第6章 第1讲 能量平衡方程.ppt

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1、1/22/2023-1-第第6 6章章 主要内容主要内容(1)热力学第一定律热力学第一定律能量转化与守恒方程能量转化与守恒方程(2)热力学第二定律热力学第二定律(3)熵增、熵产生与熵平衡熵增、熵产生与熵平衡(4)理想功、损失功与热力学效率理想功、损失功与热力学效率(5)有效能的定义及计算有效能的定义及计算1/22/2023-2-第第6 6章章 化工过程的能量分析化工过程的能量分析化化工工过过程程需需要要消消耗耗大大量量能能量量，能能量量在在过过程程中中品品位降低位降低提高能量利用率、合理地使用能量提高能量利用率、合理地使用能量用热力学的观点、方法来指导能量合理使用用热力学的观点、方法来指导能量

2、合理使用化化工工过过程程能能量量分分析析的的理理论论基基础础是是热热力力学学第第一一定定律和热力学第二定律律和热力学第二定律1/22/2023-3-第6章 化工过程的能量分析物物化化利利用用热热力力学学两两大大定定律律可可以以计计算算过过程程的的热热和和功，判断过程的方向和限度功，判断过程的方向和限度物物化化介介绍绍两两大大定定律律在在封封闭闭系系统统中中的的应应用用，在在实实际际化化工工生生产产中中大大量量遇遇到到的的是是敞敞开开体体系系，这这类类体体系系中中进进行行的的是是流流动动过过程程，因因此此在在化化工工热热力力学学课课程中进一步讨论两大定律对流动过程的应用程中进一步讨论两大定律对流

3、动过程的应用1/22/2023-4-一、能量的种类一、能量的种类(1)内内能能U。系系统统内内部部所所有有粒粒子子除除整整体体势势能能和和整整体体动动能能外外，全全部部能能量量的的总总和和。包包括括分分子子内内动动能能、分分子子内内势势能能和和分子内部的能量。分子内部的能量。(2)动动能能Ek。如如果果物物质质具具有有质质量量m，并并且且以以速速度度u 运运动动，物系就具有动能。物系就具有动能。(3)重重力力势势能能Ep。如如果果物物质质具具有有质质量量m，并并且且与与势势能能基基准面的垂直距离为准面的垂直距离为z，物系就具有势能。，物系就具有势能。(4)热热Q。由由于于温温差差而而引引起起的

4、的能能量量传传递递。Q 需需要要正正负负号号来来表表示示能能量量传传递递方方向向。在在化化工工热热力力学学中中，规规定定物物系系得得到到热时热时Q 为正值，相反的，物系向环境放热时为正值，相反的，物系向环境放热时Q 为负值。为负值。1/22/2023-5-一、能量的种类一、能量的种类（5）功功W。除除热热Q 之之外外的的能能量量传传递递。与与热热Q 一一样样，功功W 也也是是物物系系发发生生状状态态变变化化时时与与环环境境交交换换的的能能量量，只只是是W 是是另另一一种种形形式式。在在化化工工热热力力学学中中对对于于功功W 也也做做了了正正负负号号的的规规定定。物物系系得得到到功功为正值；而物

5、系向环境做功为负值。为正值；而物系向环境做功为负值。1/22/2023-6-二、热力学第一定律二、热力学第一定律孤立系统热力学第一定律孤立系统热力学第一定律孤孤立立系系统统无无论论经经历历何何种种变变化化，其其能能量量守守恒恒。孤孤立立系系统统中中各各种种能能量量的的形形式式可可以以相相互互转转化化，但但能能量量不不会会凭凭空空产产生生，也也不不会会自自行行消消灭灭，能能量量在在各各种种形形式式之之间间进进行转化时，总的能量数值保持不变。行转化时，总的能量数值保持不变。1/22/2023-7-二、热力学第一定律二、热力学第一定律封闭系统的热力学第一定律 封闭系统是指那些与环境之间只有能量交换而

6、无物质交换的系统。没有物质交换表示与物质交换相关的动能和势能的变化项为零，于是封闭系统的热力学第一定律可表示为 1/22/2023-8-三、能量平衡方程三、能量平衡方程能量守恒与转换能量守恒与转换 一切物质都具有能量，能量是物质固有的特性。一切物质都具有能量，能量是物质固有的特性。能能量量可可分分为为两两大大类类，一一类类是是系系统统蓄蓄积积的的能能量量，如如动动能能、势势能能和和热热力力学学能能，它它们们都都是是系系统统状状态态的的函函数数。另另一一类类是是过过程程中中系系统统和和环环境境传传递递的的能能量量，常常见见有有功功和和热热量量，它它们们不不是是状状态态函函数数，而而与与过过程程有

7、有关。关。热热量量是是因因为为温温度度差差别别引引起起的的能能量量传传递递，做做功功是是由由势势差差引引起起的的能能量量传传递递。因因此此，热热和和功功是是两两种种本本质质不同且与过程传递方式有关的能量形式。不同且与过程传递方式有关的能量形式。1/22/2023-9-三、能量守恒与转换三、能量守恒与转换能能量量的的形形式式不不同同，但但是是可可以以相相互互转转化化或或传传递递，在在转转化化或或传传递递的的过过程程中中，能能量量的的数数量量是是守守桓桓的的，这这就就是是热热力力学学第第一一定定律律，即即能能量量转转化化和和守守恒恒原原理。理。体体系系在在过过程程前前后后的的能能量量变变化化E应应

8、与与体体系系在在该该过过程中传递的热量程中传递的热量Q与功与功W相等。相等。1/22/2023-10-四、稳流系统的热力学第一定律及其应用四、稳流系统的热力学第一定律及其应用 稳定流动，简称稳流（稳流系统稳定流动，简称稳流（稳流系统）(1)设备内各点的状态不随时间变化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垂直于流向的各个截面处的质量流率相等 1/22/2023-11-四、稳流系统的热力学第一定律及其应用四、稳流系统的热力学第一定律及其应用 1/22/2023-12-四、稳流系统的热力学第一定律及其应用四、稳流系统的热力学第一定律及其应用 内能的变化：动能的变化为

9、：重力势能的变化为：环环境境与与单单位位质质量量的的研研究究体体系系之之间间交交换换的的热热量量为为Q；而而交交换换的的功功W 除除了了轴轴功功Ws 之之外外，还还有有另另外外一种功一种功流动功流动功Wf。1/22/2023-13-四、稳流系统的热力学第一定律及其应用四、稳流系统的热力学第一定律及其应用 在截面1 处的流动功W1f 为：截面2 处的流动功W2f 为：1/22/2023-14-四、稳流系统的热力学第一定律及其应用四、稳流系统的热力学第一定律及其应用 在截面1 至2 之间的任何一点处的流体，既受到它上游流体的推动，也同时推动下游流体，做功数值一致，但是方向相反，因此相互抵消，流动净

10、功为零。H=U+pV 1/22/2023-15-四、稳流系统的热力学第一定律及其应用四、稳流系统的热力学第一定律及其应用 讨论：(1)流体流经换热器、反应器等传质设备 这些设备中没有轴传动的结构，Ws=0；另外，考虑动能项和势能项与焓变之间的数量级差别，动能项和势能项可以忽略，因此，稳流系统热力学第一定律可化简为：结论：换热器热负荷可由焓变来确定1/22/2023-16-四、稳流系统的热力学第一定律及其应用四、稳流系统的热力学第一定律及其应用(2)流体流经泵、压缩机、透平等设备在数量级的角度上，动能项和势能项不能与焓变相比较，可以忽略。若这些设备可视为与环境绝热，或传热量与所做功的数值相比可忽

11、略不计。结论：从焓变可求这些设备做功（或耗功）能力结论：从焓变可求这些设备做功（或耗功）能力 1/22/2023-17-四、稳流系统的热力学第一定律及其应用四、稳流系统的热力学第一定律及其应用(3)流体流经蒸汽喷射泵及喷嘴 流体流经设备如果足够快，可以假设为绝热，Q=0；设备没有轴传动结构，Ws=0；流体进出口高度变化不大，重力势能的改变可以忽略 结论：流体流经喷嘴等喷射设备时，通过改变流动的截面积，将流体自身的焓转变为了动能。1/22/2023-18-6.1.2 能量平衡方程换换热热器器透透平平机机QIIIQP1,Z1,V1u1,m1P2,Z2,V2u2,m2Wsm,E1/22/2023-1

12、9-6.1.2 能量平衡方程对任一体系，有如下对任一体系，有如下衡算：进入体系的量进入体系的量-离开体系的量离开体系的量=体系积累的量体系积累的量由此由此可得到体系的物料平衡和能量平衡方程式物料平衡方程：能量平衡方程：1/22/2023-20-6.1.2 能量平衡方程 流体从截面流体从截面I通过设备流到截面通过设备流到截面II，在截面，在截面I处流处流体进入设备所具有的状况用下标体进入设备所具有的状况用下标1表示，此处距表示，此处距基准面的高度为基准面的高度为z1，流动平均速度，流动平均速度u1，比容，比容V1，压力压力p1以及内能以及内能U1等。同样在截面等。同样在截面II处流体流出处流体流

13、出所具有的状况用下标所具有的状况用下标2表示。表示。单位质量的流体带入、带出能量的形式为动能(u2/2)，势能(gZ)和热力学能(U)。1/22/2023-21-6.1.2 能量平衡方程系系统统与与环环境境交交换换功功W，实实际际上上由由两两部部分分组组成成。一一部部分分是是通通过过泵泵、压压缩缩机机等等机机械械设设备备的的转转动动轴轴，使使系系统统与与环环境境交交换换的的轴轴功功Ws；另另一一部部分分是是单单位位质质量量物物质质被被推推入入系系统统时时，接接受受环环境境所所给给与与的的功功，以以及离开系统时推动前面物质对环境所作的功。及离开系统时推动前面物质对环境所作的功。假假设设系系统统入

14、入口口处处截截面面面面积积为为A1，流流体体的的比比容容为为V1，压压力力为为p1，则则推推动动力力为为p1A1，使使单单位位质质量量流流体体进进入入系系统统，需需要要移移动动的的距距离离为为V1/A1,推推动动单单位质量流体进入系统所需要的功为位质量流体进入系统所需要的功为:1/22/2023-22-6.1.2 能量平衡方程 推动单位质量流体进入系统所需要的功为推动单位质量流体进入系统所需要的功为:这这是是单单位位质质量量流流体体进进入入系系统统时时，接接受受后后面面流流体体(环环境境)所所给给予予的的功功；同同样样,单单位位质质量量流流体体离离开开系系统统时时，必必须须推推动动前前面面的的

15、流流体体(环环境境)，即即对对环环境境作作 p2V2的的功功。这这种种流流体体内内部部相相互互推推动动所所交交换换的的功功，称称为为流流动动功功。只有在连续流动过程中才有这种功。只有在连续流动过程中才有这种功。1/22/2023-23-6.1.3 稳态流动体系的稳态流动体系的能量平衡方程能量平衡方程 稳稳态态流流动动是是指指流流体体流流动动途途径径中中所所有有各各点点的的状状况况都都不不随随时时间间而而变变化化，系系统统中中没没有有物物料料和和能量的积累。能量的积累。1/22/2023-24-单位质量的流体带入、带出能量的形式为动能(u2/2)，势能(gz)和热力学能(U)。流体从截面流体从截

16、面1通过设备流到通过设备流到截面截面2，在截面，在截面1处流体进入设备处流体进入设备所具有的状况用下标所具有的状况用下标1表示，此表示，此处距基准面的高度为处距基准面的高度为z1，流动平流动平均速度均速度u1，比容比容V1，压力压力P1以及以及内能内能U1等。同样在截面等。同样在截面2处流体处流体流出所具有的状况用下标流出所具有的状况用下标2表示。表示。g为重力加速度。1/22/2023-25-系系统统与与环环境境交交换换功功W，实实际际上上由由两两部部分分组组成成。一一部部分分是是通通过过泵泵、压压缩缩机机等等机机械械设设备备的的转转动动轴轴，使使系系统统与与环环境境交交换换的的轴轴功功Ws

17、；另另一一部部分分是是单单位位质质量量物物质质被被推推入入系系统统时时，接接受受环环境境所所给给与的功，以及离开系统时推动前面物质对环境所作的功。与的功，以及离开系统时推动前面物质对环境所作的功。假假设设系系统统入入口口处处截截面面面面积积为为Al，流流体体的的比比容容为为V1，压压力力为为P1，则则推推动动力力为为P1A1，使使单单位位质质量量流流体体进进入入系系统统，需需要要移移动动的的距离为距离为V1/A1,推动单位质量流体进入系统所需要的功为推动单位质量流体进入系统所需要的功为这这是是单单位位质质量量流流体体进进入入系系统统时时，接接受受后后面面流流体体(环环境境)所所给给予予的的功功

18、；同同样样,单单位位质质量量流流体体离离开开系系统统时时，必必须须推推动动前前面面的的流流体体(环环境境)，即即对对环环境境作作 P2V2的的功功。这这种种流流体体内内部部相相互互推推动动所所交交换换的功，称为流动功。只有在连续流动过程中才有这种功。的功，称为流动功。只有在连续流动过程中才有这种功。1/22/2023-26-对于流动过程，系统与环境交换的功是轴功与流动功之和 稳态流动系统的稳态流动系统的能量平衡关系可写为能量平衡关系可写为 将焓的定义将焓的定义 H=U+PV 代入上式可得稳定流动系统的代入上式可得稳定流动系统的能量能量平衡方程平衡方程1/22/2023-27-稳定流动系统的热力

19、学第一定律表达式为：稳定流动系统的热力学第一定律表达式为：使用上式时要注意单位必须一致。按照使用上式时要注意单位必须一致。按照SI单位制，每一单位制，每一项的单位为项的单位为 Jkg-1。动能和位能的单位动能和位能的单位流动功包含在焓中流动功包含在焓中轴功轴功 H、u2/2、g z、Q和和Ws 分别为单位质量流体的焓分别为单位质量流体的焓变、动能变化、位能变化、与环境交换的热量和轴功。变、动能变化、位能变化、与环境交换的热量和轴功。1/22/2023-28-可逆条件下的轴功对于液体，在积分时一般对于液体，在积分时一般可将可将V当作常数。当作常数。对于气体怎么办？对于气体怎么办？对于理想气体等温

20、过程对于理想气体等温过程左式只适用与理想气体左式只适用与理想气体等温过程等温过程1/22/2023-29-一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节流阀透平机透平机压缩机混合装置混合装置换热装置1/22/2023-30-喷嘴与扩压管喷嘴与扩压管 喷喷嘴嘴与与扩扩压压管管的的结结构构特特点点是是进进出出口口截截面面积积变化很大。变化很大。流流体体通通过过时时，使使压压力力沿沿着着流流动动方方向向降降低低，而而使使流流速速加加快快的的部部件件称称为为喷喷嘴。嘴。使使流流体体流流速速减减缓缓，压压力力升高的部件称为扩压管。升高的部件称为扩压管。喷嘴喷嘴扩压管扩压管1/2

21、2/2023-31-喷嘴与扩压管喷嘴与扩压管 是否存在轴功?否否是否和环境交换热量?通常可以忽略通常可以忽略位能是否变化?否否1/22/2023-32-流体通过焓值的改变来换取动能的调整流体通过焓值的改变来换取动能的调整1/22/2023-33-透平机和压缩机透平机和压缩机 透平机是借助流体的透平机是借助流体的减压和降温过程来产出功减压和降温过程来产出功 压缩机可以提高流体压缩机可以提高流体的压力，但是要消耗功的压力，但是要消耗功 T=901/22/2023-34-透平机和压缩机透平机和压缩机 是否存在轴功?是是!是否和环境交换热量?通常可以忽略通常可以忽略位能是否变化?变化很小可以忽略变化很

22、小可以忽略动能是否变化？通常可以忽略通常可以忽略1/22/2023-35-节流阀节流阀是否存在轴功是否存在轴功?否否是否和环境交换热量是否和环境交换热量?通常可以忽略通常可以忽略位能是否变化位能是否变化?否否动能是否变化动能是否变化?通常可以忽略通常可以忽略1/22/2023-36-节流阀节流阀 Throttling ValveThrottling Valve理想气体通过节流阀温度不变理想气体通过节流阀温度不变1/22/2023-37-混合设备混合设备 混合两种或多种流体混合两种或多种流体是很常见。是很常见。混合器混合器1/22/2023-38-混合设备是否存在轴功?否否是否和环境交换热量?通

23、常可以忽略通常可以忽略位能是否变化?否否动能是否变化?否否1/22/2023-39-换热设备换热设备 整个换热设备与环境交换的热量可以忽略不计，换热设整个换热设备与环境交换的热量可以忽略不计，换热设备内部两股物流存在热量交换。换热设备的能量平衡方程与备内部两股物流存在热量交换。换热设备的能量平衡方程与混合设备的能量平衡方程相同，但物流之间不发生混合。混合设备的能量平衡方程相同，但物流之间不发生混合。1/22/2023-40-管路和流体输送管路和流体输送稳态流动模型通常稳态流动模型通常是一个不错的近似是一个不错的近似通过泵得到轴功通过泵得到轴功位能变化位能变化泵水1/22/2023-41-管路和流体输送是否存在轴功?有时存在有时存在是否和环境交换热量?通常是通常是位能是否变化?有时变化有时变化动能是否变化?通常不变化通常不变化1/22/2023-42-Bernoulli 方程 实际流体的流动过程存在摩擦损耗，意味机械能转变为实际流体的流动过程存在摩擦损耗，意味机械能转变为热力学能，有摩擦损耗热力学能，有摩擦损耗对于无热、对于无热、无轴功交换、无轴功交换、不可压缩流体的稳流过程不可压缩流体的稳流过程1/22/2023-43-对于非粘性流体或简化的理想情况，可忽略摩擦损耗，则对于非粘性流体或简化的理想情况，可忽略摩擦损耗，则结结束束