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。