Chapter 5 化工过程能量分析.ppt

* * Energy Analysis for Chemical Engineering Process 化工过程能量分析 Chapter 5 体系的分类： 封闭体系(closed system)：与环境没有物质交换。 敞开体系(open system)：与环境有质量交换。 体系 体系 简单体系（simple system)：体系内部没有任何绝热(adiabatic)、刚性(rigid)、不渗透(impermeable)的界面(boundary)，而且不受外部和内部力场的作用。 复杂体系(composite system)：体系由两个或两个以上的简单体系构成，如半渗透膜海水淡化体系；或者体系处于外部或内部力场中，如磁场、电场等。 简单体系是最常见的一种体系。对于简单体系，体系的能量等于其内能，即 E = U。 5.1 热力学第一定律 热力学第一定律是对自然界普遍存在的能量守衡(energy conversation)规律的总结，可以用下面的数学公式表示： 物理化学告诉我们封闭体系的热力学第一定律是 而在实际化工过程或物理过程中遇到的体系不一定都是封闭体系，通常是敞开体系。敞开体系的热力学第一定律如何表达？ 下面是敞开体系的示意图。 △(Energy of the system) +△(Energy of surroundings) = 0 z1 z2 1(in) 2(out) u1 u2 p1, T1 H1, U1 水平线 Figure The schematic of open system p2, T2 H2, U2 对于给定的敞开体系 进入体系的能量 流入体系的物质带入的能量， 体系与环境交换的热和功， 离开体系的能量: 体系能量的积累 = 进入体系的能量-离开体系的能量 Note: Δ = 2-1(Exit - Entrance) 离开体系的物质帯走的能量, 其中， 是流体的质量流速，kg/s； 是热交换速率，J/s； 是功率，它包括两部分，一是流体进入和离开体系所做的流动功率 ；另一种是轴功率(shaft work rate)， 。轴功是通过机械装置做的功，如泵，热机，等。因此 因为 H = U + pV，得到 该公式就是敞开体系热力学第一定律的通用形式。 An insulated, electrically heated tank for hot water contains 190 kg of liquid water at 60 0C when a power outage occurs. If water is withdrawn from the tank at a steady rate of 0.2 kg/s, how long will it take for the temperature of the water in the tank to drop from 60 to 35 0C? Assume that cold water enters the tank at 10 0C, and Cv=Cp=C, independent of T and P. (一个保温很好、容量为190kg 的电热水器将水加热到60 0C时，突然断电。如果此时电热水器以0.2 kg/s的质量流速放出热水，问需要多长时间电热水器里面的水由60 0C 降到 35 0C？假设：电热水器进口的冷水温度为10 0C，水的CV = CP = C，与温度无关。) Problem Solution It is obvious that we should consider the water in the tank as the system. Therefore the system in this problem is an open system. 1st Step: 确定体系 Since the system is an open system, we should use the equation of the general first law of thermodynamics for open systems, to solve the problem 2nd Step: 应用敞开体系热力学第一定律 3rd Step: 分析热力学第一定律中的各个项 In this problem, the heat rate is zero because a power outage occurs and heat losses from the ta