#化工过程的能量分析课件.ppt

1、2022-6-42022-6-4本章内容本章内容6.1 理想功和损耗功理想功和损耗功6.2 化工单元过程的热力学分析化工单元过程的热力学分析6.3 热力学分析方法热力学分析方法6.4 合理用能合理用能2022-6-4化工生产涉及的能量主要有以下几种形式：化工生产涉及的能量主要有以下几种形式： 热能：许多化工单元操作都消耗热能。如精馏、蒸发、热能：许多化工单元操作都消耗热能。如精馏、蒸发、干燥以及吸收剂或吸附剂的再生等。这些过程需要的热量干燥以及吸收剂或吸附剂的再生等。这些过程需要的热量通常利用燃料的燃烧的燃烧热。通常利用燃料的燃烧的燃烧热。 机械能：在物理学上称功。机械能主要用于流体的输送机械

2、能：在物理学上称功。机械能主要用于流体的输送和压缩。消耗机械能的设备有泵、压缩机、鼓风机、真空和压缩。消耗机械能的设备有泵、压缩机、鼓风机、真空泵等。泵等。 电能：电能具有便于输送、调节、自动化等一系列优点，电能：电能具有便于输送、调节、自动化等一系列优点，故广泛地应用于化工生产。化工厂电能主要用来提供机械故广泛地应用于化工生产。化工厂电能主要用来提供机械能。能。 由于物质化学结构变化提供或消耗的能量称为化学能。由于物质化学结构变化提供或消耗的能量称为化学能。放热的化学反应，由化学能转化为热能；吸热的化学反应，放热的化学反应，由化学能转化为热能；吸热的化学反应，则由热能转化为化学能。则由热能转

3、化为化学能。2022-6-4 能量不仅有数量，而且有质量（品位）。能量不仅有数量，而且有质量（品位）。 功的品位高于热功的品位高于热 。 高级能量：高级能量：能够完全转化为功的能量，如机械能、能够完全转化为功的能量，如机械能、电能、水力能和风能等；电能、水力能和风能等； 低级能量：低级能量：不能完全转化为功的能量，如热能、焓不能完全转化为功的能量，如热能、焓等。等。 高温热源产生的热的品位比低温热源产生高温热源产生的热的品位比低温热源产生的热的品位高。的热的品位高。2022-6-4热功转换的不等价性热功转换的不等价性功可以功可以100%100%转变为热转变为热热不可能热不可能100%100%转

4、变为功。转变为功。热、功的不等价性正是热力学第二定律所表热、功的不等价性正是热力学第二定律所表述的一个基本内容。述的一个基本内容。2022-6-4化工过程的热力学分析化工过程的热力学分析1 1、能量衡算。、能量衡算。2 2、分析能量品位的变化。、分析能量品位的变化。化工过程总是伴随着能量品位的降低。化工过程总是伴随着能量品位的降低。一个效率较高的过程应该是能量品位降低一个效率较高的过程应该是能量品位降低较少的过程。较少的过程。找出品位降低最多的薄弱环节，指出改造找出品位降低最多的薄弱环节，指出改造的方向。的方向。化工热力学的任务化工热力学的任务2022-6-4 理想功理想功W Widid：指体

5、系的状态变化以完全可逆过程实现时，理论指体系的状态变化以完全可逆过程实现时，理论上可能产生的最大功或者必须消耗的最小功。上可能产生的最大功或者必须消耗的最小功。完全可逆是指：完全可逆是指： (1)(1)体系内所有的变化过程必须是可逆的体系内所有的变化过程必须是可逆的 (2)(2)体系与温度为体系与温度为T T0 0的环境进行热交换是可逆的。的环境进行热交换是可逆的。 理想功是一个理论的极限值，是实际功的比较标准。理想功是一个理论的极限值，是实际功的比较标准。6.1 6.1 理想功和损耗功理想功和损耗功2022-6-4稳流过程的理想功稳流过程的理想功1.1.稳流过程的理想功稳流过程的理想功202

6、2-6-4理想功为可逆轴功和卡诺功之和理想功为可逆轴功和卡诺功之和cRSidWWW)(敞开体系稳流过程的熵平衡式，可逆过程敞开体系稳流过程的熵平衡式，可逆过程STQSSSSSTQ00122100, 02022-6-4根据热力学第一定律的表达式，敞开体系有根据热力学第一定律的表达式，敞开体系有STHWWWQHHidcRS0)(012)(稳流过程的理想功只与状态变化有关，它仅取决稳流过程的理想功只与状态变化有关，它仅取决于流体的初态和终态以及于流体的初态和终态以及自然环境自然环境的温度的温度T T0 0。2022-6-4由于实际问题都是不可逆的，因此对于实际的产由于实际问题都是不可逆的，因此对于实

7、际的产功过程所提供的功功过程所提供的功WsWWsWWsWidid。所以实际的生产过程就存在一个效率的问题。称所以实际的生产过程就存在一个效率的问题。称为热力学效率。为热力学效率。2022-6-4热力学效率热力学效率asidaidsaWWWW耗功过程耗功过程产功过程产功过程热力学效率热力学效率是过程热力学完善性的尺度，反映过是过程热力学完善性的尺度，反映过程可逆程度，故称可逆度。是程可逆程度，故称可逆度。是高级能量的利用率。高级能量的利用率。2022-6-46-1 6-1 某水蒸气动力装置，进入水蒸气透平的水蒸某水蒸气动力装置，进入水蒸气透平的水蒸气流量为气流量为1680 1680 ，温度为，温

8、度为430430，压力为，压力为3.727MPa3.727MPa。水蒸气经透平绝热膨胀对外作功。产。水蒸气经透平绝热膨胀对外作功。产功后的乏汽为功后的乏汽为0.1049MPa0.1049MPa的饱和水蒸气。求水蒸的饱和水蒸气。求水蒸气经透平机的理想功和热力学效率。已知大气温气经透平机的理想功和热力学效率。已知大气温度为度为25 25 。-1kg h2022-6-4解：由附表解：由附表3 3用插值法求得用插值法求得P P2 20.1049MPa0.1049MPa时饱和水蒸气的温度时饱和水蒸气的温度，T T2 2101.0101.0。此状态下的焓和熵也可以用插值法得到，即。此状态下的焓和熵也可以用

9、插值法得到，即 h h2 22677.6 2677.6 ，s s2 27.3429 7.3429 从附表从附表3 3再用插值法查再用插值法查P P1 13.727MPa3.727MPa，T T1 1430430的过热蒸汽的的过热蒸汽的焓和熵，得焓和熵，得 h h1 13287.8 3287.8 ，s s1 16.9101 6.9101 则蒸汽经透平的理想功为：则蒸汽经透平的理想功为：00()idWHTSmhTs 21021 ()()mhhT ss-11680 (2677.63287.8)298.15(7.34296.9101)1241922.1kJ h345.0kW 2022-6-4因过程绝热

10、，因过程绝热，Q Q0 0。忽略动能、位能的变化，根据热。忽略动能、位能的变化，根据热力学第一定律，过程产生的轴功为力学第一定律，过程产生的轴功为对于产功过程，热力学效率可按下式计算，即对于产功过程，热力学效率可按下式计算，即蒸汽经透平的理想功与热力学效率分别为蒸汽经透平的理想功与热力学效率分别为345.0kW345.0kW和和82.5582.55。1680(2677.63287.8)sWHm h -11025136kJ h284.8kW284.80.825582.55%345.0saidWW2022-6-4稳定流动化学反应过程理想功的计算稳定流动化学反应过程理想功的计算 某化学反应，理想功为

11、正，向外供能；理想功某化学反应，理想功为正，向外供能；理想功为负值，耗能。为负值，耗能。RRfRppfpidHHHHSTHW为标准反应热为标准反应热式式标准终态下理想功计算标准终态下理想功计算02. 2. 稳定流动化学反应过程的理想功稳定流动化学反应过程的理想功2022-6-4STHGTSSSRRRppp00标准状态下，恒温标准状态下，恒温熵变熵变标准状态下化学反应的标准状态下化学反应的ppfpRRfRididGGGWGSTHW02022-6-42 2、不可逆过程的损耗功、不可逆过程的损耗功WLQSTWWhQWhSTWWWWsyssidsysssyssysidsidL00恒恒质质量量流流体体为

12、为计计算算基基准准与环境交换与环境交换的热的热gtsursysLsursyssidsursursurSTSTSTSTWSTSTWWSTQTQTQS000000000高乌斯托高乌斯托多拉公式多拉公式3. 3. 不可逆过程的损耗功不可逆过程的损耗功2022-6-4TTQSSmSmSSTWfiiniijoutjjggL001应应计计入入热热流流的的作作功功能能力力非非绝绝热热过过程程，实实际际功功中中耗耗功功多多股股物物流流的的敞敞开开体体系系损损LididaidLidaWWWWWW耗功耗功产功产功2022-6-46-3 6-3 某厂有输送某厂有输送9090热水的管道，由于保温不良，到使用单位热水的

13、管道，由于保温不良，到使用单位时，水温已降至时，水温已降至7070。试求水温降低过程的热损失和热耗功。试求水温降低过程的热损失和热耗功。大气温度为大气温度为2525。【解解】 从附表从附表3 3分别查得分别查得7070和和9090时饱和液体水的焓和熵为时饱和液体水的焓和熵为 70 70时：时：h h2 2292.98 292.98 ，s s2 20.9549 0.9549 90 90时：时：h h1 1376.92 376.92 ，s s2 21.1925 1.1925 故根据理想功的定义，过程的理想功为故根据理想功的定义，过程的理想功为 （376.92376.92292.98292.98）2

14、98.15298.15（0.95490.95491.19251.1925） 13.113.1 12021()()idWhhT ss-1kJ kg-1kJ kg-1-1kJ kgK-1-1kJ kgK-1kJ kg2022-6-4忽略动能和位能的变化，有忽略动能和位能的变化，有因无轴功交换，因无轴功交换，w ws s0 0，故过程的热损失，故过程的热损失q q为为 -83.94 -83.94 过程的损耗功：过程的损耗功：shqw 21292.98376.92qhhh -1kJ kg00210()()LsyssurqWTSSTssT83.94298.15 (0.9549 1.1925)298.15

15、13.1-1kJ kg 在管道中每输送在管道中每输送1kg1kg热水，因保温不良，热损失为热水，因保温不良，热损失为83.94kJ83.94kJ，损耗功为，损耗功为13.1kJ13.1kJ。这就是说，本来。这就是说，本来83.94kJ83.94kJ的热量通过卡诺机的热量通过卡诺机可提供可提供13.1kJ13.1kJ的功，但因热损失而使的功，但因热损失而使13.1kJ13.1kJ的功也消耗掉。的功也消耗掉。2022-6-46.2 6.2 化工单元过程的热力学分析化工单元过程的热力学分析传热过程传热过程流体流动过程流体流动过程分离过程分离过程化学反应过程化学反应过程2022-6-41. 传热过程的

16、不可逆损耗功来自热的温差。传热过程的不可逆损耗功来自热的温差。12120000/ln11,TTTTTQTTTTTWTTTTQTTTTTTTQTTQWQQQQQmLmHmLmHmLLmHmLHLHLHLLHHLLHLH替替代代、为为变变量量，则则用用平平均均温温度度、若若则则传传热热过过程程的的热热损损耗耗为为且且，低低温温时时得得到到换换热热器器高高温温流流体体给给出出2022-6-4注意：注意： 即使换热器无散热损失，即热流体放出的热量全部即使换热器无散热损失，即热流体放出的热量全部被冷流体吸收，仍然会有损失功。这是由于高温热量变成被冷流体吸收，仍然会有损失功。这是由于高温热量变成了低温热量

17、，做工能力下降，能量贬值。了低温热量，做工能力下降，能量贬值。 损失功正比于两流体的传热温差损失功正比于两流体的传热温差 损失功与两流体的温度乘积成反比，及低温传热损失功与两流体的温度乘积成反比，及低温传热比高温传热损失功大。比高温传热损失功大。2022-6-4换热过程的热力学效率为（换热过程的热力学效率为（T TH H、T TL L均大于均大于T T0 0）高高高高高高低低idLidididHHLLaWWWWWTTQTTQ0011对可逆的无温差的传热过程，若无散热损失，则对可逆的无温差的传热过程，若无散热损失，则a=1；对不可逆有温差的传热过程，；对不可逆有温差的传热过程，a12022-6-

18、46 67 7 设在用烟道气预热空气的预热器中，通过的烟道气和设在用烟道气预热空气的预热器中，通过的烟道气和空气的压力均为常压，其流量分别为空气的压力均为常压，其流量分别为45000kg/h45000kg/h和和42000kg/h 42000kg/h 。烟道气进入时的温度为。烟道气进入时的温度为315315，出口温度为，出口温度为200200。设在此。设在此温度范围内，温度范围内， =1.090kJ/(kg=1.090kJ/(kgK) K) 。空气进口温度。空气进口温度为为3838，设在此温度范围内，设在此温度范围内， =1.005kJ/(kg=1.005kJ/(kgK) K) 。试计算此预热

19、器的损耗功与热力学效率。已知大气温度为。试计算此预热器的损耗功与热力学效率。已知大气温度为2525，预热器完全保温。，预热器完全保温。 pmhpmsCCpmhpmsCC2022-6-4,2,1,2,1,()()0Hpmh HHHLpmh LLLHm CTTm CTT解：解：2,LT45000 1.090 (315200)42000 1.00538171.6444.8K= =315200528.6588.2ln473.2HmTK171.638374.0444.8ln311.2LmTK，,2,1,()HHpmh HHHQm CTT=45000=450001.0901.090(200-315)(20

20、0-315)=-5.641=-5.64110106 6 kJ/h kJ/h2022-6-40()LHmLmHHmLmTWTTQTT625173.2(528.6374.0)5.641 10528.6374.0LW=1.315=1.31510106 6 kJ/h kJ/h60,298.2(1)(5.641 10 )(1)528.6id HHHmTWQT=2.459=2.45910106 6 kJ/h kJ/h2022-6-4,id Lid HLWWW=2.459=2.45910106 6-1.315-1.31510106 6 =1.144=1.14410106 6 kJ/h kJ/h6,6,1.1

21、44 102.459 10id Laid HWW=46.5=46.52022-6-46.4 6.4 化工单元过程热力学分析化工单元过程热力学分析21000021210,PPVTTWdPTVTSTSTWSdPTVSdPTVdSWQdHVdPTdSdHLVppgLpps变化小为过程的熵产量，则为过程的物流熵变，即或必定有功损耗有压力降的流动过程，与外界无热、功交换但 流体的压力差大致与流速成平方关系，因而流动过程的流体的压力差大致与流速成平方关系，因而流动过程的损耗功大体与流速的平方成正比。为了减少损耗功，除了加损耗功大体与流速的平方成正比。为了减少损耗功，除了加大管道直径外，还可以添加减阻剂或抛

22、光内表面。大管道直径外，还可以添加减阻剂或抛光内表面。2. 流体流动过程流体流动过程2022-6-4 W WL L与与T T0 0/T/T成正比关系，成正比关系，流体温度流体温度越低，越低，W WL L越越大。大。 节流过程节流过程是流动过程的特例。为了减少功是流动过程的特例。为了减少功损耗要避免节流过程。损耗要避免节流过程。 气体的气体的体积体积大于液体的体积，大于液体的体积，W WL L与体积成与体积成正比，因此，气体节流的正比，因此，气体节流的W WL L大于液体的大于液体的W WL L。对。对此，应避免节流过程。此，应避免节流过程。2022-6-4 均相物系的分离，如气体混合物和液体混

23、均相物系的分离，如气体混合物和液体混合物的分离，常见的有精馏、吸收、萃取、蒸合物的分离，常见的有精馏、吸收、萃取、蒸发、结晶、吸附等过程。发、结晶、吸附等过程。iiimidiiiidiiiidxxRTTTHWxxRTWyyRTWln1lnln0000想想功功非非理理想想溶溶液液，分分离离的的理理液液体体分分离离的的理理想想功功气气体体分分离离的的理理想想功功2022-6-4化学反应过程化学反应过程 化学反应能量变化比物理变化大得多。化化学反应能量变化比物理变化大得多。化学反应过程有的耗能，有的提供能量。学反应过程有的耗能，有的提供能量。 对于放热反应，可利用反应放出的热量加对于放热反应，可利用

24、反应放出的热量加热入口气体，以维持反应需要的温度，称为热入口气体，以维持反应需要的温度，称为“自热自热”维持。维持。 若利用透平将反应热转化为机械能，可将若利用透平将反应热转化为机械能，可将自热式反应器变成自力式反应器自热式反应器变成自力式反应器。2022-6-4 6.5 过程热力学分析的三种基本方过程热力学分析的三种基本方法法?有效能有效能Ex:为了确定体系处于某状态时所具有的为了确定体系处于某状态时所具有的最大作功能力，引入最大作功能力，引入有效能有效能的概念。的概念。?为了表达体系处于某状态的作功能力，要确定为了表达体系处于某状态的作功能力，要确定基准态，并定义基准态体系作功能力为零。基

25、准态，并定义基准态体系作功能力为零。所谓所谓基准态就是与周围环境达到平衡的状态。基准态就是与周围环境达到平衡的状态。?由体系所处的状态到达基准态所提供的理想功由体系所处的状态到达基准态所提供的理想功即为体系处于该状态的即为体系处于该状态的有效能有效能。2022-6-4约束性平衡：体系和环境仅有热平衡和力平衡而未约束性平衡：体系和环境仅有热平衡和力平衡而未达到化学平衡。达到化学平衡。非约束性平衡：体系和环境既有热平衡、力平衡且非约束性平衡：体系和环境既有热平衡、力平衡且又有化学平衡。又有化学平衡。理想的周围环境的条件：温度理想的周围环境的条件：温度T0、压力、压力P0以及构成以及构成物质的浓度保

26、持恒定，且构成环境的物质相互间不物质的浓度保持恒定，且构成环境的物质相互间不发生化学反应，彼此间处于热力学平衡状态。发生化学反应，彼此间处于热力学平衡状态。单位能量所含的单位能量所含的 称为能级称为能级。处于。处于0与与1之间。之间。能级是衡量能量质量的指标。能级是衡量能量质量的指标。2022-6-4的组成的组成动能动能EXK 动能可全部转化为有效的功。动能可全部转化为有效的功。位能位能EXP位能可位能可全部转化为有效的功。全部转化为有效的功。物理物理EXPh物系与环境成约束性平衡时所提供的理物系与环境成约束性平衡时所提供的理想功。因温度和压力不同产生。想功。因温度和压力不同产生。化学化学EX

27、C物系由约束性平衡达到与环境成非约束物系由约束性平衡达到与环境成非约束性平衡性平衡时所提供的理想功。因时所提供的理想功。因组成组成不同产生。不同产生。2022-6-4XCXPhXPXKXEEEEE组组成成系系由由四四个个稳稳定定流流动动过过程程流流体体的的在基准状态下，上述的四个成分的在基准状态下，上述的四个成分的 均为零。均为零。物理物理 的计算的计算*0*0*0*00000ioiiiiiXPhSSTHHyESSTHHyESSTHHEiiXPhiiiiXPh即即和和与其摩尔分数的乘积之与其摩尔分数的乘积之为各组分纯态物理为各组分纯态物理理理理想气体混合物摩尔物理想气体混合物摩尔物稳流过程的物

28、理稳流过程的物理2022-6-40000*00*00*0*0*lnlnlnlnlnln00ppRTyRTTTCTTTCyEpypppRTTCppRdTTCSSTTCdTCHHiipmsipmhiiXPhiiipmsiiTTpioiipmhiTTpioii例题例题6-13 6-13 计算三种状态下稳流过程水蒸气的计算三种状态下稳流过程水蒸气的的的 ，环境温度为，环境温度为2525。2022-6-4化学化学 的计算的计算（a）环境模型环境模型 由于环境中基准物的浓度和热力学状态在化由于环境中基准物的浓度和热力学状态在化学反应过程中都发生变化，因此提出了环境模型。学反应过程中都发生变化，因此提出了环

29、境模型。其中波兰学者斯蔡古特的模型得到国际公认。日其中波兰学者斯蔡古特的模型得到国际公认。日本的龟山吉田模型较实用。本的龟山吉田模型较实用。环境温度环境温度T0=298.15K(25)，压力，压力 P0=0.10133MPa(1atm)。环境由若干基准物构成，每种元素都有其对应环境由若干基准物构成，每种元素都有其对应的基准物和基准反应。基准物的浓度取实际环境的基准物和基准反应。基准物的浓度取实际环境物质浓度的平均值。物质浓度的平均值。2022-6-4标准化学标准化学 用环境模型计算的物质化学用环境模型计算的物质化学 称为标准称为标准化学化学 E0XC,I 由于环境模型中的基准物质的化学由于环境

30、模型中的基准物质的化学 为零，为零，因此元素和环境物质进行化学反应变成基准物所因此元素和环境物质进行化学反应变成基准物所提供的提供的理想功理想功即为该元素的化学即为该元素的化学 。空气中的组分空气中的组分O2、CO2、Ar、He等的化学等的化学 是是以以298.15K和和0.10133MPa的饱和湿空气中作为基的饱和湿空气中作为基准物。即这些气体在准物。即这些气体在298.15K下到达饱和湿空气下到达饱和湿空气中相应分压中相应分压Pi时的化学时的化学 为零。为零。2022-6-4纯态化合物标准化学纯态化合物标准化学化合物化合物的标准摩尔化学的标准摩尔化学 应是组成化合物的单质应是组成化合物的单

31、质标准摩尔化学标准摩尔化学 之和减去生成反应过程的理想功。之和减去生成反应过程的理想功。ifjjXCjidjjXCjiXCGEWEE,若环境温度不为若环境温度不为298.15K298.15K，化合物化学，化合物化学 的表达的表达式如下，式如下，为温度修正系数。为温度修正系数。15.2980,TEEXCXC化化合合物物化化合合物物2022-6-4混合物的标准化学混合物的标准化学iiiiiiXCimXiiiiiXCimXiiiiiXCimXmXxxRTExExxRTExEyyRTEyEElnlnln0,0,0,对对于于非非理理想想溶溶液液对对于于理理想想溶溶液液，其其组组成成确确定定。以以及及化化

32、学学用用各各纯纯组组分分的的标标准准摩摩尔尔可可以以其其标标准准摩摩尔尔化化学学对对于于理理想想气气体体混混合合物物，2022-6-4热量热量 的计算的计算 热量相对于平衡环境态所具有的最大作功能热量相对于平衡环境态所具有的最大作功能力称为热量力称为热量 EXQ。将该热量可逆地加给一个以。将该热量可逆地加给一个以环境为低温热源的可逆卡诺热机，此可逆卡诺热环境为低温热源的可逆卡诺热机，此可逆卡诺热机所能作出的有用功就是该热量的机所能作出的有用功就是该热量的 。mXQXQHHHXQCTTQETTQETTTQE00011对对于于变变温温热热源源，其其热热量量对对于于恒恒温温热热源源，其其热热量量20

33、22-6-4 与理想功与理想功物质的物质的 是状态函数，取决于给定的状态和基是状态函数，取决于给定的状态和基准态。既是体系的状态函数又和周围自然环境参准态。既是体系的状态函数又和周围自然环境参数数T0 0、P0 0以及环境物质的浓度有关。以及环境物质的浓度有关。理想功理想功是对状态变化而言，或者对某一过程而是对状态变化而言，或者对某一过程而言的，是两个状态的函数。言的，是两个状态的函数。 对体系处于某状态，例如化工原料、燃料对体系处于某状态，例如化工原料、燃料和产品应该计算其和产品应该计算其 为多少。为多少。2022-6-4应应的的理理想想功功。上上式式也也适适用用于于求求化化学学反反为为的的

34、变变化化量量时时，其其物物理理变变化化状状态态物物系系从从状状态态和和分分别别是是时时，其其物物理理和和某某物物系系处处于于状状态态211201220020100101221212121idXXXXXXXXWSSTHHEEEESSTHHESSTHHEEE2022-6-4无效能无效能AN 给定环境下，能量可转变为有用功的部分称给定环境下，能量可转变为有用功的部分称为为 ；余下不能转变为有用共的部分称为；余下不能转变为有用共的部分称为 。能量由能量由 和和 两个部分组成。两个部分组成。TTQAATTQQTTQENQNQXQ0001热热量量为为恒恒温温热热源源的的热热量量2022-6-4为僵态能量。

35、为僵态能量。为高级能量，为高级能量，时，全部热量变成了时，全部热量变成了的温度降至环境温度的温度降至环境温度当热量当热量QATTQETQNQXQ01000NXNXNXdAdEdAdEAEd0,00必必定定增增加加，减减少少则则可可逆逆过过程程有有功功损损耗耗，按按热热力力学学第第二二定定律律，不不总总能能量量是是守守恒恒的的，即即根根据据热热力力学学第第一一定定律律，2022-6-4两种损失和两种效率两种损失和两种效率能量损失和能量损失和 损失是完全不同的热力学问题。损失是完全不同的热力学问题。能量损失：能量损失：违反热力学第一定律，无意义；指由违反热力学第一定律，无意义；指由体系排到环境中去

36、的未利用能量。体系排到环境中去的未利用能量。 损失：损失：包括内部损失和外部损失。包括内部损失和外部损失。效率效率的基本定义是收益量与消耗量之比。的基本定义是收益量与消耗量之比。消消耗耗量量收收益益量量效效率率2022-6-4第一定律效率第一定律效率I, ,以热力学第一定律为基础，确以热力学第一定律为基础，确定过程总能量的利用率。其定义是过程所期望的定过程总能量的利用率。其定义是过程所期望的能量与为实现期望所消耗的能量之比。能量与为实现期望所消耗的能量之比。式中，式中，EN是所期望的能量；是所期望的能量；EA是所消耗的能量。是所消耗的能量。分类：分类：热效率和性能系数。热效率和性能系数。C热（

37、机）效率：热（机）效率：ANIEEHNTQW输输入入体体系系的的热热体体系系输输出出的的功功2022-6-4 入入蒸蒸汽汽入入电电燃燃料料原原料料有有用用物物料料出出电电出出蒸蒸汽汽产产品品高高高高高高低低复复杂杂生生产产过过程程高高温温流流体体给给出出的的热热量量低低温温流流体体得得到到的的热热量量传传热热过过程程EEEEEEEEQQQQQTLTC性能系数：性能系数：如制冷系数与制热系数，一般大于如制冷系数与制热系数，一般大于1 1。2022-6-4第一定律效率第一定律效率的分子与分母是的分子与分母是不同能级的能量不同能级的能量。该效率反映了过程所需能量的数量上的利用情况，该效率反映了过程所

38、需能量的数量上的利用情况，不能反映不能反映不同质的能量不同质的能量的利用情况。即不能反映的利用情况。即不能反映 的利用情况，是重大缺陷。的利用情况，是重大缺陷。第二定律效率第二定律效率II。用以确定过程中用以确定过程中 的利用率。的利用率。其定义是过程期望的其定义是过程期望的 EXN与实现期望所消耗的与实现期望所消耗的 EXA之比，即之比，即XAXNIIEE2022-6-4。传传热热：耗耗功功：产产功功：）热热力力学学效效率率效效率率）普普遍遍的的几几种种表表达达形形式式：高高低低高高低低EEWWWWWWEEEEEEEEEEididasidaidsaaiXWiXQiXXiXWiXQiXXXXE

39、II;2,1,HLIHLaXXTTTTTTQTTQEE00001111高高低低高高低低给给出出的的为为传传热热过过程程中中高高温温流流体体获获得得的的为为传传热热过过程程中中低低温温流流体体2022-6-4热力学分析的基本方法汇总热力学分析的基本方法汇总热力学分析：热力学分析：用热力学的基本原理来分析和评价用热力学的基本原理来分析和评价过程。过程。基本任务：基本任务：确定过程中能量或确定过程中能量或 损失的大小、损失的大小、原因及其分别情况，确定过程的效率，为制定节原因及其分别情况，确定过程的效率，为制定节能措施，实现过程最佳化提供依据。能措施，实现过程最佳化提供依据。分析方法：分析方法：能量

40、衡算法、熵分析法与能量衡算法、熵分析法与 分析法。分析法。2022-6-4能量衡算法能量衡算法能量衡算能量衡算是通过物料与能量衡算，确定过程的排是通过物料与能量衡算，确定过程的排出能量与能量利用率。出能量与能量利用率。熵分析法：熵分析法：通过计算不可逆过程通过计算不可逆过程熵产生量熵产生量，确定，确定过程的过程的 损失和热力学效率。即通过物料和能损失和热力学效率。即通过物料和能量衡算，量衡算，计算理想功和损耗功，求出过程热力学计算理想功和损耗功，求出过程热力学效率效率a。2022-6-4 分析法分析法通过通过 平衡以确定过程的平衡以确定过程的 损失和损失和 效率。效率。主要内容：主要内容：(a

41、)(a)确定出入体系各种物流量、热流量、功流量等。确定出入体系各种物流量、热流量、功流量等。(b)(b)求出物流求出物流 和热流和热流 ；(c)(c)由由 平衡方程确定过程的平衡方程确定过程的 损失；损失；(d)(d)确定确定 效率。效率。2022-6-4jSjjoutXjiinXijoutXjiLiiLijSjjoutXjkXQiinXijSjjoutXjkXQiinXiWEEEWWWEEEWEEEkk损损失失，损损耗耗功功大大于于零零有有不不可可逆逆过过程程，体体系系内内部部损损失失，损损耗耗功功为为零零可可逆逆过过程程，体体系系内内部部无无2022-6-4XlSLjSjXlkXQiLik

42、XQjSjXlkXQiLiXllljSjlllllkXQiLiEWWWEEWEWEEWESTHWzgumSTHEWkkkk0)212020绝热有功交换的过程，绝热有功交换的过程，）流速和位高不大，）流速和位高不大，简化：简化：恒组成稳流过程恒组成稳流过程2022-6-4jSjikXQLilXliLilXlikXQLiWEWEWEEWkk包括工质包括工质）循环过程，体系若仅）循环过程，体系若仅绝热无功交换绝热无功交换有热交换无功交换有热交换无功交换5)4) 32022-6-4三种热力学分析方法的比较三种热力学分析方法的比较能量衡算法最简单，熵分析法次之，能量衡算法最简单，熵分析法次之， 分析法分析法计算量最大，熵分析和计算量最大，熵分析和 分析的结果是一致的。分析的结果是一致的。合理用能的基本原则合理用能的基本原则（1 1）要能尽其用，防止能量的无偿降级；要能尽其用，防止能量的无偿降级；（2 2）在设计工作中要采用最佳推动力的原则；在设计工作中要采用最佳推动力的原则；（3 3）要合理组织能量多次利用，采用能量优化利要合理组织能量多次利用，采用能量优化利用的原则。用的原则。