化工热力学第6章 流动系统的热力学原理及应用讲解

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1、第六章 流动系统的热力学原理及应用 6.1 引言 6.2 热力学第一定律 1、封闭系统的热力学第一定律 2、稳定流动系统的热力学第一定律 6.3 热力学第二定律和熵平衡 6.4 有效能与过程的热力学分析 6.2 热力学第一定律 1、封闭系统的热力学第一定律 克服恒定外压所做的体积功为 (6-1) (6-2)对于可逆过程 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量，系统中没有 物料和能量的积累。 (6-3) (6-5) pV称为“流动功”，流动所做功 是轴功和净流动功之和 W=Ws-p2V2+p1V1 (6

2、- 4) H = U + pV 在热力学的许多应用中，动能和势能与其他能量相比是比较小 的，若略去不计，可得 (6-7) 可逆轴功表达式为 例题6-1 将90的热水，以12m3/h速率从储罐1输送到高度为15m 的储罐2，热水泵的电动机功率为1.5kW，并且热水经过一个冷却 器，放出热量的速率为2.5106kJ/h .试问：储罐2的水温度是多 少？ 解：此例题是稳定流动过程式（6-5）的应用，水在储罐的流动速 度很慢，可以忽略动能变化，其他能量项单位为kJkg-1。 从附录C水性质表中可查得，90时水的密度为965.3kgm-3，则水 的质量流率为 965.312 = 11583.6 kgh-

3、1 得到放出的热量 轴功 势能 将上述各项代入式（6-5），得到 从附录C-1饱和水性质表中可查得90时饱和液体的焓 再从饱和水性质表中可内插查到此时的温度约为 38.5。 6.3 热力学第二定律和熵平衡 1、热力学第二定律 2、熵及熵增原理 3、封闭系统的熵平衡 4、稳定流动系统的熵平衡 熵增原理 自发过程的不可逆过程只能向着总熵增加的方向 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。 St =S +S0 0 在封闭系统中进行的任何过程 对孤立系统Q = 0 dS孤立0 或（S）孤立0 (6-13) (6-14) (6-15) 熵产生 系统在不可逆过程中，有序

4、的能量耗散为无序的热 能（如摩擦等），并为系统吸收而导致系统熵的增加， 这部分熵称为熵产生,记为Sg。 (6-16) (6-17) 熵流 若有热量流入或流出系统，则必定伴有相应的熵 变化，记为Sf或dSf 熵流可为正、为负、为零 (6-18) 敞开体系熵平衡简图 Sg 物流流入 物流流出 Sf 图6-3 敞开系统的熵平衡方程式为： l 对稳流过程,系统熵的累积为0 l 对绝热稳流过程，且只有单股流体 ,有mi=mj=m Sf=0 l 对可逆绝热的稳流过程 Sf=0, Sg=0 若为单股物料，有 Si = Sj, 为常见的等熵过程 。 这里So为系统熵的累积量 (6-19) (6-20) 6.4

5、 有效能与过程的热力学分析 1、理想功 2、损失功 3、有效能 4、有效能效率和有效能分析 1、理想功： 系统的状态变化以完全可逆方式完成， 理论上产生最大功或者消耗最小功。 环境指大气温度T0，压力P0 =0.1013MPa的状态 完全可逆，指的是不仅系统内的所有变化是 完全可逆的，而且系统和环境之间的能量交 换,例如传热过程也是可逆的。 (6-21) 例题6-2 求298K，0.1013MPa的水变成273K， 同压力下冰的过程的理想功。设环境温度 分别为（1）25；（2）- 5。 已知273K冰的熔化焓变为334.7kJ/kg 298K， 0.1013MPa 水 273K， 0.1013

6、MPa 冰 Wid H1，S1 H2，S2 例题6-2 Hl2= -0.02 kJkg-1和Sl20 (a) (b) 理想功的计算与环 境 有关 P160 三（1）求算在流动过程中温度为540，压力为5.0MPa的1 kmol 氮气所能给出的理想功是多少？环境温度为15 ，环境压力为0.1MPa 。 将氮气当做理想气体 P160 三（1）求算在流动过程中温度为540，压力为5.0MPa的1 kmol 氮气所能给出的理想功是多少？环境温度为15 ，环境压力为0.1MPa 。 将氮气当做理想气体 P160 三（2）某厂有一输送90热水的管道，由于保温不良，到使用单 位时，水温已降至70。试求水温降

7、低过程的热损失与损失功。设环境 温度为25 。 2、损失功：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，就称为损失功。 稳定流动过程 对于环境来说，Q为可逆热，Q=-T0S0 不可逆性的熵增加 +过程的热损失 损失功与总熵变的关系,且与环境温度有关。实际过程总是有损失功 ，过程的不可逆程度越大，总熵增越大，损失功也越大 (6-24) 例题6-3 用1.50MPa,773K的过热蒸汽来推动透 平机,并在0.07MPa下排出.此透平机既不 是可逆的，也不是绝热的，实际输出的 轴功相当于可逆绝热功的85%。另有少 量的热散入293K的环境，损失热为 79.4kJ/kg，求此过程的

8、损失功。 解：查附录C-2过热水蒸气表可知，初始状态1.50MPa,773K时 的蒸气焓、熵值为： 若蒸汽按绝热可逆膨胀，则是等熵过程，当膨胀至0.07MPa时 ，熵仍为S2=7.5698kJkg-1K-1。查过热水蒸汽表可知，此时状 态近似为0.07 MPa，373K的过热水蒸汽，其焓值H2=2680 kJkg-1。因可逆绝热过程， Q=0，则 此透平机实际输出轴功， 依据稳流系统热力学第一定律，得到实际状态2的焓为 由0.07MPa和H2可查得过热水蒸汽状态为 393K，S2=7.6375 kJkg-1K-1，则过程的损失功 3、有效能（available energy）：系统在一定状态下

9、的有效 能，就是从该状态变化到基态过程所作的理想功，用符号B表示 物理有效能：指系统的T、p等状态不同于环境而具有的能量 化学有效能：处于环境温度和压力下的系统，由于与环境进行物 质交换或化学反应，达到与环境平衡，所做的最大功即为化学有效 能 系统的有效能B仅与系统状态有关，是状态函数。但是它和内能 、焓、熵等热力学性质不同，有效能的数值与所选定的环境状态 有关。 T0(S-S0) 不能用于作功，又称为无效能 。 有效能的终态是基态，即是环境状态，此时的有效能可视为0。 (6-25) 当B 0，即增加的有效能等于外界消耗最小可功（可逆 功），对对可逆过过程有效能是守恒的，对对不可逆过过程则则不

10、守 恒 4、有效能效率和有效能分析 有效能平衡方程： 有效能效率： 当D=0时，是可逆过程；D0是不可逆过程，D0的过程不可能 自发进行。 不可逆过程，实际所作的功Ws总是小于有效能的减少，有效能 有损失情况。 (6-28) (6-29) (6-30) 例题6-6 某工厂有两种余热可资利用，其一是高 温的烟道气，主要成分是二氧化碳、氮气 与水汽，流量为500kg/h，温度为800，其 平均比等压热容为0.8kJkg-1K-1；其二是低 温排水，流量是1348kgh-1,温度为80,水的 平均比等压热容为4.18kJkg-1K-1，假设环 境温度为298K。问两种余热中的有效能各 为多少? 解：

11、高温的烟道气是高温、低压气体，可作为理想气体处理 ，按照式（6-25） 高温的烟道气从800降低到环境温度25放出的热量 低温排水的有效能 低温排水从80降低到环境温度25放出的热量 低温排水的余热等于高温烟道气的余热，但是其有效能只有高温烟道气的1/6，因此有 效能才能正确评价余热资源 有效能的分析 例题6-7 设有压力为1.0MPa、6.0MPa的饱 和水蒸气以及1.0MPa、553.15K的过热水蒸 气，若这三种蒸汽都经过充分利用，最后排 出0.1013MPa、 298.15K的冷凝水。试比较每 kg蒸汽的有效能(B)大小和所放出的热。 状态压力/MPa温度/KS/kJ kg-1 K-1

12、H/kJ kg-1 0饱和液体水298.15 1饱和蒸汽1.0 2过热 蒸汽1.0 3饱和蒸汽6.0 状态压力/MPa温度/KS/kJ kg-1 K-1H/kJ kg-1 0饱和液体水0.1013298.150.367105 1饱和蒸汽1.0453.066.5872778 2过热 蒸汽1.0553.157.0473008 3饱和蒸汽6.0548.795.8892784 序 号 状 态态 压压力 p/ MPa 温度T/K 熵熵S kJ/kg K 焓焓H kJ/kg （S- S0） （H- H0） B kJ/kg 0液体水0.1013298.150.367105 1饱饱和蒸汽1.0453.066.

13、58727786.222673818.5 2过热过热 蒸汽1.0553.157.04730086.682903911.4 3饱饱和蒸汽6.0548.795.88927845.5226791033. 2 l 压力相同（1.0MPa）时，过热蒸汽的有效能较饱和蒸汽为大， 故其作功本领也较大； l 高压蒸汽的有效能较低压蒸汽为大，而且热转化为功的效率也 较高。目前在大型合成氨厂中，温度在623K以上的高温热能都 用于生产10.33MPa的蒸汽（过热温度753K），作为获得动力 的能源，以提高热能的利用率； l 温度相同（蒸汽2、3相近）时，高压蒸汽的焓值反较低压蒸汽 略少，故通常总是用低压蒸汽作为工

14、艺加热之用，以减少设备 费用； l 表中所列1.0MPa和6.0MPa时，饱和蒸汽所放出来的热量基本 相等，但高温蒸汽的有效能比低温蒸汽大。由此进一步表明， 盲目地把高温高压蒸汽作加热就是一种浪费。故一般用来供热 的大都是0.51.0MPa的饱和蒸汽。 能量的合理利用 1、防止能量无偿降级 2、采用最佳推动力的方案 3、合理组织能量梯次利用 6.5 气体的压缩与膨胀过程 6.6 动力循环 1、封闭系统的热力学第一定律 2、稳定流动系统的热力学第一定律 6.7 制冷循环 6.8 热泵 气体的压缩与膨胀过程 1、气体的压缩 2、气体的膨胀 （1）绝热节流膨胀 （2）绝热可逆膨胀 （1）绝热节流膨胀

15、 节流效应（或Joule-Thomson效应） 流体节流时，由于压力变化而引起的温度变化 微分节流效应系数 积分节流效应 （2）绝热可逆膨胀 微分等熵效应系数 积分等熵膨胀效应 永远是正值 绝热节流膨胀和绝热可逆膨胀 l从热力学角度出发，从温度降、冷冻量和 回收轴动来说，做外功的绝热膨胀要比节 流膨胀优越 l节流膨胀所需设备简单，只需一个节流阀 ，便于调节且可直接得到液体 6.6 动力循环 6.6.1 朗肯循环（Rankine Cycle） 透平机是借助流体的减压和降温过程来产出功 压缩机可以提高流体的压力，但是要消耗功 理想的朗肯循环1234561 1234： 流体在锅炉、过热器中被等压加热汽化成为过热蒸汽的过 程，加入的热量： Q = H4H1 （正值） 45：过热蒸汽在透平机中的可逆绝热膨胀过程，对外所做轴功 可由膨胀前后水蒸汽的焓值求出 -WS = H = H4H5 （负值） 56：乏气的冷凝过程，放出的热量 Q0 = H6H5 （负值） 61：将冷凝水通过泵由p2p1 Wp =H = （H1H6） (正值) = VlH2O（p2p1） 理想朗肯循环 循环的热效率 工质通过循环作出