函授第五章 化工过程的能量分析PPT讲稿.ppt

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1、函授第五章 化工过程的能量分析2022/9/24第1页，共19页，编辑于2022年，星期五热力学第一定律与能量平衡方程热力学第一定律与能量平衡方程4.1 热力学第一定律热力学第一定律4.2 稳定流动体系的热力学原理稳定流动体系的热力学原理4.3 稳流体系能量平衡方程及其应用稳流体系能量平衡方程及其应用2022/9/24第2页，共19页，编辑于2022年，星期五4.1热力学第一定律热力学第一定律U+只适合封闭体系只适合封闭体系!热力学第一定律的热力学第一定律的数学表达式：数学表达式：2022/9/24第3页，共19页，编辑于2022年，星期五4.2稳定流动体系的热力学原理稳定流动体系的热力学原理

2、稳定流动稳定流动敞开体系敞开体系稳定、连续、稳定、连续、流进、流进、流出，不随时间变流出，不随时间变化，没有化，没有能量和物料能量和物料的积累的积累。化工过程中最常用化工过程中最常用不能用不能用U+来表达来表达!2022/9/24第4页，共19页，编辑于2022年，星期五能量的形式能量的形式 化工生产中所涉及到的能量，主要有两大类：化工生产中所涉及到的能量，主要有两大类：物物质的能量质的能量、能量传递的两种形式能量传递的两种形式。1、物质的能量、物质的能量E(以以1kg为基准为基准)v动能：动能：E Ek k=u2/2v内能：内能：U=f(T,P,x)v位能：位能：E EP P=gZ2、能量传

3、递的两种形式、能量传递的两种形式(以以1kg为基准为基准)在各种热力学过程中，体系与环境之间常发生能在各种热力学过程中，体系与环境之间常发生能量的传递，能量传递的形式有两种，即量的传递，能量传递的形式有两种，即热热和和功功。2022/9/24第5页，共19页，编辑于2022年，星期五v热热:系统与环境之间由于温差而引起的相互交换系统与环境之间由于温差而引起的相互交换的能量，用的能量，用Q表示。表示。规定规定：系统获得的热量，其值为正；反之为负。：系统获得的热量，其值为正；反之为负。v功功W：1.对流动系统：包括两部分对流动系统：包括两部分(1)流体通过机械设备的流体通过机械设备的旋转轴与环境旋

4、转轴与环境所交换的能量，称为所交换的能量，称为轴轴功功Ws。(2)物料在连续流动过程中，由于流体内部相互推动所交物料在连续流动过程中，由于流体内部相互推动所交换的功，称为换的功，称为流动功流动功Wf=PV。管道截面积A m2 1kg流体流体 Vm3/kg P 流动功流动功F.S =（P.A）.(V/A)=PV J/K g2022/9/24第6页，共19页，编辑于2022年，星期五注意注意：*热热和和功功只是在能量传递中出现，并非系统本身具有的能只是在能量传递中出现，并非系统本身具有的能量，故不能说量，故不能说“某物质具有多少热或功某物质具有多少热或功”。当能量以热和功的当能量以热和功的形式形式

5、传入体系后，传入体系后，增加的是内能增加的是内能。如：如：在换热设备中，冷热流体进行热交换，结果是热流在换热设备中，冷热流体进行热交换，结果是热流体内能降低。冷流体内能增加。体内能降低。冷流体内能增加。*热热和和功功是过程函数，非状态函数。是过程函数，非状态函数。2.对非流动系统对非流动系统，特定设备（如带活塞的气缸）中，因流体体，特定设备（如带活塞的气缸）中，因流体体积改变而与环境交换的能量，称为积改变而与环境交换的能量，称为体积功体积功W。规定规定：系统得功，其值为正；反之为负。：系统得功，其值为正；反之为负。2022/9/24第7页，共19页，编辑于2022年，星期五以以1Kg为基准为基

6、准!Q为体系吸收的热量为体系吸收的热量W为体系与环境交换的为体系与环境交换的功。功。截面截面1的能量的能量E1E1=U1+gZ1+u12/2截面截面2的能量的能量E2E2=U2+gZ2+u22/24.2稳定流动体系的热力学原理稳定流动体系的热力学原理P1,V1,Z1,u1P2,V2,Z2,u22022/9/24第8页，共19页，编辑于2022年，星期五根据能量守恒原理：根据能量守恒原理：进入体系能量进入体系能量=离开体系能量离开体系能量+体系内积累的能量体系内积累的能量 稳定流动体系稳定流动体系无能量的积累无能量的积累 E1+Q=E2-W（1）体系与环境交换的功体系与环境交换的功W包括与环境交

7、换的包括与环境交换的轴功轴功Ws 和和流动功流动功Wf，即即W=Ws+Wf 其中：其中：Wf=P1V1-P2V2 所以所以 W=Ws+P1V1-P2V2 (2)E=U+gZ+u2/2 (3)将将(2)、(3)代入（代入（1）可得）可得(4)式式5.1.2稳定流动体系的热力学原理稳定流动体系的热力学原理2022/9/24第9页，共19页，编辑于2022年，星期五稳定流动体系的热力学第一定理：稳定流动体系的热力学第一定理：焓变位能变化动能变化(4)(4)式的计算单位建议用式的计算单位建议用 J/kg；即以；即以1Kg为基为基准准!4.3 稳流体系能量平衡方程及其应用稳流体系能量平衡方程及其应用20

8、22/9/24第10页，共19页，编辑于2022年，星期五一些常见的属于稳流体系的装置一些常见的属于稳流体系的装置喷嘴喷嘴扩压管扩压管节流阀节流阀透平机透平机压缩机压缩机混合装置混合装置换热装置换热装置2022/9/24第11页，共19页，编辑于2022年，星期五应用中的简化应用中的简化1）流体通过压缩机、膨胀机流体通过压缩机、膨胀机 u20，g Z0 H=Q+Ws稳流过程中稳流过程中最常用最常用的公式的公式若绝热过程若绝热过程Q=0，Ws=H=H2-H1高高压压高温高温蒸汽蒸汽带动带动透平透平产产生生轴轴功功。4.3 稳流体系能量平衡方程及其应用稳流体系能量平衡方程及其应用2022/9/24

9、第12页，共19页，编辑于2022年，星期五2）流体通过换热器、管道、混合器）流体通过换热器、管道、混合器 Ws=0，u2=0，g Z=0 H=Q如发生化学反应，相变化，温度变化时，与环境交换如发生化学反应，相变化，温度变化时，与环境交换的热量（反应热，相变热，显热）等于的热量（反应热，相变热，显热）等于体系的焓差体系的焓差。4.3 稳流体系能量平衡方程及其应用稳流体系能量平衡方程及其应用体系状态变化，如体系状态变化，如化学反应化学反应 相变化相变化 温度变化温度变化 反应热反应热 相变热相变热 显热显热 Q 用于精馏、蒸发、吸收、结晶过程用于精馏、蒸发、吸收、结晶过程2022/9/24第13

10、页，共19页，编辑于2022年，星期五3）流体通过节流阀门或多孔塞，如节流膨）流体通过节流阀门或多孔塞，如节流膨胀或绝热闪蒸过程。胀或绝热闪蒸过程。Ws=0，u2=0，g Z=0，Q=0 H=04.3 稳流体系能量平衡方程及其应用稳流体系能量平衡方程及其应用2022/9/24第14页，共19页，编辑于2022年，星期五4）流体通过喷嘴获得高速气体（超音速）流体通过喷嘴获得高速气体（超音速）例：例：火箭火箭、化工生产中的、化工生产中的喷射器喷射器。Q=0，g Z=0 ，Ws=0 H=-u2/2 ；u2 u14.3 稳流体系能量平衡方程及其应用稳流体系能量平衡方程及其应用2022/9/24第15页

11、，共19页，编辑于2022年，星期五5）对封闭体系，退化为封闭体系热力学第一定律）对封闭体系，退化为封闭体系热力学第一定律 u2=0，g Z=0 。H=Q+WS 又又 H=U+PV U=Q+W4.3 稳流体系能量平衡方程及其应用稳流体系能量平衡方程及其应用=Q+W-Wf=Q+W+P1V1-P2V2流动功Wf=P1V1-P2V22022/9/24第16页，共19页，编辑于2022年，星期五热力学第一定律应用注意事项热力学第一定律应用注意事项1、注意区别：、注意区别：U=Q+W 封闭体系封闭体系 H=Q+Ws 稳定流动体系稳定流动体系2、注意符号、注意符号：热量热量：体系：体系吸热为正吸热为正（+

12、），体系），体系放热为负放热为负（-）；功：功：外界对体系做功为外界对体系做功为正正（+），体系），体系对外做功为负对外做功为负（-）。2022/9/24第17页，共19页，编辑于2022年，星期五例例 1 1.5MPa的的湿湿蒸蒸汽汽在在量量热热计计中中被被节节流流到到0.1MPa和和403.15K，求湿蒸汽的干度，求湿蒸汽的干度解节流过程无功的传递，节流过程无功的传递，忽略散热、忽略散热、动能变化动能变化和位能变化和位能变化T H kJ/kg1202716.61602796.2130H2例题例题2022/9/24第18页，共19页，编辑于2022年，星期五1.5MPa 饱和液体焓值饱和液体焓值 Hl=844.9 kJ/kg 饱和蒸汽焓值饱和蒸汽焓值 Hg=2792.2 kJ/kg2022/9/24第19页，共19页，编辑于2022年，星期五