熱量，做功能力下降，能量貶值。 損失功正比于兩流體的傳熱溫差 損失功與兩流體的

6、溫度乘積成反比，即低溫傳熱比高溫傳熱損失功大。*11換熱過程的熱力學效率為（TH、TL均大于T0）高高高高高高低低idLidididHHLLaWWWWWTTQTTQ0011對可逆的無溫差的傳熱過程，若無散熱損失，則a=1；對不可逆有溫差的傳熱過程，a1*1267 設(shè)在用煙道氣預(yù)熱空氣的預(yù)熱器中，通過的煙道氣和空氣的壓力均為常壓，其流量分別為45000kg/h和42000kg/h 。煙道氣進入時的溫度為315，出口溫度為200。設(shè)在此溫度范圍內(nèi)， =1.090kJ/(kgK) ?？諝膺M口溫度為38，設(shè)在此溫度范圍內(nèi)， =1.005kJ/(kgK) 。試計算此預(yù)熱器的損耗功與熱力學效率。已知大氣溫

7、度為25，預(yù)熱器完全保溫。 pmhpmsCCpmhpmsCC*13,2,1,2,1,()()0Hpmh HHHLpmh LLLHm CTTm CTT解：2,LT45000 1.090 (315200)42000 1.00538171.6444.8K=315200528.6588.2ln473.2HmTK171.638374.0444.8ln311.2LmTK，,2,1,()HHpmh HHHQm CTT=450001.090(200-315)=-5.641106 kJ/h*140()LHmLmHHmLmTWTTQTT625173.2(528.6374.0)5.641 10528.6374.0L

8、W=1.315106 kJ/h60,298.2(1)(5.641 10 )(1)528.6id HHHmTWQT=2.459106 kJ/h*15,id Lid HLWWW=2.459106-1.315106 =1.144106 kJ/h6,6,1.144 102.459 10id Laid HWW=46.5*166.4 化工單元過程熱力學分析dPTVSdPTVdSWQdHVdPTdSdHpps210,或必定有功損耗有壓力降的流動過程，與外界無熱、功交換但 流體的壓力差大致與流速成平方關(guān)系，因而流動過程的損耗功大體與流速的平方成正比。為了減少損耗功，除了加大管道直徑外，還可以添加減阻劑或拋光內(nèi)

9、表面。2. 流體流動過程21000021PPVTTWdPTVTSTSTWSLVppgL變化小為過程的熵產(chǎn)量，則為過程的物流熵變，即*17 WL與T0/T成正比關(guān)系，流體溫度越低，WL越大。節(jié)流過程是流動過程的特例。為了減少功損耗要避免節(jié)流過程。 氣體的體積大于液體的體積，WL與體積成正比，因此，氣體節(jié)流的WL大于液體的WL。對此，應(yīng)避免節(jié)流過程。*18 均相物系的分離，如氣體混合物和液體混合物的分離，常見的有精餾、吸收、萃取、蒸發(fā)、結(jié)晶、吸附等過程。iiimidiiiidiiiidxxRTTTHWxxRTWyyRTWln1lnln0000想想功功非非理理想想溶溶液液，分分離離的的理理液液體體分

10、分離離的的理理想想功功氣氣體體分分離離的的理理想想功功*19化學反應(yīng)過程 化學反應(yīng)能量變化比物理變化大得多?；瘜W反應(yīng)過程有的耗能，有的提供能量。 對于放熱反應(yīng)，可利用反應(yīng)放出的熱量加熱入口氣體，以維持反應(yīng)需要的溫度，稱為“自熱”維持。 若利用透平將反應(yīng)熱轉(zhuǎn)化為機械能，可將自熱式反應(yīng)器變成自力式反應(yīng)器。*206.5 過程熱力學分析的三種基本方法過程熱力學分析的三種基本方法?有效能Ex:為了確定體系處于某狀態(tài)時所具有的最大作功能力，引入有效能有效能的概念。?為了表達體系處于某狀態(tài)的作功能力，要確定基準態(tài)，并定義基準態(tài)體系作功能力為零。所謂基準態(tài)就是與周圍環(huán)境達到平衡的狀態(tài)。?由體系所處的狀態(tài)到達基

11、準態(tài)所提供的理想功即為體系處于該狀態(tài)的有效能有效能。*21約束性平衡：體系和環(huán)境僅有熱平衡和力平衡而未達到化學平衡。非約束性平衡：體系和環(huán)境既有熱平衡、力平衡且又有化學平衡。理想的周圍環(huán)境的條件：溫度T0、壓力P0以及構(gòu)成物質(zhì)的濃度保持恒定，且構(gòu)成環(huán)境的物質(zhì)相互間不發(fā)生化學反應(yīng)，彼此間處于熱力學平衡狀態(tài)。單位能量所含的 稱為能級。處于0與1之間。能級是衡量能量質(zhì)量的指標。*22的組成動能EXK 動能可全部轉(zhuǎn)化為有效的功。位能EXP 位能可全部轉(zhuǎn)化為有效的功。物理EXPh 物系與環(huán)境成約束性平衡時所提供的理想功。因溫度和壓力不同產(chǎn)生?；瘜WEXC 物系由約束性平衡達到與環(huán)境成非約束性平衡時所提供的

12、理想功。因組成不同產(chǎn)生。*23XCXPhXPXKXEEEEE組組成成系系由由四四個個穩(wěn)穩(wěn)定定流流動動過過程程流流體體的的在基準狀態(tài)下，上述的四個成分的 均為零。物理 的計算*0*0*0*00000ioiiiiiXPhSSTHHyESSTHHyESSTHHEiiXPhiiiiXPh即即和和與其摩爾分數(shù)的乘積之與其摩爾分數(shù)的乘積之為各組分純態(tài)物理為各組分純態(tài)物理理理理想氣體混合物摩爾物理想氣體混合物摩爾物穩(wěn)流過程的物理穩(wěn)流過程的物理*240000*00*00*0*0*lnlnlnlnlnln00ppRTyRTTTCTTTCyEpypppRTTCppRdTTCSSTTCdTCHHiipmsipmhi

13、iXPhiiipmsiiTTpioiipmhiTTpioii例題6-13 計算三種狀態(tài)下穩(wěn)流過程水蒸氣的的 ，環(huán)境溫度為25。*25化學 的計算（a）環(huán)境模型 由于環(huán)境中基準物的濃度和熱力學狀態(tài)在化學反應(yīng)過程中都發(fā)生變化，因此提出了環(huán)境模型。其中波蘭學者斯蔡古特的模型得到國際公認。日本的龜山吉田模型較實用。環(huán)境溫度T0=298.15K(25)，壓力 P0=0.10133MPa(1atm)。環(huán)境由若干基準物構(gòu)成，每種元素都有其對應(yīng)的基準物和基準反應(yīng)?；鶞饰锏臐舛热嶋H環(huán)境物質(zhì)濃度的平均值。*26標準化學 用環(huán)境模型計算的物質(zhì)化學 稱為標準化學 E0XC,I 由于環(huán)境模型中的基準物質(zhì)的化學 為零，

14、因此元素和環(huán)境物質(zhì)進行化學反應(yīng)變成基準物所提供的理想功即為該元素的化學 ?？諝庵械慕M分O2、CO2、Ar、He等的化學 是以298.15K和0.10133MPa的飽和濕空氣中作為基準物。即這些氣體在298.15K下到達飽和濕空氣中相應(yīng)分壓Pi時的化學 為零。*27純態(tài)化合物標準化學化合物的標準摩爾化學 應(yīng)是組成化合物的單質(zhì)標準摩爾化學 之和減去生成反應(yīng)過程的理想功。ifjjXCjidjjXCjiXCGEWEE,若環(huán)境溫度不為298.15K，化合物化學 的表達式如下，為溫度修正系數(shù)。15.2980,TEEXCXC化化合合物物化化合合物物*28混合物的標準化學iiiiiiXCimXiiiiiXCi

15、mXiiiiiXCimXmXxxRTExExxRTExEyyRTEyEElnlnln0,0,0,對對于于非非理理想想溶溶液液對對于于理理想想溶溶液液，其其組組成成確確定定。以以及及化化學學用用各各純純組組分分的的標標準準摩摩爾爾可可以以其其標標準準摩摩爾爾化化學學對對于于理理想想氣氣體體混混合合物物，*29熱量 的計算 熱量相對于平衡環(huán)境態(tài)所具有的最大作功能力稱為熱量 EXQ。將該熱量可逆地加給一個以環(huán)境為低溫熱源的可逆卡諾熱機，此可逆卡諾熱機所能作出的有用功就是該熱量的 。mXQXQHHHXQCTTQETTQETTTQE00011對于變溫熱源，其熱量對于恒溫熱源，其熱量*30 與理想功物質(zhì)的

16、 是狀態(tài)函數(shù)，取決于給定的狀態(tài)和基準態(tài)。既是體系的狀態(tài)函數(shù)又和周圍自然環(huán)境參數(shù)T0、P0以及環(huán)境物質(zhì)的濃度有關(guān)。理想功是對狀態(tài)變化而言，或者對某一過程而言的，是兩個狀態(tài)的函數(shù)。 對體系處于某狀態(tài)，例如化工原料、燃料和產(chǎn)品應(yīng)該計算其 為多少。*31應(yīng)應(yīng)的的理理想想功功。上上式式也也適適用用于于求求化化學學反反為為的的變變化化量量時時，其其物物理理變變化化狀狀態(tài)態(tài)物物系系從從狀狀態(tài)態(tài)和和分分別別是是時時，其其物物理理和和某某物物系系處處于于狀狀態(tài)態(tài)211201220020100101221212121idXXXXXXXXWSSTHHEEEESSTHHESSTHHEEE*32無效能AN 給定環(huán)境下，

17、能量可轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ牟糠址Q為 ；余下不能轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉驳牟糠址Q為 。能量由 和 兩個部分組成。TTQAATTQQTTQENQNQXQ0001熱熱量量為為恒恒溫溫熱熱源源的的熱熱量量*33為僵態(tài)能量。為僵態(tài)能量。為高級能量，為高級能量，時，全部熱量變成了時，全部熱量變成了的溫度降至環(huán)境溫度的溫度降至環(huán)境溫度當熱量當熱量QATTQETQNQXQ01000NXNXNXdAdEdAdEAEd0,00必必定定增增加加，減減少少則則可可逆逆過過程程有有功功損損耗耗，按按熱熱力力學學第第二二定定律律，不不總總能能量量是是守守恒恒的的，即即根根據(jù)據(jù)熱熱力力學學第第一一定定律律，*34兩種損失和兩種效率能量損失和

18、 損失是完全不同的熱力學問題。能量損失：違反熱力學第一定律，無意義；指由體系排到環(huán)境中去的未利用能量。 損失：包括內(nèi)部損失和外部損失。效率的基本定義是收益量與消耗量之比。消耗量消耗量收益量收益量效率效率*35第一定律效率I,以熱力學第一定律為基礎(chǔ)，確定過程總能量的利用率。其定義是過程所期望的能量與為實現(xiàn)期望所消耗的能量之比。式中，EN是所期望的能量；EA是所消耗的能量。分類：熱效率和性能系數(shù)。C熱（機）效率：ANIEEHNTQW輸輸入入體體系系的的熱熱體體系系輸輸出出的的功功*36 入入蒸蒸汽汽入入電電燃燃料料原原料料有有用用物物料料出出電電出出蒸蒸汽汽產(chǎn)產(chǎn)品品高高高高高高低低復(fù)復(fù)雜雜生生產(chǎn)產(chǎn)

19、過過程程高高溫溫流流體體給給出出的的熱熱量量低低溫溫流流體體得得到到的的熱熱量量傳傳熱熱過過程程EEEEEEEEQQQQQTLTC性能系數(shù)：如制冷系數(shù)與制熱系數(shù)，一般大于1。*37第一定律效率的分子與分母是不同能級的能量。該效率反映了過程所需能量的數(shù)量上的利用情況，不能反映不同質(zhì)的能量的利用情況。即不能反映 的利用情況，是重大缺陷。第二定律效率II。用以確定過程中 的利用率。其定義是過程期望的 EXN與實現(xiàn)期望所消耗的 EXA之比，即XAXNIIEE*38。傳傳熱熱：耗耗功功：產(chǎn)產(chǎn)功功：）熱熱力力學學效效率率效效率率）普普遍遍的的幾幾種種表表達達形形式式：高高低低高高低低EEWWWWWWEEE

20、EEEEEEEididasidaidsaaiXWiXQiXXiXWiXQiXXXXEII;2,1,HLIHLaXXTTTTTTQTTQEE00001111高高低低高高低低給給出出的的為為傳傳熱熱過過程程中中高高溫溫流流體體獲獲得得的的為為傳傳熱熱過過程程中中低低溫溫流流體體*39熱力學分析的基本方法匯總熱力學分析：用熱力學的基本原理來分析和評價過程?；救蝿?wù)：確定過程中能量或 損失的大小、原因及其分別情況，確定過程的效率，為制定節(jié)能措施，實現(xiàn)過程最佳化提供依據(jù)。分析方法：能量衡算法、熵分析法與 分析法。*40能量衡算法能量衡算是通過物料與能量衡算，確定過程的排出能量與能量利用率。熵分析法：通過計算不可逆過程熵產(chǎn)生量，確定