热力学及其应用-21

热力学及其应用Thermodynamicsanditsapplications 王习东能源与资源工程系DepartmentofEnergyandResourcesEngineering 主讲 王习东能源与资源工程系xidong 主要参考书化学热力学基础 高执棣主编北京大学出版社 2004年热力学 Thermodynamics 第6版 KennethWarkJr DonaldE Richards主编清华大学出版社 2006年工程热力学 武淑萍主编重庆大学出版社 2006年 1绪论2热力学基础与化学热力学3工程热力学基础4化学热力学在能源与环境材料中的应用5化学热力学在资源利用过程的应用6化学热力学在能源动力中的应用7工程热力学在新兴能源利用中的应用8热力学发展展望 课程内容 3工程热力学基础 3 1工程热力学基本原理3 2理想气体与水蒸气3 3常见工质及其性能3 4供热与制冷 DryGranulationatCSIRO 高炉渣 目前利用 水冲 水泥熟料 高炉渣 热利用 风冷 粒化 大量热损失 浪费水 污染环境 粒化渣活性低 不适合做水泥 我们应该如何取舍 高炉渣纤维化与余热利用工艺 熱源施設 熱交換器 专用汽车热输送 潜熱蓄熱材 熱交換器 需要家施設 廃熱 热源 工业余热利用的可行性分析 3 1工程热力学基本原理 1 工程 热力学第一定律2 工程 热力学第二定律 1 工程 热力学第一定律 自然界一切物质都具有能量 能量既不能创造 也不能消灭 各种不同形式的能量都可以转移 从一个物体传递到另一个物体 也可以相互转换 从一种能量形式转变为另一种能量形式 但在转移和转换过程中 它们的总量保持不变 对于任何热力系统 各项能量之间的平衡关系可表示为 任何热力系统的能量平衡关系可以用下面的能量分析模型描述 进入系统的总能量 热力系统储存能量的变化 离开系统总的能量 DU Q W dU dQ dW 套管式换热器示意图 1 系统的储存能 系统的储存能 热力学能 宏观动能 宏观位能 对于单位质量的热力系统 热力系统的总储存能e为 对于没有宏观运动 并且高度为零的系统 系统总储存能就等于热力学能 即 2 迁移能 能量从一个物体传递到另一个物体可有两种方式 一种是作功 另一种是传热 功量和热量都是传递过程中能量的度量 是过程量 称为迁移能 迁移能是伴随着热力过程而出现的能量 储存于热力系统的能量可以用储存能表达 对应热力系统的状态 热力系统和外界交换的能量就用迁移能表达 对应热力过程 热力系统与外界进行能量交换的途径有三种 a 功量 W 交换 b 热量 Q 交换 c 质量交换 m 功 在热力学中 功是系统除温差以外的其他不平衡势差所引起的系统与外界之间传递的能量 1 体积功体积功又称容积功 它是在压力差作用下 热力系统体积胀缩时与外界交换的功量 2 轴功热力系统通过叶轮式机械的轴与外界交换的功量称为轴功 工程上许多动力机械 如汽轮机 压气机 内燃机 风机等都是靠机械轴传递机械功 热 热量是系统与外界之间在温差的推动下 通过微观粒子的无序运动运动方式传递的能量 单位 或kJ 热量的符号 Q 随质量迁移所携带的能量 开口系统与外界随物质流传递的能量包括两部分 1 流动工质的储存能 2 流动功 或推动功 净流动功 dEc v 4 一般热力系统的能量分析模型 闭口热力系统的能量方程 开口系统能量方程 得应用于开口系统的能量方程 定义焓 总焓 比焓 开口系统能量方程 开口系统稳定流动能量方程 1 进 出口截面上工质的参数不随时间变化 2 单位时间内系统与外界的功和热量交换不随时间变化 3 系统与外界进行的质量交换不随时间变化 且进口质量流量与出口质量流量相等 即 电厂汽轮机发动机外貌 汽轮机安装图 例2 轴 对于热力发动机 汽轮机 燃气轮机等设备 可由稳定流动能量方程 通过对实际设备的能量分析和简化 得到应用于热力发动机的简化能量方程 简化能量方程 对1kg工质有 开口热力系统 水泵示意图 电动机 锅炉给水 来自冷凝器的水 水泵 1状态 2状态 热量传递的方向性 A物体 B物体 2 工程 热力学第二定律 高温热源T1 低温热源T2 热机 能量守恒 热机和制冷机的工作原理示意图 高温热源T1 低温热源T2 制冷机 卡诺循环 等温可逆膨胀绝热可逆膨胀等温可逆压缩绝热可逆压缩 卡诺循环的计算内容 吸热量 放热量 循环净功 循环热效率 卡诺循环的计算 卡诺定理1 在两不同温度的恒温热源间工作的一切可逆热机 它们的热效率都相等 且与工质的性质无关 卡诺定理2 在两不同温度的恒温热源间工作的一切不可逆热机 它们的循环热效率都小于可逆热机的热效率 即 t不可逆 t可逆 t最大 则该热机是可逆热机 若 则该热机是不可逆热机 若 则该热机是不可能制造出来的 若 对于1摩尔理想气体 只做体积功的可逆过程 对于不可逆过程 体系的熵变大于其热温商 体系吸收的热量被吸热时的温度除时所得到的商数 热力学判椐1 熵判椐 由卡诺定理 可以得到 对于不可逆过程 体系的熵变大于热温商 从而有 可逆过程或达到平衡 不可逆或自发过程 任意热力系的熵方程分析模型 可表示成或写成熵方程 熵方程 闭口系统的熵方程 闭口系统的熵变化取决于热力系统与外界交换热量引起的熵流 以及由交换热量 功量时的不可逆性而引起的熵产生 开口系统稳定流动的熵方程 工质流经开口系统时引起的熵变化取决于过程中与外界交换热量引起的熵流 以及由交换热量 功量时的不可逆性而引起的熵产生 能量贬值原理 当系统由一状态可逆地变化到与给定环境相平衡的状态时 理论上可以转换为机械功的那部分能量 称为 exergy 或有效能 用符号Ex表示 余下的不可能转换为机械功的部分能量称为该能量中的无效能部分 称为 anergy 或无效能 用 n表示 这样 总能量 可以表示成 总能量 Ex n 1 完全可用能 电能 风能 水能 被称为高级能量 能量中 x 2 部分可用能 环境时的热能 被称为低级可用能 能量中 x 从能量转换为 或可用能 的可能性来说 能量可分为三类 3 完全无用能 0时的热能 能量中 n Ex 0 热量Exergy 表示为ExQ 环境温度为T0 有一温度为 的热源 假定在环境与热源间有一可逆热机 热机内的工质在一循环中从热源吸热Q 由卡诺定理可知此热机对外能输出的净功最大 称该功为最大功 此部分能量就是Q的有效能或称为热量Exergy 变温热源供热时 热量Q中的热量 热量Q中的 热量 是热量在给定的环境条件下所能转换的最大有用功 是热量的基本属性 与其是否进行循环无关 热量 是过程量 取决于环境温度T0 热力系统交换热量时温度变化规律以及热量的大小 方向 当相同数量的热量处于不同的环境温度下 高温时 值大 温度越低 值越小 3 2理想气体与水蒸气 1kg理想气体 mkg理想气体 1kmol理想气体 nkmol理想气体 Rg是一个与气体的种类有关 与气体的状态无关的常数 称为气体常数 R是一个与气体的种类无关 与气体的状态也无关的常数 称为摩尔气体常数 M是气体的摩尔质量 kg mol 气体常数与摩尔气体常数之间有如下关系 理想气体分子中原子数相同的气体 其摩尔比热容都相等 3 定容过程的过程曲线 2 定压过程 定压过程的p v图和T s图 4 功量和热量 体积功 热量 技术功 或 3 定温过程 定温过程的p v图和T s图 4 功量和热量 道尔顿分压力定律 O点称为三相点 现在国际单位规定水的三相点温度为273 16K 通常我们说的水的冰点温度00C 273 15K 水的热力学曲面图 固 液 气体 临界点 液体 液 汽 三相线 固 汽 蒸汽 p T v p 常数 T 常数 固体 水的p T相图 固 液 液体 固体 o三相点 蒸气 A 固 汽 液 汽 C B p T 气体 汽化曲线 熔解曲线 升华曲线 临界点 水的p T相图 热力学曲面在p T平面上的投影被称为p T图 又称为相图 饱和状态及相平衡条件 C 20 10 C 10 20 p