文档介绍：5 化工过程的能量分析
能量平衡方程
能量守恒与转换
一切物质都具有能量,能量是物质固有的特性。通常,能量可分为两大类,一类是系统蓄积的能量,如动能、势能和热力学能,它们都是系统状态的函数。另一类是过程中系统和环境传递的能量,常见有功和热量,它们就不是状态函数,而与过程有关。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。
能量的形式不同,但是可以相互转化或传递,在转化或传递的过程中,能量的数量是守桓的,这就是热力学第一定律,即能量转化和守恒原理。
体系在过程前后的能量变换ΔE应与体系在该过程中传递的热量Q与功W相等。
体系吸热为正值,放热为负值;体系得功为正值,对环境做功为负值。
封闭体系的能量平衡方程
在闭系非流动过程中的热力学第一定律数学表达式为
稳态流动体系的能量平衡方程
稳态流动是指流体流动途径中所有各点的状况都不随时间而变化,系统中没有物料和能量的积累。稳态流动系统的能量平衡关系式为
⊿ H、⊿ u2/2、g⊿ z、Q和Ws 分别为单位质量流体的焓变、动能变化、位能变化、与环境交换的热量和轴功。使用上式时要注意单位必须一致。按照SI单位制,每一项的单位为 J·kg-1。动能和位能的单位
可逆条件下的轴功
(1)喷嘴与扩压管
喷嘴与扩压管的结构特点是进出口截面积变化很大。流体通过时,使压力沿着流动方向降低,而使流速加快的部件称为喷嘴。反之,使流体流速减缓,压力升高的部件称为扩压管。它们的同特点是无轴功,位能不变化,可以忽略和环境交换的换热,而动能变化显著。能量平衡方程可简化为
流体通过焓值的改变来换取动能的调整。
(2)透平机和压缩机
透平机是借助流体的减压和降温过程来产出功,压缩机可以提高流体的压力,但是要消耗功。通常可以忽略动能变化和位能变化,能量平衡方程可简化为
绝热良好,或者过程来不及传热时,则有绝热压缩或绝热膨胀功
(3)节流阀
控制、调节流体的压力或流量时常常用到阀门。将流体通过阀门前后所发生的状态变化称作节流过程。节流过程与外界无轴功交换,位能不变化,可以忽略动能变化和热量交换。能量平衡方程可简化为
(4)混合设备
混合设备与外界无轴功交换,位能不变化,可以忽略动能变化和热量交换。能量平衡方程可简化为
混合设备至少有两个输入物流。当不止一个输入物流或(和)输出物流时,系统的焓变为
Hi为单位质量第i股输出物流的焓值,xi为第i股输出物流占整个输出物流的质量分数。 Hj为单位质量第j股输入物流的焓值,xj为第j股输入物流占整个输入物流的质量分数。
为一股物流的质量流量, 为总质量流量。
物流1和物流2混合为物流3时
(5)换热设备
整个换热设备与环境交换的热量可以忽略不计,换热设备内部两股物流存在热量交换。换热设备的能量平衡方程与混合设备的能量平衡方程相同,但物流之间不发生混合。
对于右图所示的换热设备
mA和mB分别为流体A和流体B的质量流量。
(6)管路和流体输送
泵
水
管路和流体输送过程往往和环境有热量交换,不少情况下还有轴功交换。位能有时变化,动能变化通常可以忽略。