化工热力学第6章 流动系统的热力学原理及应用

第六章流动系统(xìtǒng)的热力学原理及应用6.1引言6.2热力学第一定律1、封闭系统的热力学第一定律2、稳定流动系统的热力学第一定律6.3热力学第二定律和熵平衡6.4有效能与过程(guòchéng)的热力学分析精品资料6.2热力学第一(dìyī)定律1、封闭系统的热力学第一(dìyī)定律克服恒定外压所做的体积功为(6-1)(6-2)对于可逆过程精品资料2、稳定流动(liúdòng)系统的热力学第一定律稳定流动状态——

流体流动途径所有各点的状况都相等，且不随时间而变化，即所有质量和能量的流率均为常量，系统中没有(méiyǒu)物料和能量的积累。精品资料(6-3)(6-5)pV称为(chēnɡwéi)“流动功”，流动所做功是轴功和净流动功之和W=Ws-p2V2+p1V1 (6-4)H=U+pV在热力学的许多应用(yìngyòng)中，动能和势能与其他能量相比是比较小的，若略去不计，可得(6-7)精品资料可逆轴功表达式为

精品资料例题6-1将90℃的热水，以12m3/h速率从储罐1输送到高度(gāodù)为15m的储罐2，热水泵的电动机功率为1.5kW，并且热水经过一个冷却器，放出热量的速率为2.5×106kJ/h.试问：储罐2的水温度是多少？解：此例题是稳定流动过程式（6-5）的应用，水在储罐的流动速度很慢，可以忽略动能变化，其他能量项单位为kJkg-1。从附录C水性质表中可查得，90℃时水的密度为965.3kg·m-3，则水的质量流率为965.3×12=11583.6kgh-1得到放出的热量轴功势能精品资料将上述(shàngshù)各项代入式（6-5），得到从附录C-1饱和水性质(xìngzhì)表中可查得90℃时饱和液体的焓再从饱和水性质表中可内插查到此时的温度约为38.5℃。

精品资料6.3热力学第二(dìèr)定律和熵平衡1、热力学第二(dìèr)定律2、熵及熵增原理3、封闭系统的熵平衡4、稳定流动系统的熵平衡精品资料熵增原理(yuánlǐ)——自发过程的不可逆过程只能向着总熵增加的方向进行，最终趋向(qūxiàng)平衡态。此时总熵变达到最大值，即△St=0达到了过程的终点。△St

=△S

+△S0

≧0在封闭系统中进行的任何过程对孤立系统δQ=0dS孤立≥0或（△S）孤立≥0(6-13)(6-14)(6-15)精品资料熵产生(chǎnshēng)——系统在不可逆过程中，有序的能量(néngliàng)耗散为无序的热能（如摩擦等），并为系统吸收而导致系统熵的增加，这部分熵称为熵产生,记为△Sg。(6-16)(6-17)精品资料熵流——若有热量流入或流出系统，则必定(bìdìng)伴有相应的熵变化，记为△Sf或dSf熵流可为正、为负、为零(6-18)精品资料敞开体系(tǐxì)熵平衡简图△Sg

物流流入物流流出△Sf图6-3精品资料敞开系统的熵平衡方程式为：对稳流过程,系统熵的累积为0对绝热稳流过程，且只有单股流体,有mi=mj=m△Sf=0对可逆绝热的稳流过程△Sf=0,△Sg=0若为单股物料(wùliào)，有Si=Sj,为常见的等熵过程。这里△So为系统(xìtǒng)熵的累积量(6-19)(6-20)精品资料6.4有效能与过程(guòchéng)的热力学分析1、理想功2、损失功3、有效能4、有效能效率(xiàolǜ)和有效能分析精品资料1、理想功：——系统的状态变化以完全可逆方式完成，理论上产生(chǎnshēng)最大功或者消耗最小功。环境指大气(dàqì)温度T0，压力P0=0.1013MPa的状态完全可逆，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。(6-21)精品资料例题(lìtí)6-2求298K，0.1013MPa的水变成273K，同压力下冰的过程的理想功。设环境温度分别(fēnbié)为（1）25℃；（2）-5℃。已知273K冰的熔化焓变为334.7kJ/kg精品资料298K，0.1013MPa水273K，0.1013MPa冰WidH1，S1H2，S2例题(lìtí)6-2Hl2=-0.02kJkg-1和Sl2≈0(a)(b)理想(lǐxiǎng)功的计算与环境有关精品资料P160三（1）求算在流动过程中温度为540℃，压力(yālì)为5.0MPa的1kmol氮气所能给出的理想功是多少？环境温度为15℃，环境压力(yālì)为0.1MPa。将氮气当做(dàngzuò)理想气体精品资料P160三（1）求算在流动过程中温度(wēndù)为540℃，压力为5.0MPa的1kmol氮气所能给出的理想功是多少？环境温度(wēndù)为15℃，环境压力为0.1MPa。将氮气当做(dàngzuò)理想气体精品资料P160三（2）某厂有一输送90℃热水的管道，由于保温不良，到使用单位(dānwèi)时，水温已降至70℃。试求水温降低过程的热损失与损失功。设环境温度为25℃。精品资料2、损失功：实际过程所作的功（产生或消耗(xiāohào)）与完全可逆过程所作的理想功之差，就称为损失功。稳定流动(liúdòng)过程对于环境来说，Q为可逆热，Q=-T0△S0不可逆性的熵增加+过程的热损失损失功与总熵变的关系,且与环境温度有关。实际过程总是有损失功，过程的不可逆程度越大，总熵增越大，损失功也越大(6-24)精品资料例题(lìtí)6-3用1.50MPa,773K的过热蒸汽来推动透平机,并在0.07MPa下排出.此透平机既不是可逆的，也不是绝热的，实际输出的轴功相当于可逆绝热功的85%。另有少量的热散入293K的环境(huánjìng)，损失热为79.4kJ/kg，求此过程的损失功。精品资料解：查附录C-2过热水蒸气表可知(kězhī)，初始状态1.50MPa,773K时的蒸气焓、熵值为：若蒸汽按绝热可逆膨胀，则是等熵过程，当膨胀至0.07MPa时，熵仍为S2=7.5698kJkg-1K-1。查过热水蒸汽表可知(kězhī)，此时状态近似为0.07MPa，373K的过热水蒸汽，其焓值H2=2680kJkg-1。因可逆绝热过程，Q=0，则此透平机实际输出轴功，依据稳流系统热力学第一定律(dìnglǜ)，得到实际状态2’的焓为由0.07MPa和H2’可查得过热水蒸汽状态为393K，S2’=7.6375kJ·kg-1·K-1，则过程的损失功精品资料3、有效能（availableenergy）：系统在一定状态下的有效能，就是从该状态变化到基态过程所作的理想功，用符号(fúhào)B表示物理有效能：指系统的T、p等状态不同于环境而具有的能量化学有效能：处于环境温度和压力下的系统，由于(yóuyú)与环境进行物质交换或化学反应，达到与环境平衡，所做的最大功即为化学有效能系统的有效能B仅与系统状态有关，是状态函数。但是它和内能、焓、熵等热力学性质不同，有效能的数值与所选定的环境状态有关。T0(S-S0)不能用于作功，又称为无效能。有效能的终态是基态，即是环境状态，此时的有效能可视为0。(6-25)精品资料当ΔB<0，即减小的有效能全部用于做可逆功，且所做功最大为Wid；当ΔB>0，即增加的有效能等于(děngyú)外界消耗最小可功（可逆功），对可逆过程有效能是守恒的，对不可逆过程则不守恒精品资料4、有效(yǒuxiào)能效率和有效(yǒuxiào)能分析有效(yǒuxiào)能平衡方程：有效能效率：当D=0时，是可逆过程；D>0是不可逆过程，D<0的过程不可能自发进行。不可逆过程，实际所作的功Ws总是小于有效能的减少，有效能有损失情况。(6-28)(6-29)(6-30)精品资料例题(lìtí)6-6某工厂有两种余热可资利用，其一是高温的烟道气，主要(zhǔyào)成分是二氧化碳、氮气与水汽，流量为500kg/h，温度为800℃，其平均比等压热容为0.8kJkg-1K-1；其二是低温排水，流量是1348kgh-1,温度为80℃,水的平均比等压热容为4.18kJkg-1K-1，假设环境温度为298K。问两种余热中的有效能各为多少?精品资料解：高温的烟道气是高温、低压气体，可作为理想气体处理，按照式（6-25）高温的烟道气从800℃降低到环境温度25℃放出(fànɡchū)的热量低温排水的有效能低温排水从80℃降低到环境温度25℃放出(fànɡchū)的热量低温排水的余热等于高温烟道气的余热，但是其有效能只有高温烟道气的1/6，因此有效能才能(cáinéng)正确评价余热资源精品资料有效(yǒuxiào)能的分析例题6-7设有压力为1.0MPa、6.0MPa的饱和水蒸气以及1.0MPa、553.15K的过热(ɡuòrè)水蒸气，若这三种蒸汽都经过充分利用，最后排出0.1013MPa、298.15K的冷凝水。试比较每kg蒸汽的有效能(B)大小和所放出的热。状态压力/MPa温度/KS/kJkg-1K-1H/kJkg-10饱和液体水298.151饱和蒸汽1.02过热蒸汽1.03饱和蒸汽6.0状态压力/MPa温度/KS/kJkg-1K-1H/kJkg-10饱和液体水0.1013298.150.3671051饱和蒸汽1.0453.066.58727782过热蒸汽1.0553.157.04730083饱和蒸汽6.0548.795.8892784精品资料序号状态压力p/MPa温度T/K熵SkJ/kgK焓HkJ/kg（S-S0）（H-H0）BkJ/kg0液体水0.1013298.150.3671051饱和蒸汽1.0453.066.58727786.222673818.52过热蒸汽1.0553.157.04730086.682903911.43饱和蒸汽6.0548.795.88927845.5226791033.2精品资料压力相同（1.0MPa）时，过热蒸汽的有效能较饱和蒸汽为大，故其作功本领也较大；高压蒸汽的有效能较低压蒸汽为大，而且热转化为功的效率也较高。目前在大型合成氨厂中，温度在623K以上的高温热能都用于生产10.33MPa的蒸汽（过热温度753K），作为获得动力的能源，以提高热能的利用率；温度相同（蒸汽2、3相近）时，高压蒸汽的焓值反较低压蒸汽略少，故通常(tōngcháng)总是用低压蒸汽作为工艺加热之用，以减少设备费用；表中所列1.0MPa和6.0MPa时，饱和蒸汽所放出来的热量基本相等，但高温蒸汽的有效能比低温蒸汽大。由此进一步表明，盲目地把高温高压蒸汽作加热就是一种浪费。故一般用来供热的大都是0.5～1.0MPa的饱和蒸汽。精品资料能量的合理(hélǐ)利用1、防止能量(néngliàng)无偿降级2、采用最佳推动力的方案3、合理组织能量(néngliàng)梯次利用精品资料6.5气体的压缩与膨胀过程6.6动力循环1、封闭系统的热力学第一定律2、稳定流动系统的热力学第一定律6.7制冷(zhìlěng)循环6.8热泵精品资料气体(qìtǐ)的压缩与膨胀过程1、气体(qìtǐ)的压缩2、气体(qìtǐ)的膨胀（1）绝热节流膨胀（2）绝热可逆膨胀精品资料（1）绝热节流(jiéliú)膨胀节流效应（或Joule-Thomson效应）——流体节流时，由于压力变化而引起(yǐnqǐ)的温度变化微分节流效应系数积分节流效应精品资料（2）绝热可逆膨胀(péngzhàng)微分(wēifēn)等熵效应系数积分等熵膨胀效应永远是正值

精品资料绝热节流(jiéliú)膨胀和绝热可逆膨胀从热力学角度出发(chūfā)，从温度降、冷冻量和回收轴动来说，做外功的绝热膨胀要比节流膨胀优越节流膨胀所需设备简单，只需一个节流阀，便于调节且可直接得到液体精品资料6.6动力(dònglì)循环6.6.1朗肯循环(xúnhuán)（RankineCycle）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，但是要消耗功精品资料理想(lǐxiǎng)的朗肯循环1→2→3→4→5→6→11→2→3→4：流体在锅炉、过热器中被等压加热汽化成为过热蒸汽(zhēnɡqì)的过程，加入的热量：Q=H4－H1（正值）4→5：过热蒸汽(zhēnɡqì)在透平机中的可逆绝热膨胀过程，对外所做轴功可由膨胀前后水蒸汽(zhēnɡqì)的焓值求出-WS=－△H=H4－H5（负值）5→6：乏气的冷凝过程，放出的热量Q0=H6－H5（负值）6→1：将冷凝水通过泵由p2→p1Wp=△H=（H1－H6）(正值)=－VlH2O（p2－p1）精品资料理想(lǐxiǎng)朗肯循环循环(xúnhuán)的热效率工质通过循环作出的净功WNWN=WS+WP=（H5－H4）+（H1－H6）≈H5－H4所吸收的净热（Q+Q0）

经过一次循环后，ΔH=0，WN=Q+Q0汽耗率SSC等熵膨胀效率相对内部效率精品资料例题6-9某一蒸汽动力(dònglì)循环装置，锅炉压力为4MPa，冷凝器工作压力为0.004MPa。进入透平机的过热蒸汽，温度为500℃。若此循环为理想朗肯循环，试求循环的热效率和汽耗率。若过热蒸汽通过透平机进行实际的不可逆绝热过程，排出乏汽的干度为0.92，试求此实际朗肯循环的热效率和汽耗率。精品资料朗肯循环(xúnhuán)的改进1、提高蒸汽(zhēnɡqì)的过热温度2、提高蒸汽(zhēnɡqì)的压力3、采用再热循环在相同的蒸汽压力下，提高蒸汽的过热温度时，可使平均吸热温度相应地提高。由图6-7可见，功的面积随过热温度的升高而增大，循环热效率随之提高，当然汽耗率也会下降。同时乏气的干度增加，使透平机的相对内部效率也可提高。但是蒸汽的最高温度受到金属材料性能的限制，不能无限地提高，一般过热蒸汽的最高温度以不超873K为宜水的沸腾温度随着蒸汽压力的增高而升高，故在保持相同的蒸汽过热温度时，提高水蒸汽压力，平均吸热温度也会相应提高。从图6-8可以看出，当蒸汽压力提高时，热效率提高，而汽耗率下降。但是随着压力的提高，乏汽的干度下降，即湿含量增加，因而会引起透平机相对内部效率的降低，还会使透平中最后几级的叶片受到磨蚀，缩短寿命。乏汽的干度一般不应低于0.88。另外，蒸汽压力的提高，不能超过水的临界压力(pC=22.064MPa)，而且设备制造费用也会大幅上升。这都是不利的方面。再热循环是使高压的过热蒸汽在高压透平中先膨胀到某一中间压力(一般取再热压力为新汽压力的20~25%)，然后全部引入锅炉中特设的再热器进行加热，升高了温度的蒸汽，进入低压透平再膨胀到一定的排气压力，这样就可以避免乏气湿含量过高的缺点。如图6-9所示，高压蒸汽由状态点4等熵膨胀到某一中间压力时的饱和状态点4‘(膨胀后的状态点也可以在过热区),作出功。饱和蒸汽在再热器中吸收热量后升高温度，其状态沿等压线由4’变至5(再热温度与新汽温度可以相同，也可以不同)，最后再等熵膨胀到一定排气压力时的湿蒸汽状态6，又做出功。精品资料6.7制冷(zhìlěng)循环1、逆卡诺循环制冷(zhìlěng)系数循环放热量Q0=T2(S3-S2)循环吸热量q0=T1(S1–S4)循环所做的净功-WN=Q0+q0=(T1–T2)(S2–S3)T1<T2,S1>S2,WN>0逆卡诺循环的制冷系数仅是工质温度的函数，与工质无关（6-40）精品资料2、单级压缩(yāsuō)制冷循环低压蒸汽(zhēnɡqì)的压缩、高压蒸汽(zhēnɡqì)的冷却冷凝、高压液体的节流膨胀、湿蒸汽(zhēnɡqì)的定压蒸发精品资料实际蒸汽压缩制冷装置中的膨胀过程，为何采用(cǎiyòng)节流阀而不用膨胀机?制冷装置的膨胀过程，采用节流元件（如阀、孔板等）主要考虑到节流设备简单，装置紧凑。对于中小型设备而言，这个(zhège)膨胀功是不值得回收的，功量不大，但是设备投资要增加许多。因此，大多不采用膨胀机精品资料2、单级压缩制冷(zhìlěng)循环制冷机所消耗的理论(lǐlùn)功率G----制冷剂的循环量制冷机的制冷系数单位质量制冷剂的制冷量

q=H1－H4kJ·kg－1

制冷剂的循环量G=Qc/q （6-41）（6-42）（6-43）精品资料习题三（11）压缩机出口氨的压力(yālì)为1.0MPa，温度为30℃，若按下述不同的过程膨胀到0.1MPa，试求经膨胀后氨的温度为多少？

（1）绝热节流膨胀；

（2）可逆绝热膨胀。122’3℃-33℃精品资料通过(tōngguò)例题6-10学习如何查压焓图压焓图上有等温线、等熵线、等压线、等容线精品资料习题三（14）某蒸汽压缩制冷循环(xúnhuán)，制冷量Q0为4×104kJ·h-1，蒸发室温度为-10℃，冷凝器用水冷却，进口为8℃。若供给冷凝器的冷却水量无限大时，计算制冷循环(xúnhuán)消耗的最小功为多少？如果冷凝器用室温（25℃）空气冷却时，其消耗的最小功又是多少？所有的制冷(zhìlěng)循环中，逆卡诺循环的制冷(zhìlěng)效率最高，即功耗最小当冷却水量无限大时，冷凝温度T2=(8+273)K当冷凝器用空气冷却时，冷凝温度近似等于室温25℃冷却温度越低，消耗功越小。但是空气冷却所用设备简单，如家用空调器，冰箱采用散热片空气冷却，不过它们的能耗要比水冷却高许多精品资料3、多级压缩(yāsuō)制冷循环1→2，3→4两级压缩(yāsuō)7→8，9→10两级膨胀如果需要获得较低的温度，蒸气蒸发压力要低，则蒸气的压缩比就要增大，单级压缩是不经济的，通常采用多级压缩。多级压缩制冷可提供多种不同温的制冷量；制冷循环应用于化工生产，有些制冷剂本身就是生产中的产品，如合成氨厂用液氨