《能量平衡方程》PPT课件.ppt

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1、第6章 主要内容,(1) 热力学第一定律能量转化与守恒方程 (2) 热力学第二定律 (3) 熵增、熵产生与熵平衡 (4) 理想功、损失功与热力学效率 (5) 有效能的定义及计算,第6章 化工过程的能量分析,化工过程需要消耗大量能量，能量在过程中品位降低 提高能量利用率、合理地使用能量 用热力学的观点、方法来指导能量合理使用 化工过程能量分析的理论基础是热力学第一定律和热力学第二定律,第6章 化工过程的能量分析,物化利用热力学两大定律可以计算过程的热和功，判断过程的方向和限度 物化介绍两大定律在封闭系统中的应用，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

2、程中进一步讨论两大定律对流动过程的应用,一、能量的种类,(1) 内能U。系统内部所有粒子除整体势能和整体动能外，全部能量的总和。包括分子内动能、分子内势能和分子内部的能量。 (2) 动能Ek。如果物质具有质量m，并且以速度u 运动，物系就具有动能。 (3) 重力势能Ep。如果物质具有质量m，并且与势能基准面的垂直距离为z，物系就具有势能。 (4) 热Q。由于温差而引起的能量传递。Q 需要正负号来表示能量传递方向。在化工热力学中，规定物系得到热时Q 为正值，相反的，物系向环境放热时Q 为负值。,一、能量的种类,（5）功W。除热Q 之外的能量传递。与热Q 一样，功W 也是物系发生状态变化时与环境交

3、换的能量，只是W 是另一种形式。在化工热力学中对于功W 也做了正负号的规定。物系得到功为正值；而物系向环境做功为负值。,二、热力学第一定律,孤立系统热力学第一定律 孤立系统无论经历何种变化，其能量守恒。孤立系统中各种能量的形式可以相互转化，但能量不会凭空产生，也不会自行消灭，能量在各种形式之间进行转化时，总的能量数值保持不变。,二、热力学第一定律,封闭系统的热力学第一定律 封闭系统是指那些与环境之间只有能量交换而无物质交换的系统。没有物质交换表示与物质交换相关的动能和势能的变化项为零，于是封闭系统的热力学第一定律可表示为,三、能量平衡方程,能量守恒与转换 一切物质都具有能量，能量是物质固有的特

4、性。 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，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。,三、能量守恒与转换,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，能量的数量是守桓的，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化E应与体系在该过程中传递的热量Q与功W相等。,四、稳流系统的热力学第一定律及其应用,稳定流动，简称稳流（稳流系统 ）,(1)

5、设备内各点的状态不随时间变化 (2) 垂直于流向的各个截面处的质量流率相等,四、稳流系统的热力学第一定律及其应用,四、稳流系统的热力学第一定律及其应用,内能的变化：,动能的变化为：,重力势能的变化为：,环境与单位质量的研究体系之间交换的热量为Q；而交换的功W 除了轴功Ws 之外，还有另外一种功流动功Wf。,四、稳流系统的热力学第一定律及其应用,在截面1 处的流动功W1f 为：,截面2 处的流动功W2f 为：,四、稳流系统的热力学第一定律及其应用,在截面1 至2 之间的任何一点处的流体，既受到它上游流体的推动，也同时推动下游流体，做功数值一致，但是方向相反，因此相互抵消，流动净功为零。,H =U

6、 +pV,四、稳流系统的热力学第一定律及其应用,讨论： (1) 流体流经换热器、反应器等传质设备 这些设备中没有轴传动的结构，Ws=0；另外，考虑动能项和势能项与焓变之间的数量级差别，动能项和势能项可以忽略，因此，稳流系统热力学第一定律可化简为：,结论：换热器热负荷可由焓变来确定,四、稳流系统的热力学第一定律及其应用,(2) 流体流经泵、压缩机、透平等设备 在数量级的角度上，动能项和势能项不能与焓变相比较，可以忽略 。,若这些设备可视为与环境绝热，或传热量与所做功的数值相比可忽略不计 。,结论：从焓变可求这些设备做功（或耗功）能力,四、稳流系统的热力学第一定律及其应用,(3) 流体流经蒸汽喷射

7、泵及喷嘴 流体流经设备如果足够快，可以假设为绝热，Q=0；设备没有轴传动结构，Ws=0；流体进出口高度变化不大，重力势能的改变可以忽略,结论：流体流经喷嘴等喷射设备时，通过改变流动的截面积，将流体自身的焓转变为了动能。,6.1.2 能量平衡方程,6.1.2 能量平衡方程,对任一体系，有如下衡算： 进入体系的量-离开体系的量=体系积累的量 由此可得到体系的物料平衡和能量平衡方程式 物料平衡方程： 能量平衡方程：,6.1.2 能量平衡方程,流体从截面I通过设备流到截面II，在截面I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。

8、同样在截面II处流体流出所具有的状况用下标2表示。 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)。,6.1.2 能量平衡方程,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，接受环境所给与的功，以及离开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A1，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:,6.1.2 能量平衡方程,推动单位质量流体进入系统所需

9、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。,6.1.3 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间而变化，系统中没有物料和能量的积累。,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U

10、1等。同样在截面2处流体流出所具有的状况用下标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，接受环境所给与的功，以及离开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

11、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,稳定流动系统的热力学第一定律表达式为：,使用上式时要注意单位必须一致。按照SI单位制，每一项的单位为 Jkg-1。动能和位能的单位, H、 u2/2、g z、Q和Ws 分别为单位质量流体的焓变、动能变化、位能变化、与环境交换的热量和轴功。,可逆条件下的轴功,对于液体，在积分时一般可将V当作常数。 对于气体怎么办？,对于理想气体等温过程,左式只适用与理想气体等温过程,一些

12、常见的属于稳流体系的装置,喷嘴,扩压管,节流阀,透平机,压缩机,混合装置,换热装置,喷嘴与扩压管,喷嘴与扩压管的结构特点是进出口截面积变化很大。 流体通过时，使压力沿着流动方向降低，而使流速加快的部件称为喷嘴。 使流体流速减缓，压力升高的部件称为扩压管。,喷嘴,扩压管,喷嘴与扩压管,是否存在轴功?,否,是否和环境交换热量?,通常可以忽略,位能是否变化?,否,流体通过焓值的改变来换取动能的调整,透平机和压缩机,透平机是借助流体的减压和降温过程来产出功,压缩机可以提高流体的压力，但是要消耗功,T=90,透平机和压缩机,是否存在轴功?,是!,是否和环境交换热量?,通常可以忽略,位能是否变化?,变化很

13、小可以忽略,动能是否变化？,通常可以忽略,节流阀,是否存在轴功?,否,是否和环境交换热量?,通常可以忽略,位能是否变化?,否,动能是否变化?,通常可以忽略,节流阀 Throttling Valve,理想气体通过节流阀温度不变,混合设备,混合两种或多种流体是很常见。,混合器,混合设备,是否存在轴功?,否,是否和环境交换热量?,通常可以忽略,位能是否变化?,否,动能是否变化?,否,换热设备,整个换热设备与环境交换的热量可以忽略不计，换热设备内部两股物流存在热量交换。换热设备的能量平衡方程与混合设备的能量平衡方程相同，但物流之间不发生混合。,管路和流体输送,稳态流动模型通常是一个不错的近似,通过泵得到轴功,位能变化,管路和流体输送,是否存在轴功?,有时存在,是否和环境交换热量?,通常是,位能是否变化?,有时变化,动能是否变化?,通常不变化,Bernoulli 方程,实际流体的流动过程存在摩擦损耗，意味机械能转变为热力学能，有摩擦损耗,对于无热、,无轴功交换、,不可压缩流体的稳流过程,对于非粘性流体或简化的理想情况，可忽略摩擦损耗，则,结束,