化工过程能量分析ppt课件.ppt

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1、5化工过程的能量分析本章内容：5.1能量平衡方程5.2功热间的转化5.3熵函数5.4理想功、损失功及热力学效率5.5有效能5.6有效能的衡算及有效能效率5.7化工过程与系统的有效能分析本章目的：学习能量分析的原理和方法本章要求：1.正确理解并熟练应用流动过程热力学第一定律的数学表达式；2.正确理解并熟练掌握热力学第二定律的数学表达式，了解热功转换的方向和限度；3.掌握熵变的计算，并运用熵增原理判断实际过程进行的方向和限度；4.正确理解并熟练掌握理想功和损失功定义及其应用；5.正确理解并熟练应用有效能、有效能衡算及其应用。化工过程需要消耗大量能量，提高能量利用率、合

2、理地使用能量已成为人们共同关心的问题。从最原始的意义上来说，热力学是研究能量的科学，用热力学的观点、方法来指导能量的合理使用已成为现代热力学一大任务。进行化工过程能量分析的理论基础是：热力学第一定律热力学第二定律在“物化”课程中我们已经学习过热力学两大定律，利用这两大定律可以计算过程的热和功，以及判断过程的方向和限度。但“物化”上着重介绍两大定律在封闭系统中的应用，而在实际化工生产中大量遇到的是敞开体系，这类体系中进行的是流动过程，因此在化工热力学课程中进一步讨论两大定律对流动过程的应用。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

3、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，能量的数量是守恒的，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。1

4、.一般形式WsQδm2δm1P1V1u1U1P2V2u2U2Z1Z25.1.2能量平衡方程（1）物料平衡方程m1-m2=dm体系（2）能量平衡方程进入体系的能量-离开体系的能量=体系积累的能量进入体系的能量：微元体本身具有的能量E1δm1环境对微元体所作的流动功P1V1δm1环境传入的热量δQ环境对体系所作的轴功δWs离开体系的能量：微元体带出能量E2δm2流体对环境所作的流动功P2V2δm2体系积累的能量＝d（mE）能量恒等式为：E1δm1+P1V1δm1+δQ+δWs-E2δm2-P2V2δm2=d(mE)(A)(1)E－单位质量流体的总能量，它包含有热力

5、学能、动能和位能。注意：(2)PV—流动功，表示单位质量流体对环境或环境对流体所作的功。功＝力*距离＝P*A*V/A=PVP1V1—输入流动功，环境对体系作功；P2V2—输出流动功，体系对环境作功。2. 能量平衡方程一般形式代入（A）式，整理，得到将H=U+PV(5-9)5.1.3能量平衡方程的应用1.封闭体系：无质量交换，限定质量体系m1=m2=mδm1=δm2=δm=0δQ+δWs=mdE不存在流动功若δWs=δWδQ+δWs=mdU或δQ+δW=mdU(5-11)积分：Q+W=ΔU2.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

6、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：(1)一般能量平衡方程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，接受环境所给予的功，以及离开

7、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，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。

8、稳定流动系