气体液化过程的能量平衡与㶲平衡:5-14解题参考
2013-11-27 08:59阅读:
5-14
画图(p117):先有控制体积(研究对象),平衡方程才有意义
找清:物流/热流/
功流/熵增加(㶲损失)
注意:正负号的约定
若以图4-5/3所示的整个液化过程为控制体积得到:
H1-H9+│win│-│wout│-│q│=0
(红色正值,蓝色为负值项)
能量平衡方程实质为能量守恒(第一定律)。对此液化过程,入口为常温气体,出口为低温液体,为焓值降低的过程(H1>H9)。能量下降而必须耗功,也说明能量平衡方程的不足。该焓值降低通过冷却器的取热实现,根据第二定律,在低于环境温度下取热是耗能过程——此为液化过程的必要付出,从能量守恒的角度,取热量不可能小于H1-H9(第一定律:你不会赚);但实际上由于第二定律,实际需要消耗更多(第二定律:你铁定亏)。分析Claude液化,显然产功wout小于其输入功win,为什么不直接等压取热呢?因为第二定律决定了取热的效率(实际通过致冷循环实现)与温度密切相关:温度越低(与环境温差越大),取热消耗越大。因此我们通过加压提高取热温度,付出新的代价即为压缩功win。通过选择合适的节流膨胀前的状态点7以及中间取出膨胀做功的物流比例x=m11/m5,能够对该过程进行优化。显然仅通过能量平衡方程不能做到这一点。
ε1-ε9+│win│-│wout│-∫3→4
(1-T0/T)d│q│-∑iIi=0 (红色正值,蓝色为负值项)
㶲平衡方程的实质是以环境死态为基准,由第一定律和第二定律组合得到,在某种程度上反映了能量“质”的差异。因为常压下气体的VLE(ΔH=Tb
ΔS)在低温沸点(Tb<T0)才能实现,因此液化为㶲增过程,即ε1-ε9<0,必须消耗功才能实现。Claude液化通过部分气体膨胀回收了部分功,但整个系统仍为净输入功,此为第一部分付出;第二部分为实现致冷量│q│消耗的功,从因子1-T0/T
看出T越小,其绝对值越大。│ε1-ε9│为所付出的最小功,即当整个系统中所有过程都可逆时。这实际上是不可能的,由于第二定律还不得不为各个设备的不可逆过程付出“额外”的功,即所谓内部㶲损失,显示出㶲不守恒的特性;这里包括换热器(注意区分换热器的热损失和㶲损失,参见例题5/4-1和习题5-13)和节流膨胀(典型的不可逆过程,想想T-s/lnp-H图