化工热力学配套讲义3.ppt

1、化工热力学课程第3次辅导,热力学第一、第二定律及其工程应用,含盖教材内容：,第6章 热力学第一定律及其应用 第7章 热力学第一定律及其应用 第8章 蒸汽动力循环与制冷循环,约占教学内容 的35%份量,各章的知识点、重点和难点内容分述如下：,知识点：,敞开系统的热力学第一定律,轴功的计算,可逆过程及等熵膨胀,气体压缩与膨胀过程热力学分析,重要内容,第6章 热力学第一定律及其应用,敞开系统的热力学第一定律,能量守恒与转换 一切物质都具有能量，能量是物质固有的特性。通常，能量可分为两大类：一类是系统蓄积的能量，如动能、势能和热力学能，它们都是系统状态的函数。另一类是过程中系统和环境传递的能量，常见有

2、功和热量，它们就不是状态函数，而与过程有关。热量是因为温度差别引起的能量传递，而做功是由势差引起的能量传递。因此，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。,能量的形式不同，但是可以相互转化或传递，在转化或传递的过程中，能量的数量是守桓的，这就是热力学第一定律，即能量转化和守恒原理。,系统在过程前后的能量变换E应与系统在该过程中传递的热量Q与功W相等。 Q：系统吸热为正值，放热为负值； W：系统得功为负值正值，对环境做功为。,在闭系非流动过程中的热力学第一定律：,稳态流动体系的能量平衡方程,使用上式时要注意单位必须一致。按照SI单位制，每一项的单位为 Jkg-1。动能和位能的单位为：

3、,可逆条件下的轴功,对于液体，在积分时一般可将V当作常数。 对于气体怎么办？,对于理想气体的等温过程,左式只适用于理想气体等温过程,一些常见的属于稳流体系的装置,喷嘴,扩压管,节流阀,透平机,压缩机,混合装置,换热装置,喷嘴与扩压管,或,透平机和压缩机,节流阀,混合器,换热器,管路和流体输送,Bernulli 方程,实际流体的流动过程存在摩擦损耗，意味机械能转变为热力学能，有摩擦损耗，则：,对于无热、无轴功交换、无摩擦粘性力的不可压缩流体的稳流过程,则：,知识点：,热力学第二定律的定性表述,敞开系统的熵衡算方程,熵衡算在化工单元过程分析中的应用,理想功、损失功和过程的不可逆性,重要内容,第7章

4、 热力学第二定律及其应用,有效能的计算,有效能在化工能量分析中的应用及合理用能准则,热力学第二定律,热力学第二定律说明过程按照特定方向，而不是按照任意方向进行。 自然界中的物理过程能够自发地向平衡方向进行,Clausius说法：热不可能自动从低温物体传给高温物体。热传导过程的不可逆性热流方向。,Kelvin说法：不可能从单一热源吸热使之完全变为有用的功而不引起其他变化。,功转变为热的不可逆性循环过程。,熵表述法熵增原理孤立系统的熵只能增加，或达到极限时保持不变。数学描述：,几个基本概念,热源：具有很大热容量的物系。特征是温度T 不变，发生的过程视为可逆过程，如大气、天然水源。 功源：一种可以接

5、受功或作出功的装置。特征是只有功的交换，无热量、物质的交换，可设想为可逆过程。 热机：一种产生功并将高温热源的热量传递给低温热源的一种机械装置。 热效率：热转化为功的效率。,火力发电厂的热效率大约为40%,Carnot热机效率：,S,Carnot循环可逆过程,可逆传热概念：,熵变( )：由系统由于温度、压力变化引起， 可通过pVT(x)关系进行计算,熵流( )：由于传热过程而引起的熵变可正、可负或零,熵产( )：系统经历不可逆过程，就有熵的产生。熵产生仅仅与过程的不可逆程度联系在一起。,敞开系统的通用衡算方程,在dt时间内系统M累计量 =进入系统的M量-流出系统的M量 +系统中产生的M量,熵平

6、衡方程,稳定流动系统,绝热节流过程 ，只有单股流体，mimjm,可逆绝热过程,单股流体：,封闭系统,或,系统在变化过程中，由于途径的不同，所产生(或消耗)的功是不一样的。理想功就是系统的状态变化以完全可逆方式完成，理论上产生最大功或者消耗最小功。因此理想功是一个理想的极限值,可作为实际功的比较标准。所谓的完全可逆，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。环境通常是指大气温度T、压力p =0.1013MPa的状态。,理想功(Ideal Work),理想功、损失功及热力学效率,稳定流动系统的热力学第一定律表达式为：,假定过程是完全可逆的，而且系

7、统所处的环境可认为是个温度为T的恒温热源。根据热力学第二定律,系统与环境之间的可逆传热量为 Qrev= TS,忽略动能和势能变化,损耗功,系统在相同的状态变化过程中，不可逆过程的实际功与完全可逆过程的理想功之差为损失功。,对稳态流动过程,Q是系统与温度为T的环境所交换的热量，S是系统的熵变。由于环境可视为恒温热源，Q相对环境而言，是可逆热量，但是用于环境时为负号，即：-Q TSsur 。,根据热力学第二定律(熵增原理)，St0，等号表示可逆过程；不等号表示不可逆过程。实际过程总是有损失功的，过程的不可逆程度越大，总熵增越大，损失功也越大。损失的功转化为热，使系统作功本领下降，因此，不可逆过程都

8、是有代价的。,热力学效率,以平衡的环境状态为基准，理论上能够最大限度地转化为功的能量称为有效能，理论上不能转化为功的能量称为无效能。,有效能,有效能的概念,有效能的计算,系统在一定状态下的有效能，就是系统从该状态变化到基态(环境状态)过程所作的理想功。,有效能的组成与计算方法,有效能的组成：考虑无核、磁、电及表面功的过程。 动能有 位能有 物理有 化学有 效能 效能 效能 效能 系统与 系统与 环境呈 环境呈 约束平 非约束 衡时提 平衡时 供的 提供的,稳流过程，从状态1变到状态2，过程的理想功为：,当系统由任意状态(p, T)变到基态(T, p)时稳定流动系统的有效能EX为:,机械能、电能

9、的有效能,机械能和电能全部是有效能，即：,动能和位能也全部是有效能。,EX=W,物理有效能,物理有效能是指系统的温度、压力等状态不同于环境而具有的有效能。化工生产中与热量传递有关的加热、冷却、冷凝过程，以及与压力变化有关的压缩、膨胀等过程，只考虑物理有效能。,温度为T的恒温热源的热量Q, 有效能按Carnot热机所能做的最大功计算：,热量有效能,变温过程的热量有效能,压力有效能,对于理想气体,则每mol气体的压力有效能为：,化学有效能,在计算化学有效能时不但要确定环境的温度和压力，而且要指定基准物和浓度。,处于环境温度与压力下的系统，与环境之间进行物质交换(物理扩散或化学反应)，最后达到与环境

10、平衡，此过程所能做的最大功为化学有效能。,第6章 蒸汽动力循环和制冷循环,知识点：,蒸汽动力循环,节流膨胀与绝热膨胀,制冷循环,重点内容：,热泵,蒸汽动力循环,蒸汽动力循环示意图,T-S图,12 表示过热蒸汽在汽轮机(Turbine)中的可逆绝热膨胀过程，对外做功。所做轴功可由膨胀前后水蒸汽的焓值求出。,2 3 表示乏汽在冷凝器(Condensor)中的等温等压冷凝过程，放出热量。,34 表示冷凝水通过水泵(Pump)由p3升压至p4的可逆绝热压缩过程，需要消耗的轴功,把水看作是不可压缩流体，则：,4 1 表示液体水在锅炉(Boiler)中被等压加热汽化成为过热蒸汽的过程。工质在锅炉中吸收的热

11、量,理想Rankine循环的热效率,蒸汽动力循环中，水泵的耗功量远小于汽轮机的做功量，则：,热效率的高低可反映出不同装置输出相同功量时所消耗的能量的多少，它是评价蒸汽动力装置的一个重要指标。,汽耗率,作出单位量净功所消耗的蒸汽量称为汽耗率，用 SSC (Specific Steam Consumption)表示。,当对外做出的净功相同时，汽耗率大的装置其尺寸相应增大。所以汽耗率的高低可用来比较装置的相对尺寸大小和过程的经济性。,工质为水蒸气,水蒸气的性质不能用理想气体方程计算，需要通过热力学图表或实际流体的状态方程求得。,计算方法,状态点1, 根据p1、t1 值可查得H1、S1值；,状态点2,

12、 S2=S1 ，根据p2、S2 值可查得H2、t2值；,状态点3, p3=p2 ，查p3下的饱和液体可得 H3、V3 、S3值;,状态点4, p4=p1 ，S4=S3，根据p4、S4可查得 H4值；或 H4=H3+V(p4-p3)。,蒸汽通过汽轮机的绝热膨胀实际上不是等熵过程，而是向着墒增加方向偏移，用12线表示,水泵的耗功量远小于汽轮机的做功量，可不考虑不可逆的影响。,蒸汽通过汽轮机膨胀，实际做出的功应为H1 H2，它小于等熵膨胀的功H1 H2。两者之比称为透平机的等熵效率 。,实际 Rankine 循环的热效率,通过改变蒸汽参数提高Rankine循环的热效率,提高蒸汽的过热温度,提高平均吸

13、热温度,受到金属材料性能的限制,一般过热蒸汽的最高温度以不超873K为宜,提高蒸汽的压力,压力的提高，乏汽的干度下降,乏汽的干度一般不应低于0.88,蒸汽压力的提高，不能超过水的临界压力,节流膨胀与对做外功的绝热膨胀,节流膨胀,H = 0,流体进行节流膨胀是：由于压力变化而引起的温度变化称为节流效应或Joule-thomson效应。,J0，节流后温度降低,J = 0，节流后温度不变,J 0，节流后温度升高,理想气体J = 0,实际气体J 值可为正值、负值或零。,对外做功的绝热膨胀,等熵膨胀效应系数,s 必为正值。气体进行等熵膨胀时，对外做功，膨胀后气体温度总是下降。,制冷循环,蒸汽压缩制冷循环

14、,逆向Carnot循环,逆Carnot循环示意图,逆Carnot循环T-S图,循环的吸热量,q0=TL(S1-S4),循环的放热量,q2= TH(S3-S2) = -TH(S1-S4),HqWN,制冷系数：,制冷剂完成一个循环H0，净功为,逆Carnot循环,逆Carnot循环的制冷系数仅是工质温度的函数，与工质的性质无关。,在相同温度区间工作的制冷循环，以逆Carnot循环的制冷系数为最大。,制冷循环中，高温下放热量大于低温下吸热量。,蒸汽压缩制冷过程示意图,T-S图,各点焓值：查图、表来计算,12 可逆绝热压缩过程,24 等压冷却、冷凝过程,45 节流膨胀过程,51 等压、等温蒸发过程,制

15、冷系数,制冷过程T-S图,若制冷剂的“制冷能力”为Q0 (kJh-1)，那么，制冷剂的循环量为,压缩机消耗的功率,制冷剂 Refrigerants,制冷剂的选择原则：,潜热要大,操作压力要合适。即冷凝压力(高压)不要过高，蒸发压力(低压)不要过低,化学稳定性。不易燃、不分解、无腐蚀性,价格低,冷冻剂对环境应该无公害,Conventional refrigerants:,NH3、CH3Cl、CO2、C3H8,Chloro Fluoro Carbons CFCs,CFCl3 (R-11)、CF2Cl2 (R-12),Hydro Chloro Fluoro Carbons HCFCs,CHCl2F (R-22)、CHCl2CF3 (R-12