化工热力学第6章流动系统的热力学原理与应用ppt课件.ppt

第6章流动系统的热力学原理及应用 1 主要内容 热力学第一定律及在化工中的应用热功间的转换 热力学第二定律 化工过程有效能分析蒸汽动力循环制冷循环 6 1热力学第一定律 6 1 1能量守恒与转换一切物质都具有能量 能量是物质固有的特性 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 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 常见有功和热量 它们不是状态函数 而与过程有关 热量是因为温度差别引起的能量传递 而做功是由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 能量的形式不同 但是可以相互转化或传递 在转化或传递的过程中 能量的数量是守恒的 对于任意体系有体系能量的积累 输入能量 输出能量 热力学第一定律 能量转化和守恒原理 此处约定 体系吸热为正值 放热为负值 体系得功为正值 对环境做功为负值 物料流入和流出的能量包括 1 动能 记为Ek2 势能 在重力场中则为位能 记为EP3 物料的内能 U因此 此外规定所有流入体系能量为正 流出能量为负 6 1 2封闭体系的能量平衡方程 在闭系非流动过程中的热力学第一定律数学表达式为 对于孤立体系 由于不存在功和热的交换 故 6 1 3稳态流动体系的能量平衡方程 稳态流动是指流体流动途径中所有各点的状况都不随时间而变化 系统中没有物料和能量的积累 稳态流动系统的能量平衡关系式为 单位质量的流体带入 带出能量的形式为动能 u2 2 势能 gz 和热力学能 U 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 g为重力加速度 系统与环境交换功W 实际上由两部分组成 一部分是通过泵 压缩机等机械设备的转动轴 使系统与环境交换的轴功Ws 另一部分是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作的功 假设系统入口处截面面积为Al 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所需要的功为 这是单位质量流体进入系统时 接受后面流体 环境 所给予的功 同样 单位质量流体离开系统时 必须推动前面的流体 环境 即对环境作 P2V2的功 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有这种功 对于流动过程 系统与环境交换的功是轴功与流动功之和 稳态流动系统的能量平衡关系可写为 将焓的定义H U PV代入上式可得稳定流动系统的能量平衡方程 稳定流动系统的热力学第一定律表达式为 使用上式时要注意单位必须一致 按照SI单位制 每一项的单位为J kg 1 动能和位能的单位 H u2 2 g z Q和Ws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 可逆条件下的轴功 对于稳定流动体系 以单位质量流体计 有 对于可逆变化 则 若忽略动能和位能变化 则 积分 封闭体系的热力学基本关系对稳态流动体系也是适用的 可逆条件下的轴功 对于液体 在积分时一般可将V当作常数 对于理想气体等温过程 左式只适用于理想气体等温过程 对于气体怎么办 可逆条件下的轴功 体积功 可逆轴功 可逆体积功与可轴功的比较 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 反之 使流体流速减缓 压力升高的部件称为扩压管 喷嘴 扩压管 喷嘴与扩压管 是否存在轴功 否 是否和环境交换热量 通常可以忽略 位能是否变化 否 流体通过焓值的改变来换取动能的调整 透平机和压缩机 透平机是借助流体的减压和降温过程来产出功 压缩机可以提高流体的压力 但是要消耗功 透平机和压缩机 是否存在轴功 是 是否和环境交换热量 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 通常可以忽略 流体通过焓值的改变对外作功 或消耗功而升高焓值 节流阀ThrottlingValve 理想气体通过节流阀温度不变 节流阀 是否存在轴功 否 是否和环境交换热量 通常可以忽略 位能是否变化 否 动能是否变化 通常可以忽略 混合设备 混合两种或多种流体是很常见 混合器 混合设备 是否存在轴功 否 是否和环境交换热量 通常可以忽略 位能是否变化 通常不变或可忽略 动能是否变化 通常可忽略 混合设备 132 混合器 Hi为单位质量第i股输出物流的焓值 xi为第i股输出物流占整个输出物流的质量分数 Hj为单位质量第j股输入物流的焓值 xj为第j股输入物流占整个输入物流的质量分数 当不止一个输入物流或 和 输出物流时 分别为第i流入股和第j股流出物流的质量流量 为总质量流量 换热设备 若整个换热设备的热损失可以忽略不计 换热设备的能量平衡方程与混合设备的能量平衡方程相同 只是物流之间不发生混合 mA和mB分别为流体A和流体B的质量流量 管路和流体输送 是否存在轴功 有时存在 是否和环境交换热量 通常是 位能是否变化 有时变化 动能是否变化 通常可以忽略 Bernoulli方程 实际流体的流动过程存在摩擦损耗 意味机械能转变为热力学能 有摩擦损耗 对于无热 无轴功交换 不可压缩流体的稳流过程 对于非粘性流体或简化的理想情况 可忽略摩擦损耗 则 例6 11 5MPa的湿蒸汽在量热计中被节流到0 1MPa和403 15K 求原湿蒸汽的干度 解 节流过程无功的传递 忽略散热 动能变化 和位能变化 130 H2 在0 1MPa时 1 5MPa饱和液体焓值Hl 844 9饱和蒸汽焓值Hg 2792 2 解 例6 230 的空气 以5m s的流速流过一垂直安装的热交换器 被加热到150 若换热器进出口管直径相等 忽略空气流过换热器的压降 换热器高度为3m 空气Cp 1 005kJ kgK 求50kg空气从换热器吸收的热量 将空气当作理想气体 并忽略压降时 由此例可以看出 对于换热过程 换热器的动能变化和位能变化可以忽略不计 对孤立体系 对封闭体系 对稳流体系 本节小结 对封闭体系 6 2热功间的转化 热力学第二定律 6 2 1热力学第二定律克劳修斯说法 热不可能自动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完全变为有用的功而不引起其他变化 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 克劳修斯的说法说明了热传导过程的不可逆性 开尔文说法则描述了功转化为热过程的不可逆性 其实质是 自发过程都是不可逆的 自然界中的物理过程能够自发地向平衡方向进行 水往低处流 气体由高压向低压膨胀 第一定律没有说明过程发生的方向 它告诉我们能量必须守衡 第二定律告诉我们过程发生的方向和限度 我们可以使这些过程按照相反方向进行 但是需要付出代价 即消耗功 热力学第一定律与第二定律的意义 熵增原理 等号用于可逆过程 不等号用于不可逆过程 孤立体系 6 2 2熵函数 熵与熵增原理 熵平衡 熵流是由于有热量流入或流出系统所伴有的熵变化 可逆过程 由于传递的热量可正 可负 可零 熵流也亦可正 可负 可零 熵产生是体系内部不可逆性引起的熵变化 不可逆过程 稳态流动体系 绝热节流过程 可逆绝热过程 单股流体 封闭体系 只有单股流体 mi mj m 对孤立体系 对封闭体系 对稳流体系 对开放体系 本节小结 6 3化工过程的有效能分析 上节内容回顾 热力学第一定律 热力学第二定律 对孤立体系 对封闭体系 对稳流体系 对孤立体系 对封闭体系 对稳流体系 对开放体系 第六章流动系统的热力学基本原理及应用 6 3有效能及过程热力学分析 主要内容 引言有效能 无效能理想功 损失功及其计算有效能的计算有效能与理想功的区别与联系 引言 能量不仅有数量 而且有质量 品位 例如 1kJ功和1kJ热 从热力学第一定律来看 它们在数量上是相等 但从热力学第二定律来看 它们的质量并不相等 功可以全部转化为热 而热不能全部转化为功 学习目的 掌握一些基本的概念 为以后分析化工过程中的能量转化 传递 使用和损失情况 改进工艺过程 提高能量利用率指出方向和方法奠定基础 思考 1 在冬天用电炉取暖和制热空调取暖 哪种方式的效率更高 2 试分析以下火力发电过程 6 3 1有效能与无效能的概念 1 能量的分类按可转化为有用功的能力 分为三类 高 品 质能量 理论上能完全转化为有用功的能量 如电能 机械能 僵态能量 理论上不能转化为有用功的能量 如海水 地壳 环境状态下的能量 低 品 质能量 能部分转化为有用功的能量 如热量 内能 焓等 6 3 1有效能与无效能的概念 为了衡量能量的可利用程度或比较体系在不同状态下可用于作功的能量大小 Keenen在1932年提出了有效能的概念 有效能 一定形式的能量 可逆变化到给定环境状态相平衡时 理论上所能做出的最大有用功的能力 常用B或Ex表示 无效能 理论上不能转化为功的能量 常用El表示 推论高质能量 有效能僵态能量 无效能低质能量 有效能 无效能 1 机械能 电能的有效能机械能和电能全部是有效能 即EX W 2 物理有效能物理有效能是指系统的温度 压力等状态不同于环境而具有的有效能 化工过程中主要涉及 与热量传递有关的加热 冷却 冷凝过程 热有效能 与压力变化有关的压缩 膨胀等过程 压力有效能 6 3 2有效能的形式 3 化学有效能处于环境温度与压力下的系统 与环境之间进行物质交换或化学反应 最后达到与环境平衡时 所能做的最大有用功 在计算化学有效能时 不但要确定环境的温度和压力 而且要指定基准物种类和浓度 6 3 3理想功 损失功 理想功 系统的状态变化以完全可逆方式完成 理论上产生最大功或者消耗最小功 所谓的完全可逆 指的是不仅系统内的所有变化是完全可逆的 而且系统和环境之间的能量交换 例如传热过程也是可逆的 环境通常是指大气温度T0和压力P0 0 1013MPa的状态 理想功是一个理想的极限值 可作为实际功的比较标准 1理想功的定义 稳定流动系统的热力学第一定律表达式为 假定过程是完全可逆的 而且系统所处的环境可认为是 个温度为T0的恒温热源 根据热力学第二定律 系统与环境之间的可逆传热量为Qrev T0 S体系 忽略动能和势能变化 2稳态流动体系理想功计算公式的推导 稳流过程的理想功只与状态变化有关 即与初 终态以及环境温度T0有关 而与变化的途径无关 也就是说 只要初 终态以及环境温度T0相同 无论是否可逆过程 其理想功相同 理想功与轴功的区别 理想功是完全可逆过程所作的功 它在与环境换热Q过程中使用卡诺热机作可逆功 轴功是实际过程中体系与环境所交换的功 3理想功的特点 若对外做功 Wid WRS若对内做功 Wid WRS 例1 例2 4损失功的定义 系统在相同的状态变化过程中 不可逆过程的实际功与完全可逆过程的理想功之差称为损失功 5稳态流动过程损失功 由于环境可视为恒温热源 Q相对环境而言 是可逆热 但是用于环境时为负号 即 Q T0 S0 根据热力学第二定律 S总 0 所以实际过程总是有损失功的 过程的不可逆程度越大 总熵增越大 损失功也越大 损失功不是状态函数 与过程有关 损失的功转化为热 使系统作功本领下降 因此 不可逆过程都是有代价的 6损失功的特征 6 3 4有效能的计算 稳流过程 从状态1变到状态2 过程的理想功为 当系统由任意状态 P T 变到基态 T0 P0 时稳流系统时 有效能 一定形式的能量 可逆变化到给定环境状态相平衡时 理论上所能做出的最大有用功的能力 也就是说 有效能在数值上等于系统从所处状态变化到环境状态过程中所作的理想功的负值 习惯上 为保证有效能为正值 定义 变温过程的热有效能 A热有效能温度为T的恒温热源的热量Q 其有效能按卡诺热机所能做的最大功计算 B压力有效能 对于理想气体 每摩尔理想气体的压力有效能为 6 3 5理想功与有效能的区别和联系 理想功与有效能的区别 1 终态不一定相同 理想功的终态不确定 而有效能的终态为环境状态 2 研究对象不同 理想功是对两个状态而言 可正可负 而有效能是对某一状态而言 与环境有关 只为正值 例3 小结主要介绍了有效能 无效能 理想功和损失功四个概念 学习了有效能 理想功和损失功的计算方法比较了理想功和有效能之间的区别和联系 作业1 思考题 在化工生产过程中 为了提高能量的利用率 应如何利用化工厂的低压乏汽和热水 采用什么途径可以将化石燃料转化为电能时 不受卡诺效率的限制 2 P172计算题的第3小题 本节小结 例1计算稳态流动过程中N2从813K 4 052MPa变到373K 1 013MPa时可做的理想功 可视N2为理想气体 N2的等压热容Cp 27 89 4 271 10 3TkJ kmol K T0 293K 解 讨论 此例很好地说明理想功是一个状态函数 其大小与过程变化是否可逆无关 例2求298K 0 1013MPa的水变成273K和同压力下的冰的过程的理想功 设环境温度分别为 1 298K 2 248K 解 忽略压力的影响 查得有关数据 1 环境温度为298K 高于冰点时 表明若使水变成冰 需用冰机 理论上应消耗的最小功为35 04kJ kg 2 环境温度为248K 低于冰点时 当环境温度低于冰点时 水变成冰 不仅不需要消耗外功 而且理论上可以回收的最大功为44 61kJ kg 此例进一步表明 理想功不仅与系统的始 终态有关 而且与环境温度有关 例3比较l 013MPa 6 868MPa 8 611MPa的饱和蒸汽以及1 013MPa 573K的过热蒸气的有效能大小 取环境状态P 0 1013MPa T0 298 15K 并就计算结果对蒸气的合理利用加以讨论 解 讨论蒸汽1和2比较 表明压力相同时 过热蒸汽的有效能较饱和蒸汽大 蒸汽2和3比较 表明高压蒸汽的有效能较低压蒸汽的有效能为大蒸汽2和4比较表明 温度相同时 高压蒸汽的焓值反较低压蒸汽小 实际能量应用的原则 防止能量无偿降级采用最佳推动力方案合理组织能量的梯次使用 6 4蒸汽动力循环 6 4 1Rankine蒸汽动力循环 T 4 3 2 1 CarnotCycle EnergyAnalysis能量分析 Turbine汽轮机1 2表示过热蒸汽在汽轮机中的可逆绝热膨胀过程 则 T 稳态流动体系 若忽略动能和势能变化 则 EnergyAnalysis能量分析 Condenser冷凝器2 3表示乏汽在冷凝器中的等温等压冷凝过程 放出的热量 Ws 0 则 T EnergyAnalysis能量分析 Pump水泵3 4表示冷凝水通过水泵由P3升压至P4的可逆绝热压缩过程 需要消耗的轴功 把水看作是不可压缩流体 则 T EnergyAnalysis能量分析 Boiler锅炉4 1表示液体水在锅炉中被等压加热汽化成为过热蒸汽的过程 Ws 0 故 T 6 4 2热机的热效率 火力发电厂的热效率大约为37 卡诺热机的效率 理想Rankine循环的热效率 蒸汽动力循环中 水泵的耗功量远小于汽轮机的做功量 热效率的高低反映了不同装置输出相同功量时所消耗的能量的多少 它是评价蒸汽动力装置的一个重要指标 SteamConsumption汽耗率 作出单位量净功所消耗的蒸汽量称为汽耗率 用SSC SpecificSteamConsumption 表示 当对外作出的净功相同时 汽耗率大的装置其尺寸相应增大 汽耗率的高低可用来比较装置的相对尺寸大小和过程的经济性 工质为水蒸气时 因为水蒸气不是理想气体 气体的性质不能用理想气体方程计算 需要通过热力学图表或实际流体的状态方程求得 热效率的计算 热效率的计算方法 状态1 根据P1 t1值可查得H1 S1值 状态2 S2 S1 根据P2 S2值可查得H2 t2值 状态3 P3 P2 查P3下的饱和液体可得H3 V3 S3值 T 状态4 P4 P1 S4 S3 根据P4 S4可查得H4值 或H4 H3 Wp H3 V P4 P3 蒸汽通过汽轮机的绝热膨胀实际上不是等熵的 而是向着墒增加的方向偏移 用1 2 线表示 水泵的耗功量远小于汽轮机的做功量 可不考虑不可逆的影响 蒸汽通过汽轮机膨胀 实际做出的功应为H1 H2 它小于等熵膨胀的功H1 H2 两者之比称为透平机的等熵效率 说明 T 实际Rankine循环的热效率 T 例6 10某一理想的Rankine循环 锅炉的压力为4MPa 产生440 过热蒸汽 汽轮机出口压力为0 004MPa 蒸汽流量60t h 求 1 过热蒸汽每小时从锅炉吸收的热量 2 乏气的湿度以及乏气在冷凝器放出热量 3 汽轮机作出的理论功率和水泵消耗的理论功率 4 循环的热效率 1 确定各点的参数1点 过热蒸汽 根据P1 4MPa t1 440 查过热水蒸气表得H1 3307 1kJ kg S1 6 9041kJ kg K 2点 湿蒸汽 P2 4kPa S2 S1 6 9041kJ kg K 查饱和水蒸气表得Hg 2554 4kJ kgHl 121 46kJ kg K Sg 8 4746kJ kgSl 0 4226kJ kg K Vl 1 004cm3 g2点处的干度为x8 4746x 1 x 0 4226 6 9041x 0 8050H2 2554 4 0 805 1 0 805 121 46 2080 0 3点 饱和液体 P3 4kPaH3 Hl 121 46kJ kgS3 Sl 0 4226kJ kg K 4点 未饱和水 方法1H4 H3 Wp H3 V P4 P3 121 46 0 001004 4000 4 125 5kJ kg方法2已知P4 4MPa S4 S3 0 4226kJ kg K 查未饱和水性质表 得 H4 126 1kJ kg 2 计算过热蒸汽每小时从锅炉吸收的热量Q1 m H1 H4 60 103 3307 1 125 5 190 9 106kJ h乏气在冷凝器放出的热量Q2 m H2 H3 60 103 2080 0 121 5 117 5 106kJ h乏气的湿度为1 x 1 0 805 0 195汽轮机作出的理论功率 水泵消耗的理论功率 热效率 例6 11在某核动力循环装置 锅炉温度为420 的核反应堆吸入热量Q1 产生压力为7MPa 温度为360 的过热蒸汽 点1 过热蒸汽经汽轮机膨胀作功后于0 008MPa压力下排出 点2 乏气在冷凝器中向环境温度t0 20 进行定压放热变为饱和水 点3 然后经泵返回锅炉 点4 完成循环 已知汽轮机的额定功率为5 104kW 汽轮机作不可逆的绝热膨胀 其等熵效率为0 75 水泵作等熵压缩 试求 1 蒸气的质量流量 2 乏气的湿度 3 循环的热效率 1点 过热蒸汽 根据P1 7MPa t1 360 查过热水蒸气表得H1 3045 5kJ kg S1 6 2801kJ kg K 2点 湿蒸汽 P2 0 008MPa 查饱和水蒸气表得Hg 2577 0kJ kgHl 173 88kJ kg K Sg 8 2287kJ kgSl 0 5926kJ kg K 汽轮机作等熵膨胀S2 S1 6 2801kJ kg K S2 Sgx2 1 x2 Sl6 2801 8 2287x2 1 x2 0 5926x2 0 7448 H2 Hgx2 1 x2 Hl 2577 0 0 7488 1 0 7488 173 88 1963 7汽轮机作等熵膨胀过程1 2所作的理论功WRWR H2 H1 1963 7 3045 5 1081 8kJ kg汽轮机作实际膨胀过程1 2 所作的功WsWs sWR 1081 8 0 75 811 4kJ kgWs H2 H1H2 H1 Ws 3045 5 811 4 2234 1kJ kg汽轮机作实际膨胀后乏气的干度为x2 H2 Hgx2 1 x2 Hl2234 1 2577 0 x2 1 x2 173 9x2 0 8573 乏气的湿度为1 0 8573 0 14273点0 008MPa饱和液体H3 173 88kJ kg K S3 0 5926kJ kg K 4点P4 7MPa S4 S3 0 5926kJ kg K 查未饱和水性质表 173 740 5698 340 441 0707 H4 181 33kJ kg 插值 水泵所消耗的功WP H4 H3 181 33 173 88 7 45kJ kg热效率 p1 t1 p2 影响热效率的参数 提高朗肯循环热效率的措施 s 6 5 4 3 2 1 T s T 6 5 4 3 2 1 蒸汽初温对郎肯循环热效率的影响 s T 6 5 4 3 2 1 蒸汽初压对郎肯循环热效率的影响 s T 6 5 4 3 2 1 乏汽压力对郎肯循环热效率的影响 缺点 受环境温度限制 现在大型机组p2为0 0035 0 005MPa 相应的饱和温度约为27 33 已接近事实上可能达到的最低限度 冬天热效率高 学习Rankine蒸汽动力循环的能量分析及其计算 介绍了热机效率的概念 本节小结 卡诺热机的效率Rankine循环热机效率及计算 提高Rankine热机效率的措施 6 5制冷循环 蒸发器 冷凝器 q0 q2 1 2 3 4 6 5 1逆向Carnot循环 6 5制冷循环 循环的吸热量q0 TL S1 S4 循环的放热量q2 TH S3 S2 TH S1 S4 H q WS制冷剂完成一个循环 H 0 净功为制冷系数 逆卡诺循环制冷系数逆卡诺循环的制冷系数仅是工质温度的函数 与工质无关