C6化工过程的能量分析.pptx

W
WS
pV
m 1
pV m 2
Z2
E m 1
E m
2
Q
W
d mE
dt
dt
dt dt
dt
E
m 1
E m 2
pV m 1
pV m 2
Q
Ws
d mE
dt
dt
dt
dt
dt dt
dt
E m 1
E m 2
pV
m 1
pV m 2
Q
Ws
d mE
dt
dt
dt
dt
dt dt
dt
单位质量的总能量表达：
6.1.2 能量平衡方程
从能量守恒可导出普遍条件下适用的能量平衡方程。
m1 m2 dm
dt dt dt
p1,T1,V1,U1,u1,H1 δm1
W W f＋WS
V
W f F l pA A pV
Z1
δWs, δQ
dE/dt, dm/dt,
p2,T2,V2,U2,u2,H2 δm2
gZ
Q
Ws
是否存在轴功?
否
H 0
（6-18）
是否和环境交换热量? 通常可以忽略
位能是否变化?
否
动能是否变化?
通常可以忽略
即 H1 H2
等焓过程
换热设备
若取整个换热器作为体系， 忽略与环境交换的
H Q Ws
（6-16）
蒸汽透平
透平机和压缩机
透平机是借助高压流体的 膨胀减压过程来产出功
压缩机是靠消耗功来提高 流体的压力
透平机和压缩机
H
1 2
u 2
gZ
Q
Ws
H Ws
是否存在轴功?
是！
是否和环境交换热量? 通常可以忽略
位能是否变化?
不变化或者可以忽略
动能是否变化?
通常可以忽略
② 当流体流经管道、阀门、换热器与混合器等设备时
（1） 封闭体系
封闭体系是指体系与环境之间的界面不允许传递物 质，而只有能量交换，即δm1=δm2=0，于是能量方程式 （6-9）变成
d (mE)体系 Q Ws （6-10）
封闭系统进行的过程通常都不能引起外部的势 能或动能变化，而只能引起内能变化，即
d
u2 2
d
( gZ
)
0
又m为常数，式（6-10）中d(mE)体系＝mdE=mdU，所以
在各种热力学过程中，体系和环境之间往往发生能 量的传递。能量传递的形式有两种，即热和功。
通过体系的边界，体系与体系（或体系与环境） 之间由于温差而传递的能量叫做热。
由于存在温差以外的其它势差而引起体系与环境 之间传递的能量叫做功。
需要指出：
v 热和功不是状态函数，热和功是能量的传递形式。 它们的值与过程进行的途径和方式有关。不同的途 径传递的热和功是不同的。
v 热和功只有当体系由于过程的进行而发生变化时 才出现。它们只有在过程发生时才有意义，也只有 联系某一具体的变化过程时，才能够计算出热和功 来。
v 热和功都是被传递的能量，当能量以热的形式传 入体系后，不是以热的形式储存，而是增加了该体 系的内能。
化工过程涉及到的能量：物质的能量和能量的传递。 ✓ 物质的能量（以1kg为基准） 1. 热力学能：U 分子尺度层面上的物质内部 的能量 2. 动能：EK=1/2u2 3. 势能（位能）：Ep=gZ ✓ 能量的传递： 1. 热:Q 2. 功:W
mdU Q Ws （6-11）
又因封闭体系流动功为零，由式（6-5）得 δW =δWS 于是有
mdU Q W
对单位质量的体系
dU Q W
（6-12）
（2）稳态流动体系 ➢ 敞开体系：体系和环境有物质和能量的交换
➢ 流动过程有如下特点
（1）设备内各点的状态不随时间变化 （2）垂直于流向的各个截面处的质量流率相等。
第六章 化工过程的能量分析
6.1 能量恒算方程 6.2热功转化和熵函数 6.3 理想功、损失功和热力学效率 6.4 有效能和无效能 6.5 有效能恒算和有效能分析
本章运用热力学的第一与第二定律，应用理想功、 损失功、有效能和无效能等概念对化工过程中能量的转 换、传递与使用进行热力学分析，评价过程或装置能量 利用的有效程度，确定其能量利用的总效率，揭示出能 量损失的薄弱环节与原因，为分析、改进工艺与设备， 提高能量利用率指明方向。
E
U
EK
Ep
U
1 2
u2
gZ
H U pV
H
1 u2 2
gZ
1
m1
dt
H
1 u2 2
gZ
2
m2
dt
Q
dt
Ws
dt
d mE
dt
H
1 u2 2
gZ
i
mi
dt
H
1 u2 2
gZ
j
mj
dt
Q
dt
Ws
dt
d mE
dt
6.1.3 能量平衡方程的应用
对一个过程进行能量恒算或能量分析时，应该根据过 程的特征，正确而灵活地将能量平衡方程式应用于不同的 具体过程。
6.1 能量平衡方程
6.1.1 能量守恒与转化
能量守恒与转化定律是自然界
的客观规律。 自然界的一切物
质都具有能量，能量有各种不
同的形式，可以从一种形式转 化为另一种形式，但总能量是 守恒的。（能量数量守恒）
Helmholtz (1821 - 1894)
1847年， 德国物理学家和生物学家 Helmholtz 发表了 “ 论力的 守衡” 一文，全面论证了能量守衡和转化定律。
H
1 u2 2
gZ
1
m1
dt
H
1 u2 2
gZ
2
m2
dt
Q
dt
Ws
dt
d mE
dt
d mE 0, m1 m2 m
H
1 2
u2
gZ
m
1
H
1 2
u2
gZ
m
2
Q
Ws
0
u1
p1,T1,V1,U1，H1
H
1 2
u2
gZ
m 1
H
1 2
u2
gZ
m 2
Q
Ws
0
Q
H
1 2
u 2
gZ
Q
Ws
Z1
WS
单位：J/kg
u2 p2,T2,V2,U2，H2 Z2
一些常见的属于稳流体系的装置
混合装置
喷嘴
透平机
扩压管
节流阀
压缩机
换热装置
化工生产中，绝大多数过程都属于稳流过程，在 应用能量方程式时尚可根据具体情况作进一步的简化。 现讨论几种常见情况。
① 流体流经压缩机、膨胀机，进、出口之间的动能变 化、位能变化与焓变相比较，其值很小，可忽略不 计。（动能为1 kJ/kg时，所需速度为45m/s。位能 为1 kJ/kg时，所需高度为102米。在许多工业装置 中，进出口物料一般没有这样大的变化。），则式 （6-13）可简化为
H
1 2
u 2
gZ
Q
Ws
是否存在轴功?
否
H Q
（6-17）
动能是否变化?
通常可以忽略
位能是否变化?
通常可以忽略
式( 6 -17）表明体系的焓变等于体系与环境交换的 热量。此式是不对环境作功的稳流体系进行热量恒算 的基本关系式。
③ 流体经过节流膨胀、绝热反应、绝热混合等绝 热过程时
H
2
u 2