第六章化工过程能量分析

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是否存在轴功？
是
是否与环境交换热量？ 通常可以忽略
位能是否变化？ 不变化或者可以忽略
动能是否变化？
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通常可以忽略
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节流阀：
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理想气体通过节流阀温度不变。
是否存在轴功？ 否
是否与环境交换热量？ 通常可以忽略
位能是否变化？ 不变化或者可以忽略
动能是否变化？
热功转换的方向：
功 100%，自发 ＜100%，非自发 热
热功转换的限度由卡诺循环的热机效率来决定！
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热机的热效率： 热量可以经过热机循环而转 换为功，如左图所示： 循环工质从高温热源TH吸收 热量，部分转换为功，其 余排至低温热源TL。
火力发电厂的热效率约为 40%。
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卡诺循环： 由四个过程组成： 可逆等温膨胀 可逆绝热膨胀 可逆等温压缩 可逆绝热压缩 卡诺热机的效率：
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注意点：
（1）η＜1，若使 η = 1则 TH→∞ 或 TL=0实际中不可能！
（2）若使 η ↑，则 TH ↑ 或 TL↓。
工程上通常采用高温高压，提高吸热温度TH ，但受 到材质影响。
第六章 化工过程能量分析
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主要内容：
6.1 能量平衡方程 6.2 功热之间的转换 6.3 熵函数 6.4 理想功、损失功及热力学效率 6.5 有效能 6.6 有效能衡算及有效能效率
6.7 化工过程与系统的有效能分析
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本章重点：
运用热力学第一定律、第二定律，借助理想功、损 失功、有效能等概念，对：
不可逆过程： 有摩擦，过程进行有一定速度； 体系内部不均匀（有扰动、涡流等现象）； 逆向进行时，体系恢复始态，环境留下痕迹； 如果与相同始终态的可逆过程相比较，产功小于 可逆过程，耗功大于可逆过程。
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6.3.2 熵平衡
敞开系统熵平衡：
进入的熵+产生的熵-离开的熵 = 累积的熵
解：分析一个过程的可能性，从热力学角度来讲，必须 同时满足热力学第一定律和热力学第二定律。 假定空气共有2mol。
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以红色范围敞开系作为 研究对象。 根据稳流系统热力 学第一定律：
可忽略动能及势能变化，无轴功，绝热。 理想气体焓变：
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所以，该体系符合热力学第一定律。
E k 0 E p 0
封闭系统的热力学第一定律数学表达式为：
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6.1.3 稳态流动体系的能量平衡方程 稳态流动：系统中没有物料和能量的积累。 流体流动过程中所有点的状态均不随时间变化； 垂直于流向的各个截面处的质量流量相等。 稳态流动系统的能量平衡关系式为：
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例6-2：判断以下稳流过程是否可能：空气在p = 0.7 MPa、 T=294K下进入一个与环境绝热的热备中，设备与环境间 没有功的交换。由设备流出的空气分成等质量两股，一 股为p = 0.1 MPa、T=355 K；另一股为p = 0.1 MPa、T = 233 K。
假定空气为理想气体，其平均等压热容为：
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注意：
可以人为地使以上过程反方向进行，但是需要消耗功；
第一定律没有说明过程发生的方向，只表示了总量上 的限制；
第二定律告诉我们过程发生的方向；
自发过程：不消耗功；非自发过程：消耗功。
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热量传递的方向和限度：
高温
自发
非自发
低温 限度：温差为零
（3）若TH = TL， η =0，W=0 说明单一热源不能转换为功，必须有两个热源。
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自发、非自发和可逆、不可逆之间的区别？
自发与非自发过程决定于物系的始、终态与环境状态；
可逆与不可逆过程是（考虑）过程完成的方式，与状 态没有关系。
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6.3 熵函数 6.3.1 熵与熵增原理
反之，使流体流速减缓， 压力升高的部件称为扩压 管。
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流体通过焓值的改变来换取动 能的调整。 是否存在轴功？ 否
是否与环境交换热量？ 通常可以忽略
位能是否变化？
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否
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透平机和压缩机：
透平机是借助流体的减 压和降温来产出功。
压缩机可以提高流体的 压力，但需要消耗功。
热力学第二定律： 则必定存在一个
积分： 使得：
称为熵产生，是由于过程的不可逆性引起熵变。
=0，可逆 ＞0，不可逆 系统的总熵变由两部分组成：热交换引起的（热熵流） 及过程的不可逆性引起的（熵产生）。 14:52:47 40
假定一个封闭体系的两个平衡态之间，并行两个过 程，一个是可逆的一个是不可逆的。
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系统与环境交换的功W，通常包括三部分：轴功、流 动功、体积功。 通过泵、压缩机等机械设备的转动轴，使系统与环境 交换的轴功Ws。 单位质量物质被推入系统时，接受环境所给予的功， 以及离开系统时推动前面物质对环境所做的功，称为流 动功Wf。 假设系统入口处截面面积为A1，流体的比容为V1，压力 为p1，则推动力为p1A1，使单位质量流体进入系统 ，需 要移动的距离为V1/A1，推动单位质量流体进入系统需 要的功为：
解： 无轴功。
忽略压降：
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若将空气看作理想气体：
动能和位能的变 化与焓变相比可 忽略不计！ 50 kg空气吸收的热量为：
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6.2 功热间的转换 热力学第二定律： 克劳修斯说法：热不可能自动的从低温物体传 给高温物体。 开尔文说法：不可能从单一热源吸热使之变为 有用的功而不引起其它变化。 热力学第二定律说明过程按照特定方向，而不是按 照任意方向进行。 自然界中的物理过程能够自发的向平衡方向进行。
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6.1 能量平衡方程 6.1.1 能量守恒与转换
所有物质都具有能量，能量是物质固有特性。通常， 能量可分为两大类： 一类是系统蓄积的能量，如动能、势能和热力学 能（内能），它们都是系统状态的函数。 另一类是过程中系统和环境传递的能量，常见的 有功和热，它们并非状态函数，而与过程有关。
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将焓的定义式 H = U + pV带入上式可得稳流系统能 量平衡方程：
流动功包含在焓中。
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分别为单位质量流体的焓变、动能变化、位能变化、 与环境交换的热量和轴功。 一些常见稳流体系的装臵：
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喷嘴与扩压管： 喷嘴与扩压管的结构特 点是进出口截面积变化 很大。 流体通过时，使压力沿着 流动方向降低，而使流速 加快的部件称为喷嘴。
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即单位质量流体进入系统时，接受后面流体（环境）所 给予的功流动功； 同样，单位质量流体离开系统时，必须推动前面的流体 （环境），对环境所做的流动功：
这种流体内部相互推动所交换的功，称为流动功， 只有在连续流动过程中才存在。
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体积功：体系反抗环境压力做的功，分为膨胀功和压 缩功。该过程无体积功。 因此，对流动过程，系统与环境交换的功是轴功与流 动功之和： 对该体系进行能量衡算： 输入的能量 – 输出的能量 = 积累的能量
H Q
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管路和流体输送：
通常近似作稳态流动模 型处理。
通过泵得到轴功
位能变化！
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是否存在轴功？
有时存在
是否与环境交换热量？ 通常是
位能是否变化？ 有时变化
动能是否变化？
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通常不变化
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Bernoulli方程：
光滑管的流动过程视为可逆：
将上式用于不可压缩流体，且无轴功时：
功与熵变无关。
系统累积的熵即为系统熵变。 （熵平衡方程）
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稳流体系：
封闭体系： 若封闭体系是可逆的：
熵平衡方程与能量守恒和质量守恒一样，是任何一个过 程都必须满足的方程式，进而表明过程的不可逆程度， 通过计算熵产生的大小，找出化工过程中能量消耗部位， 进而可以合理的利用能量。
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热量是因为温差引起的能量传递，而做功则是由某 种势差引起的能量传递，因此，热和功是两种本质 不同且与过程传递方式有关的能量形式。
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热力学第一定律
孤立系统中，不同形式的能量可以相互转换或传递， 在转换或传递的过程中，能量的数量是守恒的，这就 是热力学第一定律，即能量转换和守恒原理。 基本形式：
热力学第二定律：
稳流： 对环境进行熵平衡计算：
进入环境的为流股1、2，离开环境的为流股0。
无热交换，环境可认为无穷大，可逆，熵产生为零。
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也符合热力学第二定律。
所以，该过程可能发生。
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6.4 理想功、损失功及热力学效率 系统在变化过程中，由于路径选择的不同，所产生 (或消耗)的功差别较大。 为了更合理、更充分地利用能量，提高能量利用效 率，基于热力学原理，准确了解能量利用的极限， 通过不同用能方案比较，更科学地评价实际过程中 能量利用的完善程度，找出过程用能存在的差距及 改进潜力，为改进生产过程提供理论依据。
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流体从截面1通过设备流到截面2，在 截面1处流体进入设备所具有的状况 用下标1表示，此处距基准面的高度 为z1，流动平均速度u1，比容V1，压 力p1以及内能U1等。同样在截面2处 流体流出所具有的状况用下标2表示。