第六章化工過程的能量分析6[1].5

1、6.6.1 能量平衡方程能量平衡方程6.6.2 熱功間的轉(zhuǎn)化熱功間的轉(zhuǎn)化6.6.3 熵函數(shù)熵函數(shù)6.46.4 理想功、損失功及熱力學(xué)效率理想功、損失功及熱力學(xué)效率6.6.5 火用火用與與火無火無6.6.6 火用火用衡算及衡算及火用火用效率效率6.6.7 化工過程與系統(tǒng)的化工過程與系統(tǒng)的火用火用分析分析一一. . 有效能衡算式有效能衡算式, ,可由熱力學(xué)第一律可由熱力學(xué)第一律, ,熱力學(xué)第二律熱力學(xué)第二律推導(dǎo)出來推導(dǎo)出來穩(wěn)流體系穩(wěn)流體系狀態(tài)狀態(tài)1 1狀態(tài)狀態(tài)2 2 H H1 1,S,S1 1H H2 2,S,S2 2 QSW孤立體系孤立體系 6.6 火用火用的衡算及的衡算及火用火用效率效率2由熱

2、力學(xué)第二定律：由熱力學(xué)第二定律： 分兩種情況考慮分兩種情況考慮 SWQHS12WQHH由熱力學(xué)第一定律由熱力學(xué)第一定律( (忽略了動能忽略了動能, ,勢能勢能) )( (A)A)00TS總0Q0TTSS12 020101sTHT SHT SQWT21 00000001sTTSSHHTSSHHQWT2211( (B)B)式（式（A A）減式（）減式（B B）12xxQxxWEEEExixiEE 00000001sTTSSHHTSSHHQWT221121xxxQxWEEEEWxxQxxEEEE21Ex2Ex1QWSR LixixEEE火用的損失火用的損失其中其中 LE 可逆過程可逆過程 ixixE

3、E ixixEE進(jìn)入過程或設(shè)備的進(jìn)入過程或設(shè)備的 總和總和離開過程或設(shè)備的離開過程或設(shè)備的 總和總和不可逆過程：不可逆過程：xixiLEEELxQxsEEEW2 2 結(jié)論：結(jié)論： 能量衡算是以熱一律為基礎(chǔ)，有效能衡算是以熱一能量衡算是以熱一律為基礎(chǔ)，有效能衡算是以熱一、二定律為基礎(chǔ)；、二定律為基礎(chǔ)； 能量守恒，但火用不一定守恒?？赡孢^程火用守恒能量守恒，但火用不一定守恒?？赡孢^程火用守恒，不可逆過程火用總是減少的；，不可逆過程火用總是減少的； 能量衡算反映了能量的利用情況，而火用衡算可反能量衡算反映了能量的利用情況，而火用衡算可反映能量的質(zhì)量、數(shù)量的利用情況；映能量的質(zhì)量、數(shù)量的利用情況； 火

4、用損失火用損失E EL L的計算方法：有兩種：的計算方法：有兩種：LxixiEEE0LETS總XE xxEEEX xLEE1101XELE，則、過程完全可逆02XExLEE，則、過程完全不可逆10,3 XE 則則、過程部分可逆、過程部分可逆 LixixEEE二、二、 能量損失能量損失總能量總能量熱效率熱效率LTTLTQQQQQQ 可可逆逆性性越越小小越越大大，利利用用越越大大，不不XE 注意注意區(qū)別區(qū)別 （失去）（失去）獲得）獲得）xxEEEX( XE EXXEXXXEEE注意：與不同之處在于計算的對象不同:的對象是過程或設(shè)備；的對象是需要做功的對象；更常用。例例 題題例例1. 1. 某換熱器

5、完全保溫。熱流體的流量為某換熱器完全保溫。熱流體的流量為0.042 0.042 kg/skg/s，進(jìn)出換熱器時的溫度分別為，進(jìn)出換熱器時的溫度分別為150150、35 35 ，其等壓比熱容為，其等壓比熱容為4.36 kJ/(kg.K)4.36 kJ/(kg.K)，冷流體進(jìn)出時，冷流體進(jìn)出時的溫度分別為的溫度分別為25 25 、110 110 ，其等壓比熱容為，其等壓比熱容為4.69 4.69 kJ/(kg.K) kJ/(kg.K) 。試計算冷熱流體。試計算冷熱流體火用火用變化、變化、火用火用損失與損失與火用火用效率。效率。6.6.7 化工過程與系統(tǒng)的化工過程與系統(tǒng)的 分析分析11（1 1）能量

6、衡算法）能量衡算法建立在熱力學(xué)第一定律基礎(chǔ)上的熱力學(xué)分析方法。建立在熱力學(xué)第一定律基礎(chǔ)上的熱力學(xué)分析方法。實質(zhì)是通過物料與能量的衡算分析能量轉(zhuǎn)化、利用及實質(zhì)是通過物料與能量的衡算分析能量轉(zhuǎn)化、利用及損失情況，確定過程進(jìn)、出的能量數(shù)量，求出能量利損失情況，確定過程進(jìn)、出的能量數(shù)量，求出能量利用率。用率。不能指出各種能量轉(zhuǎn)化的方向和限度不能指出各種能量轉(zhuǎn)化的方向和限度只反映了能量數(shù)量的關(guān)系，沒有反映能量品位的高低只反映了能量數(shù)量的關(guān)系，沒有反映能量品位的高低不能指出損失的這部分能量的利用價值不能指出損失的這部分能量的利用價值12（2 2）熵分析法）熵分析法是以熱力學(xué)第一定律和第二定律為基礎(chǔ)，通過是

7、以熱力學(xué)第一定律和第二定律為基礎(chǔ)，通過計算裝備或過程的熵產(chǎn)生量以及理想功、損耗計算裝備或過程的熵產(chǎn)生量以及理想功、損耗功，從而確定過程的熱力學(xué)效率。功，從而確定過程的熱力學(xué)效率。缺陷：只能確定過程的不可逆引起的損失功，缺陷：只能確定過程的不可逆引起的損失功，但不能指出到底是哪種能的損失。但不能指出到底是哪種能的損失。13（3 3）火用分析法）火用分析法在對設(shè)備或過程進(jìn)行物料衡算和能量衡算的基在對設(shè)備或過程進(jìn)行物料衡算和能量衡算的基礎(chǔ)上，確定出、入各系統(tǒng)的物流和能流的火用礎(chǔ)上，確定出、入各系統(tǒng)的物流和能流的火用值，由火用平衡方程確定過程的火用損失和火值，由火用平衡方程確定過程的火用損失和火用效率

8、。用效率。全面反映火用損失的部位及數(shù)量，可以有針對全面反映火用損失的部位及數(shù)量，可以有針對性地確定節(jié)能的方向和措施。性地確定節(jié)能的方向和措施。14能量衡算法能量衡算法熵分析法熵分析法火用分析法火用分析法計算工作量計算工作量最小最小居中居中最大最大得到的信息量得到的信息量最少最少居中居中最多最多特點特點只給出能量排出只給出能量排出的損失，而不考的損失，而不考慮這部分能量的慮這部分能量的利用價值，從而利用價值，從而不能全面的反映不能全面的反映出用能過程中存出用能過程中存在的問題在的問題可以得到損耗功，可以得到損耗功，說明能量損失的說明能量損失的關(guān)鍵是過程不可關(guān)鍵是過程不可逆造成的，但是逆造成的，但

9、是不能給出各物流不能給出各物流的作功能力及其的作功能力及其損失情況損失情況雖較復(fù)雜，但可雖較復(fù)雜，但可以克服熵衡算的以克服熵衡算的不足，得出各物不足，得出各物流的作功能力及流的作功能力及其損失情況其損失情況選用原則選用原則如果一個體系，如果一個體系，只是為了利用熱只是為了利用熱能（采暖、工業(yè)能（采暖、工業(yè)用加熱爐等）可用加熱爐等）可以只用能量衡算以只用能量衡算法法對既有熱交換，對既有熱交換，又有功交換的定又有功交換的定組成體系，最好組成體系，最好選用熵分析法選用熵分析法對既有熱交換，對既有熱交換，又有功的變組成又有功的變組成體系，最好選用體系，最好選用火用分析法火用分析法15合理用能基本原則合

10、理用能基本原則（1 1）能盡其用，防止能量的無償降級；）能盡其用，防止能量的無償降級； 按質(zhì)用能，按需供能按質(zhì)用能，按需供能（2 2）設(shè)計中采用最佳推動力；）設(shè)計中采用最佳推動力；（3 3）合理組織能量的多次逐級利用。）合理組織能量的多次逐級利用。 先用功后用熱，將能量逐級使用先用功后用熱，將能量逐級使用按能量級別高低綜合利用能量的概念稱為總能概念按能量級別高低綜合利用能量的概念稱為總能概念sWQuZgH 22 U=Q +W 封閉體系封閉體系 H=Q +Ws 穩(wěn)定流動體系穩(wěn)定流動體系1 1、熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)第一定律4、熱功轉(zhuǎn)換的不等價性、熱功轉(zhuǎn)換的不等價性3、最常用的能量平衡方程、最常用

11、的能量平衡方程5 5、熱力學(xué)第二定律、熱力學(xué)第二定律2 2、穩(wěn)流體系能量平衡方程及其各種簡化、穩(wěn)流體系能量平衡方程及其各種簡化12max1TT 11211QQQQW6 6、熱機效率、熱機效率7 7、卡諾循環(huán)的可逆機熱效率、卡諾循環(huán)的可逆機熱效率8 8、熵及熵增原理、熵及熵增原理熵增原理熵增原理：孤立體系孤立體系的自發(fā)過程總是向的自發(fā)過程總是向總熵變增大總熵變增大的的方向進(jìn)行。方向進(jìn)行。熵熵)(TQdS “ ” 號為不可逆過程；號為不可逆過程；“= =” 號為可逆過程號為可逆過程過程過程S總總S體系體系S環(huán)境環(huán)境總則總則0，+0，+，-0，+，-可逆可逆0不可逆不可逆+絕熱可逆絕熱可逆000絕熱

12、不可逆絕熱不可逆+0可逆循環(huán)可逆循環(huán)000不可逆循環(huán)不可逆循環(huán)+0+VPSTUWid 001、封閉體系、封閉體系STHWid 02、穩(wěn)流體系、穩(wěn)流體系 TQS 體系體系、封閉體系、封閉體系102 產(chǎn)生產(chǎn)生出出入入、穩(wěn)流體系、穩(wěn)流體系STQSmSmiiii 1010、熵平衡、熵平衡11、理想功、理想功Wid：9 9、熵變的計算、熵變的計算1、有、有PVT變化的熵變變化的熵變2、有相變過程的熵變、有相變過程的熵變3、環(huán)境的熵變、環(huán)境的熵變000XET SSHH穩(wěn)流體系（） （）00 總總STWL12、損失功、損失功WL：）（）（12012SSTHHWid 13、火用、火用注意與理想功的區(qū)別注意與理

13、想功的區(qū)別14、火用效率、火用效率 （失去）（失去）獲得）獲得）目的火用效率目的火用效率總火用效率總火用效率xxExxEEEEEXX( 00 xTSUP V 封閉體系E熱效率熱效率Q熱機效率熱機效率H熱力學(xué)效率熱力學(xué)效率a 效率效率EX xxEEEX 121QQQH idacWWa 產(chǎn)功產(chǎn)功acidWWa 耗功耗功12max1TTH ）（）（理想功12012SSTHHWid）（）（火用HHSSTEX000TLTQQQQ 能量損失能量損失總能量總能量LTQQ低溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩锤邷責(zé)嵩锤邷責(zé)嵩?211,TQTQ （失去）（失去）獲得）獲得）xxEEEX( 1）壓力相同壓力相同，過熱蒸汽過熱蒸汽的有效

14、能比的有效能比飽和蒸汽飽和蒸汽大，所大，所以其做功本領(lǐng)也大。以其做功本領(lǐng)也大。2）溫度相同，高壓蒸汽溫度相同，高壓蒸汽的的作功作功本領(lǐng)比本領(lǐng)比低壓蒸汽低壓蒸汽強。強。3）溫度相同，溫度相同，高壓蒸汽高壓蒸汽加熱能力加熱能力比低壓蒸汽弱，因比低壓蒸汽弱，因此用低壓蒸汽作為工藝加熱最恰當(dāng)，并可減少設(shè)備費此用低壓蒸汽作為工藝加熱最恰當(dāng)，并可減少設(shè)備費用。用。 4）放出熱相同放出熱相同，高溫高壓高溫高壓蒸汽的火用比蒸汽的火用比低溫低壓低溫低壓蒸蒸汽的高。汽的高。 5）一般供熱用）一般供熱用0.51.0MPa（1501800C）的飽和）的飽和蒸汽。蒸汽。 6）高壓蒸汽（高壓蒸汽（10MPa）用來做功（推

15、動汽輪機）用來做功（推動汽輪機等）。溫度在等）。溫度在3500C以上的高溫?zé)崮埽ㄈ鐭煹酪陨系母邷責(zé)崮埽ㄈ鐭煹罋猓?，用來產(chǎn)生高壓蒸汽，以獲得動力能源氣），用來產(chǎn)生高壓蒸汽，以獲得動力能源1. 求求1mol過冷水在過冷水在1atm，-10oC凝固為冰的總熵變。凝固為冰的總熵變。已知已知H2O在在1atm、0oC的凝固熱為的凝固熱為-6020J/mol，Cp冰冰=37.6J/mol.K；Cp水水=74.3J/mol.K。2.在一個往復(fù)式壓氣機的實驗中，環(huán)境空氣從在一個往復(fù)式壓氣機的實驗中，環(huán)境空氣從100kPa及及5 壓縮到壓縮到1000kPa，壓縮機的氣缸用水冷卻。在，壓縮機的氣缸用水冷卻。在此特殊實驗中，水通過冷卻夾套，其流率為此特殊實驗中，水通過冷卻夾套，其流率為100kg/kmol(空氣空氣)。冷卻水入口溫度為。冷卻水入口溫度為5 ，出口溫，出口溫度為度為16 ，空氣離開壓縮機時的溫度為，空氣離開壓縮機時的溫度為145 。假設(shè)。假設(shè)所有對環(huán)境的傳熱均可忽略。試計算實際供給壓氣機所有對環(huán)境的傳熱均可忽略。試計算實際供給壓氣機的功和該過程的理想功的比值。假設(shè)空氣為理想氣體，的功和該過程的理想功的比值。假設(shè)空氣為理想氣體，其摩爾定壓熱容其摩爾定壓熱容 ，水的，水的熱容熱容1129.3pCkJkmolK11,4.18p wCkJkgK3. 某個內(nèi)燃機由兩