1、1第七章第七章化工过程的能量分析化工过程的能量分析 27.1 7.1 理想功和损失功理想功和损失功 n理想功和损失功法（熵分析法）：理想功和损失功法（熵分析法）： 是以是以热力学热力学第一定律为基础第一定律为基础，与理想功进行比较，用热效率，与理想功进行比较，用热效率评价。评价。n有效能分析法（火用分析法）有效能分析法（火用分析法） ： 将将热力学第一热力学第一定律，热力学第二定律定律，热力学第二定律结合起来，对化工过程每结合起来，对化工过程每一股物料进行分析，是用有效能效率评价。一股物料进行分析，是用有效能效率评价。 目前进行化工过程热力学分析的方法大致有目前进行化工过程热力学分析的方法大致
2、有两种两种：3一一. . 理想功理想功 定义：定义： 体系以可逆方式完成一定的状态变化，理论体系以可逆方式完成一定的状态变化，理论上可产生的最大功上可产生的最大功( (对产功过程对产功过程) )，或者理论上必须消耗，或者理论上必须消耗的最小功的最小功( (消耗过程消耗过程) )，称为理想功。，称为理想功。WmaxWmax ( (WminWmin) )体系以状态体系以状态1 1状态状态2 2完全可逆完全可逆要注意要注意: : 完全可逆完全可逆状态变化可逆；状态变化可逆；系统内的所有变化是完全可逆的传热可逆传热可逆( (物系与环境物系与环境) )系统和环境之间的能量 交换，例如传热过程也是可逆的4
3、流动过程理想功的计算式流动过程理想功的计算式对于稳流过程，热一律表达式为：对于稳流过程，热一律表达式为： SWQZgCH221忽略动，势能变化忽略动，势能变化 SWQH若可逆若可逆 STQ0STHWid0( (7-41) 7-41) 稳流过程理想功稳流过程理想功 5注意点：注意点： 不忽略进出口的动能，势能的变化。完整的表达式为：不忽略进出口的动能，势能的变化。完整的表达式为：体系经历一个稳流过程，状态发生变化，即可计算其体系经历一个稳流过程，状态发生变化，即可计算其理想功，理想功的值决定于体系的始、终态与环境温度，理想功，理想功的值决定于体系的始、终态与环境温度，而与实际变化途径无关。而与实
4、际变化途径无关。要区别可逆轴功与理想功这两个概念要区别可逆轴功与理想功这两个概念对绝热过程对绝热过程对不做轴功的过程对不做轴功的过程ZgCSTHWid2021cSRidWWW0CW0SRWSRidWWcidWW 6二损失功二损失功WL n定义：体系完成相同状态变化时，实际功和理想功定义：体系完成相同状态变化时，实际功和理想功的差值的差值n数学式：数学式： idacLWWW对稳流体系对稳流体系 STHWOidQHWWSacQSTSTHQHWOOL( (7-43)7-43)surOSTQtOsurOsysOLSTSTSTW( (7-44a)7-44a)7三 热力学效率sidTidsTWWWW需要功
5、产生功8结论：结论： tSLWOTLW0tS0LW0tS0LWacidWW1acaaidWW热力学效率acidWW 1acidWW（1 1）（2 2）（3 3）可逆过程）可逆过程有关有关与与有关有关与与实际过程实际过程对产功过程：对产功过程：对耗功过程：对耗功过程： 9n例例7-1. 试确定试确定1kmol的蒸气的蒸气（1470kPa，过热到，过热到538，环境温度，环境温度t0=16）在流动过程中可能得到的最）在流动过程中可能得到的最大功。大功。三三 应用举例应用举例10解：这是求算1kmol的蒸气由始态（538，1470kPa）变化到终态（16，101.32kPa）的液体水时所得到的最大功
6、。由过热水蒸气表查得初始态时的焓与熵分别为H1=3543.34kJ/kg， S1=7.6584kJ/（kgK）由饱和水蒸气表可查得终态时水的焓与熵分别为 H2=67.18kJ/kg， S2=0.2389kJ/（kgK）所以过程的焓变和熵变分别为H =M（H2H1）=18.02（67.183543.34）=62640.33（kJ/kmol）S=M（S2S1）=18.02（0.23897.6584）=133.6994（kJ/（kkmolK）若理想功为所能提供的最大有用功，则Wid=HT0S=62640.33（16273.15）（133.6994） =2.398104（kJ/kmol）11例例7-2
7、. 1kg的水在的水在100kPa的恒压下从的恒压下从20加热到沸点，加热到沸点，并且在此温度下完全蒸发，如果环境温度为并且在此温度下完全蒸发，如果环境温度为20，试问，试问加给水的热量中最大有多少可转变成功量。加给水的热量中最大有多少可转变成功量。12解：100kPa压力下水的沸点约为100，有水蒸气表查得H1=2676.1kJ/kg， S1=7.3549kJ/（kgK）在环境温度（T0=t0273.15=293.15K）下，100kPa压力下水的焓和熵为 H0=83.96kJ/kg， S0=0.2966 kJ/（kgK）所以加给水的热量为 Qp=H=H1H0=2676.183.96=259
8、2.1（kJ/kg）13523.0100%100%20.1%2592.1idpWQ100kPa压力下水蒸气转化为20的水所能产生的最大功为 Wid=HT0S =2592. 1293.15（0.29667.3549）=523.0（kJ/kg） 加给水的热量中最大可能转变成功量部分所占的百分数为14例例7-3在一个往复式压气机的实验中，环境空气从在一个往复式压气机的实验中，环境空气从100kPa及及5压缩到压缩到1000kPa，压缩机的气缸用，压缩机的气缸用水冷却。在此特殊实验中，水通过冷却夹套，其流水冷却。在此特殊实验中，水通过冷却夹套，其流率为率为100kg/kmol（空气）。冷却水入口温度为
9、（空气）。冷却水入口温度为5，出口温度为，出口温度为16，空气离开压缩机时的温度，空气离开压缩机时的温度为为145。假设所有对环境的传热均可忽略。试计。假设所有对环境的传热均可忽略。试计算实际供给压气机的功和该过程的理想功的比值。算实际供给压气机的功和该过程的理想功的比值。假设空气为理想气体，其摩尔定压热容假设空气为理想气体，其摩尔定压热容CP=29.3kJ/（kmolK）。）。15解：以被压缩的空气为系统，以1kmol空气作为基准。假设空气为理想气体，在此过程中空气放出的热量为Q=WWCP，W（touttin）式中WW为冷却水的流率；CP,W为水的热容，取值为4.18kJ/（kgK），tou
10、t和tin分别为冷却水的出、入口温度。所以Q=1004.18（165）=4.598103（kJ/kmol）压缩过程中空气的焓变为 21321()29.3(1455)4.102 10 (/)TPPTHC dTCTTkJ kmol16H21221211lnln(/)ln(/)TPPTCpSdTRCTTRppTp145273.15100029.3ln8.314ln7.199(/()5273.15100SkJkmol K 若忽略此压缩过程中动能和势能的变化，则所需的功为WS=Q =4.1021034.598103=8.700103（kJ/kmol）过程的熵变可以按下式计算17Wid=HT0因此实际供给
11、压气机的功与该过程的理想功的比值为 S=4.102103278.15（7.199）=6.104103（kJ/kmol）WS/Wid=8700/6104=1.425所以压缩过程的理想功为18例例7-4 1.57MP7-4 1.57MPa, a, 757K757K的过热水蒸汽推动透平机作的过热水蒸汽推动透平机作功，并在功，并在0.0687 0.0687 MPMPa a下排出。此透平机既不绝热也下排出。此透平机既不绝热也不可逆，输出的轴功相当于可逆绝热膨胀功的不可逆，输出的轴功相当于可逆绝热膨胀功的8585。由于隔热不好，每千克的蒸汽有由于隔热不好，每千克的蒸汽有7.127.12KJKJ的热量散失的
12、热量散失于于293293的环境。求此过程的理想功，损失功及热力的环境。求此过程的理想功，损失功及热力学效率。学效率。 19分析分析 求：求： idWLW20解：解：1 1查过热水蒸汽表查过热水蒸汽表, , 内标计算内标计算H1，S1MPaP57.11CKT01484757当当 MPaP5 . 1111TT 1H1S4404845 .33421H4405005 .33421 .347314405003940. 75698. 74404843940. 71SKgKJH/3 .34381KKgKJS./5229. 71MPaP0 . 2 11 1TT 1H 1S当当4405005 .33356 .3
13、4674404845 .3335 1H4405002540. 75434. 74404842540. 7 1S21KgKJH/4 .3432 1KKgKJS./4662. 7 1当当MPaP57. 11CKT014847575 . 10 . 25 . 157. 11 11HHHH5 . 10 . 25 . 157. 11 111SSSS故故 H H1 1=3437.5KJ/Kg =3437.5KJ/Kg S S1 1=7.5150KJ/Kg.K =7.5150KJ/Kg.K 2 2 求终态热力学性质求终态热力学性质可逆绝热膨胀可逆绝热膨胀 aMPP0678. 02S S1 1=S=S22S S
14、1 1=S=S22=7.5150 KJ/Kg.K =7.5150 KJ/Kg.K 22当当P2=0.0678MPa时，对应的饱和蒸汽时，对应的饱和蒸汽S Sg g为为 6 . 07 . 05320. 74797. 76 . 0678. 05320. 7gS gSS2S Sg g=7.4912 KJ/Kg.K=7.4912 KJ/Kg.K所以状态为过热蒸汽所以状态为过热蒸汽二者相比较，已逼近饱和蒸汽，查饱和水蒸汽表二者相比较，已逼近饱和蒸汽，查饱和水蒸汽表 6 . 07 . 026530 .26606 . 0678. 026532HH2=2658.46 KJ 23KgKJHHHWSR/7795
15、.34375 .26581 2KgKJWWSRS/15.66285. 0据热力学第一定律：据热力学第一定律：SWQHKgKJWQHHS/23.276815.66212. 75 .343712由由P P2 2, ,H H2 2查表内标查表内标 得得 S S2 2=7.7551 KJ/Kg.K =7.7551 KJ/Kg.K 3 3 求求 idWLWSTHWid0= -669.27 -70.3493= -739.62 KJ/Kg (2768.23-3437.5)-293(7.7551-7.5150)24tLSTW0KT2930012TQSSSSSsursyst 12. 75150. 77551.
16、7293120QSSTWL=77.47 KJ/Kg %53.898953. 01idCidCididacWWWWWWW25例例 7-8 用用1.57MPa，484的过热蒸汽推动透平机作功，的过热蒸汽推动透平机作功，并在并在0.0687MPa下排出。此透平机既不是可逆的也不是下排出。此透平机既不是可逆的也不是绝热的，实际输出的轴功相当干可逆绝热功的绝热的，实际输出的轴功相当干可逆绝热功的85。另有。另有少量的热散入少量的热散入293K的环境，损失热为的环境，损失热为7.12kJ/kg。求此求此过程的理想功、损失功和热力学效率。过程的理想功、损失功和热力学效率。n解STHWid0QSTWWWids
17、L0idsTWW产生功850.WWRs可逆绝热过程可逆绝热过程21SSsWQHRWH 26 查过热水表汽表可知，初始状态1.57MPa， 484 时的蒸汽焓、熵值为H1=3437.5kJ/kg, S1=7.5035kJ/(kgK) 若蒸汽按绝热可逆膨胀，则是等熵过程，当膨胀至0.0687MPa时,熵为 S2=S1=7.5035kJ/(kgK) 查过热水蒸汽表0.035MPaH S0.07MPaH S0.0687MPaH S饱和蒸汽2631.4 7.71532660.0 7.4797100 2684.4 7.86042680.0 7.53412658.9 7.48852680.2 7.54622
18、7H kJ/kgS kJ/(kgK)2658.97.4885H27.50352680.27.5462P = 0.0687MPa926582268092658488575462748857503572.H.kg/kJ.H426642kg/kJ.HHWR1773534374266412kg/kJ.W.WRs16578501773850 此透平机实际输出轴功28 依据稳流系统热力学第一定律得到实际状态2的焓为sWQHkg/kJ.WQHHs32773165712753437120.035MPaH S0.07MPaH S0.0687MPaH S120 2723.1 7.96442719.9 7.6375
19、2720.0 7.6496160 2800.6 8.15192798.2 7.82792798.3 7.839929H kJ/kgS kJ/(kgK)2720.07.64962773.3S22798.37.8399649678399764967027203279802720327732.S.779172.S kg/kJ.SSTHHSTHWid07455035777917293534373277312012030kg/kJ.WWWidsL98707451657kg/kJ.QSTWL98712750357779172930或%.WWidsT208807451657317.27.2 有效能及其计算有
20、效能及其计算n一、一、 有效能的概念有效能的概念n1.1. 能量的分类能量的分类n按能量转化为有用功的多少，可以把能量分为三类：按能量转化为有用功的多少，可以把能量分为三类：n高质能量：理论上能完全转化为有用功的能量。高质能量：理论上能完全转化为有用功的能量。如电能、机械能。如电能、机械能。n僵态能量：理论上不能转化为功的能量（如海水、僵态能量：理论上不能转化为功的能量（如海水、地壳、环境状态下的能量）。地壳、环境状态下的能量）。n低质能量：能部分转化为有用功的能量。如热量低质能量：能部分转化为有用功的能量。如热量和以热量形式传递的能量。和以热量形式传递的能量。 322.2. 有效能有效能n定
21、义：一定形式的能量，可逆变化到给定定义：一定形式的能量，可逆变化到给定环境状态相平衡时，理论上所能作出的最大有环境状态相平衡时，理论上所能作出的最大有用功。用功。n无效能：理论上不能转化为有用功的能量。无效能：理论上不能转化为有用功的能量。n能量的表达形式能量的表达形式n对高质能量对高质能量 能量有效能能量有效能n对僵态能量对僵态能量 僵态能量无效能僵态能量无效能n对低质能量对低质能量 低质能量有效能无效能低质能量有效能无效能以平衡的环境状态为基准，理论上以平衡的环境状态为基准，理论上能够最大限度地转化为功的能量称能够最大限度地转化为功的能量称为有效能，理论上不能转化为功的为有效能，理论上不能
22、转化为功的能量称为无效能。能量称为无效能。33 注意点注意点n有效能有效能“火用火用”、“可用能可用能”、“有用有用能能”、“资用能资用能”n无效能无效能“火无火无”、“无用能无用能”n功功可看作可看作100100的有效能的有效能34 系统在一定状态下的有效能，就是系统从该状态系统在一定状态下的有效能，就是系统从该状态变化到基态（环境状态）过程所作的理想功。变化到基态（环境状态）过程所作的理想功。 12012SSTHHWid 稳流过程，从状态稳流过程，从状态1变到状态变到状态2，过程的理想功为，过程的理想功为： 当系统由任意状态当系统由任意状态(P, T)变到基态变到基态(T0, P0)时稳流
23、时稳流系统的有效能系统的有效能EX为为:二二. .有效能的计算有效能的计算 HSTSSTHHEX000035n1.1. 环境和环境状态环境和环境状态n环境：一般指恒环境：一般指恒T T、P P、x x下，庞大静止体系。如下，庞大静止体系。如大气、海洋、地壳等大气、海洋、地壳等n环境状态：热力学物系与环境完全处于平衡时的环境状态：热力学物系与环境完全处于平衡时的状态，称之。常用状态，称之。常用0 0、0 0、0 0、0 0等表示。等表示。n2.2. 物系的有效能物系的有效能n物理有效能：物系由于、与环境不同所具有物理有效能：物系由于、与环境不同所具有的有效能。的有效能。n化学有效能：物系在环境的
24、化学有效能：物系在环境的0 0、0 0下，由于组下，由于组成与环境不同所具有的有效能。成与环境不同所具有的有效能。36 机械能和电能全部是有效能，即机械能和电能全部是有效能，即 EX=W 动能和位能也全部是有效能。动能和位能也全部是有效能。3 机械能、电能的有效能机械能、电能的有效能374.4.热量的有效能热量的有效能Q Q卡诺循环热效率卡诺循环热效率 TTQTTQQBQ0011QWcCTTTTQQQ01212111定义：传递的热量，在给定的环境条件下，以可逆定义：传递的热量，在给定的环境条件下，以可逆 方式所能做出的最大有用功。方式所能做出的最大有用功。计算式计算式恒温热源热量的有效能恒温热
25、源热量的有效能无效能无效能BQ=WC 38变温热源的有效能变温热源的有效能)1 (平TTQBoQ1212TTlnT-T平T或用或用H H、S S值计算：值计算：Q Q=T=T0 0S-H S-H ToTCpdTH0TTTdTCpS00TTTQdTCpTBToTCpdTTTdTCpT00TTTCpdT0TTCpdT0TTdTCpT00TTTCpdTTo0)T1 (395.5.压力有效能压力有效能 PoPpTdPVTVH)T(PoPpdPVS)T(PoPpPdPVTB)T(0PoPpdPVTV)T(Bp=ToS-H由第三章知由第三章知PPopdPVToTV)T)(PRPTVPPRTdPToTBPo
26、PP0lnpR)(pRT（5 55252）对理想气体对理想气体406.6.稳流物系的有效能稳流物系的有效能n定义：稳流物系从任一状态定义：稳流物系从任一状态i i（、）、）以可逆方式变化到环境状态（以可逆方式变化到环境状态（T TO O、P P0 0、H H0 0、S S0 0）时，时，所能作出的最大有用功。所能作出的最大有用功。nB Bi iT T0 0(S(S0 0-S-Si i)-(H)-(H0 0-H-Hi i) )n稳流物系从状态稳流物系从状态1 1状态状态2 2所引起的有效能变化为：所引起的有效能变化为：nBBB B2 2-B-B1 1=T=T0 0(S(S1 1-S-S2 2)-
27、(H)-(H1 1-H-H2 2)= H-T)= H-T0 0S S 41试比较如下几种水蒸汽，水的有效能大小。设环境温度为298K。 0.15MPa，160，过热蒸汽； 0.3MPa， 160，过热蒸汽； 0.07MPa，100，过冷蒸汽 100，饱和蒸汽； 0.1MPa，100，饱和水. 42解：由水和水蒸汽性质表可查得各状态点的焓和熵值，设298K，液态水为基准态，有效能为零。 根据有效能计算式： )()(0000SSTHHBB 计算结果见下表所列。序号t,P,MPaH,kJkg-1S,kJkg-1K-1B,kJkg-10250.1104.890.3674011600.152792.87
28、.4665572.421600.32782.37.1276662.931000.072680.07.5341439.441000.12676.27.3614487.151000.1419.041.306934.2 判断水蒸汽的价值，应当用有效能而不是焓，从表中1，2可见，相同温度下，高压蒸汽的焓值虽不如低压蒸汽高，但是其有效能却比低压蒸汽为高。实际使用中，当然高压蒸汽的使用价值高，相对称为高品质能量。43三、理想功与有效能的区别与联系三、理想功与有效能的区别与联系理想功：理想功：Wid= H -T0S= (H2-H1) -T0(S2-S1)n有效能：有效能：B=T0(S0-S)-(H0-H)n
29、有效能与理想功的区别主要表现在两个方面有效能与理想功的区别主要表现在两个方面n终态不一定相同终态不一定相同W Widid: :终态不定终态不定 B :B :终态一定（为环境状态）终态一定（为环境状态）研究对象不同研究对象不同nW Widid：是对两个状态而言，与环境无关，可正可负。是对两个状态而言，与环境无关，可正可负。nB B：是对某一状态而言，与环境有关，只为正值。是对某一状态而言，与环境有关，只为正值。 44四、不可逆性和有效能损失四、不可逆性和有效能损失n1.1.不可逆性不可逆性n热力学第二定律认为自然界中一切过程都是热力学第二定律认为自然界中一切过程都是具有方向性和不可逆性的。具有方
30、向性和不可逆性的。n当当StSt（SS产生产生）0 0 不可逆过程不可逆过程 = =可逆过程可逆过程有效能的方向和不可逆性有效能的方向和不可逆性表现在：表现在：当过程是当过程是可逆时可逆时，有效能，有效能不会向不会向无效能转化，有无效能转化，有效能的总量保持不变。效能的总量保持不变。当过程是当过程是不可逆时不可逆时，有效能，有效能向向无效能转变，使有无效能转变，使有效能的总量减少。效能的总量减少。 452.2.有效能损失有效能损失( (E EL L) ) n2.2.有效能损失有效能损失( (E EL L) )n定义：不可逆过程中有效能的减少量，称之。定义：不可逆过程中有效能的减少量，称之。n计
31、算式：计算式：D D理想功实际功理想功实际功n对于稳流体系：若忽略动能、势能的影响对于稳流体系：若忽略动能、势能的影响 实际功实际功 Ws=Q-H 理想功理想功 WidT0S-Hn DT0S-H-QT0S-HT0S-Q D=T0Ssys+T0Ssur=T0St 或或 D=T0S产生产生又又Ssur=-Q/T0-Q=T0Ssur46典型过程有效能损失典型过程有效能损失 n传热过程传热过程n对高温物系放出的热量的有效能为：对高温物系放出的热量的有效能为： B BQ Q，H HQ Q（1 1T T0 0/T/TH H）n对低温物系吸收的热量的有效能为：对低温物系吸收的热量的有效能为： B BQ Q，
32、L LQ Q（1-T1-T0 0/T/TL L） 有效能损失有效能损失 D=BD=BQ Q，H H-B-BQ Q，L L= = )()1TT1 (000H0HLLTTTTQTTQLHLH0TTT-TQT结论结论：)传热过程有效能损失是存在的。传热过程有效能损失是存在的。)T TH H-T-TC C差值增大，差值增大，D D增大增大 47dSdSt t=-=-VdPVdP dSdSt t=(-V/=(-V/T)dPT)dP由前知由前知= =ToSToSt t dDdD=T=T0 0dSdSt t= T= T0 0 (-V/T) (-V/T) dpdp结论：结论：) ) D PD P压力降压力降)
33、 ) 稳流过程的有效能损失是由于阻力引起的。稳流过程的有效能损失是由于阻力引起的。 稳流体系稳流体系对稳流体系，若忽略掉动能和势能对稳流体系，若忽略掉动能和势能HHQ-WsQ-Ws对管道流动，一般情况下，对管道流动，一般情况下，Q Q0 0（无热交换）无热交换） WsWs0 0（无轴功）无轴功）dHdH=0=0HH0 0dHdH= =TdS+VdPTdS+VdP48iNidnnsdT-T)(ii1iNidnnsdT)(ii1传质过程传质过程若若T T=T=T=T=T式中：式中：i i i i组在组在 相中的化学位相中的化学位、相相把两相看作一个孤立体系，则把两相看作一个孤立体系，则d(ns)d
34、(ns)孤孤= =d(ns)d(ns)t t有效能损失：有效能损失：D=TD=T0 0d(ns)d(ns)t t=-T=-T0 0iNidnTii149注意点：注意点：有效能损失在任何不可逆过程都是存在的；有效能损失在任何不可逆过程都是存在的； 有效能损失的大小与过程的推动力有关，有效能损失的大小与过程的推动力有关， D D推动力。即推动力大，推动力。即推动力大，D D大。大。 503.3.应用举例应用举例n例例7-97-9如图所示，裂解气在中冷如图所示，裂解气在中冷塔中分离，塔的操作压力为塔中分离，塔的操作压力为3.4443.444MPMP，液态烃（由液态烃（由C2C2、C3C3、C4C4等
35、组成）由塔等组成）由塔底进入再沸器，其温度为底进入再沸器，其温度为318318K K；经经0.19650.1965MPMP的饱和蒸汽加热蒸发回到塔的饱和蒸汽加热蒸发回到塔内。已知再沸器中冷凝水为内。已知再沸器中冷凝水为313313K K，大大气温度气温度0 0为为293293K K，液态烃在液态烃在318318K K，3.444MP3.444MP下气化热为下气化热为293293kJ/kgkJ/kg。汽化汽化熵为熵为0.9210.921kJ/(kg.K)kJ/(kg.K)。求算加热前后求算加热前后液态烃，水蒸气的有效能变化及损失液态烃，水蒸气的有效能变化及损失功。功。 51T0=293K,3.4
36、44MP,318K下下 烃烃 Hv=293kJ/kg Sv=0.921kJ/(kg.K) T=392.6K查表查表H气气=2706kJ/kg,S气气=7.133kJ/(kg.K)313k的水的水 查表查表H水水=167.4kJ/kg, S水水=0.572kJ/(kg.K) 52解：解：求消耗求消耗1 1kgkg水蒸气能蒸发液烃的量水蒸气能蒸发液烃的量m mmHvmHv=H=H水气水气- -H H水水（热量衡算）（热量衡算）m=( Hm=( H水气水气- -H H水水)/)/HvHv=(2706-167.4)/293=8.66kg=(2706-167.4)/293=8.66kg烃烃液态烃有效能变
37、化液态烃有效能变化BB烃烃B B前前= =m To(Sm To(S0 0-S-S1 1)-(H)-(H0 0-H-H1 1)B B后后= =m To(Sm To(S0 0-S-S2 2)-(H)-(H0 0-H-H2 2)BB烃烃= =B B后后- -B B前前= =m (m (HvHv- - ToSvToSv)=8.66(293-293)=8.66(293-293* *0.921)=201kJ0.921)=201kJBB烃烃0,0,表明有效能增加。表明有效能增加。 53)()(HHSSTBooo气气气)()(HHSSTBooo水水水)()(SSTHHSTHBBBoo气水气水气水水0B水水蒸气
38、有效能变化水蒸气有效能变化=(167.4-2706)-293(0.572-7.133)=-616=(167.4-2706)-293(0.572-7.133)=-616KJKJ表明表明1 1kgkg水蒸气换热后冷凝为水水蒸气换热后冷凝为水, ,其有效其有效能能降低降低. ) (293)(SSSSSTSTWvotoLm气水水烃KJ415)1337.7572.0(921.066.8293STtoDWLD 求求WL54有效能的衡算及有效能效率有效能的衡算及有效能效率 n1.1. 有效能衡算式有效能衡算式n 有效能衡算式有效能衡算式, ,可由热力学第一律可由热力学第一律, ,热力学第二热力学第二律推导出
39、来律推导出来稳流体系稳流体系状态状态1 1状态状态2 2 H H1 1,S,S1 1H H2 2,S,S2 2 QWs孤立体系孤立体系55由热力学第二定律：由热力学第二定律： 分两种情况考虑分两种情况考虑 SHQ W 21SHHQ W由热力学第一定律由热力学第一定律( (忽略了动能忽略了动能, ,势能势能) )( (A)A)(1) (1) 可逆过程可逆过程 0SSSQsyst0STDto有效能损失有效能损失 SSSsys12TSQQQ0)(12TTSSTQooQTTSSTQooQ)(12( (B)B) 562121()()oosQQQSSWHHTTT201020()()()(1)oosQTQS
40、SWHHHHTT由式由式( (A)-A)-式式( (B), B), 得得: :进行数学处理，得：进行数学处理，得：输入体系有效能输入体系有效能 = = 输出体系有效能输出体系有效能 00201201()() ()()(1)ooosQTQSSSSWTHHTHHT21QWBBBBBB 572 2 结论：结论： 能量衡算是以热一律为基础，有效能衡算是以热一能量衡算是以热一律为基础，有效能衡算是以热一、二定律为基础；、二定律为基础； 能量守恒，但有效能不一定守恒。可逆过程有效能能量守恒，但有效能不一定守恒。可逆过程有效能守恒，不可逆过程有效能总是减少的；守恒，不可逆过程有效能总是减少的； 能量衡算反映
41、了能量的利用情况，而有效能衡算可能量衡算反映了能量的利用情况，而有效能衡算可反映能量的质量、数量的利用情况；反映能量的质量、数量的利用情况； D D的计算方法：有两种：的计算方法：有两种：DBBSTDtoBBD(2) (2) 不可逆过程不可逆过程由于有效能损失总是存在的，并且有效能损失总是大由于有效能损失总是存在的，并且有效能损失总是大于零，于零，D0D0。582.2.有效能效率有效能效率 B定义：对于一个设备或过程，收益的有效能与提供给它定义：对于一个设备或过程，收益的有效能与提供给它 的有效能的比值的有效能的比值。 及能流的有效能之和进入过程或设备各物流及能流的有效能之和离开过程或设备各物
42、流BBB DBBDBBBDB159 对一切过程（不论过程本身产功，还是耗功）对一切过程（不论过程本身产功，还是耗功）10B1B1BB结论：结论：有效能效率在任何情况下均小于有效能效率在任何情况下均小于1 1，大于零，大于零若若D=0D=0，则则说明过程为完全可逆过程说明过程为完全可逆过程若若D0D0，则则说明过程为不可逆过程说明过程为不可逆过程 偏离偏离1 1的程度的程度，D,D,过程的不可逆程度就愈大过程的不可逆程度就愈大该过程才能进行。该过程才能进行。只有只有BB 603 3有效能分析法步骤有效能分析法步骤对一个过程进行热力学分析，一般分为四步，对一个过程进行热力学分析，一般分为四步，步骤
43、：步骤：n（1 1）根据需要确定被研究的物系；）根据需要确定被研究的物系；n（2 2）确定输入及输出各物流，能流的工艺状）确定输入及输出各物流，能流的工艺状况及热力学函数；况及热力学函数；n(3) (3) 计算各物流，能流的有效能；计算各物流，能流的有效能；n(4)(4)对体系进行有效能衡算，求出有效能损失对体系进行有效能衡算，求出有效能损失和有效能效率。和有效能效率。61四应用举例四应用举例n例例7-10 7-10 氨厂的高压蒸汽系统，每小时产生氨厂的高压蒸汽系统，每小时产生3.5 3.5 t t的中压冷凝水。如通过急速闪蒸，由于压力骤然下的中压冷凝水。如通过急速闪蒸，由于压力骤然下降，可产
44、生低压蒸汽。现有两种回收方案，方案降，可产生低压蒸汽。现有两种回收方案，方案A A是将中压冷凝水先预热锅炉给水，然后在闪蒸中产是将中压冷凝水先预热锅炉给水，然后在闪蒸中产生较少量的低压蒸汽，锅炉给水流量为生较少量的低压蒸汽，锅炉给水流量为3.53.5t/h,t/h,预预热前后温度分别为热前后温度分别为2020，8080。方案。方案B B是通过闪蒸是通过闪蒸气产生较多的蒸汽，中压冷凝水为气产生较多的蒸汽，中压冷凝水为1.9081.908Mpa,210,Mpa,210,在闪蒸气中急速降压至在闪蒸气中急速降压至0.47560.4756MpaMpa, ,以产生以产生0.47560.4756MpaMpa
45、 的低压蒸汽与冷凝水的低压蒸汽与冷凝水. .n如忽略过程的热损失如忽略过程的热损失, ,环境的温度为环境的温度为20.20.试计算试计算A,BA,B两种方案的有效能损失两种方案的有效能损失, ,并比较计算结果并比较计算结果. . 62 闪蒸器闪蒸器1231234中压冷凝水中压冷凝水3.53.5t/h,1.908MPa,210t/h,1.908MPa,210 H H1 1=897.76KJ/kg=897.76KJ/kg S S1 1=2.4248KJ/kg.k=2.4248KJ/kg.k 低压蒸汽，低压蒸汽，0.47560.4756MPaMPa 150,150,H H2 2=2746.5 =27
46、46.5 S S2 2=6.8379=6.8379 低压冷凝水，低压冷凝水，0.47560.4756MPa,HMPa,H3 3=632.2 =632.2 S S3 3=1.8418=1.8418 低压冷凝水，低压冷凝水，0.47560.4756MPaMPa 1.9081.908MPa,TMPa,T4 4,H,H4 4,S,S4 4 预热器预热器 锅炉给水锅炉给水20,3.520,3.5t/h t/h 0.10130.1013MPa,HMPa,H5 5=83.96 =83.96 S S5 5=0.2966=0.2966 56P6=0.1013MPa P6=0.1013MPa H6=334.91H
47、6=334.91 S6=1.0753S6=1.0753 80 80 低压蒸汽，低压蒸汽，0.47560.4756MPaMPaTo=20=293KTo=20=293KA A方案方案B B方案方案63解：（解：（1 1） 确定研究的物系，如图示；确定研究的物系，如图示； （2 2） 确定进，出系统或过程的各物流确定进，出系统或过程的各物流 ，能流的工艺状态及，能流的工艺状态及热力学函数，列表表示；热力学函数，列表表示； （3 3）A A方案计算方案计算： G=24.19kg/h G=24.19kg/hHHHH6451kgKJHHHH/81.6466514HGHGH324)3500(3500 取预热
48、器为体系，作能量衡算，确定中压过冷水的热力学函数。取预热器为体系，作能量衡算，确定中压过冷水的热力学函数。由由H H4 4查表得：查表得：t t4 4=153.4=153.4。 取闪蒸器为体系，作能量衡算，求低压蒸汽量取闪蒸器为体系，作能量衡算，求低压蒸汽量G.G.64 有效能衡算，计算有效能损失有效能衡算，计算有效能损失D D BBDBBBBB51/5/135003500BBBBBBB632/6/3/23500)19.243500(19.24)(3500)(19.24)(3500652331BBBBBBD =241013.54 =241013.54KJ/hKJ/hkgKJSSTHHSTHBB
49、oo/1474.96)()(313131kgKJSSTHHBBo/4427.650)()(232323kgKJSSTHHBBo/7909.22)()(656565)7909.22(3500)4427.650(19.241424.963500DA68.86KJ/kg 68.86KJ/kg 65 取闪蒸器为体系取闪蒸器为体系, ,作能量衡算作能量衡算, ,计算低压蒸汽量计算低压蒸汽量Gkg/hGkg/hhkgGHHGH/440)3500(3500321(4)(4)B B方案计算方案计算: : 有效能衡算有效能衡算, ,计算计算D.D.BBBBBBBBBBD32/3/21/1)4403500(440
50、3500)(440)(35002331BBBBD kgKJkgKJBBBBBB/4427.650/1474.9623323113kgKJhKJDDBB/3775.14/112.50321)4427.650(4401474.963500相当于 66kgkJkgkJDDBA/3775.14/86.68(5) (5) 比较方案比较方案: :由于由于说明方案说明方案B B的能量利用比方案的能量利用比方案A A好。好。67稳态流动过程的理想功仅取决于体系的初态与终态及环境温度T0，而与具体的变化途径无关。（ ）A） 正确 B) 错误要对化工过程进行节能改进，就必须对理想功、损失功、热力学效率进行计算和热
