1、化工热力学化工热力学第六章 化 工 过 程 能 量 分 析南阳理工学院 生化学院 第第6章章 热力学第一定律及其工程应用热力学第一定律及其工程应用内容概要内容概要能量守恒定律能量守恒定律能量既不能被创造，也不能被消灭，只能在一定条件下从一种形式的能量转变为另一种形式。转换中，能量的总量保持不变。不消耗任何能量而不断作功的第一类永动机是造不成的。不消耗任何能量而不断作功的第一类永动机是造不成的。热机的热效率不可能大于热机的热效率不可能大于1化工热力学化工热力学第六章 化 工 过 程 能 量 分 析南阳理工学院 生化学院 热力学第一定律的实质就是能量在数量上是守恒的热力学第一定律的实质就是能量在数
2、量上是守恒的基本形式为：基本形式为：（体系的能量）（体系的能量）（环境的能量）（环境的能量）0或或（体系的能量）（体系的能量）（环境的能量）（环境的能量）体系的能量的增加等于环境的能量的减少。体系的能量的增加等于环境的能量的减少。热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质化工热力学化工热力学第六章 化 工 过 程 能 量 分 析南阳理工学院 生化学院 能量具有各种不同的形式能量具有各种不同的形式机械能机械能 热能热能 电能电能 化化学能学能 核能等核能等各种不同形式的能量相互转化各种不同形式的能量相互转化热能热能机械能机械能重点内容重点内容敞开系统热力学第一定律敞开系统热力学第一定律 稳定流动与
3、可逆过程稳定流动与可逆过程 可逆轴功与实际轴功的计算可逆轴功与实际轴功的计算 气体压缩及膨胀过程热力学分析气体压缩及膨胀过程热力学分析 节流与等熵膨胀过程中的温度效应节流与等熵膨胀过程中的温度效应 化工热力学化工热力学第六章 化 工 过 程 能 量 分 析南阳理工学院 生化学院 6161、封闭系统的能量平衡封闭系统的能量平衡体系能量的变化体系能量的变化=体系与环境能量交换的净能量。体系与环境能量交换的净能量。即：即：存出入能能能封闭体系封闭体系非流动非流动过程的热力学第一定律过程的热力学第一定律：UQ WfWWeW内能：物质内部所有微观粒子所具有的能量的总和。内能：物质内部所有微观粒子所具有的
4、能量的总和。（仅与微观粒子的数目和温度有关）（仅与微观粒子的数目和温度有关）fWWeW化工热力学化工热力学第六章 化 工 过 程 能 量 分 析南阳理工学院 生化学院 6262、敞开系统的能量平衡敞开系统的能量平衡开系的特点：开系的特点：体系与环境有物质的交换。体系与环境有物质的交换。除有热功交换外，还包括物流输入和除有热功交换外，还包括物流输入和 输出输出(携带能量携带能量)。开系的划分：开系的划分：可以是化工生产中的一台或几台设备。可以是化工生产中的一台或几台设备。可以是一个过程或几个过程。可以是一个过程或几个过程。可以是一个化工厂。可以是一个化工厂。把划定的开放体系那部分称为控制体，用把
5、划定的开放体系那部分称为控制体，用表示。表示。化工热力学化工热力学第六章 化 工 过 程 能 量 分 析南阳理工学院 生化学院 开放体系热力学第一定律：开放体系热力学第一定律：控制体如图所示：控制体如图所示：图图61 开系的平衡开系的平衡（a）质量平衡质量平衡（b）能量平衡能量平衡imjmdtdM控制体控制体dtdE控制体控制体jjem iiem dtQ dtW 化工热力学化工热力学第六章 化 工 过 程 能 量 分 析南阳理工学院 生化学院 单位质量流体携带的能量单位质量流体携带的能量e为：为：212eUgzuz位高位高g重力加速度重力加速度u流体的平均流速流体的平均流速控制体中能量变化：控
6、制体中能量变化：jjjiiiememdtWdtQdtdE两端对时间积分得：两端对时间积分得：dtmedtmeWQEjjttjiitti2121 和和 分别为分别为 内开系与外界交换的热和功内开系与外界交换的热和功 QWt化工热力学化工热力学第六章 化 工 过 程 能 量 分 析南阳理工学院 生化学院 16p1 A1系统与环境交换功系统与环境交换功W，实际上由两部分组成：，实际上由两部分组成：轴功：轴功：通过泵、压缩机等机械设备的转动轴，使系统与环境交换的通过泵、压缩机等机械设备的转动轴，使系统与环境交换的轴功轴功Ws；流动功：流动功：单位质量物质被推入系统时，接受环境所给与的功，以及单位质量物
7、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。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假设系统入口处截面面积为Al，流体的比容为，流体的比容为V1，压力为，压力为p1，则推动，则推动力为力为p1A1，使单位质量流体进入系统，需要移动，使单位质量流体进入系统，需要移动的距离为的距离为V1/A1,推动单推动单位质量流体进入系统所需要的功为：位质量流体进入系统所需要的功为：即单位质量流体进入系统时，接受后面流体（环境）所给予的功；同样单位即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
8、），即对环境作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的的功。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存在。存在。1111 11Vp ApVA化工热力学化工热力学第六章 化 工 过 程 能 量 分 析南阳理工学院 生化学院 2211ttfiiijjjttijWPv m dtPv m dt 1 122WWspVp V1 122fWpVp VittjjjjittiiiisdtmvPedtmvPeWQE2121)()(2211ttiijjttijEQWem dte m dt结合
9、化工热力学化工热力学第六章 化 工 过 程 能 量 分 析南阳理工学院 生化学院 再结合再结合212eUgzu将将 代入，得：代入，得：221122epvUpvgzuHgzu2121()2tsiiiitiEQWHgzum dt 2121()2tjjjjtjHgzum dt将将 0 t时，将上式写成微分式：时，将上式写成微分式：212siiiiiWdEQmHgzudtdtdt212jjjjjmHgzu此式是开系通用的能量平衡方程此式是开系通用的能量平衡方程(开系热力学第一定律）开系热力学第一定律）化工热力学化工热力学第六章 化 工 过 程 能 量 分 析南阳理工学院 生化学院 稳流体系没有能量和
10、质量的积累，即：稳流体系没有能量和质量的积累，即：0;0Em稳定流动稳定流动非稳定流动非稳定流动 稳定流动：稳定流动：流体的流速及其他物理量仅随位置而变而流体的流速及其他物理量仅随位置而变而不随时间而变。不随时间而变。6-3 6-3 稳流过程的能量平衡稳流过程的能量平衡 化工热力学化工热力学第六章 化 工 过 程 能 量 分 析南阳理工学院 生化学院 一些常见的属于稳流体系的装置一些常见的属于稳流体系的装置喷嘴喷嘴扩压管扩压管节流阀节流阀透平机透平机压缩机压缩机混合装置混合装置换热装置换热装置化工热力学化工热力学第六章 化 工 过 程 能 量 分 析南阳理工学院 生化学院 0dtdEsiijj
11、iiijjjijQWH mH mm g zm g z222121jjiiumumspKQWHEE 如图为一稳定流动过程：如图为一稳定流动过程：pEKE：势能：势能：动能：动能稳定流动过程无能量变化稳定流动过程无能量变化一、开系稳流过程的能量平衡式一、开系稳流过程的能量平衡式化工热力学化工热力学第六章 化 工 过 程 能 量 分 析南阳理工学院 生化学院 换热器换热器透平机透平机1111,P T V U2222,P TVU11um Q1hsWh2h零势能基准面零势能基准面122u图6-1 稳定流动示意图21 63UUU22221111 64222kEuuu21 65pEghghg h11111
12、11 67fVWp ApVA222 68fWp V 22211 1 69HUp VUpV化工热力学化工热力学第六章 化 工 过 程 能 量 分 析南阳理工学院 生化学院 当只有一股物料流入和流出：则当只有一股物料流入和流出：则 mmmji写出通式：写出通式：()jiHm HHm h()pjiEmg zzmg z22221)(21umuumEijk212sm hmg zm uQ W 则则:如果将单位质量看成一个体系，因为质量不变，可看如果将单位质量看成一个体系，因为质量不变，可看成是一个成是一个流动的封闭体系流动的封闭体系。化工热力学化工热力学第六章 化 工 过 程 能 量 分 析南阳理工学院
13、生化学院 同除同除m变为单位质量：变为单位质量：212shg zuqw 上两式为上两式为开系稳流过程开系稳流过程的能量平衡式或称为开系稳流的能量平衡式或称为开系稳流过程热力学第一定律数学表达式。过程热力学第一定律数学表达式。例例 61 用功率为用功率为2.0kW的泵将的泵将95的热水从贮水罐送到的热水从贮水罐送到换热器。热水的流量为换热器。热水的流量为3.5kgs3.5kgs-1-1。在换热器中以。在换热器中以698kJs698kJs-1-1的速的速率将热水冷却后送入比第一贮水罐高率将热水冷却后送入比第一贮水罐高15m15m的第二贮水罐中，求第的第二贮水罐中，求第二贮水罐的水温。二贮水罐的水温
14、。化工热力学化工热力学第六章 化 工 过 程 能 量 分 析南阳理工学院 生化学院 t=t=？贮水罐贮水罐换换热热器器95 贮水罐贮水罐进水进水泵泵SWQ15m15m例例6161稳流过程示意图稳流过程示意图化工热力学化工热力学第六章 化 工 过 程 能 量 分 析南阳理工学院 生化学院 以以1kg1kg水为计算基准水为计算基准 输入的功输入的功5.310000.2sw14.571kgJ15714.0kgkJ放出的热放出的热5.3698q14.199kgkJ位能的变化位能的变化 1581.9zg12.147kgJ11472.0kgkJ解解1瓦瓦=1焦焦/秒秒 化工热力学化工热力学第六章 化 工
15、过 程 能 量 分 析南阳理工学院 生化学院 可以忽略此过程动能的变化，即可以忽略此过程动能的变化，即0212u根据稳流过程能量平衡式（根据稳流过程能量平衡式（6868），），221uzgwqhs1472.05714.04.19910.199kgkJ由附表由附表3 3（水蒸汽表）查得（水蒸汽表）查得9595饱和水的焓饱和水的焓1196.397kgkJh故有故有hhh120.19996.39796.19810.199kgkJ根据根据2h再查附表再查附表3 3，得，得51.472t化工热力学化工热力学第六章 化 工 过 程 能 量 分 析南阳理工学院 生化学院 二、稳流过程能量平衡方程式的简化形式
16、及其应用二、稳流过程能量平衡方程式的简化形式及其应用1、机械能平衡方程式（柏努力方程）：机械能平衡方程式（柏努力方程）：流体：不可压缩，无粘性无热、无轴功的交换流体：不可压缩，无粘性无热、无轴功的交换 0,0,0sqwu 由此例可见，对液体稳流过程，热流量较大而位能变化不由此例可见，对液体稳流过程，热流量较大而位能变化不大时，大时，swzg和和与与 相比，显得很小，可以忽略。相比，显得很小，可以忽略。q自看例自看例6.1 作业：作业：6.4内能内能化工热力学化工热力学第六章 化 工 过 程 能 量 分 析南阳理工学院 生化学院 hupvpv 不可压缩流体不可压缩流体v不变，不变，ppvpv21
17、2shg zuqw 方程方程 变成：变成：0212pzgu这就是著名的这就是著名的柏努力方程柏努力方程。适用条件：适用条件：不可压缩，无粘性流体的稳态流动。不可压缩，无粘性流体的稳态流动。（6-10）化工热力学化工热力学第六章 化 工 过 程 能 量 分 析南阳理工学院 生化学院 2 2、与外界有大量热、轴功交换的稳流过程、与外界有大量热、轴功交换的稳流过程SWQHswqh或或、有大量热、无轴功交换，、有大量热、无轴功交换，0SWqhQH,无热交换（绝热）无热交换（绝热）0Q方程为：方程为：SWHswh或或忽略过程中系统的动能和位能变化忽略过程中系统的动能和位能变化化工热力学化工热力学第六章
18、化 工 过 程 能 量 分 析南阳理工学院 生化学院 例：例：某工厂一工段需要流量为某工厂一工段需要流量为10 m3h-1，温度为，温度为80的热水。的热水。现有现有0.3MPa的饱和水蒸汽和的饱和水蒸汽和30的循环回水可供调用。请你的循环回水可供调用。请你设计一个热水槽，进入该槽的蒸汽和冷水的流量？相应的蒸设计一个热水槽，进入该槽的蒸汽和冷水的流量？相应的蒸汽管和冷水管尺寸如何？汽管和冷水管尺寸如何？解：解：这是一个稳定流动系统，动能及势能不是很突出，可以这是一个稳定流动系统，动能及势能不是很突出，可以忽略不计。忽略不计。若忽略混合时的热量损失，而混合过程无机械轴功产生，若忽略混合时的热量损
19、失，而混合过程无机械轴功产生，即即Q=0，Ws=0。稳流系统热力学第一定律，稳流系统热力学第一定律，H=Q-Ws=0，即进出焓相等，即进出焓相等 冷水的热力学性质：冷水的热力学性质：30，近似为饱和液体，近似为饱和液体，H冷水冷水=125.79 kJkg-1，比容，比容1.0043l10-3m3kg-1化工热力学化工热力学第六章 化 工 过 程 能 量 分 析南阳理工学院 生化学院 1133132971810029110hkg.kgm.hmm热水热水热水蒸汽汽冷水水HmHmHm91.3342.97183.2725)2.9718(79.125水水mm14.8936hkgm水18.781hkgm蒸
20、汽3311.029 10 mkg饱和蒸汽的热力学性质：饱和蒸汽的热力学性质：0.3MPa，饱和温度为，饱和温度为133.55，H蒸汽蒸汽=2725.3 kJkg-1，比容，比容 6.0610-3 m3kg-1热水的热力学性质：热水的热力学性质：80，近似为饱和液体，近似为饱和液体，H热水热水=334.91 kJkg-比容为比容为 设冷水的流量为设冷水的流量为m水水，蒸汽的质量流量为，蒸汽的质量流量为m汽汽。热水流量为热水流量为 则则 解得解得 mmm水汽热水化工热力学化工热力学第六章 化 工 过 程 能 量 分 析南阳理工学院 生化学院 查阅查阅“化工工艺设计手册化工工艺设计手册”，可知：一般
21、工业用水在管，可知：一般工业用水在管中的流速要求在中的流速要求在1.0m/s左右，低压蒸汽流速为左右，低压蒸汽流速为20m/s左右。左右。VmUA2/14UVmD 则则 式中式中A为管道截面积，为管道截面积，D为管径，为管径，U为流速，为流速，V为比容。为比容。即即mD056.036000.114.3100043.14.893642/13mD092.036002014.3106068.78142/13冷水管径冷水管径 按照管道规格尺寸，选取按照管道规格尺寸，选取DN50的冷水管道。的冷水管道。选取选取DN100的蒸汽管道。的蒸汽管道。蒸汽管径蒸汽管径化工热力学化工热力学第六章 化 工 过 程
22、能 量 分 析南阳理工学院 生化学院 2221Kg126700189.27.35.44.2 3600427.12.35.41 1.0051089THuQWskJ kgkJ kgHmCp TT 解：以理想气体物料为计算标准。取透平机为体系，若不考虑透平机进、出口的势能变化，则能量方程式为 式中 Q=-Ws=-对于理想气体，过程的焓变 式中为透平机出口气体温度习题习题6.6化工热力学化工热力学第六章 化 工 过 程 能 量 分 析南阳理工学院 生化学院 33111122421318.314 1010890.456.0.7091 283.14160.01602.011 104435.4.9.83 1
23、0.RTVm kgp MDmmkg hkg s透平机进气的体积 透平机进、出口管路界面积 A=透平机进气的质量流量 透平机进、排气的流速 3111411211 22212122112 19.83 100.45622.29.2.011 1022.29 0.70910.14330.1013 1089mVumsAuVu pTTRTRTuuTp Mp MVp T 化工热力学化工热力学第六章 化 工 过 程 能 量 分 析南阳理工学院 生化学院 22222222222222110.143322.292211.00510890.143322.29189.27427.122T1.005726.4770221
24、.50.14330.1433 221.5uTTTTTkuT-2得 将上面所得的结果代人能量方程式，得整理后得 1.027 10解得 则 131.74.ms化工热力学化工热力学第六章 化 工 过 程 能 量 分 析南阳理工学院 生化学院 二、二、可逆过程可逆过程耗散效应耗散效应：可用功由于摩擦阻力等造成功转变为热的现象可用功由于摩擦阻力等造成功转变为热的现象汽缸汽缸活塞活塞飞轮可逆过程：当系统进行正、反两个方向后，系统与外界环境均能完全回复当系统进行正、反两个方向后，系统与外界环境均能完全回复到其初始状态，这样的过程称为可逆过程到其初始状态，这样的过程称为可逆过程 化工热力学化工热力学第六章 化
25、 工 过 程 能 量 分 析南阳理工学院 生化学院 三、轴功三、轴功1、可逆轴功可逆轴功 RSW、绝热可逆过程：、绝热可逆过程：HWRS、对于静止的或流动的封闭体系、对于静止的或流动的封闭体系单位质量流体：单位质量流体：vdpqvdptdshR可逆无任何摩擦损失的轴功化工热力学化工热力学第六章 化 工 过 程 能 量 分 析南阳理工学院 生化学院 当流体经产功或耗功装置时，可忽略动位能变化，则通用当流体经产功或耗功装置时，可忽略动位能变化，则通用能量平衡方程写成：能量平衡方程写成：vdPqwqRRsR)(可逆过程可逆过程:)()RsRwqh（21)(PPRsvdPw或或 2211()pPS R
26、pPWmvdPVdP用于液体时用于液体时:不可压缩流体不可压缩流体V=常数常数 PvwRs)(PVWRS)(化工热力学化工热力学第六章 化 工 过 程 能 量 分 析南阳理工学院 生化学院 2、实际轴功的计算：、实际轴功的计算：产功设备（透平）：产功设备（透平）：)(RSSWW实1)(RSSmWW 的大小与机器制作水平有关。的大小与机器制作水平有关。耗功设备：耗功设备：)(RSSWW实1)(SRSmWW01,0.60.8mm通常化工热力学化工热力学第六章 化 工 过 程 能 量 分 析南阳理工学院 生化学院 例例某化工厂用蒸汽透平带动事故泵，动力装置流程如某化工厂用蒸汽透平带动事故泵，动力装置
27、流程如图所示。给水的图所示。给水的压力为压力为0.09807MPa（绝）（绝），温度温度15。水被。水被加压到加压到0.687MPa（绝）（绝）后进入锅炉，将水加热成饱和蒸汽。蒸后进入锅炉，将水加热成饱和蒸汽。蒸汽由锅炉进入透平，并在透平中进行膨胀作功。排出的蒸汽（汽由锅炉进入透平，并在透平中进行膨胀作功。排出的蒸汽（称乏汽）称乏汽）压力为压力为0.09807MPa。蒸汽透平输出的功主要用于带动。蒸汽透平输出的功主要用于带动事故泵，有一小部分用于带动给水泵。若事故泵，有一小部分用于带动给水泵。若透平机和给水泵都是绝透平机和给水泵都是绝热、可逆操作热、可逆操作的，的，问有百分之几的热能转化为功（
28、即用于事故泵问有百分之几的热能转化为功（即用于事故泵的功）？的功）？解解计算基准取计算基准取1kg水。水。给水泵轴功可用式（给水泵轴功可用式（615）进行计算）进行计算化工热力学化工热力学第六章 化 工 过 程 能 量 分 析南阳理工学院 生化学院 31()0.0010.6780.09807100.5799.S Rwv PkJ Kg 查附表查附表3（水蒸汽表）可知（水蒸汽表）可知15水水的饱和蒸汽压为的饱和蒸汽压为1.7051KPa1.7051KPa、比容比容为为13001.0kgm泵的操作绝热可逆，因此：泵的操作绝热可逆，因此：锅炉锅炉透透平平Ws（泵）驱动水泵需用功（泵）驱动水泵需用功1给
29、水给水aMPP09807.01t=15泵泵aMPP678.02243aMPP678.03饱和蒸汽饱和蒸汽aMPP09807.04废蒸汽（乏汽）废蒸汽（乏汽）TurSW.12hhh10.5799kJ kg)(泵Sw化工热力学化工热力学第六章 化 工 过 程 能 量 分 析南阳理工学院 生化学院 倘若知道进入水泵时水的焓倘若知道进入水泵时水的焓 ，则可从上式求出，则可从上式求出 ，即进入锅，即进入锅1h2h炉的液体水的焓。炉的液体水的焓。15饱和水的焓饱和水的焓 可以从水蒸汽表中查到可以从水蒸汽表中查到饱和水h199.62kgkJh饱和水1h饱和水h与与的关系为的关系为1h101PPTdPPhhh
30、饱和水（A）式中式中011.705,98.07aaPkP PkP由由12hhh10.5799kJ kg)(泵SwTphvvTPT化工热力学化工热力学第六章 化 工 过 程 能 量 分 析南阳理工学院 生化学院 并用并用PVT数据进行积分计算表明，式（数据进行积分计算表明，式（A）右边积分项之值很小，）右边积分项之值很小，可以忽略。因此可以忽略。因此饱和水hh 1262.990.5799h 锅炉出口为锅炉出口为687kPa的饱和蒸汽，的饱和蒸汽，从水蒸气表中查得从水蒸气表中查得199.62kgkJ163.57kJ kg132763kgkJh11370.6KkgkJS101PPTdPPhhh饱和水
31、（A）化工热力学化工热力学第六章 化 工 过 程 能 量 分 析南阳理工学院 生化学院 可根据式（可根据式（614）对锅炉进行能量衡算）对锅炉进行能量衡算;shqw 0sw12699kgkJ每每kg水通过锅炉吸热水通过锅炉吸热2699kJ。按题意透平机是在绝热、可逆条件下操作的，因此是等熵过程，按题意透平机是在绝热、可逆条件下操作的，因此是等熵过程，34SS 已知已知aMPP09807.04，根据，根据 和和 之值从水蒸气的焓熵图之值从水蒸气的焓熵图4S4P（Mollier图）可查得图）可查得142425kgkJh1170.6KkgkJhq23hh 58.632763化工热力学化工热力学第六章
32、 化 工 过 程 能 量 分 析南阳理工学院 生化学院 根据式（根据式（614）对透平机进行能量衡算）对透平机进行能量衡算.;S Turhqw 0qhwTurS.其中有一部分轴功用于水泵，因而提供给事故泵的轴功为其中有一部分轴功用于水泵，因而提供给事故泵的轴功为3380.5799Sw Sw与与q之比，称热效率之比，称热效率 ，T由此可见，只有由此可见，只有12.5%的热转化为功，此功用于事故泵。的热转化为功，此功用于事故泵。%5.12qwST26994.3371250.014.337kgkJ1338kgkJ43hh 24252763化工热力学化工热力学第六章 化 工 过 程 能 量 分 析南阳
33、理工学院 生化学院 例：例：30 的空气，以的空气，以5m/s的流速流过一垂直安装的热的流速流过一垂直安装的热交换器，被加热到交换器，被加热到150，若换热器进出口管直径相，若换热器进出口管直径相等，忽略空气流过换热器的压降，换热器高度为等，忽略空气流过换热器的压降，换热器高度为3m，空气空气Cp=1.005kJ(kg.K),求求50kg空气从换热器吸收的空气从换热器吸收的热量热量化工热力学化工热力学第六章 化 工 过 程 能 量 分 析南阳理工学院 生化学院 将空气当作理想气体，并忽略压降时将空气当作理想气体，并忽略压降时1122VTVTAuTAuT1122s/m.TTuu986303423
34、51212解：解：22suhg zqw 2150 1.0054233036030Pm hmCTTkJ 化工热力学化工热力学第六章 化 工 过 程 能 量 分 析南阳理工学院 生化学院 换热器的动能变化和位能变化可以忽略不计换热器的动能变化和位能变化可以忽略不计kJ.J.zmg47211472381950kJ.Q6032472159306030kJ.J.um5930593259865021222化工热力学化工热力学第六章 化 工 过 程 能 量 分 析南阳理工学院 生化学院 例题例题6.36.3 将将298K298K、0.09807MPa(0.09807MPa(绝绝)的水用泵送到压力为的水用泵送
35、到压力为0.588MPa 0.588MPa(绝绝)的锅炉中，问输送的锅炉中，问输送1000kg1000kg水要消耗多少可逆轴功？若给水泵水要消耗多少可逆轴功？若给水泵的效率为的效率为0.850.85，间实际耗功为多少，间实际耗功为多少?解：查附录3水蒸汽表298K、0.09807MPa(绝)水的比容为33-11.003 10mkg由此可求出可逆轴功为21S(R)213-153-1-1d()1 1.003(0.588 0.09807)0.4914(m MPa t)4.914 10 m Pa t0.1365kWh tppWmV pmV pp 实际功耗S(R)-1Sm0.1365=0.1606(kW
36、h t)0.85WW化工热力学化工热力学第六章 化 工 过 程 能 量 分 析南阳理工学院 生化学院 四、热量衡算四、热量衡算无轴功交换，只有热交换过程的能量衡算称为无轴功交换，只有热交换过程的能量衡算称为热衡算热衡算 稳流过程的热量衡算的基本关系式：稳流过程的热量衡算的基本关系式：qhJ/kg QH热量衡算时应将生产过程中各种可能热效应考虑进去。热量衡算时应将生产过程中各种可能热效应考虑进去。生产中的四种热效应：生产中的四种热效应：显热显热物流的温度变化物流的温度变化 潜热潜热物流的相变化物流的相变化 混合热效应混合热效应多股物流混合多股物流混合 反应热效应反应热效应化学反应产生化学反应产生
37、化工热力学化工热力学第六章 化 工 过 程 能 量 分 析南阳理工学院 生化学院 6-4、气体压缩过程气体压缩过程常用于压缩气体的机械有：常用于压缩气体的机械有：（终压（终压0.3 aMP，压缩比，压缩比4）压缩机压缩机 鼓风机（终压鼓风机（终压0.0150.3aMP，压缩比压缩比4）通风机（终压通风机（终压0.015aMP（表压）（表压）按运动机构，压缩机分按运动机构，压缩机分往复式往复式叶轮式叶轮式化工热力学化工热力学第六章 化 工 过 程 能 量 分 析南阳理工学院 生化学院 一、压缩过热力学分析一、压缩过热力学分析 理想压缩过程：理想压缩过程：整个过程均为可逆，不存在任何摩擦整个过程均
38、为可逆，不存在任何摩擦损耗，输入的功完全用于压缩气体。损耗，输入的功完全用于压缩气体。往复式压缩机压缩过程示意图：往复式压缩机压缩过程示意图：排气活门排气活门吸气活门吸气活门冲程冲程活塞活塞冲程：冲程：活塞从一端到另一端的行程距离称为冲程或行程活塞从一端到另一端的行程距离称为冲程或行程 化工热力学化工热力学第六章 化 工 过 程 能 量 分 析南阳理工学院 生化学院 PV2P6512c2a2b31 1、恒温压缩过程：、恒温压缩过程：()0SHQW3、绝热压缩过程：、绝热压缩过程：常数KPV2、多变压缩过程：、多变压缩过程：常数mPV气体压缩过程在气体压缩过程在 P-V 图中的表达图中的表达图图
39、 6-3化工热力学化工热力学第六章 化 工 过 程 能 量 分 析南阳理工学院 生化学院 就功的绝对值而言：就功的绝对值而言：等温过程压缩功最小，绝热压缩功最大，等温过程压缩功最小，绝热压缩功最大，多变过程居中多变过程居中 二、单级压缩机可逆轴功的计算：二、单级压缩机可逆轴功的计算：1、等温压缩等温压缩理想气体：理想气体：QWHRS)(,0QWRS)(2、绝热过程绝热过程21PPVdP211PPdPPnRT121lnPPnRT与体积功计算与体积功计算公式的区别公式的区别化工热力学化工热力学第六章 化 工 过 程 能 量 分 析南阳理工学院 生化学院 0Q )(RSWH 12*TTnCHPKKP
40、PTT1121211121*TPPTnCHKKP11121*KKPPPRRTnC;PPVVCK CCRC化工热力学化工热力学第六章 化 工 过 程 能 量 分 析南阳理工学院 生化学院 121111KKPKnRTKP1111211KKPPVPKK12()1111KKS RPKWnRTKP1111211KKPPVPKK1*21*11KKPPvCPHnRTCCP化工热力学化工热力学第六章 化 工 过 程 能 量 分 析南阳理工学院 生化学院 理想气体的理想气体的K 可取：可取：单单原子气体：原子气体：K=5/3=1.667双双原子气体：原子气体：K=7/5=1.40多多原子气体：原子气体：K=4/
41、3=1.333混合气体的绝热指数混合气体的绝热指数mK可按下式计算：可按下式计算：iiimKyK111iK混合气体中某组分的绝热指数混合气体中某组分的绝热指数iy混合气体中某组分的摩尔数混合气体中某组分的摩尔数化工热力学化工热力学第六章 化 工 过 程 能 量 分 析南阳理工学院 生化学院 由公式可知：由公式可知：气体压缩过程所耗的理论轴功决定于气体压缩过程所耗的理论轴功决定于始温下始温下绝热指数绝热指数K和压缩比和压缩比。3、多变过程：多变过程：1111211)(mmRSPPVPmmW111121mmPPnRTmm1mk化工热力学化工热力学第六章 化 工 过 程 能 量 分 析南阳理工学院
42、生化学院 4、真实气体压缩功的计算：真实气体压缩功的计算：、当压缩因子系数当压缩因子系数Z变化不大时：变化不大时：若压缩机进出口若压缩机进出口Z 变化不大，可取平均值：变化不大，可取平均值：2mZZZ进出，然后将其看成常数。，然后将其看成常数。等温压缩：等温压缩：121)(lnPPnRTZWmRS化工热力学化工热力学第六章 化 工 过 程 能 量 分 析南阳理工学院 生化学院 绝热压缩：绝热压缩：111121)(KKmRSPPnRTZKKW 多变压缩：多变压缩：111121)(mmmRSPPnRTZmmW、易液化气体易液化气体（上述公式不适用）（上述公式不适用）绝热过程：绝热过程：HWRS)(
43、QHWRS)(多变过程：多变过程：化工热力学化工热力学第六章 化 工 过 程 能 量 分 析南阳理工学院 生化学院 例例 设空气的设空气的初态压力为初态压力为0.10814MPa，温度为温度为15.6，今，今将将1kg空气压缩至空气压缩至aMPP8424.12（绝压）。（绝压）。试比较可逆等温、绝试比较可逆等温、绝热和多变压缩过程热和多变压缩过程（m=1.25）的功耗和终点温度。（空气可作双的功耗和终点温度。（空气可作双原子气体处理）原子气体处理）解解空气在压力较低时可视为理想气体。空气在压力较低时可视为理想气体。（a）等温压缩。）等温压缩。2()1lnS RPwR TP16.234kgkJ式
44、中式中。129,kmolkgMMRRairair10814.08424.1ln6.1527329314.8根据式（根据式（618），有），有化工热力学化工热力学第六章 化 工 过 程 能 量 分 析南阳理工学院 生化学院 110814.08424.16.1527329314.814.14.114.14.1)(RSw17631.16.2882867.04.04.1144.361kgkJ（c）多变压缩。）多变压缩。1.251.25 1()1.251.84240.2867288.611.25 10.10814S Rw17631.16.2882867.025.025.117.315kgkJ根据式（根据
45、式（620），有），有（b）绝热压缩。）绝热压缩。空气空气 K=1.4 K=1.4，根据式（，根据式（619619），有），有化工热力学化工热力学第六章 化 工 过 程 能 量 分 析南阳理工学院 生化学院 压缩过程终点的温度为压缩过程终点的温度为绝热压缩：绝热压缩：KKPPTT11212C79.375多变压缩：多变压缩：mmPPTT11212K83.508计算结果列表如下：计算结果列表如下：4.114.110814.08424.16.288K79.64825.1125.110814.08424.16.288C83.235化工热力学化工热力学第六章 化 工 过 程 能 量 分 析南阳理工学院
46、生化学院 压缩过程压缩过程终温，终温，Ct功耗，功耗，)(1)(kgkJwRS等温等温多变多变15.6235.83234.6315.7375.79361.44绝热绝热 从表中数据可见，在从表中数据可见，在1mp2)的现象。节流阀 Throttling Valve化工热力学化工热力学第六章 化 工 过 程 能 量 分 析南阳理工学院 生化学院 JouleThomson节流温度效应节流温度效应JppHVTVTTpc理想气体节流前后温度不变理想气体节流前后温度不变实际气体节流前后温度有三种变化可能，实际气体节流前后温度有三种变化可能，绝热节流节流过程中流体与外界没有热量交换 1221,SSHHpTp
47、TJJ若则u 0若则u 0 表示节流膨胀后气体温度下降；表示节流膨胀后气体温度下降；J-T 0；在点；在点 3 右侧，右侧，J-T 0，是致冷区，在这个，是致冷区，在这个区内，可以把气体液化；虚线以右，区内，可以把气体液化；虚线以右，J-T 0，是致热区，气体，是致热区，气体通过节流过程温度反而升高。通过节流过程温度反而升高。化工热力学化工热力学第六章 化 工 过 程 能 量 分 析南阳理工学院 生化学院 显然，工作物质（即筒内的气显然，工作物质（即筒内的气体）不同，转回曲线的体）不同，转回曲线的 T,p 区区间也不同。例如，间也不同。例如，N2 的转回的转回曲线温度高曲线温度高，N2 气能液
48、化的气能液化的范围大；而范围大；而 H2 和和 He 则很难则很难液化。液化。图图 1-17 为不同气体在为不同气体在等焓条件下温度随压力变化的等焓条件下温度随压力变化的实验曲线。实验曲线。化工热力学化工热力学第六章 化 工 过 程 能 量 分 析南阳理工学院 生化学院 例例 1.5MPa的湿蒸汽在量热计中被节流到的湿蒸汽在量热计中被节流到0.1MPa和和403.15K的过热蒸汽，求湿蒸汽的干度（蒸汽组成）。的过热蒸汽，求湿蒸汽的干度（蒸汽组成）。解sWQzguH22节流过程无功的传递，节流过程无功的传递，忽略散热、忽略散热、动能变化动能变化和位能变和位能变化化12HHT H kJ/kg120
49、2716.61602796.2130H26271622796627161201601201302.Hkg/kJ.H527362内插法查表求内插法查表求H2化工热力学化工热力学第六章 化 工 过 程 能 量 分 析南阳理工学院 生化学院 1.5MPa 饱和液体焓值饱和液体焓值 Hl=844.9 饱和蒸汽焓值饱和蒸汽焓值 Hg=2792.2xHxHHgl115273612.HH970909844227929844527361.HHHHxlgl化工热力学化工热力学第六章 化 工 过 程 能 量 分 析南阳理工学院 生化学院 6.6 等熵膨胀等熵膨胀高压气体在膨胀机中作绝热膨胀，同时对外作功，高压气体
50、在膨胀机中作绝热膨胀，同时对外作功，若过程可逆若过程可逆，则为则为等熵膨胀等熵膨胀等熵效应：等熵效应：等熵时压力变化引起的温度变化等熵时压力变化引起的温度变化SpSpVTTTpc0;0;0TVTcp0s因为因为微分等熵效应微分等熵效应S化工热力学化工热力学第六章 化 工 过 程 能 量 分 析南阳理工学院 生化学院 温度下降的原因：温度下降的原因：是由于在膨胀过程有外功输出，膨胀后是由于在膨胀过程有外功输出，膨胀后气体的位能增大，这些都要消耗能量，这些能量需要用内气体的位能增大，这些都要消耗能量，这些能量需要用内能来补偿，故气体的温度必然降低，总是得到冷效应。能来补偿，故气体的温度必然降低，总
