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化工节能与减排
张頔
TELE-mail:dzhang@email.czie.net
目 录
能量降级与热力学第二定律
轴功、各种热效应的计算
有效能衡算和有效能效率
热力学分析的基本方法
噪声污染及控制
热管、热泵和夹点技术
能量的合理利用
稳流体系热力学第一定律
废水处理方法、技术和流程
废固处理及利用
废气污染的预防措施及治理
今日作业
1、水在正常沸点下的汽化潜热为2256kJ/kg,估算水在210 ℃下的汽化潜热并与文献值比较。
2、一空气压缩机每小时将0.10133Mpa、温度为20℃的空气120kg压缩到4.0Mpa,设空气为理想气体,压缩过程为多变压缩,多变指数m=1.20.试分别计算单级压缩和两级压缩、中间冷却两种方法所需功率和气体的终温。
有效能衡算和有效能效率
有效能
为了比较体系在不同状态下可用于做功的能量多少、确切地评价能量的做功能力,凯南(Keenen)提出了有效能(available energy )的概念。并定义为处于一定热力学状态的物系,通过完全可逆的过程变化到与环境状态处于完全热力学平衡(即温度、压力、化学反应及相均平衡)时所能做出的最大功(理想功)。用符号 表示。
a .理想功就是体系变化过程按完全可逆地进行时所作的最大功。
b .在有效能研究中,选定环境的状态( )作为基态,即将周围环境当作一个具有热力学平衡的庞大体系,这种状态下的有效能值为零
有效能的组成
对于没有核、磁、电与表面张力效应的过程,稳定流动的流体(体系)的有效能可由下列四个主要成分组成,即动能有效能、位能有效能、物理有效能和化学有效能。
a .动能有效能
流体的动能可以全部转化成有效的功,因此流体的动能即属于有效能。动能项中的线速度为物系与地球表面的相对线速度。
b .位能有效能
流体的位能同样也可以全部转化为有效的功,因此流体的位能也即属于有效能。位能项中的位高是以当地环境海平面为零作基准的。
c .物理有效能
物系由所处的状态到达仅与环境成热平衡和力平衡而未达到化学平衡状态所提供的理想功为该物系的物理有效能。也就是说,物系因温度和压力与环境的温度和压力不同所具有的有效能称为物理有效能。平衡时,体系和环境具有物理界限分隔,两者相互不混和,也不发生化学反应,但此时体系的温度和压力与环境的温度和压力相等。
d .化学有效能
体系从与环境仅成热平衡和力平衡的状态到达与环境完全平衡的状态时所提供的理想功即为该体系的化学有效能。这也就是说,体系由于组成和环境组成不同所具有的有效能称为化学有效能。所谓完全平衡是指体系和环境既有热平衡、力平衡且又有化学平衡的平衡。此时体系与环境除温度、压力相等外,体系的组成还与环境物质相互混了或者发生化学反应。通常,体系由热平衡且力平衡的状态到达完全平衡的状态,须经化学反应与物理扩散两个过程。化学反应是将原体系的物质转化成环境物质(基准物)。物理扩散指原体系或经化学反应后生成物的浓度变到与环境中基准物浓度相同的过程。
稳定流动过程流体的有效能应由四个有效能成分组成,即:
通常计算稳流流体经过敞开体系(指某设备装置)的有效能时,由于一般情况下敞开体系进出口流体的动能与位能变化很小, 和 之值要比 和 小得多,往往可以忽路不计。如果在特定情况下,如蒸汽喷射泵的出口处,蒸汽 较大,则不能忽略。
有效能的计算
化工过程中,比较常见的是稳流体系。因此,下面以稳流体系为例,讨论有效能的计算。对于稳流体系,由状态1变到状态2,其动能、位能变化可略而不计时,则过程的理想功为:
故当体系由任意状态变至基态时,根据有效能的定义,得稳流体系在任意状态时有效能的计算式为:
这是有效能的基本计算公式,它适用于各种物理的、化学的或两者兼而有之的有效能计算。
在基态时 均可视为常数,故体系的有效能仅决定于体系的状态,它是状态函数。
根据定义式可分别求出体系在始态( 、 )和终态( 、 )时的有效能 与 ,二者之差为:
即
式中 为有效能的变化。由上式可见,体系由状态1可逆变化到状态2时,过程的理想功等于体系有效能的减少。当 0时,体系可对外做功,所做的功最大为 ;当 0时,要实现体系的状态变化就必须消耗外功,所消耗的功最小为 。
无效能
在给定环境下,能量可转变为有用功的部分称为有效能;余下的不能转变为有用功的部称为无效能。能量由有效能与无效能两个部分组成。
由此可见,在不可逆过程中,有部分有效能降级变为无效能而不能做功,其总的有效能的损失等于损耗功。
总之,能量可分为有效能与无效能两个部分。有效能是能量的有用
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