有效能衡算和有效能效率资料PPT学习教案

1、会计学1 有效能衡算和有效能效率资料有效能衡算和有效能效率资料 能量降级与热力学第二定律 轴功、各种热效应的计算 有效能衡算和有效能效率 热力学分析的基本方法 噪声污染及控制 目目 录录 热管、热泵和夹点技术 能量的合理利用 稳流体系热力学第一定律 废水处理方法、技术和流程 废固处理及利用 废气污染的预防措施及治理 第1页/共30页 1、水在正常沸点下的汽化潜热为2256kJ/kg， 估算水在210 下的汽化潜热并与文献值比较。 2、一空气压缩机每小时将0.10133Mpa、温度 为20的空气120kg压缩到4.0Mpa，设空气为理想气 体，压缩过程为多变压缩，多变指数m=1.20.试分别 计

2、算单级压缩和两级压缩、中间冷却两种方法所需 功率和气体的终温。 第2页/共30页 第3页/共30页 为了比较体系在不同状态下可用于做功的能量 多少、确切地评价能量的做功能力，凯南（Keenen） 提出了有效能（available energy ）的概念。并定 义为处于一定热力学状态的物系，通过完全可逆的 过程变化到与环境状态处于完全热力学平衡（即温 度、压力、化学反应及相均平衡）时所能做出的最 大功（理想功）。用符号 表示。 a 理想功就是体系变化过程按完全可逆地进 行时所作的最大功。 b 在有效能研究中，选定环境的状态 （ ）作为基态，即将周围环境当作一个具有热 力学平衡的庞大体系，这种状态

3、下的有效能值为零 x E 00 Tp、 第4页/共30页 对于没有核、磁、电与表面张力效应的过程， 稳定流动的流体（体系）的有效能可由下列四个主 要成分组成，即动能有效能、位能有效能、物理有 效能和化学有效能。 第5页/共30页 a 动能有效能 流体的动能可以全部转化成有效的功，因此 流体的动能即属于有效能。动能项中的线速度为 物系与地球表面的相对线速度。 b 位能有效能 流体的位能同样也可以全部转化为有效的功， 因此流体的位能也即属于有效能。位能项中的位 高是以当地环境海平面为零作基准的。 xk E xp E 第6页/共30页 c 物理有效能 物系由所处的状态到达仅与环境成热平衡和 力平衡而

4、未达到化学平衡状态所提供的理想功为 该物系的物理有效能。也就是说，物系因温度和 压力与环境的温度和压力不同所具有的有效能称 为物理有效能。平衡时，体系和环境具有物理界 限分隔，两者相互不混和，也不发生化学反应， 但此时体系的温度和压力与环境的温度和压力相 等。 xph E 第7页/共30页 d 化学有效能 体系从与环境仅成热平衡和力平衡的状态到 达与环境完全平衡的状态时所提供的理想功即为 该体系的化学有效能。这也就是说，体系由于组 成和环境组成不同所具有的有效能称为化学有效 能。所谓完全平衡是指体系和环境既有热平衡、 力平衡且又有化学平衡的平衡。此时体系与环境 除温度、压力相等外，体系的组成还

5、与环境物质 相互混了或者发生化学反应。通常，体系由热平 衡且力平衡的状态到达完全平衡的状态，须经化 学反应与物理扩散两个过程。化学反应是将原体 系的物质转化成环境物质（基准物）。物理扩散 指原体系或经化学反应后生成物的浓度变到与环 境中基准物浓度相同的过程。 xc E 第8页/共30页 稳定流动过程流体的有效能应由四个有效能成 分组成，即： 通常计算稳流流体经过敞开体系（指某设备装 置）的有效能时，由于一般情况下敞开体系进出口 流体的动能与位能变化很小， 和 之值要比 和 小得多，往往可以忽路不计。如果在特定情况 下，如蒸汽喷射泵的出口处，蒸汽 较大，则不能 忽略。 xxkxpxphxc EE

6、EEE xk E xp E xph E xc E xk E 第9页/共30页 化工过程中，比较常见的是稳流体系。因此， 下面以稳流体系为例，讨论有效能的计算。对于稳 流体系，由状态1变到状态2，其动能、位能变化可 略而不计时，则过程的理想功为： 故当体系由任意状态变至基态时，根据有效 能的定义，得稳流体系在任意状态时有效能的计算 式为： 这是有效能的基本计算公式，它适用于各种 物理的、化学的或两者兼而有之的有效能计算。 202101 21021 id WHT SHT S HHTSS 000id WHHTSS 第10页/共30页 在基态时 均可视为常数，故体系的有效 能仅决定于体系的状态，它是状

7、态函数。 根据定义式可分别求出体系在始态（ 、 ）和 终态（ 、 ）时的有效能 与 ，二者之差为： 即 式中 为有效能的变化。由上式可见，体系由 状态1可逆变化到状态2时，过程的理想功等于体系有 效能的减少。当 0时，体系可对外做功，所做的功 最大为 ；当 0时，要实现体系的状态变化就必 须消耗外功，所消耗的功最小为 。 0000 ,P T HS 1 p 1 T 2 p 2 T 1x E 2x E 2121021XXid EEHHTSSW 210XXXid EEEHTSW Xid EW X E X E X E id W id W 第11页/共30页 在给定环境下，能量可转变为有用功的部分 称为

8、有效能；余下的不能转变为有用功的部称为无 效能。能量由有效能与无效能两个部分组成。 由此可见，在不可逆过程中，有部分有效能 降级变为无效能而不能做功，其总的有效能的损失 等于损耗功。 总之，能量可分为有效能与无效能两个部分 。有效能是能量的有用部分，是宝贵的，得花一定 的代价才能得到；无效能则到处都有。因此，节能 的实质是节有效能。根据热力学第一定律，总能量 是守恒的，即： 0 xSLSt EWWWTS 0 XN d EA 第12页/共30页 但按热力学第二定律，不可逆过程都有功损 耗，功损耗也就是有效能损失，因此不可逆过程有 效能的数值是减少的， 。由于总能量守恒，有 效能的数值减少则无效能

9、的数值必定增加， 。无 效能的增加量等于有效能的减少量 损耗功就是不可逆过程中有效能转化为无效 能的量，故视其为能量贬质的量度。对于可逆过程 ，则有效能是守恒的。 0 X d E 0 N d A 0 xN d Ed A 第13页/共30页 由前述讨论可以将用能过程的热力学第二定 律表述为： 1、在一切不可逆过程中，有效能转化为无效 能。 2、只有可逆过程，有效能才能守恒。 3、由无效能转化为有效能是不可能的。 第14页/共30页 对一个体系或过程做出物料和能量平衡，并 且根据各股物流及能流的热力学性质，求出它们单 位质量（或能量）的有效能之后，可以进行该体系 或过程的有效能衡算，从而确定体系或

10、某一工序产 生的有效能损失，查明有效能转化、传递、利用和 损失的情况，以便确定节能改造的最佳途径，以达 到合理用能之目的。在完全可逆的情况下，理论上 对某一耗能产物进行有效能衡算，可以确定该产品 的理论能耗和生产过程的理想功，它可作为衡量实 际能耗的理论依据。 第15页/共30页 由于任何不可逆过程必引起有效能的损失， 因此在建立有效能平衡方程时，与能量衡算并非一 样。能量衡算中，输入的各项能量之总和恒等于输 出的各项能量之总和；而有效能的输入与输出是否 相等，则要看过程是否可逆。对不可逆过程，必附 加一项有效能损失。现以稳流过程为例，建立有效 能平衡方程。 设有如图所示的具有多股物流进出的，

11、和外 界有热功交换的敞开体系稳流过程。进入体系的物 流有效能为 ；离开体系的物流有效能为 。进入体系的热流有效能（热量有效能）为 。 （EXQ中的Q可正也可负）；离开体系的功流为 ( WS可正也可负）。 Xi in i E Xj out j E k XQ k E sj j W 第16页/共30页 第17页/共30页 对于可逆过程，体系内部无有效能损失，损耗功 为零，有效能是守恒的。因此有效能平衡方程为： k XiXQXjsj in out ikjj EEEW 第18页/共30页 对于不可逆过程，体系内部存在有效能损耗， 损耗功小于零，有效能数值减少，无效能数值增加。 其有效能平衡方程为： 上式

12、即为不可逆稳流过程的有效能平衡方程。 有效能平衡方程的主要用途是确定体系（系列设备 或单体设备）的内部有效能损失。上式移项后即为 内部有效能损失的计算式： k XiXQXjsjLi in out ikjji EEEWW k LiXiXQXjsj in out iikjj WEEEW 第19页/共30页 右边各项值可根据可测参数（如温度、压 力、流量、组成、电压和电流等）直接求得。由 此可见，因过程的不可逆性引起的有效能损失可 有两种计算方法。一种是根据损耗功的定义，通 过计算参与过程的有关体系组成的孤立体系的总 熵变，从而求得损耗功；另一种方法是通过有效 能衡算，来计算过程和装置的损耗功。此时

13、需要 计算各物流及能流的有效能，然后进行有效能平 衡，从而确定有效能的损失。由于熵增法 （ ）求 时，对体系的选取是有限制 的，所以有效能衡算法较熵增法往往要方便些。 0Lt WTS t S 第20页/共30页 对于有动能、位能和组成变化的稳流过程， 物料有效能应包括动能有效能、位能有效能、物 理有效能、化学有效能。对于恒组成稳流过程， 有效能损失的衡算式可以写成 2 0 2 k l LiXQllllsj ikj u WEHTSmg ZW 第21页/共30页 具体应用时，根据不同情况有下述几种简 化形式。 第22页/共30页 第23页/共30页 第24页/共30页 第25页/共30页 第26页/共30页 看起来，有效能衡算方程与普通的能量衡算 方程颇为相似，但存在着几点实质性的区别。 a普通能量衡算的依据是热力学第一定律； 而有效能衡算的依据是热力学第一、第二定律，因 此，有效能衡算的结果能更全面、更深刻地反映过 程进行的情况； b能量是守恒的，但在一切实际过程中有 效能并不守恒，由于过程的不可逆性，使部分有效 能转化为无效能而损失掉； 第27页/共30页 c普通能量衡算是不同品位能量总量的数量衡算， 它只能反映体系中能量的数量利用情况；而有效能 衡算是相同品位能量的数量衡算，它能够