化工热力学有效能-07-1.pptx

第四章 化工过程的能量分析;4.4 过程火用分析; 能量不仅有数量的大小，而且还有品质(位)的高低。能量品质的高低体现在它的转换能力上，即能量转换为功的能力。 按能量转化为有用功的多少，可以把能量分为三类： 高(品)质能量：理论上能完全转化为有用功的能量。质和量是统一的，如电能、机械能、动能、位能； 低(品)质能量：能部分转化为有用功的能量。如物质的内能(焓)、热能和以热的形式传递的能量。 僵态能量：理论上不能转化为功的能量。如海水、地壳、处于环境状态下的能量；; 为了衡量能量的可利用程度或比较体系在不同状态下可用于作功的能量大小， 1932年Keenen提出了能量的“可用性”概念，1956年Rant首先提出有效能的概念。;国外：exergy, essergy, availability, available energy, utilizable energy … 国内： 、有效能、可用能、资用能等 我们采用：有效能、 ，并用符号Ex表示 我国国标称为 (exergy);1). （有效能）的定义： 由体系所处的状态到达基准态所提供的最大有用功即为体系处于该状态的火用。用Ex表示 （无效能）：理论上不能转化为有用功的能量。 为表达体系处于某状态的作功能力，先要确定一个基准态，并定义在基准态体系作功能力为零。 ;所谓的基准态就是体系变化到与周围自然环境达到完全平衡的状态。这种平衡包括热平衡、力平衡和化学平衡。 平衡的环境状态即为热力学死态(寂态)，体系处于热力学死态时，火用为零。即基准态下体系的作功能力为零。;当体系和环境仅有热平衡和力平衡而未达到化学平衡，这种平衡称为约束性平衡。体系与环境达到约束性平衡时的状态，称为“约束性死态”或“物理死态”。 若体系与环境既有热平衡、力平衡且又有化学平衡，则这种平衡称为非约束性平衡。体系与环境达到非约束性平衡时的状态，称为“非约束性死态”或“化学死态”。; 对于没有核、磁、电与表面张力效应的过程，稳流体系的火用可由下列四个主要部分组成： 火用Ex＝动能火用Ex,K＋位能火用Ex,p ＋物理火用Ex,ph ＋化学火用Ex,ch 由于动能和位能对火用的贡献很小，可忽略不计，此时： 火用＝物理火用＋化学火用;物理火用：物系由所处的状态到达与环境成约束性平衡状态所提供的最大有用功，即为该物系的物理火用。即物系仅由于T、p与环境的T0、p0不同所具有的火用。 化学火用：体系和环境由约束性平衡状态到达非约束性平衡状态所提供的最大有用功即为该体系的化学火用。即物系在环境的T0、p0下，由于组成与环境组成不同所具有的火用。 通常，体系由约束性平衡状态到达非约束性平衡状态须经化学反应与物理扩散两个过程。;例：确定1273K，10atm的CO气体有多大的做功能力，其 为多少？假定环境温度T0＝25℃， p0＝1atm;1273K 10atm CO气体;4.4 过程火用分析;4.4.2 物理火用的计算;稳流物系火用Ex的数学表达式; 对稳流体系 ; 稳流物系的火用变化ΔEx 稳流物系从状态1变化到状态2所引起的 火用的变化为 ;对稳流体系理想功和火用的计算式分别为：;1）共同点：都用以表示能量品质的高低，并以作出的最大功来计算，都是从热力学第一、第二定律推导而得。 2) 区别 理想功是对两个状态(过程)而言，可正可负，而火用是对某一状态而言，与环境有关，只为正值。 对理想功，其始态和终态不受任何限制，而 火用的终态必须是基准态(环境状态)。;始态1;1) 功、电能和机械能的火用——本身的数值 2) 热的有效能(热量 )ExQ 热量相对于平衡环境态所具有的最大作功能力即为热的有效能(热量 )。 按Carnot循环所转化的最大功来计算。 ;对恒温热源，其热量火用为 ; 对变温热源，(如由T1变到T2)，其热量火用为： ; 用H、S值来计算 ExQ = T0ΔS-ΔH ;说明： 热量火用ExQ不仅与热量Q有关，而且与环境温度T0及热源温度T有关。 ExQ表示热流的作功能力，与是否真正作了功无关。 计算ExQ的公式可适用于任何与环境有热交换的体系。; 例: 某工厂有两种余热可资利用，其一是高温的烟道气，主要成分是二氧化碳、氮气和水汽，流量为500 kg·h-1, 温度为800℃，其平均等压热容为0.8 kJ·kg-1·K-1；其二是低温排水，流量为1348 kg·h-1, 温度为80℃,水的平均等压热容可取为4.18 kJ·kg-1·K-1，假设环境温度