化工热力学第六章教案

1、学习必备欢迎下载授 课 内 容第六章流淌系统的热力学原理及应用§ 6-1 引言本章重点介绍稳固流淌过程及其热力学原理1 理论基础热力学第肯定律和热力学其次定律2 任务对化工过程进行热力学分析，包括对化工过程的能量转化、传递、使用和缺失情形进行分析，揭示能量消耗的大小、缘由和部位，为改进工艺过程，提高能量利用率指出方向和方法；3 能量的级别1）低级能量理论上不能完全转化为功的能量，如热能、热力学内能、焓等2）高级能量理论上完全可以转化为功的能量，如机械能、电能、风能等3）能量的贬值4 本章的主要内容 1）流淌系统的热力学关系式2）过程的热力学分析 3）动力循环§ 6-2 热力

2、学第肯定律1 封闭系统的热力学第肯定律uqw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，可以相互转化或传递，但能量的数量是守恒的2 稳固流淌系统的热力学第肯定律稳固流淌状态：流体流淌途径中全部各点的状况都相等，且不随时间而变化，即全部质量和能量的流率均为常数，系统中没有物料和能量的积存；稳固流淌系统的热力学第肯定律表达式为：u2ug zqw 2其中流体所做的功wwsp2v2p1v1由hupv所以得hg z1u22qw s学习必备欢迎下载微分形式：d hgd zu d uqw s如忽视动能和势能变化，就有hqws即为封闭系统的热力学关系式§ 6-3 热力学其次定律和熵平稳1 热

3、力学其次定律1） clausius 说法：热不行能自动从低温物体传给高温物体2） kelvin说法：不行能从单一热源吸热使之完全变为有用的功而不引起其它变化；实质：自发过程都是不行逆的2 熵及熵增原理1）热机效率wq12）可逆热机效率w q1q1q2q1t1t2t11t2t13）熵的定义3.1 ）可逆热温商dsqrev t积分得熵变sss2qrev211t3.2 ）熵的微观物理意义系统纷乱程度大小的度量对可逆的绝热过程对可逆的等温过程sqrevts0或qrevts对封闭系统中进行的任何过程，都有dsq t 热力学其次定律的数学表达式4）熵增原理孤立系统，q0，就ds孤立0或s 孤立0学习必备欢

4、迎下载如将系统和环境看作一个大系统，即为孤立系统， 总熵变 s 等于封闭系统熵变ts 和环境熵变 s之s和t0ss00自发进行的不行逆过程只能向着总熵增大的方向进行，最终趋向平稳态；此时总熵变达到最大值，即 s =0 达到了过程的终点；t熵增原理为判定过程进行的方向和限度供应了依据；3 封闭系统的熵平稳热力学第肯定律无法运算由于过程不行逆引起的能量贬值的损耗，通过熵平稳关系可以精确衡量过程的能量利用效率；熵平稳方程d sq td sg积分式为2qs1 tsgds 熵产生；不行逆过程中，有序能量耗散为无序热能，并被系统吸取而导致g系统熵的增加；不是系统的性质，与系统的不行逆过程有关；可逆过程无熵

5、产生4 稳固流淌系统的熵平稳sf物流流入mi siisg物流流出m j sjj放开系统熵平稳简图放开系统的熵平稳方程式为：ssfsgmi siijm j sj s 为熵流，相伴热量流淌而产生的相应的熵变化；可正、可负、可零；规定流入f体系为正，流出体系为负； sg 为熵产生该式适用于任何热力学系统对于不同系统可进一步简化：对稳固流淌系统s0sfsgmi siijm j s j0sgm j sjjimi sisf学习必备欢迎下载对可逆绝热过程sf0,mj sjsg0mi siji如为单股物流sjsi等熵过程对绝热节流稳流过程，只有单股流体s0，s f0， mimj0sgmsjsi§ 6

6、-4 抱负功、缺失功和有效能1 抱负功 w id ： 1）定义系统的状态变化按完全可逆的过程进行时，理论上产生的最大功或者消耗的最小功；是一个抱负的极限值，可作为实际功的比较标准2）完全可逆：完全可逆是指 （ 1）系统的全部变化是可逆的； （ 2）系统与环境进行可逆的热交换；环境通常指大气温度t0 和压力 p=0.1013mpa 的状态03）稳流过程的抱负功如忽视动能和势能变化，第肯定律完全可逆时hqwshqrevwidw idqrevh将qrevt0s代入得wtsh或wtshid0id0比较抱负功与实际功，可以评判实际过程的不行逆程度2 缺失功1）定义：缺失功定义为系统在相同的状态变化过程中

7、，实际过程所作的功（产生或消耗）与完全可逆过程所作的抱负功之差；对稳流过程表示为：w lw idw st0shhqwl或wlt0shhqt0sq t0sq学习必备欢迎下载缺失功由两部分构成：1）由过程不行逆性引起的熵增造成2）由过程的热缺失造成wlt0sqt0st0 s0t0 stt0 sg说明缺失功与总熵变及环境温度的关系过程的不行逆程度越大，总熵增越大，缺失功越大；不行逆过程都是有代价的例 1： 298k ， 0.1013mpa 的水变成273k ，同压力冰的抱负功；273k 冰的熔化焓变为334.7kj.kg-1初态298k，0.1013mpa的水终态273k ，0.1013mpa 的冰

8、-1，h ，sh1=104.897kj.kg22-1-1s =0.367kj.kg .k 1h 2h 273 k水h 熔化焓0.02334.7334.72kj.kg 12sh 2t334.721.226kj.kg 2731 .k -11）环境温度为25时widt0 sh298s2s1 h 2h 1 -135.10kj.kg0是一个耗功过程，消耗的最小功是-1 35.10kj.kg2）环境温度是268k 时widt0 sh268s2s1 h 2h 1 12.69kj.kg -10是一个做功过程，可供应的最大功是-1 12.69kj.kg抱负功的运算与环境温度有关例 2：运算缺失功学习必备欢迎下载

9、-1h 13473.1kj.kghh 2h 1qws1.5mpas7.5698kj.kg-1 .k -1hqwh773k1过热蒸汽2s1s2w0.85wss ,revwlt0sq0.07mpa环境t 0=293kt0s2s1qh 2s23 有效能 b：肯定状态下的有效能即是系统从该状态变到基态，即达到与环境处于完全平稳状态时此过程的抱负功；对于稳流过程，从状态1 变到状态2，过程的抱负功为widt0 sht0 s2s1 h 2h 1 h 1t0 s1h 2t0s2选定基态为（t0， p ），系统由任意状态变到基态时稳流系统的有效能b 为：0bh 1t0 s1h 2t0 s2ht0 sh 0t0

10、 s0hh 0 t0 ss0 系统具有的能量无效能1）物理有效能物理有效能指系统的温度、压力等状态不同于环境而具有的能量；b hh 0 t0 ss0 化工过程中与热量传递及压力变化有关的过程只考虑物理有效能2）化学有效能处于环境温度、压力下的系统，由于与环境进行物质交换或化学反应，达到与环境平稳所作的最大功为化学有效能；因此运算化学有效能需要确定每一元素的环境状态，为简化运算，建立了环境模型；从系统状态到环境状态需经过化学反应与物理扩散两个过程： 化学反应将系统物质转化成环境物质（基准物） 物理扩散使系统反应后的物质浓度变化到与环境浓度相同的过程例：运算碳的化学有效能c 的环境状态是co2 纯

11、气体，达到环境态需经过化学反应c+o 2 co 2学习必备欢迎下载运算基准取1molb hh 0 t0 ss0 hhh 0h 0h 0h 00co2co2f ,co 2ss0sco2 的浓度为 0.21，因此so 2sco 2ss0r ln0.21o2o 2ss0scsosco22000scsor ln0.21sco224 有效能效率和有效能分析1）有效能效率从状态 1 变到状态2，有效能变化为bb2b1 h 2h 1 t0 s2s1 ht0 s或bwid当 b<0 ，削减的有效能全部用于做可逆功，所作的最大功为wid当 b>0 ，增加的有效能等于外界消耗的最小功对可逆过程有效能守

12、恒，不行逆过程的有效能不守恒；有效能的平稳方程为：binbdoutd=0，可逆d>0 ，不行逆d<0，不行能自发进行dt0s s0t0stwl不行逆过程中，有效能的缺失等于缺失功有效能效率定义为输出的有效能与输入的有效能之比b可逆过程=100% b真实过程<100% bboutbin2）有效能的分析运算有效能 b 反映了真实过程与抱负过程的差别对有效能衡算，找出有效能缺失的部位、大小、缘由例 1：比较运算两种余热的有效能学习必备欢迎下载1高温烟道气流量 500kj.h-1环境800-1-1cp=0.8kj.kg .k298k2低温排水流 量 1348 kj.h-1 80 cp

13、=4.18kj.kg-1.k-1b1hh 0t1t0 ss0t1 c p1b2hh 0t0ss0tttm1c p1 dtt0d t00m2c p2t2t0t ln t20tm1c p1t1t0t ln t10t002.55 104 kj.h 1511.57 10 kj.hqm cttq2m2c p2 t2t011p1103.1105 kj.h 13.1 10 5 kj.h 1例 2：比较不同蒸气的有效能和放出的热序号状态压力 p/mpa温度 t/k熵 s/kj.kg-1.k -1焓 h/ kj.kg-1焓变 h-h 0kj.kg -1有效能 b/ kj.kg-10饱和液体水0.1013298.

14、150.367105001饱和蒸气1.0453.066.58727782673818.52过热蒸气1.0553.157.04730082903911.43饱和蒸气6.0548.795.889278426791033.23）能量的合理利用3.1 ）防止能量无偿降级3.2 ）采纳正确推动力的工艺方案3.3 ）合理组织能量梯次利用先用功后用热，使用热能要温位匹配总之，要按需供能，按质用能，建立合理的综合用能体系§6-5气体的压缩与膨胀过程1 气体的压缩稳流过程压缩的理论轴功运算式wshq学习必备欢迎下载pp22a 2b2cp1可逆过程vp 2swv d pp12 气体的膨胀1）绝热节流膨胀

15、q=0 ， w =0s由能量方程得 h=0，即等焓过程；由于存在摩擦阻力损耗，所以节流过程不行逆，节流后熵值肯定增加；流体节流时由于压力变化而引起的温度变化称为节流效应，微小压力变化与所引起的温度变化的比值称为微分节流效应系数j=0对于抱负气体 j对于真实气体tvvjttpp hc p j >0 ，节流后温度降低称冷效应j =0，节流后温度不变称零效应，零效应的状态点称为转换点，转换点的温度称为转换温度，转换点的轨迹称为转换曲线氮气转化温度示意图t/kn2pm/pa j <0 ，节流后温度上升称热效应同一气体在不同状态下节流，可能为正、为负或零压力变化引起的温度变化 th称为积分节

16、流效应p2jptht2t1d p1学习必备欢迎下载tt 11t 33t 22t 44s2） 可逆绝热膨胀特点 q=0， s=0，是等熵过程；等熵膨胀过程中，压力微小的变化所引起的温度变化称为微分等熵效应系数svtsttp0p sc p等熵膨胀 ,气体温度必降低,总是得到制冷效应压力变化所引起的温度变化称积分等熵膨胀效应t sp2tst2t1ts d pp1t 12t 22s§ 6-6 动力循环学习必备欢迎下载1 朗肯循环4过热器3锅炉21透平机5tp1423p218667冷凝器蒸气动力装置示意图s抱负朗肯循环 t-s图采纳水蒸汽为工质的动力循环，称为蒸汽动力循环，也称朗肯循环；分析动

17、力循环的目的是讨论循环中热、功转换的成效及其影响因素，提高能量转换成效；1）循环过程能量分析（忽视流体的动能、位能变化）进蒸汽动力循环应用稳固流淌的能量方程 h=q+w s行分析工质被加热成为过热蒸汽1 2 3 4q=h 4-h 1>0过热蒸汽在透平中可逆绝热膨胀乏气的冷凝4 5ws=h=h5-h4<05 6q0=h 6 -h5 < 0冷凝水的泵送6 1 是将冷凝水通过水泵由p1 升压至 p2 的可逆绝热压缩（等熵过程）w =h =hplp6-h v11- p >02整个循环过程qn= q +q 0wn= ws +w ph =0所以 qn= - wn，即吸取的净热等于做

18、出的净功2）评判指标蒸汽动力循环的热效率 ：学习必备欢迎下载它表示动力循环中锅炉所供应的热量q 转化为净功w的比率；nwnh 5h 4 h 1h 6 h 4h 5qh 4h 1h 4h 1反映了不同装置输出相同的功量时所消耗的能量的多少，是评判蒸汽动力装置的一个重要指标-1-1 汽耗率 ssc（ specific steam consumption ）：做出单位量净功所消耗的蒸汽量ssc11kg. kjw n3600w nkg.kw.h汽耗率的大小可用来比较装置的尺寸和过程的经济性3）实际的朗肯循环热效率低于抱负过程，汽耗率就高于抱负过程；膨胀和压缩过程均为不行逆过程，向熵增大的方向进行；膨胀

19、过程为4 7，实际做功为h4-h 7< h 4-h5 ,两者之比称为透平机的等熵膨胀效率或相对内部效率，用 s 表示，反映了透平机内部全部缺失2 朗肯循环的改进尽可能减小不行逆因素造成的损耗，特殊是传热温差大的问题1）提高蒸汽的过热温度使平均吸热温度相应提高，循环效率提高，汽耗率下降；同时，乏气干度增加；最高不超过873k2）提高蒸汽的压力提高压力，平均吸热温度会相应提高，但是乏气干度下降，一般不应低于0.88；此学习必备欢迎下载外，蒸汽压力不能超过水的临界压力22.064mpa 3）采纳再热循环45231476高压过热蒸气在高压透平中膨胀到中间压力，然后引入再热器加热，进入低压透平做功

20、；提高了做功才能，防止了乏气湿含量过高的缺点再热循环热效率wshw sqwslwsp h 44h ' h 5hh 6 h 7h 1 44）回热循环qhqrh h 4h 1 h 5'利用蒸气的热加热锅炉给水，削减或排除工质在预热过程的对外吸热，提高了平均吸热温度和热效率学习必备欢迎下载5）热电循环工质全部做功，供热量与乏气压力有关学习必备欢迎下载§ 6-7制冷循环使物系温度降到低于四周环境温度的过程称为制冷过程；其实质是利用外功将热从低温物体传至高温物体；1 蒸汽压缩制冷循环1）逆卡诺循环逆卡诺循环是运行在相应的高、低温之间最有效的制冷循环q2t32冷凝器p2膨胀机压缩

21、机32t 2p1t 14蒸发器141q0s由四个可逆过程构成1 2：绝热可逆压缩，等熵过程，消耗外功，温度上升t1 t22 3：等温可逆放热，循环放热量q2t2 s3s2 t 3 4：绝热可逆膨胀，等熵过程，对外做功，温度下降，t21 4 1：等温可逆吸热，循环吸热量q0t1 s1s4 循环过程所做净功wnwn0qq0q2t1 s1s4 t2 s3s2 t1t2 s2s3 说明制冷循环要消耗功学习必备欢迎下载制冷效率的评判指标制冷循环是逆向的热机循环，其技术经济指标用制冷系数 表示：q0从低温物体吸取的热量wn消耗的净功对于逆卡诺循环q0t1 s1s4 t1w nt1t2 s1s4 t2t1即

22、逆卡诺循环的制冷系数仅是温度的函数，与工质无关；两温度之间的制冷循环以逆卡诺循环的制冷系数最大，是一切实际循环的比较标准2）单级蒸汽压缩制冷循环q23冷凝器2节流阀4蒸发器压缩机1p22t3p13t 0441q0示意图t-s图s制冷循环中工作物质称为制冷剂，单位制冷剂的制冷量为q0h 1h 4kj.kg -1 kj.h制冷剂的制冷才能为q0-1，就其循环量为gq0q0压缩单位重量制冷剂所消耗的功为whhkj.kg -1 制冷机的制冷系数为q0h 1h 4w sh 2h 1s21h 1h 3h 2h 1制冷机所消耗的理论功率为3）多级压缩制冷循环n tgw s学习必备欢迎下载t189462524

23、57798310136s2 吸取制冷循环原理介绍吸取制冷就是直接利用热能制冷的冷冻循环，通过吸取和精馏装置来完成循环过程，液体为工质；1）制冷工质氨水溶液吸取制冷通常用于低温系统，最低可达 208k-65 ，一般为 228k-45 以上溴化锂溶液吸取制冷通常用于大型中心空调系统，使用温度不低于273k 0 ，一般为 278k5 以上 2）吸取制冷的特点直接利用热能制冷，所需热源温度较低，可充分利用低品位热能3）原理利用二元溶液中各组分蒸气压不同来进行；以挥发性大（蒸气压高）的组分为制冷剂，以挥发性小（蒸气压低）的组分为吸取剂；压缩机再q生器c冷凝器qb节流阀换热器 f吸取q 器e蒸发器 aq泵g氨吸取制冷循环示意图学习必备欢迎下载3 气体的