5热力学分析的基本方法.ppt

E x E x 6+ 2 = = 0 .6 7 4 有 效 能 E x E x 5 3
转化气物质的量
转化气焓变
N 2 3 0 . 4 k m o l
6 H 5 . 1 4 31 0 k J 转 化 气
废热锅炉产汽量 透平做功 ②理想功
G 1 6 7 4 k g
6 W 1 . 2 1 8 1 0 k J 轴
转化气放热过程的理想功为
W H T S 理 想 转 化 气0 转 化 气
⑤计算结果
输入 项目 理想功 输出功 锅炉 损耗功 透平 冷凝器 小计 总计 3.465 100
6 1 0 Jt N H k 3
输出 % 100 1.218 1.451 0.556 0.24 2.247 3.465 35.2 41.9 16.0 6.9 64.8 100
6 1 0 Jt N H k 3
%
3.465
⑥单体设备的热力学效率和有效能损失分布 由于已求出各单体设备的 W 损 ，因此只要计算各单体 设备的W 理 想 即可计算它们的热力学效率。 废热锅炉的理想功为高温转化气放热过程的理 6 想功， W 3 . 4 6 51 0 k J 理 想 ， 废
6 W 1 . 4 5 1 1 0 损 ， 废 1 = 1 = 0 . 5 8 1 热 力 学 ， 废 6 W 3 . 4 6 5 1 0 理 想 ， 废
热力学分析的 基本方法
热力学分析
广义地说，用热力学的基本原理来分析和评价过 程，就称为过程的热力学分析。这里仅讨论用热力学 基本原理分析和评价过程的能量利用情况。过程热力 学分析的基本任务是：
①确定过程中能量损失或有效能损失的大小、原 因及其分布； ②确定过程的效率，为制定节能措施、改进操作 和工艺条件，以及为不同过程的评比、实现生产和设 计的最佳化提供依据。 热力学分析方法有多种，但主要有三种：一是能 量平衡法；二是熵分析法；三是有效能分析法。
m ol； C m 为转化气的 式中，N 为转化气的物质的量， k Jk m o l k 。 平均热容，
5 1 6 0 6 H 3 6 5 3 1 2 7 3 5 . 1 4 3 1 0 k J 6 转 化 气 2 . 4 2 6 H 5 . 1 4 3 1 0 转 化 气 G 1 6 7 4 k g H H 3 2 8 4 . 6 2 1 2 . 6 2 1
5 P 1 . 0 1 3 3 1 0 P a , T 3 0 3 K 取0 ，计算结果见表 0
1 1 1 xk Jk g h k Jk g Jk g K E sk
状态 液态水 过热蒸汽 湿蒸汽
T K
323 703 323
p 105 Pa
0.123 40 0.123
某合成氨厂二段炉出口高温转化气余热利用装置如图 2-8 所示。转化气进入及离开废 热锅炉的温度分别为 1273K 和 653K ，转化气流量为 5160 m3 tNH3 。产生压力为
4.0 106 Pa 、温度为 703K 的过热蒸汽。蒸汽通过透平做功。离开透平的乏汽压力为
p3 1.23104 Pa ，比焓 h3 2557 kJ kg 。乏汽进入冷凝器用 303K 的冷却水冷凝，冷凝水
H 分别为冷却水的熵变和焓变。 S 冷 却、 式中，
冷却
6 H H 3 . 9 2 5 1 0 k J 冷 却 冷 凝
因此
6 6 6 5 3 3 . 9 2 5 1 0 W 3 0 3 2 3 0 . 4 3 6 l n 2 . 2 4 7 1 0 k J 损 1 2 7 3 3 0 3
1
212.6 3284.6 2557
0.7035 6.8729 7.9694
6.099 1209 148.8
饱和水
基准态水
323
303
0.123
1.0133
212.6
125.7
0.7035
0.4365
6.099
0
为简化计算，把转化气看作理想气体，不考 虑压降，出口有效能值为
6 E xH H T S S N 0 . 9 7 3 1 0 k J 0 0 0
即冷凝器中乏汽冷凝过程的理想功未利用，全部损 失掉了。
有效能损失在单体设备中的分布
损耗功 单体设备 热力学效率
6 1 0 Jt N H k 3
% 64.6 24.7 10.7 100
废热锅炉 透平 冷凝器 总计
0.581 0.687 0
1.451 0.556 0.24 2.247
有效能分析法
有效能分析法是通过有效能平衡确定过程的有效 能损失和有效能效率。有效能分析法的主要内容有： ①确定出入系统的各种物流量、热流量和功流量， 以及各种物流的状态参数。
②由有效能平衡方程确定过程的有效能损失。
③确定热力学第二定律效率。
①质量和能量衡算见能量平衡法和熵分析法 的计算部分。 ②各物流有效能的计算
在温度为 323K 时进入废热锅炉。 下面以吨氨为基准进行分析计算。为简化计算，忽略了系统的热损失和驱动水泵所需 的功（即认为 h4 h1 , s4 s1 ）。
能量平衡法
①有关手册可查出各状态点的参数如表所示。
状态点
1 2 3 4
p 105 Pa
40 40 0.123 0.123
T K
323 703 323 323

各设备的有效能损失也可由下式计算：
W T Si 0 损=
i
W 损 , 废 1.451 10 6 kJ W 损 , 透 0.5562 10 6 kJ W 损 , 冷 0.24 10 6 kJ
④热力学效率
6 W 1 . 2 1 8 1 0 = = = 0 . 3 5 2 热 力 学 6 W 3 . 4 6 5 1 0 理 想
I
T
热
0 .2 3 7
T 2 T1 6 5 3 1 2 7 3 929K T2 653 ln ln 1273 T1 1 T0 303 1 0 .6 7 4 T 929 0 .2 3 7 0 .3 5 2 0 .6 7 4

I， 可 逆

II

c.对冷凝器，因此可得：
6 W E xE xE x 0 . 2 4 1 0 k J i 3 4 损 i
⑤热力学效率
热力学 有效能 =
W轴 W理想 = W轴 Ex5 Ex6 =0.493 0.352
Ex6 +W轴 Ex5
⑥有效能衡算表
输入有效能 项目 进口转化气 输出功 出口转化气 废热锅炉 透平 不可逆损耗
为简化计算，把转化气看作理想气体，并忽略 转化气的压降，可计算得
6 W 3 . 4 6 51 0 k J 理 想
③有效能损失 热损失，则可得
如取整个装置为系统，不计
W S转化气 S冷却 0 损 T H冷却 T 6 T NC ln 0 p T T 5 0
1 1 1 Jk g K h k Jk g sk
212.6 3284.6 2557 212.6
0.7035 6.8729 7.9694 0.7035
71.Βιβλιοθήκη 133303125.7
0.4365
②产汽量
忽略废热锅炉的热损失，则有
H Q损 W轴 ,Q损 =0,W轴 =0 H H 水 H 转化气 0 G H 2 H1 H 转化气 0 H 转化气 N Cm T6 T5
化工节能与减排
张頔 TEL:13861039868 E-mail： dzhang@
目 录
稳流体系热力学第一定律 能量降级与热力学第二定律 轴功、各种热效应的计算 有效能衡算和有效能效率 热力学分析的基本方法 能量的合理利用
目录
热管、热泵和夹点技术
废水处理方法、技术和流程 废固处理及利用 废气污染的预防措施及治理 噪声污染及控制
6 1 0 Jt N H k 3
输出有效能 %
6 1 0 Jt N H k 3
%
4.438
100 1.218 0.973 1.451 0.556 27.4 21.9 32.7 12.5
冷凝器
小计 合计 4.438 100
0.24
2.247 4.438
5.5
50.7 100
⑦各单体设备的有效能效率 a．废热锅炉

I
I， 可 逆
熵分析法
熵分析法是通过计算不可逆熵产量，以确定过程 的有效能损失和热力学效率。熵分析法的主要内容包 括：
①确定出入系统各种物流量和热流、功流量，以 及各种物流的状态参数； ②确定物流的熵变和过程的有效能损失；
③确定过程的热力学效率。
①先对该系统进行质量及能量衡算，由前面的 分析计算已经得到
③总有效能损的计算取 有效能损可由下式计算：
整装置为系统，
WE W E E x Q x 5 x 6 损 轴
忽略散热损失，冷凝器中出口冷却水所携带 的有效能不可利用，可忽略。
W E W E x 5 x 6 损 轴
6 6 6 6 k J
冷凝器的理想功
W H T S 0 理 想 ， 冷 汽 汽 h T S S h 4 3 0 4 3 G 0 .2 4 k J
由此可得
6 W 0 . 2 41 0 ， 冷 1 损 = 1 = 0 热 力 学 ， 冷 6 W 0 . 2 41 0 理 想 ， 冷
④冷却水的焓变
忽略冷凝器的热损失，则：
6 H H G h h 1 6 7 4 2 1 2 . 6 2 5 5 7 3 . 9 2 5 1 0 k J 4 3 冷 却 冷 凝
⑤热效率
6 W 1 . 2 1 8 1 0 轴 0 . 2 3 7 热 6 Q 5 . 1 4 3 1 0
④各设备的有效能损失 a.对废热锅炉，如忽略热损，可得：
6 W E x E x E x E x E x 1 . 4 5 1 1 0 k J Q 1 2 5 6 损 ， 废 i
b.对透平，可得：
i
W损，透 W轴 Exi W轴 Ex3 Ex2 0.556106 kJ
⑥能量衡算表及能流图
输入 项目
6 1 0 Jt N H k 3
输出 % 100
6 1 0 Jt N H k 3
%
高温气余热
5.143
做功
冷却水带走热 合计 5.143 100
1.218
3.925 5.143
23.7
76.3 100
⑦热力学效率 由热力学第一定律效率 I 、 第二定律效率 I I 相关计算公式可知
水蒸气吸热
6 Q H H 5 . 1 4 3 1 0 k J 水 转 化 气
③透平做功 则有：
以透平为系统，忽略热损失时
6 W H G h h 1 6 7 4 2 5 5 7 3 2 8 4 . 6 1 . 2 1 8 1 0 k J 3 2 轴
因此
透平的理想功
W H T S 0 理 想 ， 透 汽 汽 h T S S h 3 2 0 3 2 G
k J
因此可得
6 W 0 . 5 5 6 1 0 损 ， 透 1 = 1 = 0 . 6 8 7 热 力 学 ， 透 6 W 1 . 7 7 4 1 0 理 想 ， 透