化工热力学第六章教案.docx
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化工热力学第六章教案
授课内容
第六章流动系统的热力学原理及应用
§6-1引言
本章重点介绍稳定流动过程及其热力学原理
1理论基础
热力学第一定律和热力学第二定律
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、使用和损失情况进行分析,揭示能量消耗的大小、原因和部位,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)流动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热力学第一定律
1封闭系统的热力学第一定律
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稳定流动系统的热力学第一定律
稳定流动状态:
流体流动途径中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数,系统中没有物料和能量的积累。
稳定流动系统的热力学第一定律表达式为:
所以得
微分形式:
若忽略动能和势能变化,则有
即为封闭系统的热力学关系式
§6-3热力学第二定律和熵平衡
1热力学第二定律
1)Clausius说法:
热不可能自动从低温物体传给高温物体
2)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它变化。
实质:
自发过程都是不可逆的
2熵及熵增原理
1)热机效率
2)可逆热机效率
3)熵的定义
3.1)可逆热温商
3.2)熵的微观物理意义
系统混乱程度大小的度量
对可逆的绝热过程
对可逆的等温过程
对封闭系统中进行的任何过程,都有
——热力学第二定律的数学表达式
4)熵增原理
若将系统和环境看作一个大系统,即为孤立系统,总熵变ΔSt等于封闭系统熵变ΔS和环境熵变ΔS0之和
自发进行的不可逆过程只能向着总熵增大的方向进行,最终趋向平衡态。
此时总熵变达到最大值,即ΔSt=0达到了过程的终点。
熵增原理为判断过程进行的方向和限度提供了依据。
3封闭系统的熵平衡
热力学第一定律无法计算由于过程不可逆引起的能量贬值的损耗,通过熵平衡关系可以精确衡量过程的能量利用效率。
熵平衡方程
dSg—熵产生。
不可逆过程中,有序能量耗散为无序热能,并被系统吸收而导致系统熵的增加。
不是系统的性质,与系统的不可逆过程有关。
可逆过程无熵产生
4稳定流动系统的熵平衡
敞开系统的熵平衡方程式为:
ΔSf为熵流,伴随热量流动而产生的相应的熵变化。
可正、可负、可零。
规定流入体系为正,流出体系为负;
ΔSg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:
对稳定流动系统
对可逆绝热过程
对绝热节流稳流过程,只有单股流体
§6-4理想功、损失功和有效能
1理想功Wid:
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。
是一个理想的极限值,可作为实际功的比较标准
2)完全可逆:
完全可逆是指
(1)系统的所有变化是可逆的;
(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p0=0.1013MPa的状态
3)稳流过程的理想功
若忽略动能和势能变化,
得
比较理想功与实际功,可以评价实际过程的不可逆程度
2损失功
1)定义:
损失功定义为系统在相同的状态变化过程中,实际过程所作的功(产生或消耗)与完全可逆过程所作的理想功之差。
对稳流过程表示为:
损失功由两部分构成:
1)由过程不可逆性引起的熵增造成
2)由过程的热损失造成
表明损失功与总熵变及环境温度的关系
过程的不可逆程度越大,总熵增越大,损失功越大。
不可逆过程都是有代价的
例1:
298K,0.1013MPa的水变成273K,同压力冰的理想功。
273K冰的熔化焓变为334.7kJ•kg-1
H1=104.897kJ•kg-1,H2,S2
S1=0.367kJ•kg-1•K-1
1)环境温度为25℃时
是一个耗功过程,消耗的最小功是35.10kJ•kg-1
2)环境温度是268K时
是一个做功过程,可提供的最大功是12.69kJ•kg-1
理想功的计算与环境温度有关
例2:
计算损失功
3有效能B:
一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衡状态时此过程的理想功。
对于稳流过程,从状态1变到状态2,过程的理想功为
选定基态为(T0,p0),系统由任意状态变到基态时稳流系统的有效能B为:
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。
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,达到与环境平衡所作的最大功为化学有效能。
因此计算化学有效能需要确定每一元素的环境状态,为简化计算,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:
①化学反应将系统物质转化成环境物质(基准物)
②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:
计算碳的化学有效能
C的环境状态是CO2纯气体,达到环境态需经过化学反应C+O2→CO2
计算基准取1mol
O2的浓度为0.21,因此
4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
当ΔB<0,减少的有效能全部用于做可逆功,所作的最大功为Wid
当ΔB>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恒,不可逆过程的有效能不守恒。
有效能的平衡方程为:
D=0,可逆
D>0,不可逆
D<0,不可能自发进行
不可逆过程中,有效能的损失等于损失功
有效能效率定义为输出的有效能与输入的有效能之比
可逆过程ηB=100%
真实过程ηB<100%
ηB反映了真实过程与理想过程的差别
2)有效能的分析
计算有效能
对有效能衡算,找出有效能损失的部位、大小、原因
例1:
比较计算两种余热的有效能
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-H0
kJ.kg-1
有效能B/
kJ.kg-1
0
饱和液体水
0.1013
298.15
0.367
105
0
0
1
饱和蒸气
1.0
453.06
6.587
2778
2673
818.5
2
过热蒸气
1.0
553.15
7.047
3008
2903
911.4
3
饱和蒸气
6.0
548.79
5.889
2784
2679
1033.2
3)能量的合理利用
3.1)防止能量无偿降级
3.2)采用最佳推动力的工艺方案
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计算式
可逆过程
2气体的膨胀
1)绝热节流膨胀
Q=0,WS=0
由能量方程得ΔH=0,即等焓过程。
由于存在摩擦阻力损耗,所以节流过程不可逆,节流后熵值一定增加。
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μJ
对于理想气体μJ=0
对于真实气体
①μJ>0,节流后温度降低称冷效应
②μJ=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
③μJ<0,节流后温度升高称热效应
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ΔTH称为积分节流效应
2)可逆绝热膨胀
特征Q=0,ΔS=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μS
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ΔTS
§6-6动力循环
1 朗肯循环
采用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。
分析动力循环的目的是研究循环中热、功转换的效果及其影响因素,提高能量转换效果。
1)循环过程能量分析
蒸汽动力循环应用稳定流动的能量方程ΔH=Q+WS(忽略流体的动能、位能变化)进行分析
⑴工质被加热成为过热蒸汽
1→2→3→4Q=H4-H1>0
⑵过热蒸汽在透平中可逆绝热膨胀
4→5WS=ΔH=H5-H4<0
⑶乏气的冷凝
5→6Q0=H6-H5<0
⑷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)
Wp=ΔH=H1-H6≈Vl(p1-p2)>0
整个循环过程QN=Q+Q0
WN=Ws+Wp
ΔH=0
所以QN=-WN,即吸收的净热等于做出的净功
2)评价指标
⑴蒸汽动力循环的热效率η:
它表示动力循环中锅炉所供给的热量Q转化为净功WN的比率。
反映了不同装置输出相同的功量时所消耗的能量的多少,是评价蒸汽动力装置的一个重要指标
⑵汽耗率SSC(SpecificSteamConsumption):
做出单位量净功所消耗的蒸汽量
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
热效率低于理想过程,汽耗率则高于理想过程。
膨胀和压缩过程均为不可逆过程,向熵增大的方向进行。
膨胀过程为4→7,实际做功为H4-H7 两者之比称为透平机的等熵膨胀效率或相对内部效率,用ηS表示,反映了透平机内部所有损失 2朗肯循环的改进 尽可能减小不可逆因素造成的损耗,特别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873K 2)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。 此外,蒸汽压力不能超过水的临界压力22.064MPa 3)采用再热循环 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。 提高了做功能力,避免了乏气湿含量过高的缺点 再热循环热效率 4)回热循环 利用蒸气的热加热锅炉给水,减少或消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 5)热电循环 工质全部做功,供热量与乏气压力有关 §6-7制冷循环 使物系温度降到低于周围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 由四个可逆过程构成 ⑴1—2: 绝热可逆压缩,等熵过程,消耗外功,温度上升T1→T2 ⑵2—3: 等温可逆放热,循环放热量 ⑶3—4: 绝热可逆膨胀,等熵过程,对外做功,温度下降,T2→T1 ⑷4—1: 等温可逆吸热,循环吸热量 循环过程所做净功 说明制冷循环要消耗功 5制冷效率的评价指标 制冷循环是逆向的热机循环,其技术经济指标用制冷系数ξ表示: 对于逆卡诺循环 即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 制冷循环中工作物质称为制冷剂,单位制冷剂的制冷量为 制冷剂的制冷能力为Q0kJ•h-1,则其循环量为 压缩单位重量制冷剂所消耗的功为 制冷机的制冷系数为 制冷机所消耗的理论功率为 3)多级压缩制冷循环 2吸收制冷循环原理介绍 吸收制冷就是直接利用热能制冷的冷冻循环,通过吸收和精馏装置来完成循环过程,液体为工质。 1)制冷工质 氨水溶液吸收制冷通常用于低温系统,最低可达208K(-65℃),一般为228K(-45℃)以上 溴化锂溶液吸收制冷通常用于大型中央空调系统,使用温度不低于273K(0℃),一般为278K(5℃)以上 2)吸收制冷的特点 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)的组分为吸收剂。 3气体的液化 利用制冷循环获得低于173K的低温称为深度冷冻(深冷),工业常用深冷技术使低沸点气体冷至其临界温度以下,以获得液体状态。 如将空气液化分离得到纯的氮气、氧气。 气体的液化(深度冷冻循环)是以Linde循环为基本的深冷循环。 主要计算气体的液化量及压缩机消耗的功率。 气体的液化量计算是利用被确定的循环系统的能量平衡方程式求得。 压缩机消耗功的计算即为气体压缩功的计算方法。 1)装置的工作原理 2)气体液化量的计算 以1kg气体为计算基准,设液化量为xkg,对虚线框部分进行热量衡算。 3) 压缩机功耗 多级压缩功的总和,为计算方便,按理想气体等温压缩过程计算,再除以等温压缩效率 §6-8热泵 1工作原理 与制冷机完全相同,目的是制热。 以消耗一部分高质量的能量为代价,通过热力循环从自然环境或生产余热中吸取热量,并将它输送到人们需要的较高温度的物质中。 为大量低品质的热能的再利用提供了可能。 2 评价指标 制热系数: 消耗单位功量所得到的供热量,即 可逆热泵的制热系数为 制热系数与制冷系数的关系 供热量大于压缩机的功耗,是一种节能装置。 在解决以上动力循环和制冷循环的能量计算时,首先按照题意,在相应物质(工质)的热力学图,如T-S图或P-H图上,正确标出循环示意图,并查出各状态点的热力学焓、熵等值,应用稳流系统的能量衡算式,计算有关过程的功、热变化,以及相关的循环效率。
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