熱力學(xué)分析的基本方法

化工節(jié)能與減排張頔TEL-mail：dzhang@目錄能量降級(jí)與熱力學(xué)第二定律軸功、各種熱效應(yīng)的計(jì)算有效能衡算和有效能效率熱力學(xué)分析的基本方法噪聲污染及控制目錄熱管、熱泵和夾點(diǎn)技術(shù)能量的合理利用穩(wěn)流體系熱力學(xué)第一定律廢水處理方法、技術(shù)和流程廢固處理及利用廢氣污染的預(yù)防措施及治理熱力學(xué)分析的

基本方法

熱力學(xué)分析廣義地說(shuō)，用熱力學(xué)的基本原理來(lái)分析和評(píng)價(jià)過(guò)程，就稱為過(guò)程的熱力學(xué)分析。這里僅討論用熱力學(xué)基本原理分析和評(píng)價(jià)過(guò)程的能量利用情況。過(guò)程熱力學(xué)分析的基本任務(wù)是：①確定過(guò)程中能量損失或有效能損失的大小、原因及其分布；②確定過(guò)程的效率，為制定節(jié)能措施、改進(jìn)操作和工藝條件，以及為不同過(guò)程的評(píng)比、實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)和設(shè)計(jì)的最佳化提供依據(jù)。熱力學(xué)分析方法有多種，但主要有三種：一是能量平衡法；二是熵分析法；三是有效能分析法。能量平衡法①有關(guān)手冊(cè)可查出各狀態(tài)點(diǎn)的參數(shù)如表所示。狀態(tài)點(diǎn)140323212.60.70352407033284.66.872930.12332325577.969440.123323212.60.703571.0133303125.70.4365②產(chǎn)汽量忽略廢熱鍋爐的熱損失，則有式中，為轉(zhuǎn)化氣的物質(zhì)的量，；為轉(zhuǎn)化氣的平均熱容，。水蒸氣吸熱③透平做功以透平為系統(tǒng)，忽略熱損失時(shí)則有：

④冷卻水的焓變忽略冷凝器的熱損失，則：

⑤熱效率⑥能量衡算表及能流圖項(xiàng)目輸入輸出%%高溫氣余熱5.143100

做功

1.21823.7冷卻水帶走熱

3.92576.3合計(jì)5.1431005.143100⑦熱力學(xué)效率由熱力學(xué)第一定律效率、第二定律效率相關(guān)計(jì)算公式可知熵分析法熵分析法是通過(guò)計(jì)算不可逆熵產(chǎn)量，以確定過(guò)程的有效能損失和熱力學(xué)效率。熵分析法的主要內(nèi)容包括：①確定出入系統(tǒng)各種物流量和熱流、功流量，以及各種物流的狀態(tài)參數(shù)；②確定物流的熵變和過(guò)程的有效能損失；③確定過(guò)程的熱力學(xué)效率。

①先對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行質(zhì)量及能量衡算，由前面的分析計(jì)算已經(jīng)得到轉(zhuǎn)化氣物質(zhì)的量轉(zhuǎn)化氣焓變廢熱鍋爐產(chǎn)汽量透平做功②理想功轉(zhuǎn)化氣放熱過(guò)程的理想功為

為簡(jiǎn)化計(jì)算，把轉(zhuǎn)化氣看作理想氣體，并忽略轉(zhuǎn)化氣的壓降，可計(jì)算得③有效能損失如取整個(gè)裝置為系統(tǒng)，不計(jì)熱損失，則可得式中，、分別為冷卻水的熵變和焓變。

因此各設(shè)備的有效能損失也可由下式計(jì)算：④熱力學(xué)效率⑤計(jì)算結(jié)果項(xiàng)目輸入輸出%%理想功3.465100

輸出功

1.21835.2損耗功鍋爐

1.45141.9透平

0.55616.0冷凝器

0.246.9

小計(jì)

2.24764.8總計(jì)3.4651003.465100⑥單體設(shè)備的熱力學(xué)效率和有效能損失分布由于已求出各單體設(shè)備的，因此只要計(jì)算各單體設(shè)備的

即可計(jì)算它們的熱力學(xué)效率。廢熱鍋爐的理想功為高溫轉(zhuǎn)化氣放熱過(guò)程的理想功，因此透平的理想功因此可得冷凝器的理想功由此可得即冷凝器中乏汽冷凝過(guò)程的理想功未利用，全部損失掉了。單體設(shè)備熱力學(xué)效率損耗功%廢熱鍋爐0.5811.45164.6透平0.6870.55624.7冷凝器00.2410.7總計(jì)

2.247100有效能損失在單體設(shè)備中的分布有效能分析法有效能分析法是通過(guò)有效能平衡確定過(guò)程的有效能損失和有效能效率。有效能分析法的主要內(nèi)容有：①確定出入系統(tǒng)的各種物流量、熱流量和功流量，以及各種物流的狀態(tài)參數(shù)。②由有效能平衡方程確定過(guò)程的有效能損失。③確定熱力學(xué)第二定律效率。①質(zhì)量和能量衡算見(jiàn)能量平衡法和熵分析法的計(jì)算部分。②各物流有效能的計(jì)算取，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表狀態(tài)液態(tài)水3230.123212.60.70356.099過(guò)熱蒸汽703403284.66.87291209濕蒸汽3230.12325577.9694148.8飽和水3230.123212.60.70356.099基準(zhǔn)態(tài)水3031.0133125.70.43650為簡(jiǎn)化計(jì)算，把轉(zhuǎn)化氣看作理想氣體，不考慮壓降，出口有效能值為③總有效能損的計(jì)算取整裝置為系統(tǒng)，有效能損可由下式計(jì)算：

忽略散熱損失，冷凝器中出口冷卻水所攜帶的有效能不可利用，可忽略。

④各設(shè)備的有效能損失a.對(duì)廢熱鍋爐，如忽略熱損，可得：b.對(duì)透平，可得：

c.對(duì)冷凝器，因此可得：⑤熱力學(xué)效率⑥有效能衡算表項(xiàng)目輸入有效能輸出有效能%%進(jìn)口轉(zhuǎn)化氣4.438100

輸出功

1.21827.4出口轉(zhuǎn)化氣

0.97321.9不可逆損耗廢熱鍋爐

1.45132.7透平

0.55612.5冷凝器

0.245.5小計(jì)

2.24750.7合計(jì)4.4381004.438100⑦各單體設(shè)備的有效能效率a．廢熱鍋爐b，透平c，冷凝器三種熱力學(xué)分析方法的比較由上面的討論可知，能量平衡法計(jì)算最簡(jiǎn)單，熵分析法次之，有效能分析法的計(jì)算工作量最大。能量平衡法提供的過(guò)程評(píng)價(jià)指標(biāo)，是第一定律效率；對(duì)循環(huán)過(guò)程，還可提供過(guò)程總的熱力學(xué)效率。對(duì)同類過(guò)程和同類裝置（如鍋爐），由第一定律效率可比較節(jié)能效果及裝置性能，所以在工廠節(jié)能技術(shù)改造中，常常采用。由于能量平衡法只給出能量的排出損失，而實(shí)踐中有重要意義的是有效能損失，所以不能單憑能量平衡法的結(jié)果來(lái)制定節(jié)能措施。如從上面計(jì)算的轉(zhuǎn)化氣的能量平衡表可看出，最大的能量損失是冷凝器中冷卻水帶走的熱量，這似乎又應(yīng)該從冷凝器著手改進(jìn)；但從熵分析和有效能分析數(shù)據(jù)可看出，冷凝器的有效能損失