化工热力学ppt课件化工专业本科阶段.ppt
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1、1,第七章,化工过程的能量分析,2,7.1 理想功和损失功,理想功和损失功法(熵分析法): 是以热力学第一定律为基础,与理想功进行比较,用热效率评价。有效能分析法(火用分析法) : 将热力学第一定律,热力学第二定律结合起来,对化工过程每一股物料进行分析,是用有效能效率评价。,目前进行化工过程热力学分析的方法大致有两种:,3,一. 理想功,定义: 体系以可逆方式完成一定的状态变化,理论上可产生的最大功(对产功过程),或者理论上必须消耗的最小功(消耗过程),称为理想功。,Wmax (Wmin),体系以状态1,状态2,完全可逆,要注意: 完全可逆,状态变化可逆;系统内的所有变化是完全可逆的,传热可逆
2、(物系与环境)系统和环境之间的能量 交换,例如传热过程也是可逆的,4,流动过程理想功的计算式,对于稳流过程,热一律表达式为:,忽略动,势能变化,若可逆,(7-41),稳流过程理想功,5,注意点:,不忽略进出口的动能,势能的变化。完整的表达式为:,体系经历一个稳流过程,状态发生变化,即可计算其理想功,理想功的值决定于体系的始、终态与环境温度,而与实际变化途径无关。,要区别可逆轴功与理想功这两个概念,对绝热过程,对不做轴功的过程,6,二损失功WL,定义:体系完成相同状态变化时,实际功和理想功的差值数学式:,对稳流体系,(7-43),(7-44a),7,三 热力学效率,8,结论:,(1),(2),(
3、3)可逆过程,有关,与,有关,与,实际过程,对产功过程:,对耗功过程:,9,例7-1. 试确定1kmol的蒸气(1470kPa,过热到538,环境温度t0=16)在流动过程中可能得到的最大功。,三 应用举例,10,解:这是求算1kmol的蒸气由始态(538,1470kPa)变化到终态(16,101.32kPa)的液体水时所得到的最大功。由过热水蒸气表查得初始态时的焓与熵分别为H1=3543.34kJ/kg, S1=7.6584kJ/(kgK)由饱和水蒸气表可查得终态时水的焓与熵分别为 H2=67.18kJ/kg, S2=0.2389kJ/(kgK),所以过程的焓变和熵变分别为,H =M(H2H
4、1)=18.02(67.183543.34)=62640.33(kJ/kmol),S=M(S2S1)=18.02(0.23897.6584)=133.6994(kJ/(kkmolK)若理想功为所能提供的最大有用功,则Wid=,HT0,S=62640.33(16273.15)(133.6994) =2.398104(kJ/kmol),11,例7-2. 1kg的水在100kPa的恒压下从20加热到沸点,并且在此温度下完全蒸发,如果环境温度为20,试问加给水的热量中最大有多少可转变成功量。,12,解:100kPa压力下水的沸点约为100,有水蒸气表查得H1=2676.1kJ/kg, S1=7.354
5、9kJ/(kgK)在环境温度(T0=t0273.15=293.15K)下,100kPa压力下水的焓和熵为 H0=83.96kJ/kg, S0=0.2966 kJ/(kgK)所以加给水的热量为 Qp=,H=H1H0=2676.183.96=2592.1(kJ/kg),13,100kPa压力下水蒸气转化为20的水所能产生的最大功为 Wid=,HT0,S =2592. 1293.15(0.29667.3549)=523.0(kJ/kg),加给水的热量中最大可能转变成功量部分所占的百分数为,14,例7-3在一个往复式压气机的实验中,环境空气从100kPa及5压缩到1000kPa,压缩机的气缸用水冷却。
6、在此特殊实验中,水通过冷却夹套,其流率为100kg/kmol(空气)。冷却水入口温度为5,出口温度为16,空气离开压缩机时的温度为145。假设所有对环境的传热均可忽略。试计算实际供给压气机的功和该过程的理想功的比值。假设空气为理想气体,其摩尔定压热容CP=29.3kJ/(kmolK)。,15,解:以被压缩的空气为系统,以1kmol空气作为基准。假设空气为理想气体,在此过程中空气放出的热量为Q=WWCP,W(touttin)式中WW为冷却水的流率;CP,W为水的热容,取值为4.18kJ/(kgK),tout和tin分别为冷却水的出、入口温度。所以Q=1004.18(165)=4.598103(k
7、J/kmol)压缩过程中空气的焓变为,16,若忽略此压缩过程中动能和势能的变化,则所需的功为WS=,Q =4.1021034.598103=8.700103(kJ/kmol),过程的熵变可以按下式计算,17,Wid=,HT0,因此实际供给压气机的功与该过程的理想功的比值为,S=4.102103278.15(7.199)=6.104103(kJ/kmol),WS/Wid=8700/6104=1.425,所以压缩过程的理想功为,18,例7-4 1.57MPa, 757K的过热水蒸汽推动透平机作功,并在0.0687 MPa下排出。此透平机既不绝热也不可逆,输出的轴功相当于可逆绝热膨胀功的85。由于隔
8、热不好,每千克的蒸汽有7.12KJ的热量散失于293的环境。求此过程的理想功,损失功及热力学效率。,19,分析,求:,20,解:1查过热水蒸汽表, 内标计算H1,S1,当,当,21,当,故 H1=3437.5KJ/Kg S1=7.5150KJ/Kg.K,2 求终态热力学性质,可逆绝热膨胀,S1=S2,S1=S2=7.5150 KJ/Kg.K,22,当P2=0.0678MPa时,对应的饱和蒸汽Sg为,Sg=7.4912 KJ/Kg.K,所以状态为过热蒸汽,二者相比较,已逼近饱和蒸汽,查饱和水蒸汽表,H2=2658.46 KJ,23,据热力学第一定律:,由P2,H2查表内标 得 S2=7.7551
9、 KJ/Kg.K,3 求,= -669.27 -70.3493= -739.62 KJ/Kg,(2768.23-3437.5)-293(7.7551-7.5150),24,=77.47 KJ/Kg,25,例 7-8 用1.57MPa,484的过热蒸汽推动透平机作功,并在0.0687MPa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干可逆绝热功的85。另有少量的热散入293K的环境,损失热为7.12kJ/kg。求此过程的理想功、损失功和热力学效率。,解,可逆绝热过程,26,查过热水表汽表可知,初始状态1.57MPa, 484 时的蒸汽焓、熵值为H1=3437.5kJ/kg, S1
10、=7.5035kJ/(kgK),若蒸汽按绝热可逆膨胀,则是等熵过程,当膨胀至0.0687MPa时,熵为 S2=S1=7.5035kJ/(kgK) 查过热水蒸汽表,2658.9 7.4885,2680.2 7.5462,27,P = 0.0687MPa,此透平机实际输出轴功,28,依据稳流系统热力学第一定律,得到实际状态2的焓为,29,30,或,31,7.2 有效能及其计算,一、有效能的概念1.能量的分类按能量转化为有用功的多少,可以把能量分为三类:高质能量:理论上能完全转化为有用功的能量。如电能、机械能。僵态能量:理论上不能转化为功的能量(如海水、地壳、环境状态下的能量)。低质能量:能部分转化
11、为有用功的能量。如热量和以热量形式传递的能量。,32,2.有效能,定义:一定形式的能量,可逆变化到给定环境状态相平衡时,理论上所能作出的最大有用功。无效能:理论上不能转化为有用功的能量。能量的表达形式对高质能量 能量有效能对僵态能量 僵态能量无效能对低质能量 低质能量有效能无效能,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。,33,注意点,有效能“火用”、“可用能”、“有用能”、“资用能”无效能“火无”、“无用能”功可看作100的有效能,34,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。,稳流过
12、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(T0, P0)时稳流系统的有效能EX为:,二.有效能的计算,35,1.环境和环境状态环境:一般指恒T、P、x下,庞大静止体系。如大气、海洋、地壳等环境状态:热力学物系与环境完全处于平衡时的状态,称之。常用0、0、0、0等表示。2.物系的有效能物理有效能:物系由于、与环境不同所具有的有效能。化学有效能:物系在环境的0、0下,由于组成与环境不同所具有的有效能。,36,机械能和电能全部是有效能,即 EX=W 动能和位能也全部是有效能。,3 机械能、电能的有效能,37,4.热量的有效能Q,卡诺循环热效率,定义:传递的热量,
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