化工热力学第四章热力学第一定律及其应用课件.ppt

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1、第四章 热力学第一定律及其应用,第一节 闭系非流动过程的能量平衡第二节 开系流动过程的能量平衡第三节 稳流过程的能量平衡第四节 气体压缩过程,第四章 热力学第一定律及其应用第一节 闭系非流动过程,能量分为两大类：（1）是体系蓄积的能量，如动能、势能和内能，它们都是体系状态函数。（2）是过程中体系和环境传递的能量，常见的有功和热量，它们不是状态函数，而与过程有关，是过程函数。热量是因为温度差别引起的能量传递，而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。,热力学第一定律：能量转化与守恒原理,孤立体系：体系与环境之间没有物质和能量交换。,封闭体系：体系与环

2、境之间没有物质，有能量交换。,敞开体系：体系与环境之间有物质和能量交换。,体系吸热为正值，放热为负值； 体系对环境作功为正值，得功为负值。,能量分为两大类：热力学第一定律：能量转化与守恒原理体系孤立体,4-1、闭系非流动过程的能量平衡,体系能量的变化=体系与环境交换的净能量。,即：,封闭体系非流动过程的热力学第一定律：,4-1、闭系非流动过程的能量平衡体系能量的变化=体系与环境,4-2 开系流动过程的能量平衡,开系的特点：, 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 输出携带能量。,开系的划分：,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。,可以是一个化工厂

3、。,把划定的开放体系那部分称为控制体，用表示。,4-2 开系流动过程的能量平衡开系的特点： 体,开放体系热力学第一定律：,控制体如图所示：,图4-1 开系的平衡,（a）质量平衡,（b）能量平衡,开放体系热力学第一定律：控制体如图所示：图4-1,单位质量流体携带的能量e为：,z位高,g重力加速度,u流体的平均流速,控制体中能量变化：,单位质量流体携带的能量e为： z位高g重力加速度u,两端对时间积分得：,和 分别为 内开系与外界交换的热和功,流动功,机械设备交换的功，也叫轴功。,两端对时间积分得： 和 分别为,再将 代入，得：,再将,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,4

4、-3 稳流过程的能量平衡,所有质量和能量的流速均为常量。开系内没有质量和能量积累的现象。,一、开系稳流过程的能量平衡式,稳流过程,状态是稳定的,流动是稳定的,4-3 稳流过程的能量平衡 所有质量和能量的流速,如图为一稳定流动过程：,如图为一稳定流动过程：,图 4-2 稳定流动过程,基准水平面,I,II,图 4-2 稳定流动过程换热器透平机基准水平面III,当只有一股物料流入和流出：,则上式：,则:,对于单位质量流体：,上两式为开系稳流过程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。,当只有一股物料流入和流出： 则上式： 则:对于单位质量流体：,例 4-1 用功率为2.0kW的泵将9

5、5的热水从贮水罐送到换热器。热水的流量为3.5kgs-1。在换热器中以698kJs-1的速率将热水冷却后送入比第一贮水罐高15m的第二贮水罐中，求第二贮水罐的水温。,t=？换95 进水泵15m图 4-3 例4-1稳流过,以1kg水为计算基准,输入的功,放出的热,位能的变化,解,以1kg水为计算基准 输入的功放出的热位能的变化解,可以忽略此过程动能的变化，即,根据稳流过程能量平衡式（417），,由附表3（水蒸汽表）查得95饱和水的焓,故有,可以忽略此过程动能的变化，即根据稳流过程能量平衡式（417,一些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,一些常见的

6、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,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）：,流体：不可压缩、无粘性理想流体，无热、无轴功的交换,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,不可压缩流体v不变，,这就是著名的柏努力方程。,适用条件：不可压缩，无粘性流体的稳态流动。,不可压缩流体v不变， 方程 变成： 这就是著名的柏努力方程。,2、绝热稳定流动方程式,流体：可压缩，与外界无热、无轴功交换.,绝热稳定流动方程式,、喷管与扩压管,喷管：流体通过时压力沿着流动方向降低，而流速加快的部件称为喷管。,当出口流速音速时，可用渐缩喷管

7、：,当入口流速音速，当出口流速音速时，用拉法尔喷管 ：,扩压管：在流动方向上流速降低、压力增大的装置称为扩压管。,2、绝热稳定流动方程式 流体：可压缩，与外界无热、无轴功交换,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,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,根据此式可计算流体终温、质量流速、出口截面积等，因此它是喷管和扩压管的设计依据。,质量流率,、节流,即流体通过阀门或孔板的节流过程为等焓流动。节流膨胀后往往会使流体的温度下降。理想气体通过节流阀温度不变.,使流体通过阀门或孔板，截面突然缩小，摩擦损失较大。,根据此式可计算

8、流体终温、质量流速、出口截面积等,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,3、与外界有大量热、轴功交换的稳流过程。,或,、有大量热、无轴功交换，,无热交换（绝热）,如：透平机和压缩机,如：换热设备,3、与外界有大量热、轴功交换的稳流过程。或、有大量热、无轴,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,h=0,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,例 42 丙烷气体在2MPa、

9、400K时稳流经过某节流装置后减压至0.1MPa。试求丙烷节流后的温度与节流过程的熵变。,对于等焓过程，式（348）可写成,解,例 42 丙烷气体在2MPa、400K时稳流经过,已知终压为0.1MPa，假定此状态下丙烷为理想气体，,（A）,查附表1，得丙烷,由此求出,初态,已知终压为0.1MPa，假定此状态下丙烷为理想气体，即，由上,进行关联。由式（231a）、式（346）、式（231b）和,式（347）可得,用式（344）可得,根据、之值按图210判断拟用普遍化第二维里系数进行关联。由,由A式求得,显然，近似估算结果，节流过程温度变化较小。,现在，可以用算术平均温度求出较为精确的 值，,现在

10、假设式A中的值等于初温400K下的之,用式A重新计算 ，得：,因为温度变化很小 ，可以用,然后用式（345）求得,于是,用式A重新计算 ，得：丙烷的熵变可以用式（34,熵变为正值。对于绝热过程，环境没有熵变，因而孤立体系熵变也为正值，这表明节流过程是不可逆的。此例说明，第三章的普遍化关联法也可以应用于节流过程的计算。,熵变为正值。对于绝热过程，环境没有熵变，因而,例 43 300、4.5 MPa乙烯气流在透平机中绝热膨胀到,力学性质。,解,该过程乙烯的焓变和熵变可用式（348）和式,（349）进行计算,0.2MPa。试求绝热、可逆膨胀（即等熵膨胀）过程产出的轴功。,（a）用理想气体方程；（b）

11、用普遍化关联法，计算乙烯的热,例 43 300、4.5 MPa乙烯气流在透平,式中,（a） 假定乙烯是理想气体，则,式中（a） 假定乙烯是理想气体，则对于等熵过程，后一式变成,因而,（A）,根据附表2可查到式（334f）中乙烯气体的有关数据（其,中D=0），则得,因而（A）根据附表2可查到式（334f）中乙烯气体的有关数,上述诸式中，仅 为未知数。用迭代法由式（A）和式（B）,可先求出 ，先假定一初值 ，用式（B）求出 ，然后,代，直至收敛。其结果为,用式（A）求出 。再将此新的 代入式（B），如此反复迭,上述诸式中，仅 为未知数。用迭代法由式（A）和式（B,于是,根据式（334e），D=0，

12、则,因而,于是根据式（334e），D=0，则因而,（b）乙烯为真实气体,乙烯的,初态,行关联。由式（231a）、式（346）、式（231b）和式,（347），可求得,根据 、 按图210判断，拟用普遍化第二维里系数法进,（b）乙烯为真实气体乙烯的初态行关联。由式（231a）、式,用式（344）和式（347）可求得,的结果，于是可求出 和,由式（346）和式（347）求得,用式（344）和式（347）可求得为了初步估算,再由式（345）求得,倘若膨胀过程是等熵的，则有式（349）给出,由此式可得,再由式（345）求得倘若膨胀过程是等熵的，则有式（349,或,与（a）法相同，用迭代法求出 ，其结果

13、为,为了重新求出 ，要使用下述数据,或与（a）法相同，用迭代法求出 ，其结果为为了重新,此 与原先估算值相差甚小，不必重新求 。现在我们可,由上述结果求得 ，因为,故由式（344）可求出,然后用式（348）可求得,此 与原先估算值相差甚小，不必重新求 。,三、轴功,1、可逆轴功 的计算：,、绝热可逆过程：,、对于静止的或流动的封闭体系,单位质量流体：,三、轴功1、可逆轴功 的计算： 、绝热可逆过,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：,可逆过程:,或,用于液体时:,不可压缩流体V=常数,当流体经产功或耗功装置时，可忽略动位能变化，则通用,2、实际轴功的计算：,产功

14、设备（透平）：, 的大小与机器制作水平有关。,耗功设备：,2、实际轴功的计算：产功设备（透平）： 的大小与机器制作,图所示.水给水泵的压力为0.09807MPa（绝），温度15。水被,加压到0.687MPa（绝）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（,称乏汽）压力为0.09807MPa。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。若透平机和给水泵都是绝,热、可逆操作的，问有百分之几的热能转化为功（即用于事故泵,的功）？,解,计算基准取1kg水。,给水泵轴功可用式（427）进行计算,例 44某化工厂用蒸汽透平带动事故泵，动力

15、装置流程如图所,查附表3（水蒸汽表）可知15水的饱和蒸汽压为1.7051KPa、,锅炉,透平,Ws（泵）驱动水泵需用功,饱和蒸汽,废蒸汽（乏汽）,查附表3（水蒸汽表）可知15水的饱和蒸汽压为1.7051K,倘若知道进入水泵时水的焓 ，则可从上式求出 ，即进入锅,炉的液体水的焓。15饱和水的焓 可以从水蒸汽表中查到,（A）,式中,根据式（39），有,倘若知道进入水泵时水的焓 ，则可从上式求出,用PVT数据进行积分计算表明，式（A）右边积分项之值很小，,可以忽略。因此,锅炉出口为687kPa的饱和蒸汽， 从水蒸气表中查得,用PVT数据进行积分计算表明，式（A）右边积分项之值很小，可,可根据式（42

16、3）对锅炉进行能量衡算,每kg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，,（Mollier图）可查得,可根据式（423）对锅炉进行能量衡算每kg水通过锅炉吸热2,根据式（3423）对透平机进行能量衡算,其中有一部分轴功用于水泵，因而提供给事故泵的轴功为,由此可见，只有12.5%的热转化为功，此功用于事故泵。,根据式（3423）对透平机进行能量衡算其中有一部分轴功用于,四、热量衡算,无轴功交换，只有热交换过程的能量衡算称为热衡算,稳流过程的热量衡算的基本关系式：,J/kg,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：, 显热物

17、流的温度变化,四、热量衡算无轴功交换，只有热交换过程的能量衡算称为热衡算, 潜热物流的相变化, 混合或溶解热效应多股物流混合和溶解等, 反应热效应化学反应产生,热量衡算方法：（四个选择 ）,选择控制体（体系）,选择物流量（物料基准）,选择基准状态（基准温度）,选择初始态 （设计途径）,1)单位质量(1000kg)、单位体积(Nm3)、单位摩尔数(1mol或1kmol）的产品或原料为基准。2）单位时间的产品或原料为基准。kgh-1, m3h-1,kmolh-1, 潜热物流的相变化 混合或溶解热效应多股物,例1 某换热器使热流体A从TA1降到TA2 ，冷流体B从TB1 升到TB2，过程无相变和化学

18、反应，压力也不变。热流体和冷流体的流量各为mA和mB，平均等压热容为CAPmh 、CBPmh，求此换热器的热损失。,ATA1,B,TA2,TB1,TB2,QL,例1 某换热器使热流体A从TA1降到TA2 ，冷流体B从TB,例2 合成氨系统的氨合成塔出口气体称循环气，要让其中的氨分离出来，需要对循环气进行冷凝，采用氨冷凝器完成此过程。循环气从蛇管内通过，其流量为mG，温度从TG1 降到TG2,；蛇管外液氨汽化，其流量为mA，温度从TA1 升到TA2。由于液氨汽化的温度低于大气温度，因此大气有热量QL泄入氨冷凝器。求QL。,循环气入口TG1,循环气出口TG2,液氨TA1,气氨TA2,QL,例2 合

19、成氨系统的氨合成塔出口气体称循环气，要让其中的氨分离,4-4 气体压缩过程,常用于压缩气体的机械有：,按运动机构，压缩机分,往复式,叶轮式,4-4 气体压缩过程常用于压缩气体的机械有：（终压0.3,一、压缩过程热力学分析,理想压缩过程：,整个过程均为可逆，不存在任何摩擦损耗，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：,排气活门,吸气活门,冲程,活塞,冲程：活塞从一端到另一端的行程距离称为冲程或行程,一、压缩过程热力学分析 理想压缩过程： 整个过程均为可逆，不,P,v,6,5,1,2c,2a,2b,3,1、恒温压缩过程：,2、绝热压缩过程：,3、多变压缩过程：,图 410 往复式压

20、缩机压缩过程示意图,（1MK),Pv6512c2a2b31、恒温压缩过程： 2、绝热压缩过程,就功的绝对值而言：等温过程压缩功最小，绝热压缩功最大， 多变过程居中（1MK),二、单级压缩机可逆轴功的计算：,1、等温压缩,理想气体：,2、绝热过程：,就功的绝对值而言：等温过程压缩功最小，绝热压缩功最大，二、单,化工热力学-第四章-热力学第一定律及其应用课件,理想气体的K 可取：,单原子气体：K =1.667双原子气体：K=1.40三原子气体：K=1.333,混合气体中某组分的绝热指数,混合气体中某组分的摩尔数,理想气体的K 可取： 单原子气体：K =1.667混合气体的,由公式可知：,气体压缩过

21、程所耗的理论轴功决定于始温下绝热指数K和压缩比。,3、多变过程：,由公式可知：气体压缩过程所耗的理论轴功决定于始温下3、多变过,4、真实气体压缩功的计算：,、当Z变化不大时：,若压缩机进出口Z 变化不大，可取平均值：,，然后将其看成常数。,等温压缩：,4、真实气体压缩功的计算：、当Z变化不大时：若压缩机进出口,绝热压缩：,多变压缩：,、易液化气体,绝热过程：,多变过程：,绝热压缩： 多变压缩： 、易液化气体,例 48 设空气的初态压力为0.10814MPa，温度为15.6，今,热和多变压缩过程（m=1.25）的功耗和终点温度。,解,空气在压力较低时可视为理想气体。,（a）等温压缩。,式中,（b

22、）绝热压缩。,从表431查得K=1.4，根据式（440a），有,根据式（439），有,例 48 设空气的初态压力为0.10814MPa，,（c）多变压缩。,根据式（442a），有,（c）多变压缩。根据式（442a），有,压缩过程终点的温度为,绝热压缩：,多变压缩：,计算结果列表如下：,压缩过程终点的温度为绝热压缩：多变压缩：计算结果列表如下：,从表中数据可见，在1mK的条件下，当压缩比一定时，等温压缩功最小，终温最低；绝热压缩功最大，终温最高；多变压缩功和终温介于两者之间。,压缩过程终温，功耗，等温多变15.6235.83234.63,三、多级压缩功的计算,多级压缩可用适宜的压缩比，并且各级都

23、设有中间冷凝器，使之更趋近于等温压缩。,多级压缩所消耗的总功，应为各级压缩所消耗功的代数和，因此可减少总的功耗。,气体的压缩，通常都是采用分级压缩。,下图为多级压缩过程示例：,三、多级压缩功的计算 多级压缩可用适宜的压缩比，,多 级 压 缩 示 意 图,1、汽缸,5、中间冷凝器,2、中间冷凝器,4、汽缸,油水分离器,油水分离器,6多 级 压 缩 示 意 图1、汽缸5、中间冷凝器2、中间冷,A,H,P,I,B,G,C,F,E,D,V,图 411 二级压缩PV 图,单级等温压缩：功为ABFHA所包围的面积,单级绝热压缩：功为ABDHA所包围的面积,二级绝热压缩：功为ABCGEHA所包围的面积,阴影

24、部分面积为二级绝热压缩节省的功,AHPIBGCFEDV图 411 二级压缩PV 图单,为各级压缩功之和：,设某理想气体由 压缩至 (S级压缩)则总功耗,各级进气温度相同，且为理想气体。故：,为各级压缩功之和：设某理想气体由 压缩至,因此上式写成：,S压缩机级数,使绝对值最小的条件是它对中间各压力的一阶偏导数等于零，,即：,因此上式写成： S压缩机级数使绝对值最小的条件是它对中间,于是得: (压缩比),所以最适宜的压缩比 代入表示总功的式子，则：,四、气体压缩的实际功耗：,由压缩机类型及实际而异，由实验测定。,所以最适宜的压缩比,五、叶轮式压缩机,叶轮式压缩机,离心式,轴流式,其转速比活塞式压缩

25、机高几十倍,可连续地吸排气，且没有余隙容积,机体小，排气量较大，但压缩比较小,叶轮式压缩机的优点：,五、叶轮式压缩机叶轮式压缩机离心式轴流式 其转速比活塞式,例： 303K的空气，以10m/s的速率从下进入流过一垂直安装的热交换器，被加热至423K。若换热器进出口管截面积相等，忽略空气流过换热器的压降，换热器高度为3m，空气的恒压平均热容 ,试求100kg/h空气从换热器吸收的热量。,例： 303K的空气，以10m/s的速率从下进入流,解：根据热力学第一定律,由连续性方程和理想气体方程，因A1=A2，P1=P2，得,因换热器不作功，WS=0,Q=mq=100120.68=1.2068104kJ/h,解：根据热力学第一定律,