第六章----- 化工过程能量分析.pdf

文档介绍：第六章化工过程能量分析
化工过程需要消耗大量能量,提高能量利用率、
合理地使用能量已成为人们共同关心的问题。从
最原始的意义上来说,热力学是研究能量的科学,
用热力学的观点、方法来指导能量的合理使用已
成为现代热力学一大任务。

本章目的:学习能量分析的原理和方法
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第六章化工过程能量分析
能量平衡方程
一、能量的守恒与转化
二、能量平衡方程
二、能量平衡方程的应用

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基本概念
化工过程涉及到的能量有两大类:物质的能量和能量的传递。
物质的能量E(以1kg为基准)
热力学能(内能):U=f(T,p,x),分子尺度层面上的
物质内部的能量,包括分子内动能、分子内势能和分子内
部的能量。
 2
动能:EK=1/2u

势能(位能):Ep=gZ
能量的传递:
热:Q , 体系吸热为正,放热为负
功:W,体系得功为正,做功为负
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一、能量的守恒与转化
热力学第一定律—能量守恒和转换定律:自然界中的一切
物质都具有能量,能量有不同的形式,能量不可能被创造
也不可能被消灭,而只能在一定条件下从一种形式转变为
另一种形式,在转变过程中总能量是守恒的。
基本形式:
(1)Δ(体系的能量)+Δ(环境的能量)=0
或Δ(体系的能量)=-Δ(环境的能量)
体系的能量的增加等于环境的能量的减少。
(2) E  U  EKp  E  Q  W
体系的能量的变化等于体系与环境之间传递的热量和功之和
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1、一般形式
p1,T1,V1,U1
u1
δ m
1 δWs
p ,T ,V ,U
Z1 2 2 2 2
u
δ Q 2
δ m2
Z2
(1)物料平衡方程得到:
进入体系的质量-离开体系的质量=体系积累的质量
m12m dm体系 5

(2)能量平衡方程
进入体系的能量-离开体系的能量=体系积累的能量
进入体系的能量:
微元体本身具有的能量 E1δm1
体系从环境吸收的热量δQ
离开体系的能量:
微元体带出能量E2δm2
体系对环境做的功-δW
体系积累的能量: d(mE)
能量恒等式为:
E m Q- E  m  W  d ( mE )
1 1 2 2 6

注意:
(1)E:单位质量流体的总能量,它包含有热力学能、动能
和位能。
1
E U  u2  gZ
2
(2)  W 是体系与环境交换的功,它包括与环境交换的轴功
和流动功。流动功是流体进入体系时,
Ws W f W f
环境对流体所作的流动功( PV 1 1  m 1 ) 与流体离开体系
时流体对环境所作的流动功( PV 2 2 m 2 ) 之差,即

W W  W  W  PV  m  PV  m
s f S 1 1 1 2 2 2
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E1 m 1 PV 1 1  m 1  Q  Ws - E 2  m 2 - PV 2 2  m 2  d ( mE )
1
将 H U PV 和 E U  u2  gz 代入能量恒等式得:
2
得: 22
uu12 
H1 gz 1  m 1  H 2  gz 2  m 2  Q  Ws
22 
不受流体属性的限制,也不受其过u2
d m U  gz
程的限制。在实际过程中,能量平衡2
方程可以进行适当简化,下面我们就
具体讨论能量平衡方程的应用。
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三、能量平衡方程的应用
封闭体系:无质量交换,限定质量体系
 m1=m2=m δm1=δm2=dm=0
u2
Q Ws  d m U  gz
2
u2
又 d  0 d gZ  0
2 Q W mdU
不存在流动功: WS = W
单位质量体系: Q W dU 积分:Q  W  U
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三、能量平衡方程的应用
稳定流动系统
敞开体系:体系和环境有物质和能量的交换
流动过程有如下特点
(1)设备内各点的状态不随时间变化。
(2)垂直于流向的各个截面处的质量流率相等。
体系没有物