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第六章 化工过程的能量分析 本章运用热力学的第一与第二定律,应用理想功、 损失功、有效能和无效能等概念对化工过程中能量的转换、传递与使用进行热力学分析,评价过程或装置能量利用的有效程度,确定其能量利用的总效率,揭示出能量损失的薄弱环节与原因,为分析、改进工艺与设备,提高能量利用率指明方向。 6.1 能量平衡方程 一些常见的属于稳流体系的装置 透平机和压缩机 6.2 热功转化 6.3 熵函数 例题6-3 6-4 6.4 理想功、损失功 例 题 6-6 例 题 6-7 例 题 6-8 式(6-32)是熵增原理的表达式。当体系和环境经历任何变化后,熵的总量只会增加,永不减少。即孤立体系经历一个过程时,总是自发地向熵增大的方向进行,直至熵达到它的最大值,体系达到平衡态。 对于孤立体系(将体系与环境加在一起),δQ = 0,则式(6-31)变为 (6-32) 或 因为是绝热过程,体系与环境之间没有热量的交换: 对不可逆绝热过程,根据熵增原理: 6.3.2 熵平衡 以热力学第一定律为指导,以能量方程式为依据的能量恒算法在分析与解决工程上的问题是十分重要的,它从能量转换的数量关系评价过程和装置在能量利用上的完善性;然而它对于揭示过程不可逆引起的能量损耗,则毫无办法。 根据热力学第二定律,能量的传递和转换必须加上一些限制。熵就是用以计算这些限制的。熵平衡就是用来检验过程中熵的变化,它可以精确地衡量过程的能量利用是否合理。 体系经历一个过程后,其能量、质量和体积可以发生变化。同样地,也可以导致熵的变化。类同能量平衡的处理方法,需要建立熵平衡关系式,所不同的是必须把过程不可逆性而引起的熵产生作为输入项考虑进去。 熵产生是由于过程的不可逆性而引起的那部分熵变。 熵产生 封闭系统 熵产生减少了系统对外做功的能力。熵产生越大,造成能量品位降低越多。 如:原来可以变为功的那部分能量变成了我们不能利用的热, 从而产生了熵 熵产生 (1) 敞开体系熵平衡方程 式中熵积累是指体系的熵变,是体系由于不稳定流动所积累的;熵产生是体系内部不可逆性引起的熵变;熵进入与熵离开是进入体系与离开体系的熵,分别包含由于质量进、出体系而带入、带出的一部分熵流动(mi Si)和随δQ 的热流动产生的熵流动。 (6-33) 式(6-33)中 为热熵流,流入体系为正,离开体系为负。该式适用于任何热力学体系,对于不同体系可进一步简化。 熵平衡方程式可写成 (2)封闭体系熵平衡方程 (6-34) 因 如果是可逆过程,⊿S产生=0,则 式(6-33)简化为 熵的定义式 (3)稳态流动体系熵平衡方程 因体系本身状态不随时间而变 ⊿S体系=熵积累=0 (6-35) 化工生产中,人们希望合理、充分地利用能量,提高能量利用率,以获得更多的功。 损失功法: 是以热力学第一定律为基础,与理想功进行比较,用热效率评价。 有效能分析法: 将热力学第一定律,热力学第二定律结合起来,对化工过程每一股物料进行分析,是用有效能效率评价。 目前进行化工过程热力学分析的方法大致有两种: 6.4.1 理想功 体系从一个状态变到另一状态时,可以通过各种过程来实现。当经历的过程不同时,其所能产生(或所消耗)的功是不同的,一个完全可逆的产功过程可产出最大有用功;而一个完全可逆的需功过程,仅消耗最小功。 理想功 体系的状态变化是在一定的环境条件下按完全可逆的过程进行时,理论上可能产生的最大有用功或者必须消耗的最小功。 完全可逆过程 ① 体系内部一切的变化必须可逆; ② 体系只与温度为T0 的环境进行可逆的热交换。 T0 的环境 —— 环绕我们四周的大气 (是特别指定的) 因而,理想功是一个理论的极限值,是用来作为实际功的比较标准。 T0 —— 大气的温度,常温(298K或293K) 因假定过程是完全可逆, (1) 非流动过程 对于非流动过程,热力学第一定律的表达式为 (6-36) Q 对体系为正,则对环境为负,数值相等,符号相反。 体系所处的环境构成了一个温度为T0 的恒温热源。 将式(6-37)代入式(6-36),即得 (6-37) 式中WR 为体系对环境或环境对体系所做的可逆功。它包括可以利用的功及体系对抗大气压力p0 所作的膨胀功p0⊿V。后者无法加以利用,没有技术经济价值,在计算理想功时应把这部分功除外;相反,在压缩过程中,接受大气所给的功是很自然
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