[工学]化工过程能量分析

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1、5化工过程的能量分析◆5.1能量平衡方程◆5.2热功间的转换◆5.3熵函数◆5.4理想功、损失功和热力学效率◆5.5有效能5.1能量平衡方程5.1.1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。通常，能量可分为两大类，一类是系统蓄积的能量，如动能、势能和热力学能，它们都是系统状态的函数。另一类是过程中系统和环境传递的能量，常见有功和热量，它们就不是状态函数，而与过程有关。热量是因为温度差别引起的能量传递，而做功是由势差引起的能量传递。因此，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。能量的形式不同，但是可

2、以相互转化或传递，在转化或传递的过程中，能量的数量是守桓的，这就是热力学第一定律，即能量转化和守恒原理。体系在过程前后的能量变换ΔE应与体系在该过程中传递的热量Q与功W相等。体系吸热为正值，放热为负值；体系得功为正值，对环境做功为负值。5.1.2封闭体系的能量平衡方程在闭系非流动过程中的热力学第一定律数学表达式为5.1.3稳态流动体系的能量平衡方程稳态流动是指流体流动途径中所有各点的状况都不随时间而变化，系统中没有物料和能量的积累。稳态流动系统的能量平衡关系式为：单位质量的流体带入、带出能量的形式为动能(u2/2)，势能(g

3、z)和热力学能(U)。流体从截面1通过设备流到截面2，在截面1处流体进入设备所具有的状况用下标1表示，此处距基准面的高度为z1，流动平均速度u1，比容V1，压力P1以及内能U1等。同样在截面2处流体流出所具有的状况用下标2表示。g为重力加速度。系统与环境交换功W，实际上由两部分组成。一部分是通过泵、压缩机等机械设备的转动轴，使系统与环境交换的轴功Ws；另一部分是单位质量物质被推入系统时，接受环境所给与的功，以及离开系统时推动前面物质对环境所作的功。假设系统入口处截面面积为Al，流体的比容为V1，压力为P1，则推动力为P1A1

4、，使单位质量流体进入系统，需要移动的距离为V1/A1,推动单位质量流体进入系统所需要的功为这是单位质量流体进入系统时，接受后面流体(环境)所给予的功；同样,单位质量流体离开系统时，必须推动前面的流体(环境)，即对环境作－P2V2的功。这种流体内部相互推动所交换的功，称为流动功。只有在连续流动过程中才有这种功。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能量平衡关系可写为将焓的定义H=U+PV代入上式可得稳定流动系统的能量平衡方程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SI单

5、位制，每一项的单位为J·kg-1。动能和位能的单位流动功包含在焓中轴功⊿H、⊿u2/2、g⊿z、Q和Ws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。可逆条件下的轴功对于液体，在积分时一般可将V当作常数。对于气体怎么办？对于理想气体等温过程左式只适用与理想气体等温过程一些常见的属于稳流体系的装置喷嘴扩压管节流阀透平机压缩机混合装置换热装置喷嘴与扩压管喷嘴与扩压管的结构特点是进出口截面积变化很大。流体通过时，使压力沿着流动方向降低，而使流速加快的部件称为喷嘴。反之，使流体流速减缓，压力升高的部件称为扩压

6、管。喷嘴扩压管喷嘴与扩压管是否存在轴功?否是否和环境交换热量?通常可以忽略位能是否变化?否质量流率流体通过焓值的改变来换取动能的调整透平机和压缩机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，但是要消耗功透平机和压缩机是否存在轴功?是!是否和环境交换热量?通常可以忽略位能是否变化?不变化或者可以忽略动能是否变化？通常可以忽略节流阀是否存在轴功?否是否和环境交换热量?通常可以忽略位能是否变化?否动能是否变化?通常可以忽略节流阀ThrottlingValve理想气体通过节流阀温度不变混合设备混合两种或多种流体

7、是很常见。混合器混合设备是否存在轴功?否是否和环境交换热量?通常可以忽略位能是否变化?否动能是否变化?否当不止一个输入物流或（和）输出物流时Hi为单位质量第i股输出物流的焓值，xi为第i股输出物流占整个输出物流的质量分数。Hj为单位质量第j股输入物流的焓值，xj为第j股输入物流占整个输入物流的质量分数。为一股物流的质量流量。为总质量流量。混合设备132混合器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。mA和mB分

8、别为流体A和流体B的质量流量管路和流体输送稳态流动模型通常是一个不错的近似通过泵得到轴功位能变化泵水管路和流体输送是否存在轴功?有时存在是否和环境交换热量?通常是位能是否变化?有时变化动能是否变化?通常不变化Bernoulli方程实际流体的流动过程存在摩擦损耗，意味机械能转变为热力学能，有