过程热力学分析就是用热力学方法对过程中能量转化、传递、使用和损失情况进行分析,揭示出能量消耗的大小、原因和部位,为改进过程,提高能量利用率指出方向和方法。
热力学分析方法有三种,能量衡算法、熵分析法、㶲分析法。
以热力学第一定律为基础,通过物料衡算、能量衡算求出过程总能量的利用率(代表第一定律的效率)。
能量损失与㶲损失 建立了㶲和㷻的概念后,我们对能量的守恒性和实际过程的不可逆性有了较深的认识。能量守恒是指在一切过程(无论可逆的还是不可逆的过程)中,㶲和㷻的总量保持恒定。若分别讨论㶲和㷻则只有在可逆过程中,两者才各自保持恒定;而在实际不可逆的过程中,都会导致㶲向㷻的转化。
能量损失与㶲损失在概念上是完全不同的。由于能量是守恒的,所以笼统地讲能量损失是违反热力学第定律的。通常讲的能量损失是指某个系统的㶲和㷻的总量损失,它是一种外部损失,又称排出损失,即通过各种途径散失和排放到环境中去的能量,如排出系统的废气、乏汽、冷却水、冷能水、废液、废渣等带走的能量、保温不良的热损失。
㶲损失包括两部分,内部损失和外部损失。内部损失是由系统内部各种不可逆因素造成的㶲损失。例如,直接接触式换热器或间壁式换热器的有温差△T的传热,吸收、精馏、萃取塔中上升和下降的两相流体之间有浓度差△c的传质,管道中、设备中有压差△p为推动力的流体流动(包括节流),在反应设备中进行的有化学位差△μ的化学反应过程。外部损失是通过各种途径散失和排放到环境的㶲损失,如废气、乏汽、冷却水、冷凝水、废液、废渣带走的炯、保温不良的炯损失。
工程上各种能源实际上就是㶲源,而环境介质中储存的大量能量都是不能利用的。有些人往往将能量的概念和㶲的概念等同起来,要注意两者的差异。
熵分析法是通过计算不可逆熵产量,以确定过程的损耗功和热力学效率。熵分析法的主要内容包括: ·
①确定出入系统的各种物流量、热流量和功流量,以及各物流的状态参数;
②确定物流的熵变和过程的损耗功、㶲损失;
③确定过程的热力学效率。
由不可逆因素引起的㶲损失就等于相应的㷻增量,所以㶲损失可以用两种方法计算,一种是㶲平衡法,另一种是㷻平衡法。由㶲平衡法计算㶲损失将在后面介绍,这里介绍用㷻平衡法计算㶲损失。
WL=ΔA0=T0ΔST
熵分析法的局限性是只能求出过程的不可逆㶲损失,而没有计算排出系统的物流㶲和能流㶲;也就是说,只能求出有效能的内部损失,不能求出有效能的外部损失。因此。不能确定排出物流㶲和能流㶲的可用性。以及由此而造成的㶲损失。熵分析法的局限性在㶲分析法中可以避免。
㶲分析法是通过㶲平衡确定过程的㶲损失和㶲效率。㶲分析法的主要内容有:
①确定出入系统的各种物流量、热流量和功流量,以及各物流的状态参数;
②由㶲平衡方程确定过程的㶲损失;
③确定热力学第二定律效率。
下面介绍怎样进行㶲平衡计算。考察图1所示的稳流过程,对该系统进行有效能衡算。通常,位能、动能变化较小,可以忽略,对于可逆过程WL=0,有效能守恒
EXQ ΣEXi入 = WS ΣEXj出
式中,ΣEXi入为进入系统的物流㶲;ΣEXj出为流出系统的物流㶲;EXQ为进入系统的热流㶲。对于不可逆过程WL>0,㶲衡算式为
EXQ ΣEXi入 = WS ΣEXj出 WL