化工能量分析

1、9热力学第一定律和能量衡算热力学第一定律和能量衡算 大量事实所证明大量事实所证明(1)静止、封闭系统，非流动过程静止、封闭系统，非流动过程(2)(2)敞开系统敞开系统 进进-出出=积累积累 (Q+einmin)-(W+ eoutmout)=dE经历时间经历时间后，可积分后，可积分 WQUWmemeEQininoutout )(3)(3)稳定流动过程稳定流动过程 dE=0 E入入+Q=E出出+WW包括轴功包括轴功WS和流动功和流动功WF两项两项 对于对于1kg流体：流体： )2(1211gzcUmE 入入)2(2222gzcUmE 出出)(22FSWWQczgU 进入时，后面流体推动它，所作流动

2、功为进入时，后面流体推动它，所作流动功为 A截截为截面积，为截面积，V为比容为比容敞开系统的流动功为敞开系统的流动功为 稳流过程热力学第一定律，稳流过程热力学第一定律，稳流过程总能量衡算式稳流过程总能量衡算式 1111VPAVAP 截截截截)()()(PVPVPVWF 初初终终)(22PVWQczgUS SWQczgH 22例例：有一燃气轮机装置如图有一燃气轮机装置如图2-16所示。空气流量所示。空气流量m = 1 0 k g / s ； 在 压 气 机 进 口 处 空 气 的 焓； 在 压 气 机 进 口 处 空 气 的 焓h1=290kJ/kg；经过压气机压缩后，空气的焓升；经过压气机压缩

3、后，空气的焓升为为580 kJ/kg；在燃烧室中喷油燃烧生成高温燃气，；在燃烧室中喷油燃烧生成高温燃气，其焓为其焓为h3=1250kJ/kg；在燃气轮机中膨胀作功后，；在燃气轮机中膨胀作功后，焓降低为焓降低为h4=780 kJ/kg；然后排向大气。试求：；然后排向大气。试求：(1)压气机消耗的功率；压气机消耗的功率；(2)燃料消耗量燃料消耗量(已知燃料发热量已知燃料发热量HV=43960 kJ/kg)；(3)燃气轮机产出的功率；燃气轮机产出的功率；(4)燃气轮机燃气轮机装置输出的功率。装置输出的功率。 解：解：稳定流动的能量衡算方程为稳定流动的能量衡算方程为 (1)压气机压气机Q=0；c2=0

4、；z=0 -Ws=Wc=H2-H1=580-290=290 kJ/kg消耗的功率为消耗的功率为 Pc=mWc=10290=2900 kW(2)燃烧室燃烧室c2=0；z=0；Ws =0 Q=H=H3-H2=1250-580=670 kJ/kg燃料消耗量为燃料消耗量为 mF=mQ/HV=10670/43960=0.1524 kg/sSWQczgH 22(3)燃气轮机燃气轮机Q=0；c2=0；z=0 Ws=-H=H3-H4=1250-780=470 kJ/kg 燃气轮机发出的功率燃气轮机发出的功率 PT=m Ws=10470=4700 kW(4)燃气轮机装置输出的功率燃气轮机装置输出的功率 P =

5、PT PC= 4700-2900 = 1800 kW 10热力学第一定律的应用热力学第一定律的应用 (1) 无热功交换、不可压缩流体稳流过程无热功交换、不可压缩流体稳流过程液体流动，液体流动，Q=0，WS=0，U=0 密度为密度为 得得 柏努利方程柏努利方程 PPVPV022 czgP(2) 无热功交换、可压缩流体无热功交换、可压缩流体如气体经过管道、喷管、扩压管、如气体经过管道、喷管、扩压管、 节流装置节流装置(阀、孔板阀、孔板)Q=0，WS=0，gz0，则，则动能增加等于焓值降低动能增加等于焓值降低绝热稳流方程式，设计喷咀的依据绝热稳流方程式，设计喷咀的依据022 cHHc 2222112

6、22212121cHcHcH (3)(3)绝热节流绝热节流气体、液体节流时，若通道截面积不变，气体、液体节流时，若通道截面积不变， P变化较小，变化较小，变化较小，变化较小，动能变化较小，动能变化较小，为等焓过程为等焓过程 H1=H2 理想气体理想气体 T2=T1 实际气体实际气体HJTpT)( (4)有大量热功交换的化工过程有大量热功交换的化工过程传热、化学反应过程、液体混合、气体压缩传热、化学反应过程、液体混合、气体压缩则则 对比对比 U=QW 两个功不一样两个功不一样U静止物系的总能量，静止物系的总能量，H流动物系的总能量流动物系的总能量(4.1)绝热过程绝热过程 Q=0，H= WS，如

7、：气体绝热压缩、膨胀如：气体绝热压缩、膨胀 环境对系统作功，环境对系统作功，WS0，H 系统对环境作功，系统对环境作功，WS0，H0，H0，H 系统放热，系统放热，Q0，H00，极限，极限SS孤孤=0=0 (3.2)封闭系统：与环境交换的能量：功与热封闭系统：与环境交换的能量：功与热 热源热源具有很大热容量的物系具有很大热容量的物系 放热或取热时温度不变放热或取热时温度不变, ,视作可逆视作可逆功源功源 环境环境封闭系统封闭系统孤孤SSS 功功源源热热源源环环境境SSS 热源热源系统系统热源热源热源热源热源热源TQTQS 0 功功源源S得得 封闭系统热力学第二定律数学表达式封闭系统热力学第二定

8、律数学表达式(3.3)敞开系统敞开系统: : 热流熵热流熵 入流熵入流熵 出流熵出流熵稳流过程稳流过程得得 0稳流过程热力学第二定律数学表达式稳流过程热力学第二定律数学表达式 封封闭闭系系统统S 热热源源系系统统TQ jjjiiiKKKSmSmTQ出出入入)()(敞敞开开系系统统S 0 敞敞开开系系统统S KKKiiijjjTQSmSm入入出出)()(3.4)熵平衡式熵平衡式 熵产熵产 ，可逆过程，可逆过程 ， 不可逆过程不可逆过程 00 孤立系统：孤立系统：封闭系统：封闭系统：敞开系统：敞开系统：稳流过程：稳流过程： 产产S 0 产产S产产S 环环境境封封闭闭系系统统孤孤产产SSSS 热源热

9、源系统系统封闭系统封闭系统产产TQSS KKKiiijjjTQSmSmSS入入出出敞敞开开系系统统产产)()( KKKiiijjjTQSmSmS入入出出产产)()(4) 卡诺循环卡诺循环热转化为功热转化为功1 1至至2 2等温膨胀过程；等温膨胀过程；2 2至至3 3绝热膨胀；绝热膨胀；3 3至至4 4等温压缩过程；等温压缩过程；4 4至至1 1绝热压缩。绝热压缩。 热转化为功：热转化为功：必须要有两个热源必须要有两个热源若乏汽直接放入大气，则低温热源就是大气若乏汽直接放入大气，则低温热源就是大气高温热源：燃烧气；高温热源：燃烧气； 低温热源：天然水或大气低温热源：天然水或大气热不可能全部变为功

10、热不可能全部变为功 循环循环，H=0， H=Q-WS WS=Q=QH+QL， WS(+)，QH(+)，QL(-)，得得QHWS可逆可逆0 LLHHTQTQS得得 QL= - QHTL/TH 卡诺功卡诺功最大热机效率是卡诺效率最大热机效率是卡诺效率 0，WS(R)0 可逆膨胀可逆膨胀P，dP0 2121PPSSVdPTdSHRSSQTdS 21 21)(PPRSVdPW液体液体:V可视为常数可视为常数 (2)实际轴功实际轴功WS(ac)的计算的计算 产功装置：产功装置：WS(R)WS(ac)，机械效率，机械效率耗功装置：耗功装置： ，机械效率，机械效率得得机械效率可实验测定，一般在机械效率可实验

11、测定，一般在0.60.8之间。之间。 PVWRS )()()(RSacSMWW )()(RSMacSWW )()(RSacSWW )()(acSRSMWW MRSacSWW )()(3)等熵效率等熵效率从状态从状态1至状态至状态2 产功装置：产功装置：耗功装置：耗功装置：HS2是在指定压力是在指定压力P2、S2=S1条件下的焓值条件下的焓值S可由实验测定，一般在可由实验测定，一般在0.60.9之间之间 SSHHHH2121 2121HHHHSS 例例4： 某化工厂用蒸汽透平带动其它设备。泵入某化工厂用蒸汽透平带动其它设备。泵入口水口水0.10MPa(绝绝)，由泵加压至，由泵加压至0.7MPa(

12、绝绝)，泵，泵的等熵效率为的等熵效率为0.85，水在锅炉中被加热成为，水在锅炉中被加热成为280的过热蒸汽，进入透平机膨胀作功，排出的过热蒸汽，进入透平机膨胀作功，排出蒸汽蒸汽(乏汽乏汽)压力为压力为0.10MPa(绝绝)。透平输出的轴功。透平输出的轴功有一部分用于带动水泵，大部分作为输出轴功，有一部分用于带动水泵，大部分作为输出轴功，透平的等熵效率为透平的等熵效率为0.9。试求热机效率，以及点。试求热机效率，以及点4处的蒸汽干度处的蒸汽干度(蒸汽占总量的比例蒸汽占总量的比例)。t1=15，P1=0.10MPa，H1=63.05kJ/kg， V1=0.001001m3/kg P2=0.70MP

13、at3=280.0，P3=0.70MPa，H3=3017.1kJ/kg， S3=7.2233kJ/kgK P4=0.10MPa 例例4附图附图 蒸汽透平装置蒸汽透平装置 解：解： 实际实际 ，计算基准取计算基准取1kg水水1) 水泵水泵 = -600.6J/kg=-0.6006 kJ/kg =-0.6006/0.85= -0.707kJ/kg H2-H1=H=Q-Ws=-Ws kJ/kgQWWQWST泵泵透透 ）（透透 W）（泵泵 W )(121)(21PPVVdPWppRS610)10. 070. 0(001001. 0 SRSWW /)(泵泵泵泵76.6305.63707. 012 HWH

14、泵泵2) 锅炉锅炉 Ws=0 kJ/kg3) 透平：透平： 先按等熵先按等熵 kJ/kgK算算H4S，查，查P4下：下：饱和液体：饱和液体：HL=417.51kJ/kg，SL=1.3027 kJ/kgK饱和蒸汽：饱和蒸汽：HG=2675.7kJ/kg，SG=7.3608kJ/kgK设等熵条件下，蒸汽干度为设等熵条件下，蒸汽干度为x则则 S4=7.2233=7.3608x+1.3027(1-x)得得 x=0.9773， H4S=2675.7x+417.51(1-x)=2624.4kJ/kg WS(R)=H3-H4S=3017.1-2624.4=392.7 kJ/kg 392.70.9=353.4kJ/kg34.295376.631 .301723 HH