第六章 化工过程的能量分析6[1].5

T0 T S S H H T S S H H 2 0 2 1 1 Q Ws 0 0 0 0 1 0 T
Ex 2 Ex1 ExQ ExW
Ex1 ExQ Ex 2 ExW
H）
能量有效利用的概念
1）压力相同，过热蒸汽的有效能比饱和蒸汽大，所 以其做功本领也大。 2）温度相同，高压蒸汽的作功本领比低压蒸汽强。
3）温度相同，高压蒸汽加热能力比低压蒸汽弱，因 此用低压蒸汽作为工艺加热最恰当，并可减少设备费 用。
4）放出热相同，高温高压蒸汽的火用比低温低压蒸 汽的高。
能量有效利用的概念
第六章化工过程的能量分析
§6.1 能量平衡方程 §6.2 热功间的转化 §6.3 熵函数 §6.4 理想功、损失功及热力学效率 §6.5 火用与火无 §6.6 火用衡算及火用效率 §6.7 化工过程与系统的火用分析
1
§6.6 火用的衡算及火用效率
• 一.
衡算方程
• 有效能衡算式,可由热力学第一律,热力学第二律 推导出来
值，由火用平衡方程确定过程的火用损失和火
用效率。
全面反映火用损失的部位及数量，可以有针对
性地确定节能的方向和措施。
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计算工作量 得到的信息量 特点
能量衡算法 最小 最少 只给出能量排出 的损失，而不考 虑这部分能量的 利用价值，从而 不能全面的反映 出用能过程中存 在的问题
如果一个体系， 只是为了利用热 能（采暖、工业 用加热炉等）可 以只用能量衡算 法
Q
W
S
孤立体系 状态2 H2,S2
2
状态1 H1,S1
稳流体系
由热力学第一定律
H Q WS
H 2 H1 Q WS
由热力学第二定律：
(忽略了动能,势能) (A)
分两种情况考虑
T0 S总 0
式（A）减式（B）
Q T0 S1 S2 0 T
，其等压比热容为4.36 kJ/(kg.K)，冷流体进出时
的温度分别为25 ℃ 、110 ℃ ，其等压比热容为
4.69 kJ/(kg.K) 。试计算冷热流体火用变化、火用
损失与火用效率。
§6.7 化工过程与系统的
化工过程热力学分析：
分析
用热力学理论和方法对于各化工过程能量的
转化、传递、使用和损耗进行分析。
选用原则
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合理用能基本原则
（1）能尽其用，防止能量的无偿降级； ——按质用能，按需供能 （2）设计中采用最佳推动力；
（3）合理组织能量的多次逐级利用。
——先用功后用热，将能量逐级使用
按能量级别高低综合利用能量的概念称为总能概念
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第六章总结
1、热力学第一定律
2、稳流体系能量平衡方程及其各种简化
E
'
X
E (获得） E（失去）
x x
注意：
' 与 E 不同之处在于计算的对象不同:
EX X
的对象是过程或设备；
EX
的对象是需要做功的对象；
' EX
X
' E 更常用。
例
题
例1. 某换热器完全保温。热流体的流量为0.042
kg/s，进出换热器时的温度分别为150℃、35 ℃
冰=37.6J/mol.K；Cp水=74.3J/mol.K。
习
题
2.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。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
2 u H gZ
2
Q Ws
3、最常用的能量平衡方程 U=Q +W 封闭体系 H=Q +Ws 稳定流动体系 4、热功转换的不等价性 5、热力学第二定律
第六章总结
W Q1 Q2 1 Q1 Q1 7、卡诺循环的可逆机热效率
6、热机效率
max
T2 1 T1

E 1 E
1、过程完全可逆 E 0，则EX 1
L x
2、过程完全不可逆 E Ex ，则EX 0 L


L

3、过程部分可逆 , 则0 E X 1
E 越大， 利用越大，不 可逆性越小
X
2)目的
效率 ' E ----最常用
X
热力学分析法： 能量衡算法、熵分析法和火用分析法。
（1）能量衡算法
建立在热力学第一定律基础上的热力学分析方法。 实质是通过物料与能量的衡算分析能量转化、利用及 损失情况，确定过程进、出的能量数量，求出能量利 用率。
不能指出各种能量转化的方向和限度
只反映了能量数量的关系，没有反映能量品位的高低 不能指出损失的这部分能量的利用价值
0 + 0 +
0 + 0 0
0 0 0 +
第六章总结
1、有PVT变化的熵变 9、熵变的计算 2、有相变过程的熵变 3、环境的熵变 10、熵平衡
T Q 2、 稳 流 体 系 mi Si mi Si S产 生 0 T 入 出
1、封闭体系 Wid U T0S P0V
Cp 29.3kJ kmol 1 K 1
，水的
热容 Cp,w 4.18kJ kg 1 K 1
习 题
3. 某个内燃机由两节12V的电池启动，每一个电池
的容量为60A。h。现在想用装有压缩空气的储气
罐来代替电池，若储气罐中空气的压力为1400kPa，
温度与环境温度同为298.15K，环境压力为100kPa。
• 5）一般供热用0.5~1.0MPa（150~1800C）的饱和 蒸汽。 • 6）高压蒸汽（10MPa）用来做功（推动汽轮机 等）。温度在3500C以上的高温热能（如烟道 气），用来产生高压蒸汽，以获得动力能源
习
题
1. 求1mol过冷水在1atm，-10oC凝固为冰的总熵变。
已知H2O在1atm、0oC的凝固热为-6020J/mol，Cp
熵分析法 居中 居中
火用分析法 最大 最多
可以得到损耗功， 虽较复杂，但可 说明能量损失的 以克服熵衡算的 关键是过程不可 不足，得出各物 逆造成的，但是 流的作功能力及 不能给出各物流 其损失情况 的作功能力及其 损失情况
对既有热交换， 又有功交换的定 组成体系，最好 选用熵分析法 对既有热交换， 又有功的变组成 体系，最好选用 火用分析法
E
效率ηEX
E E
x x
X
H max
QT — 总能量 QL — 能量损失
T2 1 T1
E
'
X
E (获得） E（失去）
x x
Q1 , T1 — 高 温 热 源 理想功W 火用E X id Q2 , T2 — 低 温 热 源（H H ） （ （ （H 0 2 1 T 0 S 2 S1） T 0 S 0 S）
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（2）熵分析法
是以热力学第一定律和第二定律为基础，通过
计算装备或过程的熵产生量以及理想功、损耗
功，从而确定过程的热力学效率。
缺陷：只能确定过程的不可逆引起的损失功，
但不能指出到底是哪种能的损失。
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（3）火用分析法
在对设备或过程进行物料衡算和能量衡算的基
础上，确定出、入各系统的物流和能流的火用
14、火用效率
总火用效率 E X 目的火用效率
' EX
Ex
Ex

E (获得） E（失去）
x x
各种效率小结
热效率ηQ
Q QL Q T QT
热机效率 ηH
Q1 Q2 H Q1
热力学效率ηa
Wac 产功 a Wid
耗 功 a Wid Wac



Exi


Exi


Exi

E
L
EL ExQ Ex Ws
其中 EL —火用的损失

2 结论：
① 能量衡算是以热一律为基础，有效能衡算是以热一 、二定律为基础；
②
能量守恒，但火用不一定守恒。可逆过程火用守恒
，不可逆过程火用总是减少的； ③ 能量衡算反映了能量的利用情况，而火用衡算可反
映能量的质量、数量的利用情况； ④ 火用损失EL的计算方法：有两种：
EL T0S总
EL Exi Exi
二、
1) 总
E
X
效率
效率 E X
QT QL 热效率 Q 注意 QT
区别
QT — 总能量 QL — 能量损失
Ex
Ex

E x i E x i EL
“>” 号为不可逆过程； “=” 号为可逆过程
8、熵及熵增原理 熵
dS (
Q
T
)
熵增原理：孤立体系的自发过程总是向总熵变增大的 方向进行。
熵及熵增原理小结
过程 总则 可逆 不可逆 ΔS总 0， + 0 + ΔS体系 0 ， +， ΔS环境 0 ， +， -
绝热可逆 绝热不可逆 可逆循环 不可逆循环
(Leabharlann Baidu)
T0 H 2 T0 S2 H1 T0 S1 1 Q Ws T
T0 T S S H H T S S H H 2 0 2 1 1 Q Ws 0 0 0 0 1 0 T
E E xi xi
① 可逆过程
WSR Ex1
xi
Ex1 Ex Q Ex 2 ExW
Ex2 δQ
总和
E
进入过程或设备的 总和
xi
E
离开过程或设备的
②不可逆过程： 一切不可逆过程伴随着 的损失
E E xi xi EL

Exi
1、封闭体系 S体 系
Q
11、理想功Wid：
2、稳流体系 Wid H T0 S
第六章总结
12、损失功WL： 13、火用
WL T0S总 0
封闭体系 E x T0S U P 0 V
稳流体系 EX T （ （H0 H） 0 S0 S） （H 2 H1） T （ 注意与理想功的区别 Wid 0 S 2 S1）
若储气罐给出和电池一样的理想火用，则储气罐的
体积应该是多少？假设储气罐中空气为理想气体。