2022年化工热力学第六章教案.docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 学习好资料 欢迎下载授 课 内 容第六章 流淌系统的热力学原理及应用 6-1 引言本章重点介绍稳固流淌过程及其热力学原理 1 理论基础 热力学第肯定律和热力学其次定律 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、使用和缺失 情形进行分析,揭示能量消耗的大小、缘由和部位,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）流淌系统的热力

2、学关系式 2）过程的热力学分析 3）动力循环 6-2 热力学第肯定律1 封闭系统的热力学第肯定律UQW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 稳固流淌系统的热力学第肯定律 稳固流淌状态：流体流淌途径中全部各点的状况都相等,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存；稳固流淌系统的热力学第肯定律表达式为：名师归纳总结 UQu2Sg zQW1第 1 页,共 19 页2其中流体所做的功WW Sp V 2pV由HUpVW所以得Hg z1u22- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - -

3、 - 微分形式：dH学习好资料WS欢迎下载gdzuduQ如忽视动能和势能变化,就有HQWS即为封闭系统的热力学关系式 6-3 热力学其次定律和熵平稳1 热力学其次定律1） Clausius 说法：热不行能自动从低温物体传给高温物体 2）Kelvin 说法：不行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：自发过程都是不行逆的2 熵及熵增原理 1）热机效率 W Q 12）可逆热机效率WQ1Q 1Q2T1T1T 21T2Q 1T13）熵的定义3.1）可逆热温商dSQrevT积分得熵变SS2S 12Qrev1T3.2）熵的微观物理意义 系统纷乱程度大小的度量对可逆的绝热过程SS0Qre

4、v或QrevTS对可逆的等温过程T对封闭系统中进行的任何过程,都有dSQ 热力学其次定律的数学表达式T4）熵增原理名师归纳总结 孤立系统,Q0,S孤立0第 2 页,共 19 页就dS 孤立0或- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 学习好资料欢迎下载如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SS 00自发进行的不行逆过程只能向着总熵增大的方向进行,最终趋向平稳态；此时总熵变达到最大值,即 St=0 达到了过程的终点；熵增原理为判定过程进行的方向和限度供应了依据；3 封闭系统的熵平稳热力学第肯定律无法运

5、算由于过程不行逆引起的能量贬值的损耗,通过熵平稳关系可以精确衡量过程的能量利用效率；熵平稳方程dSQdSg2QSgT积分式为S1TdSg 熵产生；不行逆过程中,系统熵的增加；有序能量耗散为无序热能,并被系统吸取而导致不是系统的性质,与系统的不行逆过程有关；可逆过程无熵产生4 稳固流淌系统的熵平稳 Sf物流流入 Sg 物流流出m S jjm S i iji 放开系统熵平稳简图放开系统的熵平稳方程式为：SSfSgim S ijm S j Sf 为熵流,相伴热量流淌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

6、化：名师归纳总结 对稳固流淌系统S0Sgim S ijm Sjf0第 3 页,共 19 页SfS gjm S j jim S i iS- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 对可逆绝热过程Sf0,学习好资料欢迎下载Sg0m S jjim S i iS i等熵过程jSj如为单股物流对绝热节流稳流过程,只有单股流体Sg0,SfS i0,m imj0SmS j 6-4 抱负功、缺失功和有效能 1 抱负功 W id：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；是一个抱负的极限值,可作为实际功的比较标准2）完全可逆：完全可逆是

7、指 （ 1）系统的全部变化是可逆的； （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）稳流过程的抱负功 如忽视动能和势能变化,第肯定律HQWSWidW idWidT 0Q revH完全可逆时HQrev将QrevT0S代入或SH得WidT 0SH比较抱负功与实际功,可以评判实际过程的不行逆程度2 缺失功 1）定义：缺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抱负功之差；对稳流过程表示为：名师归纳总结 或T0WLWidHWSHQT 0SQ第 4 页,共 19 页SHWLT0SSHQWLT 0Q

8、- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 学习好资料 欢迎下载缺失功由两部分构成：1）由过程不行逆性引起的熵增造成2）由过程的热缺失造成W LT 0SQT0ST 0S 0S tT 0T 0S g说明缺失功与总熵变及环境温度的关系过程的不行逆程度越大,总熵增越大,缺失功越大；不行逆过程都是有代价的例 1：298K ,0.1013MPa 的水变成273K ,同压力冰的抱负功；273K 冰的熔化焓变为334.7kJ.kg-1初态 终态298K,273K ,0.1013MPa的水 0.1013MPa 的冰H1=104.897kJ.kg-1,H2,S2S1=0.367k

9、J.kg-1.K-1H 2 H 273 K 水 H 熔化焓0.02 334.71 334.72kJ.kgS 2 H 2 334.72 1.226kJ.kg 1 .K-1T 2731）环境温度为 25时W id T 0 S H298 S 2 S 1 H 2 H 1 -135.10kJ.kg 0是一个耗功过程,消耗的最小功是 35.10kJ.kg-12）环境温度是 268K 时W id T 0 S H268 S 2 S 1 H 2 H 1 -1 12.69kJ.kg 0是一个做功过程,可供应的最大功是 12.69kJ.kg-1 抱负功的运算与环境温度有关例 2：运算缺失功名师归纳总结 - - -

10、- - - -第 5 页,共 19 页精选学习资料 - - - - - - - - - 1.5MPa H1学习好资料欢迎下载Q1WS3473.1kJ.kg-1HH2H17.5698kJ.kg-1.K-1S 1HH2QW S773K S 2过热蒸汽3WS0.85 WS revWLT0SQ0.07MPa 环境T0S2S 1QH2S2T 0=293K 有效能 B：肯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稳状态时此过程的抱负功；对于稳流过程,从状态1 变到状态 2,过程的抱负功为B 为：WidT 0SHT 0S2S 1H2H1H1T S 1H2T S2选定基态为（ T0,p0

11、）,系统由任意状态变到基态时稳流系统的有效能BH1T S 1H2T S 2HT SH0T S0HH0T0SS0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；BHH0T 0SS0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 境平稳所作的最大功为化学有效能；因此运算化学有效能需要确定每一元素的环境状态,为简化运算,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：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

12、度变化到与环境浓度相同的过程 例：运算碳的化学有效能名师归纳总结 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第 6 页,共 19 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - B学习好资料S 0欢迎下载HH0T0S运算基准取1mol H0H0H02H02S0HH0CO 2COf COSS 0S CS O2S CO2O2的浓度为 0.21,因此0 S O2Rln0.21SO 2SS0S CS O 2S CO 20 S C0 S O2Rln0.21CO 24 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B B

13、 2 B 1 H 2 H 1 T 0 S 2 S 1 H T 0 S或 B W id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,不行逆过程的有效能不守恒；有效能的平稳方程为：BinBoutDD=0,可逆D0 ,不行逆D0,不行能自发进行DT 0SS 0T 0S tWL不行逆过程中,有效能的缺失等于缺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 B=100% BBoutBin真实过程 B0 ,节流后温度降低称冷效应微小压力变化与所引起 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氮气转化温度示意图

14、T/K N2 p/MPa J 0过热蒸汽在透平中可逆绝热膨胀45 WS= H=H5-H40 乏气的冷凝56 Q0=H 6-H5 0 整个循环过程 QN= Q +Q 0 WN= Ws +W p H=0 所以 QN= -WN,即吸取的净热等于做出的净功2）评判指标名师归纳总结 蒸汽动力循环的热效率 ：第 11 页,共 19 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 学习好资料H欢迎下载的比率；它表示动力循环中锅炉所供应的热量Q 转化为净功WNWNH5H41H6H4H5QH4H1H4H1反映了不同装置输出相同的功量时所消耗的能量的多少,一个重要指标 汽耗率 SSC

15、（Specific Steam Consumption ）：做出单位量净功所消耗的蒸汽量SSC1Nkg kJ13600kg.kW-1 .h-1WWN汽耗率的大小可用来比较装置的尺寸和过程的经济性 3）实际的朗肯循环是评判蒸汽动力装置的热效率低于抱负过程,汽耗率就高于抱负过程；膨胀和压缩过程均为不行逆过程,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,反映了透平机内部全部缺失2 朗肯循环的改进尽可能减小不行逆因素造成的损耗,特殊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,

16、汽耗率下降；同时,乏气干度增加；最高不超过 873K2）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；此名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 19 页精选学习资料 - - - - - - - - - 学习好资料 欢迎下载外,蒸汽压力不能超过水的临界压力 22.064MPa3）采纳再热循环4 5 1 2 3 46 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；提高了做功才能,防止了乏气湿含量过高的缺点再热循环热效率WSQ WSHHWSLWSPH4H4 H5H6H7H1QQRHH1H5H 4H44）

17、回热循环利用蒸气的热加热锅炉给水,削减或排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名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页,共 19 页精选学习资料 - - - - - - - - - 学习好资料 欢迎下载5）热电循环工质全部做功,供热量与乏气压力有关名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页,共 19 页精选学习资料 - - - - - - - - - 学习好资料 欢迎下载 6-7 制冷循环使物系温度降到低于四周环境温度的过程称为制冷过程；从低温物体传至高温物体；1 蒸汽压缩制冷循环其实质是利用外功将热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

18、效的制冷循环p2 p1 Q2 T 3 冷凝器2 膨胀机压缩机T2 3 2 4 蒸发器1 T 1 4 1 S Q0 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 T 1T1T2 23：等温可逆放热,循环放热量Q 2T2S3S2T2 T1 34：绝热可逆膨胀,等熵过程,对外做功,温度下降, 41：等温可逆吸热,循环吸热量Q0T 1S 1S 4T2S 2S 3循环过程所做净功WNQQ0Q 2T 1S 1S 4T2S 3S2WN0说明制冷循环要消耗功名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页,共 19 页精选学习资料 - - - - - - - - - 制冷效率的评判指

19、标学习好资料欢迎下载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：Q 0从低温物体吸取的热量WN消耗的净功对于逆卡诺循环Q 0T 1S 1S4S 4T2T 1T 1WN T 1T2S 1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3 节流阀Q2 2 1 压缩机T33 2 p2 p1 冷凝器4 示意图蒸发器T 0 44 1 S Q0T-S图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才能为q 0H1H4kJ.kg-1GQ 0Q0 kJ.h-1,就其循环量为q 0压缩单

20、位重量制冷剂所消耗的功为W SH2H1kJ.kg-1制冷机的制冷系数为q 0H1H4H1NH3GWSHHWSH2H121T制冷机所消耗的理论功率为3）多级压缩制冷循环名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页,共 19 页精选学习资料 - - - - - - - - - 1 9 学习好资料欢迎下载4 8 T 2 3 4 5 6 7 6 7 8 5 3 2 9 1 10 S 2 吸取制冷循环原理介绍吸取制冷就是直接利用热能制冷的冷冻循环,通过吸取和精馏装置来完成循环过 程,液体为工质；1）制冷工质以上氨水溶液吸取制冷通常用于低温系统,最低可达 208K-65 ,一般为 228K-45

21、溴化锂溶液吸取制冷通常用于大型中心空调系统,使用温度不低于 273K 0 ,一般为 278K5 以上 2）吸取制冷的特点 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）的组分为吸取剂；压缩机Q 吸取c a b 节流阀再冷凝器生Q 器换热器 fQ 蒸发器器e 泵g Q 氨吸取制冷循环示意图名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页,共 19 页精选学习资料 - - - - - - - - - 3 气体的液化学习好资料欢迎下载利用制冷循环获得低于173K 的低温称为深

22、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；如将空气液化分别得到纯的氮气、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；主要运算气体的液化量及压缩机消耗的功率；气体的液化量运算是利用被确定的循环系统的能量平稳方程式求得；压缩机消耗功的运算即为气体压缩功的运算方法；1）装置的工作原理T 3 p2 6 p1 1 压缩机冷却器2 换热器1 2 1-x 节流阀x 3 5 4 4 6 分别器5 S x 2）气体液化量的运算以 1 kg 气体为运算基准,设液化量为x kg,对虚线框部分进行热量衡算；名师归纳总结 1 H2xH51x H1q 0x

23、H1HH55第 18 页,共 19 页xH1H2H12H1HH1H5H1H5H1H2kJ.kg-1- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 学习好资料 欢迎下载3） 压缩机功耗 多级压缩功的总和,为运算便利,按抱负气体等温压缩过程运算,再除以等温压缩 T效率TW1RT1lnp 20.6左右Tp 1等温压缩效率,一般取 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供应了可能；2评判指标HQH制热系数：消耗单位功量所得到的供热量,即WN可逆热泵的制热系数为THH,卡THTL制热系数与制冷系数的关系HQHQ0WWNQ 011WNWNN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运算时,第一根据题意,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,运算有关过程的功、热变化,以及相关的 循环效率；名师归纳总结 - - - - - - -第 19 页,共 19 页