Chapt.6-化工过程热力学分析
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第6章 化工过程热力学分析 ppt课件
6.1.3 不可逆过程的损耗功WL
实际过程都是不可逆的，实际功必定小于理想功，理想功 与实际功之差称为损耗功
过程热力学分析中应用极广
Gouy-Stodola）公式，在化工
6.2 化工单元过程的热力学分析
1 流体流动过程 2 传热过程 3 分离过程 4 化学反应过程
6.2.1 流体流动过程
根据热力学基本原理也可证明，和外界无热、功交换但有 压力降的流动过程必定有功损耗。可得流动过程的损耗功为：
6.3.2 两种损失和两种效率
6.3.2.1 两种损失 笼统地说能量损失非但违反热力学第一定律，而且无意义。 所谓能量损失，通常指通过各种途径由系统排到环境中去的未能 利用的能量。 ▉的损失可分成两部分。一部分称为内部损失，是由系统内 部各种不可逆因素造成的损失。 6.3.2.2 两种效率——第一定律效率与第二定律效率 （１）第一定律效率 。 （２）第二定律效率 。
6.4.2 非平衡热力学分析法简介
（２）不可逆过程的熵产率及昂萨格倒易关系
（３）非平衡热力学分析法及其应用举例 非平衡热力学分析法就是以非平衡热力学原理特别是熵产定 律来计算和分析过程的力和流以及由此产生的熵产率的大小，详 细揭示造成能量损耗的原因、部位和机制，并将之与具体过程设 备的结构和操作方式进行关联，以有效指导过程流程改进、操作 方式升级、节能设备的开发和设计等。
6.3.3 三种常规的热力学分析法汇总
6.3.3.1 能量衡算法 能量衡算法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 。基于热力学第一定律的普遍适用性，可由此 求出许多有用的结果，如设备的散热损失、理论热负荷、可回 收的余热量和电力损失的发热量等。 6.3.3.2 熵分析法 熵分析法是通过计算不可逆过程熵产生量，确定过程的 损失和热力学效率。具体地说是以热力学第一定律与第二定律 为基础，通过物料和能量衡算，计算理想功和损耗功，求出过 程热力学效率 。
化工热力学第六章化工过程能量分析
6.2.1.1 熵增原理与过程不可逆性
封闭系统热力学第二定律表达式
孤立系统： Q 0
dS Q
T
则：
dSt 0
——熵增原理
若将系统和环境看作一个大系统，则：
由 St (Ssys Ssur ) 0 可知：
即孤立体系永远不会发生熵减少的过程。
1.有热量传递不做功
功源
两个热源之间热传递过程如下图所示：
过程不做功， WS 0 ，则有 H 0
因此
Mh m1h1 m2h2
可求得混合后空气的温度
T3
m1C
T id
p1
m2C
T id
p2
MC
pmh
m1T1 m2T2 M
10500 5300 433.3K
15
对于绝热稳流过程，由式(6-18)可得
Sg m js j 出 misi 入 Ms3 m1s1 m2s2
由热力学第一定律可得： H Q WS (R) 0
由热力学第二定律：
WS(R) QH QL
可逆过程： (S sys S sur ) 0
循环过程： S sys 0
则：
Ssur S高温源 S低温源
可逆：
S高温源
QH TH
S 低温源
QL TL
S sur
QH TH
QL TL
0
则： QL TL
图6-3 敞开系统熵平衡示意图
系统熵积累速率
dSopsys
dt
可以写成：
与环境热量交换引起的熵变
dS opsys dt
S
f
S g
i
mi si
in
j
mjsj
out
化工热力学：第五章 化工过程热力学分析
5.1.3稳流体系热力学第一定律
根据能量守恒原理： 进入体系能量=离开体系能量+体系内积累的能量 ∵ 稳定流动体系无能量的积累
∴ E1 ＋Q＋W = E2 E2－E1 ＝Q＋W
(U2-U1)+(u22-u22)/2+g(Z2-Z1)=Q＋W ΔU＋Δu2/2＋gΔZ＝Q＋W （5-5）
5.1.3稳流体系热力学第一定律
5.1.2 封闭体系热力学第一定律
封闭体系只有能量交 换，无物质交换，故 与物质交换有关的动 能和势能变化为零
ΔU＋ΔEk +ΔEp＝Q＋W
ΔU＝Q＋W
5.1.3稳流体系热力学第一定律
稳定流动 敞开体系 稳定、连续、流进、流
出，不随时间变化，没 有能量和物料的积累。 化工过程中最常用
不能用ΔU＝Ｑ+Ｗ来表达!!!
5.1.3稳流体系热力学第一定律
以1Kg为基准!!! Q为体系吸收的热量 W为体系与环境交换
的功。
截面1的能量E1 E1 = U1 + gZ1+ u12/2
截面2的能量E2 E2 = U2 + gZ2+ u22/2
A1
u1
1
P1,V1,Z1,u1
Z1
Ws
Q
A2
u2
P2,V2,Z2,u2
2 Z2
Vdp udu gdz Ws,rev 稳流过程的可逆轴功
两边积分，并令V＝1/ρ，当与环境无轴功交换时：
p u2 gz 0
2
柏努利方程
其中： Ws,rev Vdp
Ws,rev
p2 Vdp
p1
5.1.3 稳流体系热力学第一定律
稳流过程的可逆轴功计算公式：
化工过程中的热力学分析与应用
化工过程中的热力学分析与应用在化工领域中，热力学分析是一项至关重要的工具，它为理解和优化化工过程提供了坚实的理论基础。
化工过程涉及物质的转化、能量的传递和变化，而热力学正是研究这些现象的科学。
热力学的基本概念包括内能、焓、熵等。
内能是系统内部所具有的能量总和，而焓则是在等压条件下，引入的一个便于计算的热力学量。
熵则用于衡量系统的混乱程度。
这些概念在化工过程的分析中具有重要意义。
以一个常见的化工过程——化学反应为例。
热力学分析可以帮助我们确定反应是否能够自发进行。
通过计算反应的吉布斯自由能变化（ΔG），若ΔG ＜ 0，则反应在给定条件下可以自发进行；若ΔG ＞ 0，则反应不能自发进行，需要外界提供能量。
例如，合成氨反应（N₂＋3H₂⇌ 2NH₃），在一定的温度和压力条件下，通过热力学计算可以判断出反应的可行性和方向。
在化工分离过程中，热力学同样发挥着关键作用。
比如蒸馏操作，不同组分的沸点差异是分离的基础。
通过对混合物的汽液平衡进行热力学分析，可以确定分离所需的条件，如温度、压力等。
在萃取过程中，溶剂的选择也需要考虑热力学因素，以确保溶质能够有效地从一相转移到另一相。
在能源利用方面，热力学分析有助于提高化工过程的能源效率。
例如，在蒸汽动力循环中，通过对卡诺循环的分析，可以明确如何提高热效率，减少能量损失。
通过优化设备的设计和操作条件，能够降低能耗，实现可持续发展。
热力学还可以用于评估化工过程的环境影响。
例如，在燃烧过程中，通过分析燃烧产物的生成和排放，可以采取措施减少污染物的产生，降低对环境的危害。
同时，对于废弃物的处理和回收利用，热力学原理也能够提供指导，以实现资源的最大化利用和环境的最小化污染。
然而，在实际的化工过程中，热力学分析也面临一些挑战。
首先，实际系统往往非常复杂，涉及多种物质和多个相互作用的过程，精确的热力学模型建立较为困难。
其次，实验数据的准确性和可靠性对热力学分析的结果有很大影响，但实验测量往往存在误差和不确定性。
第6章-化工过程的能量分析
2. 稳定稳流定动流化动学化反应学过反程应的过理程想理功想功的计算
某化学反应，理想功为正，向外供能；理想功 为负值，耗能。
标 准 终 态 下 理 想 功 计 算式
Wid H T0S
H 为 标 准 反 应 热
H＝
p
H
f
p
R
H
f
R
p
R
2023/11/2
标 准 状 态 下 化 学 反 应 的熵 变
2023/11/2
WL与T0/T成正比关系，流体温度越低， WL越大。 节流过程是流动过程的特例。为了减少功 损耗要避免节流过程。 气体的体积大于液体的体积，WL与体积成 正比，因此，气体节流的WL大于液体的WL。 对此，应避免节流过程。
2023/11/2
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、蒸发、 结晶、吸附等过程。
S
p
S
p
R
S
R
p
R
标 准 状 态 下 ， 恒 温T0
G H T0S
2023/11/2
Wid H T0S G
Wid G
R
Gf
R
p Gf p
R
p
3. 不可逆过2程、的不损可耗逆功过程的损耗功WL
WL Wid Ws 恒质量流体为计算基准
Wid T0Ssys hsys Ws Q hsys Wid Ws T0Ssys Q
6.2 化工单元过程的热力学分析
传热过程 流体流动过程 分离过程 化学反应过程
2023/11/2
1. 传热过程的不可逆损耗功来自热的温差。
换 热 器 高 温 流 体 给 出QH， 低 温 时 得 到QL , 且 QH QL Q 则传热过程的热损耗为
化工热力学课件之——化工过程能量分析
• 不可逆过程：一个单向过程发生之后一定留下一 些痕迹，无论用何种方法也不能将此痕迹完全消 除，在热力学上称为不可逆过程．
– 凡是不需要外加功而自然发生的过程皆是不可逆过 程（自发过程）。 – 如：爆炸、节流、气体向真空自由膨胀等
§6.0 热力学基本概念复习
• 可逆过程：当体系完成某一过程后，如果令过程逆 行而能使过程中所涉及的一切(体系及环境)都回复 到原始状态而不留下任何变化，则此过程称为可逆 过程．
5）可逆过程是效率最高的过程。 体系对外做最大功。 体系对外吸收最小功。 6）很多热力学关系式是在可逆过程的前提下推 导出来的。如： Q
dS T
§6.0 热力学基本概念复习
• 4、热和功
– 1）热和功不是状态函数，与途径有关。 – 2）热和功只是能量的传递形式，而不是贮存形式。 当能量以热和功的形式传入体系后，增加的是内能 。 ΔU＝Ｑ+Ｗ 热力学第一定律 – 3） 按照国际规定:
o H 298
若 以1t 100%H 2 SO4 为 计 算 基 准 则 有 ,
( 1 )4FeS2 11O2 900 8 SO2 2Fe 2O3 0 C Q1 4.22 10 KJ / t
6
( 高 温 余 热) ( 中 温 余 热) ( 低 温 余 热)
( 2 )SO2 0.5O2 590 SO3 0C 420 Q2 1.00 10 KJ / t
– 4) 热的推动力是温差
功的推动力是除温差以外的势的梯度
– 5) 热量的传递是无序的，热量是规格低的能量
功的传递是有序的， 功是规格高的能量
化工过程能量分析实例
• 乙苯脱氢制苯乙烯
C 2H 3 苯乙烯 C2 H 5 乙苯
化工热力学：第五章 化工过程热力学分析
热机均从高温热源吸收无限小的热量δQh，恒温向低温冷源放
出无限小的热量δQl
Qh Ql 0
Th Tl
沿热力学循环过程作循环积分为：
Q
T
0
可逆循环等于0 不可逆循环小于0
热力学第二定律的本质与熵的概念
凡是自发的过程都是不可逆的，而一切不可 逆过程都可以归结为热转换为功的不可逆性。
一切不可逆过程都是向混乱度增加的方向进 行，而熵函数可以作为体系混乱度的一种量 度。
5.3.2 熵与熵增原理
1、熵S的定义
dS
(
Q
T
)可逆
( 1)
dS
(Q
T
)可 逆ACB
(Q
T
)可 逆ADB
P
任意可逆过程的热温商的值 决定于始终状态，而与可逆 途径无关，这个热温商具有 状态函数的性质。
F (不可逆)
D (可逆)
A B
C(可逆)
V
5.2.2 熵与熵增原理
2、不可逆过程的熵变
与体系密切相关、有相互 作用或影响所能及的部分称为 环境。
热力学基本概念复习2：体系的分类
根据体系与环境之间的关系，把体系分为三类：
（1）敞开体系 体系与环境之间既有物 质交换，又有能量交换
（2）封闭体系 体系与环境之间无物
质交换，但有能量交换。
热力学基本概念复习2：体系的分类
（3）孤立体系（isolated system） 体系与环境之间既无物质交换，又无能量交换，故
x H1 Hl 2736.5 844.9 0.9709 Hg Hl 2792.2 844.9
例题
例2：功率为2.0 kw的泵将95oC水从贮水罐泵压到换热
器，水流量为3.5kg/s，在换热器中以698kJ/s的速率将
06《化工热力学》第六章化工过程的能量分析
6.1.3
能量平衡方程的应用
例题
对一个过程进行能量恒算或能量分析时，应该根 据过程的特征，正确而灵活地将能量平衡方程式应用 于不同的具体过程。 （1）
封闭体系
封闭体系是指体系与环境之间的界面不允许传递 物质，而只有能量交换，即δm1=δm2=0，于是能量方 程式（6-9）变成
d (mE) 体系 Q Ws
例题
系的能量方程式
1 2 H u gZ Q Ws 2
（6-13）
此公式是由能量守恒定律推导出来的。而能量守恒 是自然界的客观规律。因而式(6-13)对可逆过程和实际 过程均适用。
6.1.3
24
上一内容
下一内容
回主目录
使用时注意公式中各项单位必须一致。 2 1 2 焦 米 u 的单位： 如： 公斤 秒 2
δ W =δ WS ，于是有
（6-11）
又因封闭体系流动功为零，由式（6-6）得
m dU Q W
（6-12）
回主目录
对单位质量的体系
dU Q W
上一内容 下一内容
6.1.3
22
（2）稳态流动体系
稳态流动过程
◎ 物料连续地通过设备，进入和流出的质量流率在 任何时刻都完全相等； 但摩尔流率或体积流率往往 不相等。 ◎ 体系中任一点的热力学性质都不随时间而变，体 系没有物质及能量的积累，
上一内容
图6-1 敞开体系示意图
1
WS
2
例题
E2U 2 P2V2
u2
E1U1 PV 1 1
u1
m1
m2
z1
dx1
1
z2
Q
回主目录
2
6.1.2
化工过程热力学分析2
化工热力学
第六章 化工过程热力学分析
第二节
（2） W L ( T Hm T Lm ) ，即当环境温度 T 0 ，传热量 Q
及传热温度之积 T Hm T Lm 一定时,损耗功与传热温差成正比。
（3） W L 越小，W L 越大。 因此：低温传热的损耗功大于高温传热的损耗功；高温传热 允许的传热温差比低温传热的大。 思考: 1.为了减小功损耗，换热器的冷热流体温差是否越小越好？ 2.如何根据生产实际温度选择合适的流体温度差？
1
m 188 . 229 kg h
W id 低 H 低 T 0 S 低 188 . 229
4 . 69 110
25
298 188 . 229
4 . 69 ln
383 298
化工热力学
第六章 化工过程热力学分析
1
第二节
75037 . 5 66015 . 8 9021 . 67 kJ h
p1
V T
dP
式中：T和V分别是流体的体积和温度 T、V可看成常数，因此上式写成：
WL T0 T V P P2 1
式中： T 0 为环3.热力学分析： (1)
第六章 化工过程热力学分析
P l u d 2
2
第二节
W L ( P1 P2 )
热力学平均温度代替。一般流体： T2 T1 Tm C pm 常数 T2 ln T1 T0 WL (THm TLm )Q THmTLm 2.热力学分析：
（1）由推导公式过程可知，即使换热器无散热损失，
Q损 0，热量在数量上完全收回，即热流体放出的热全部用
( 于冷流体的升温，仍有功损耗，WL 0， ( T Hm T Lm ) 0 ) 。
C6化工过程的能量分析之有效能分析
化工热力学 第六章 化工过程热力学分析 第五节 6、化学 的计算：
E X C H H 0 T 0 S S 0
一般规定环境温度T0、环境压力P0以及基准物的种类、状态和组成。
（A）波兰学者斯蔡古特模型：
化工热力学 第六章 化工过程热力学分析 第五节 （B） 日本学者龟山—吉田模型:
其他元素以T0、P0下最稳定的化合物作为该元素的基准物，液 体、固体的基准物浓度（摩尔分数）规定为1。
化工热力学 第六章 化工过程热力学分析 第五节
解 E x ： T （ 0S 0 S ） （ H 0 H ）
P,
T,K
MPa
水
饱和蒸 汽
过热蒸 汽
饱和蒸 汽
饱和蒸 汽
0.101 3
1.013
1.013
6.868
8.611
298 453 573 557.2 573
S (KJ/Kg.K )
0.3674 6.582 7.13 5.826 5.787
6.5865 -819.9 819.9
S0=0.36740化工热力学来自第六章 化工过程热力学分析 第五节
5 热量 的计算：
定义：热量相对于平衡环境态所具有的最大作功能力。EXQ
由卡诺热机效率
k
WS QH
Ex,Q QH
THT0 TH
热物体P，T
恒温 变温
EXQ
Q1
T0 TH
EXQ QH1TTm0
E xT （ 0S 0S ） （ H 0H ）
P,MPa
T,0C H(KJ/Kg )
蒸汽7.00 285 2772.1 蒸汽1.0 179.9 2778.1 0.1013MPa 25(水) H0=104.89
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Wid H T0S
高压蒸汽：Wid1 (104.89 26849) 298 (0.3674 5.4924 10528kj / kg . ) . 低压蒸汽： Wid2 (104.89 27922) 298 (0.3674 6.4448 876.3kj / kg . ) （2）用作加热介质：
表1. 装置各状态点一些热力学参数
状态点
1 2 3
t／℃ 324.8 198.3 25
P／MPa 12 1.5 0.008169
状态
饱和蒸汽 饱和蒸汽 饱和水
H／kJ· -1 kg 2684.9 2792.2 104.89
S／kJ· -1·-1 kg k 5．4924 6．4448 0．3674
3
（1）用于做功：
14
Or: T2 T4 El T0 St T0 ma S2 S1 mg S 4 S3 T0 maC pa ln mg C pg ln T1 T3 273.15 125 273.15 95 293.15 1.5 1.04ln 1.258 0.84 ln 273.15 20 273.15 250 293.15 0.1063 31.15 kJ / s
16
（1）状态（T、P）的焓值H是相对于某一基准态的焓值 如基准态规定不同，同一状态点（T、P）其焓值也是不同的。小 张遇到问题，因不同来源水蒸汽图或表的焓值基准态规定不同造 成的。 要注意问题：所查询过程始态和终态的焓值的基准态应相同。
（2）对锅炉进行能量衡算Q - W = △H + 1/2△u 2 + g△h W≈0；△h≈0；1/2△u2≈0；∴ Q ≈△H 方法一：△H = H2- H1，查水蒸汽图或表的始、末态的焓值。
饱和蒸汽，T=392.6K
45℃
再 沸 器
119.6℃
H气=2706kJ/kg, S气=7.133kJ/(kg.K)
饱和水，T=313K
40℃
H水=167.4kJ/kg, S水=0.572kJ/(kg.K) 液态烃 ，3.444MP, 318K下 ΔHv=293kJ/kg ，ΔSv=0.921kJ/(kg.K)
8.66 293 237 20） 0.921 201kg （
1kg水蒸汽供热后冷凝为水，其yong降低：
EX 蒸汽 H水 H蒸汽） T0 (S水 S汽 ) （ (167.4 2706) (273 20)(0.572 7.133) 616 KJ
9
45℃
取1kg的水蒸汽为计算基准，忽略热损失，每消耗 1kg水蒸汽，所蒸发的液态烃分别为：
（H汽 H水） 1kg 2706 167.4 m 8.66kg 液烃 293
8.66kg液态烃加热汽化时其yong增加：
EX 液烃 m(液烃 T0 S液烃 )
烃的汽化熵
WL T0 Sg 2981.1395 339.6KJ Kg 1
Ws 863.4 100% 71.8% Wid 1203
6
5 Sg S S f ＝1.1395 ＝1.1563 KJ Kg 1 K 1 298
Ws＝H - Q＝ 863.4 5 858.4KJ Kg 1
注意：
① EX&Wid
Wid ～对状态变化或者说对某一过程而言，初、
终态不受任何限制
Ex ～对状态而言，终态必须是基准态（T0, P0），
理想功的特例
体系总的变化
② EX EX 2 EX 1 ( H 2 H1 ) T0 ( S2 S1 ) H T0 S
Wid (WS T0St )
错
理想功不等于可逆功，理想功是可逆有用功：
1
3．蒸汽在透平机作可逆绝热膨胀，体系和环境总的 守恒的，总的火无也是守恒的。( )
对
是
4、损失功与孤立体系的总熵变有关，总熵变越大，损失功越大， 因此应该尽量减少体系的不可逆性。( )
对
2
1、有两股压力分别是12.0 MPa和1.5 Mpa的饱和蒸汽。 （1）如用于作功，经稳流过程变成25℃的饱和水，求Wid (T0=298K) （2）如用作加热介质，经换热器后变成25℃的饱和水， 求换热量Q 对计算结果作综合分析，在化工设计和生产过程中如何合理 地使用这两股蒸汽？ 已知：各状态点一些热力学参数，见表1。
方法二：设计过程计算焓变： 5Mpa、40℃水→5Mpa饱和水→5Mpa饱和水蒸汽→5Mpa 、 t 400℃的过热蒸汽。 据热容进行显热计算， H 1 C p dt C p (t 2 t1 ) 据汽化潜热进行相 t 变热计算。 17
① 由换热器yong平衡求换热器yong损失
空气、废气在换热器内流动可看作稳定ห้องสมุดไป่ตู้动，则
ma EX 1 mg EX 3 ma EX 2 mg EX 4 El
El mg (EX 3 EX 4 ) ma (EX 2 EX 1 )
13
El mg (EX 3 EX 4 ) ma (EX 2 EX 1 )
空气 P1 t1 Ex1 ma
P3 t4 Ex4
P2 t2 Ex2
废气，P3 t3 Ex3 mg
逆流式换热器传热示意图
12
解: 由换热器能量平衡求出废气质量流量mg
maCpa (t2 t1 ) mg Cpg (t3 t4 )
maC pa (t2 t1 ) 1.5 1.04 (125 20) mg 1.25 kg / s C pg (t3 t4 ) 0.84 (250 95)
5
解:
. （1） H2 H g x H L (1 x) 2554 0.9 120 0.1 23106KJ Kg 1
S2 Sg x SL (1 x) 8.4808 0.9 0.4177 0.1 7.6745 Kg 1 K 1 KJ
10
损失功：WL T0 St T0 (S液烃 S蒸汽 )
蒸汽→冷凝水
273 20）8.66 0.921 (0.572 7.133） 415 KJ ( 0) （
损失功也就是蒸汽加热液烃时总的变化
EX液烃 EX蒸汽 201 616 415KJ
mg H 3 H 4 T0 S3 S4 ma H 2 H1 T0 S2 S1 T3 T2 mg C pg t3 t4 T0 C pg ln ma C pa t2 t1 T0C pa ln T4 T1
②换热器效率
由上述计算可知，空气所得到的为23.79kJ/s,废 气所耗费的为54.95kJ/s，故目的效率
低温物流获得的
' Ex
23.79 0.433 54.95
高温物流失去的
15
分析说明：
在热功转化的实际热机循环中，将5Mpa、40℃水 在锅炉中定压加热到400℃的过热蒸汽。 计算其过程的焓变。工程中常采用水的热力学图或 表来查询过程始态和终态的焓值进行计算。现技术 员小张使用不同来源的水蒸汽表或图（均是正式的 权威出版物，数据可靠）查到同一状态点的焓值h值 竟相差较大，为什么？工程中使用热力学性质图、 表来求解热力学过程的焓变、熵变时要注意什么问 题。请自行给出已知条件，计算工质在锅炉所吸收 的热量Q。（答题时只需给出解题的步骤和方法，不 必给出具体结果）
Q0
Sg S＝S2 - S1＝7.6745 6.535 1.1395 Kg 1 K 1 ＝ KJ
Ws＝H＝23106 3174 863.4KJ Kg 1 . ＝
Wid H T0 St＝ 23106 3174 2981.1395 1203 Kg 1 （ . ） ＝ KJ
4
6.0MPa，400℃的过热蒸汽（H1=3174 kJ· -1，S1=6.535 kJ· kg kg-
1· -1）在稳流过程中经透平膨胀到0.004MPa、干度x=0.9。(已 K 知0.004 MPa下Hg=2554 kJ· -1，Sg=8.4808 kJ· -1· -1，HL=120 kg kg K kJ· -1，SL=0.4177 kJ· -1· -1)。T0=298K。 kg kg K （1）如该透平是绝热的，求该过程的Wid、WS、WL及热力学 效率η 。 （2）如该透平的热损失为5 kJ· -1汽 终态不变。求该过程的 kg Wid、WS、WL及热力学效率η 。
中 冷 塔
45℃
再 沸 器
119.6℃
40℃ 45℃
8
解：由水蒸气表查得：0.197MPa的饱和水蒸气饱和温度为 119.6℃，H汽＝2706kJ/kg，S汽=7.133kJ/(kg· K)，40℃ 的饱和水，H水=167.4kJ/kg，S水＝0.572kJ/(kg· K).
大气 T0=293K
中 冷 塔
IF无轴功，i.e. Ws=0，则： ③ E W T S T S L L 0 t 0 g
EX WL T0 St
11
有一逆流式换热器（如图），利用废气加热空气。105Pa的 空气由20℃被加热到125 ℃，空气流量为1.5㎏/s。而 1.3×105Pa废气从250 ℃冷却到95 ℃，空气等压热容为 1.04kJ/（kg.K）、废气等压热容为0.84 kJ/（kg.K）。 假定空气与废气通过换热的压力与动能变化可忽略不计，而 且换热器与环境无热量交换，环境状态为105Pa和20℃，试 求：①换热器中不可逆传热的yong损失；②换热器的yong 效率。
判断题 1、冬天，使室温由10℃升至20℃，空调比电加热器更省电 ( ) H Q WS 对 H 0
高压蒸汽：Wid1 (104.89 26849) 298 (0.3674 5.4924 10528kj / kg . ) . 低压蒸汽： Wid2 (104.89 27922) 298 (0.3674 6.4448 876.3kj / kg . ) （2）用作加热介质：
表1. 装置各状态点一些热力学参数
状态点
1 2 3
t／℃ 324.8 198.3 25
P／MPa 12 1.5 0.008169
状态
饱和蒸汽 饱和蒸汽 饱和水
H／kJ· -1 kg 2684.9 2792.2 104.89
S／kJ· -1·-1 kg k 5．4924 6．4448 0．3674
3
（1）用于做功：
14
Or: T2 T4 El T0 St T0 ma S2 S1 mg S 4 S3 T0 maC pa ln mg C pg ln T1 T3 273.15 125 273.15 95 293.15 1.5 1.04ln 1.258 0.84 ln 273.15 20 273.15 250 293.15 0.1063 31.15 kJ / s
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（1）状态（T、P）的焓值H是相对于某一基准态的焓值 如基准态规定不同，同一状态点（T、P）其焓值也是不同的。小 张遇到问题，因不同来源水蒸汽图或表的焓值基准态规定不同造 成的。 要注意问题：所查询过程始态和终态的焓值的基准态应相同。
（2）对锅炉进行能量衡算Q - W = △H + 1/2△u 2 + g△h W≈0；△h≈0；1/2△u2≈0；∴ Q ≈△H 方法一：△H = H2- H1，查水蒸汽图或表的始、末态的焓值。
饱和蒸汽，T=392.6K
45℃
再 沸 器
119.6℃
H气=2706kJ/kg, S气=7.133kJ/(kg.K)
饱和水，T=313K
40℃
H水=167.4kJ/kg, S水=0.572kJ/(kg.K) 液态烃 ，3.444MP, 318K下 ΔHv=293kJ/kg ，ΔSv=0.921kJ/(kg.K)
8.66 293 237 20） 0.921 201kg （
1kg水蒸汽供热后冷凝为水，其yong降低：
EX 蒸汽 H水 H蒸汽） T0 (S水 S汽 ) （ (167.4 2706) (273 20)(0.572 7.133) 616 KJ
9
45℃
取1kg的水蒸汽为计算基准，忽略热损失，每消耗 1kg水蒸汽，所蒸发的液态烃分别为：
（H汽 H水） 1kg 2706 167.4 m 8.66kg 液烃 293
8.66kg液态烃加热汽化时其yong增加：
EX 液烃 m(液烃 T0 S液烃 )
烃的汽化熵
WL T0 Sg 2981.1395 339.6KJ Kg 1
Ws 863.4 100% 71.8% Wid 1203
6
5 Sg S S f ＝1.1395 ＝1.1563 KJ Kg 1 K 1 298
Ws＝H - Q＝ 863.4 5 858.4KJ Kg 1
注意：
① EX&Wid
Wid ～对状态变化或者说对某一过程而言，初、
终态不受任何限制
Ex ～对状态而言，终态必须是基准态（T0, P0），
理想功的特例
体系总的变化
② EX EX 2 EX 1 ( H 2 H1 ) T0 ( S2 S1 ) H T0 S
Wid (WS T0St )
错
理想功不等于可逆功，理想功是可逆有用功：
1
3．蒸汽在透平机作可逆绝热膨胀，体系和环境总的 守恒的，总的火无也是守恒的。( )
对
是
4、损失功与孤立体系的总熵变有关，总熵变越大，损失功越大， 因此应该尽量减少体系的不可逆性。( )
对
2
1、有两股压力分别是12.0 MPa和1.5 Mpa的饱和蒸汽。 （1）如用于作功，经稳流过程变成25℃的饱和水，求Wid (T0=298K) （2）如用作加热介质，经换热器后变成25℃的饱和水， 求换热量Q 对计算结果作综合分析，在化工设计和生产过程中如何合理 地使用这两股蒸汽？ 已知：各状态点一些热力学参数，见表1。
方法二：设计过程计算焓变： 5Mpa、40℃水→5Mpa饱和水→5Mpa饱和水蒸汽→5Mpa 、 t 400℃的过热蒸汽。 据热容进行显热计算， H 1 C p dt C p (t 2 t1 ) 据汽化潜热进行相 t 变热计算。 17
① 由换热器yong平衡求换热器yong损失
空气、废气在换热器内流动可看作稳定ห้องสมุดไป่ตู้动，则
ma EX 1 mg EX 3 ma EX 2 mg EX 4 El
El mg (EX 3 EX 4 ) ma (EX 2 EX 1 )
13
El mg (EX 3 EX 4 ) ma (EX 2 EX 1 )
空气 P1 t1 Ex1 ma
P3 t4 Ex4
P2 t2 Ex2
废气，P3 t3 Ex3 mg
逆流式换热器传热示意图
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解: 由换热器能量平衡求出废气质量流量mg
maCpa (t2 t1 ) mg Cpg (t3 t4 )
maC pa (t2 t1 ) 1.5 1.04 (125 20) mg 1.25 kg / s C pg (t3 t4 ) 0.84 (250 95)
5
解:
. （1） H2 H g x H L (1 x) 2554 0.9 120 0.1 23106KJ Kg 1
S2 Sg x SL (1 x) 8.4808 0.9 0.4177 0.1 7.6745 Kg 1 K 1 KJ
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损失功：WL T0 St T0 (S液烃 S蒸汽 )
蒸汽→冷凝水
273 20）8.66 0.921 (0.572 7.133） 415 KJ ( 0) （
损失功也就是蒸汽加热液烃时总的变化
EX液烃 EX蒸汽 201 616 415KJ
mg H 3 H 4 T0 S3 S4 ma H 2 H1 T0 S2 S1 T3 T2 mg C pg t3 t4 T0 C pg ln ma C pa t2 t1 T0C pa ln T4 T1
②换热器效率
由上述计算可知，空气所得到的为23.79kJ/s,废 气所耗费的为54.95kJ/s，故目的效率
低温物流获得的
' Ex
23.79 0.433 54.95
高温物流失去的
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分析说明：
在热功转化的实际热机循环中，将5Mpa、40℃水 在锅炉中定压加热到400℃的过热蒸汽。 计算其过程的焓变。工程中常采用水的热力学图或 表来查询过程始态和终态的焓值进行计算。现技术 员小张使用不同来源的水蒸汽表或图（均是正式的 权威出版物，数据可靠）查到同一状态点的焓值h值 竟相差较大，为什么？工程中使用热力学性质图、 表来求解热力学过程的焓变、熵变时要注意什么问 题。请自行给出已知条件，计算工质在锅炉所吸收 的热量Q。（答题时只需给出解题的步骤和方法，不 必给出具体结果）
Q0
Sg S＝S2 - S1＝7.6745 6.535 1.1395 Kg 1 K 1 ＝ KJ
Ws＝H＝23106 3174 863.4KJ Kg 1 . ＝
Wid H T0 St＝ 23106 3174 2981.1395 1203 Kg 1 （ . ） ＝ KJ
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6.0MPa，400℃的过热蒸汽（H1=3174 kJ· -1，S1=6.535 kJ· kg kg-
1· -1）在稳流过程中经透平膨胀到0.004MPa、干度x=0.9。(已 K 知0.004 MPa下Hg=2554 kJ· -1，Sg=8.4808 kJ· -1· -1，HL=120 kg kg K kJ· -1，SL=0.4177 kJ· -1· -1)。T0=298K。 kg kg K （1）如该透平是绝热的，求该过程的Wid、WS、WL及热力学 效率η 。 （2）如该透平的热损失为5 kJ· -1汽 终态不变。求该过程的 kg Wid、WS、WL及热力学效率η 。
中 冷 塔
45℃
再 沸 器
119.6℃
40℃ 45℃
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解：由水蒸气表查得：0.197MPa的饱和水蒸气饱和温度为 119.6℃，H汽＝2706kJ/kg，S汽=7.133kJ/(kg· K)，40℃ 的饱和水，H水=167.4kJ/kg，S水＝0.572kJ/(kg· K).
大气 T0=293K
中 冷 塔
IF无轴功，i.e. Ws=0，则： ③ E W T S T S L L 0 t 0 g
EX WL T0 St
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有一逆流式换热器（如图），利用废气加热空气。105Pa的 空气由20℃被加热到125 ℃，空气流量为1.5㎏/s。而 1.3×105Pa废气从250 ℃冷却到95 ℃，空气等压热容为 1.04kJ/（kg.K）、废气等压热容为0.84 kJ/（kg.K）。 假定空气与废气通过换热的压力与动能变化可忽略不计，而 且换热器与环境无热量交换，环境状态为105Pa和20℃，试 求：①换热器中不可逆传热的yong损失；②换热器的yong 效率。
判断题 1、冬天，使室温由10℃升至20℃，空调比电加热器更省电 ( ) H Q WS 对 H 0