1、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
2、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
3、,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,对可逆的等温过程,对可逆的绝热过程,常称为等熵过程,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St等于封闭系统熵变S和环境熵变S0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St=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
4、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,Sg,Sf,敞开系统熵平衡简图,敞开系统的熵平衡方程式为：,Sf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；Sg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
5、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，,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
6、 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334.7kJkg-1,初态,273K， 0.1013MPa的冰,终态,H1=104.897kJkg-1， S1=0.367kJkg-1K-1,H2，S2,1）环境温度为25时,是一个耗功过程，消耗的最小功是 35.10kJkg-1,2）环境温度是268K时,是一个做功过程，可提供的最大功是 12.69kJkg-1理想功的计算与环境温度有关,例2：计算损失功,1.5MPa 773K 过热蒸汽,0.07MPa,Q,环境 T0=29
7、3K,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：,系统具有的能量,无效能,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
8、态需经过化学反应与物理扩散两个过程：化学反应将系统物质转化成环境物质（基准物） 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B0，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 D0 ，不可逆 D0，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
9、能之比,可逆过程 B=100% 真实过程 B100% B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,1 高温烟道气 流量500kJh-1 800 Cp=0.8kJkg-1K-1,2 低温排水 流量1348kJh-1 80 Cp=4.18kJkg-1K-1,环境 298K,例2：比较不同蒸气的有效能和放出的热,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,
10、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,1,2a,2c,2b,p1,p2,p,V,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H=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 J,对于理想气体J =0 对于真实气体 J 0，节流后温度降低称冷效应 J =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, J 0，节流后温度升高称热效
11、应同一气体在不同状态下节流，可能为正、为负或零,N2,p/MPa,T/K,氮气转化温度示意图,压力变化引起的温度变化TH称为积分节流效应,3,4,1,2,S,T,T1,T2,T3,T4,2） 可逆绝热膨胀 特征Q=0， S=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S,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TS,1,2,S,T,2,T1,T2,6-6 动力循环,1 朗肯循环,过热器 3 锅炉 2,1,6,5,4,6,1,2,3,4,5,7,8,S,T,p1,p2,蒸气动力装置示意图,理想朗肯循环T-S图,
12、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H=Q+WS（忽略流体的动能、位能变化）进行分析,工质被加热成为过热蒸汽1234Q=H4-H10过热蒸汽在透平中可逆绝热膨胀45WS=H=H5-H40 乏气的冷凝56Q0=H6-H5 0,冷凝水的泵送61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=H=H1-H6Vl(p1 - p2)0整个循环过程 QN= Q +Q0 WN= Ws +WpH=0所以QN= -WN，即吸收的净热等于做
13、出的净功,2）评价指标 蒸汽动力循环的热效率： 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, 汽耗率SSC（Specific Steam Consumption）： 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47，实际做功为H4-H7 H4-H5 ,两者之比称为透平机的等熵膨胀效率或相对内部效率，用 S表示，反映了透平机内部所有损失,2 朗肯
14、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,1,2,3,4,4,5,6,7,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。,WSH,WSL,WSP,QH,QRH,再热循环热效率,4）回热循环,利用蒸气的 热加
15、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,1,2,3,4,T1,T2,p2,p1,S,T,由四个可逆过程构成 12：绝热可逆压缩，等熵过程，消耗外功，温度上升T1T2 23：等温可逆放热，循环放热量, 34：绝热可逆膨胀，等熵过程，对外做功，温度下降，T2 T1, 41：等温可逆吸热，循环吸
16、热量,循环过程所做净功,说明制冷循环要消耗功, 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 表示：,从低温物体吸收的热量,消耗的净功,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,冷凝器,蒸发器,节流阀,压缩机,Q0,Q2,1,2,3,4,1,2,3,4,3,4,T0,T,p2,p1,示意图,T-S图,S,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Q0 kJh-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
17、系数为,制冷机所消耗的理论功率为,3）多级压缩制冷循环,9,1,2,3,4,5,6,7,8,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,S,T,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（
18、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。,压缩机,氨吸收制冷循环示意图,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。,压缩机,换热器,节流阀,分离器,1）装置的工作原理,1,2,3,4,5,6,x,1-x,x,1,2,3,4,5,6,p1
19、,p2,S,T,2）气体液化量的计算以1 kg气体为计算基准，设液化量为x kg，对虚线框部分进行热量衡算。,装置的冷冻量为,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T,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。,
