1、第二節第二節 能量衡算能量衡算教師：楊紹娟主主 要要 內內 容容 概述概述 熱量衡算熱量衡算 常用熱力學數據的計算常用熱力學數據的計算 加熱劑、冷卻劑及其他能量消耗計算加熱劑、冷卻劑及其他能量消耗計算 有效能的概念有效能的概念 13245一 概述必要性：有傳熱要求的設備，必須進行能量衡算，必要性：有傳熱要求的設備，必須進行能量衡算，來確定設備的主要尺寸。來確定設備的主要尺寸。1、能量衡算的目的、意義、能量衡算的目的、意義設計：設備的熱負荷設計：設備的熱負荷傳熱面的形式、面積、設傳熱面的形式、面積、設備的工藝尺寸、加熱劑或冷卻劑用量。備的工藝尺寸、加熱劑或冷卻劑用量。改造：合理的節能、用能、降低

2、單位產品的能耗，改造：合理的節能、用能、降低單位產品的能耗，節能的一項基礎工作節能的一項基礎工作用能設備進行能量平用能設備進行能量平衡的測定與計算。衡的測定與計算。2、能量衡算的依據及必要條件、能量衡算的依據及必要條件依據：能量守恒定律依據：能量守恒定律條件：物料衡算、熱力學數據（比熱容、條件：物料衡算、熱力學數據（比熱容、相變熱、反應熱）相變熱、反應熱）3、能量守恒基本方程、能量守恒基本方程環境輸入到系統的能量環境輸入到系統的能量=系統輸出到環境能系統輸出到環境能量量+系統內積累的能量系統內積累的能量化工用能以熱能為主，確定熱負荷，故為化工用能以熱能為主，確定熱負荷，故為熱量衡算。熱量衡算。

3、二 熱量衡算（一）、設備的熱量平衡方程式設備的熱量平衡方程式 對于有傳熱要求的設備，其熱量平衡均可由下對于有傳熱要求的設備，其熱量平衡均可由下式表示：式表示： Q1物料帶入到設備的熱量，物料帶入到設備的熱量，KJ Q2加熱劑或冷卻劑傳給設備或從設備帶走的熱加熱劑或冷卻劑傳給設備或從設備帶走的熱量，量，KJ Q3過程反應熱，過程反應熱， KJ Q4物料離開設備所帶走的熱量，物料離開設備所帶走的熱量， KJ Q5加熱或冷卻設備所消耗的熱量，加熱或冷卻設備所消耗的熱量， KJ Q6設備向環境散失的熱量，設備向環境散失的熱量， KJ 為了求出公式為了求出公式(4-36）中的，即設備的熱負荷，必）中的，

4、即設備的熱負荷，必須算出其他各項熱量。須算出其他各項熱量。14()Q QmctkJn物料帶入到設備或從設備帶走的熱量物料帶入到設備或從設備帶走的熱量nm輸入或輸出設備的物料質量，輸入或輸出設備的物料質量，kg；nc物料的平均比熱容，物料的平均比熱容，kJ/kg；nt物料的溫度，物料的溫度，。計算計算Q Q1 1與與Q Q4 4時，是取標準狀態，即時，是取標準狀態，即00及及1.0131.01310105 5papa為計算基準。有時為了計算方便也可為計算基準。有時為了計算方便也可以取物料的進口狀態作為基準狀態，這時以取物料的進口狀態作為基準狀態，這時 Q1=0=0。1）、）、Q1與與Q4 消耗在

5、加熱或冷卻設備上的熱量消耗在加熱或冷卻設備上的熱量 ，凡屬間歇操作、，凡屬間歇操作、開車、停車等，可按下式計算：開車、停車等，可按下式計算：nM設備各部件的質量，設備各部件的質量，kg；nC設備各部件的比熱容，設備各部件的比熱容， kJ/kg；nt1設備各部件的初始溫度，設備各部件的初始溫度，；nt2設備各部件的最終溫度，設備各部件的最終溫度，。 設備各部件的初始溫度設備各部件的初始溫度 t1，一般情況下可取室溫；，一般情況下可取室溫；最終溫度最終溫度t2需視具體情況而定。需視具體情況而定。521()QMc tt kJ2）、）、Q560()TTQAttJ設備向環境散失的熱量可按下式計算：設備向

6、環境散失的熱量可按下式計算：nA設備散熱表面積，設備散熱表面積，m2；nT設備散熱表面與周圍介質之間的聯合給熱系設備散熱表面與周圍介質之間的聯合給熱系 數，數，W/（m2），其計算如），其計算如p123所示；所示；ntT與周圍介質直接接觸的設備表面溫度，與周圍介質直接接觸的設備表面溫度，；nt0周圍介質的溫度，周圍介質的溫度，；n 過程持續時間，過程持續時間，s。以上分別介紹了以上分別介紹了Q1、Q4、Q5、Q6的計算，再能求的計算，再能求出過程熱效應的出過程熱效應的Q3的數值，就可求出設備的熱負荷的數值，就可求出設備的熱負荷Q2。Q2正值表示需對設備加熱，負值表示需冷卻。正值表示需對設備加熱

7、，負值表示需冷卻。3）、）、Q6（二）、過程熱效應（二）、過程熱效應（Q3） 包括：化學反應熱、狀態變化熱（相變熱、濃度變化熱）包括：化學反應熱、狀態變化熱（相變熱、濃度變化熱） 熱效應的符號：放熱為正、吸熱為負。熱效應的符號：放熱為正、吸熱為負。 1、化學反應熱：與溫度、反應本身有關，、化學反應熱：與溫度、反應本身有關，298K，1個大氣壓的反應熱為標個大氣壓的反應熱為標準反應熱，習慣用準反應熱，習慣用H H表示，本教材用表示，本教材用qr 表示，表示，qr =- H H。 qr 數值的求法：數值的求法： （1）可查。）可查。 （2）由標準生成熱求得，）由標準生成熱求得， （3）由標準燃燒熱

8、求得，）由標準燃燒熱求得， 注意符號；有時需要將兩者互算。不同溫度下反應熱的計算，注意有注意符號；有時需要將兩者互算。不同溫度下反應熱的計算，注意有無相變。無相變。/rfqqkJ mol /rcqqkJ mol 二 熱量衡算（4）qf與與qc的換算的換算 n化合物中同種元素的原子數；化合物中同種元素的原子數； qce元素標準燃燒熱，元素標準燃燒熱，kJ/（g.atm），其數值見），其數值見表表4-7。例例4-12：今查得固態萘：今查得固態萘C10H8的標準生成熱的標準生成熱qf=H Hf f=-78.00kJ/mol，求萘的標準生成熱，求萘的標準生成熱qc 為多少？為多少？/fcceqqnqk

9、J mol （5）不同溫度下反應熱）不同溫度下反應熱qrt的計算的計算 qr 標準反應熱，標準反應熱，KJ/KJ/ molmol； 反應方程式中化學計量系數，反應物為負，生成反應方程式中化學計量系數，反應物為負，生成物為正；物為正； CpCp反應物或生成物在（反應物或生成物在（25-t25-t）范圍內的平均比熱范圍內的平均比熱容，容，KJ/KJ/（ molmol）；）； tt反應溫度，反應溫度，。（二）狀態變化熱二）狀態變化熱 只發生物質聚集狀態或濃度變化的熱效應只發生物質聚集狀態或濃度變化的熱效應潛熱（相變潛熱（相變焓）。焓）。 放熱為正、吸熱為負。放熱為正、吸熱為負。1、相變熱、相變熱恒溫

10、恒壓下，從一相轉變為另一相，注意正負號。恒溫恒壓下，從一相轉變為另一相，注意正負號。（可查得）（可查得）2、濃度變化熱、濃度變化熱恒溫恒壓下，因濃度變化熱效應，用溶解熱恒溫恒壓下，因濃度變化熱效應，用溶解熱或稀釋熱來求取。（或稀釋熱來求取。（Qp）二 熱量衡算溶解熱溶解熱將將1mol的溶質溶于的溶質溶于nmol的溶劑中過程產生的溶劑中過程產生的熱效應；的熱效應；qs表示，放熱為正，吸熱為負。表示，放熱為正，吸熱為負。例例4-13：磺化反應過程中共滴入：磺化反應過程中共滴入25濃度為濃度為88%的硫酸的硫酸1000kg，反應結束時廢酸的量為，反應結束時廢酸的量為640kg，廢酸中，廢酸中H2SO

11、4的質量百分濃度為的質量百分濃度為68%，其余為水。如圖所示。求反，其余為水。如圖所示。求反應過程中應過程中H2SO4的濃度變化熱。的濃度變化熱。m1=8979.6n1=0.7424m2=4440.8n2=2.56H2SO4 H2OQp稀釋熱稀釋熱將一定數量的溶劑加入到含將一定數量的溶劑加入到含1mol溶質的溶液中去，溶質的溶液中去，形成較稀的溶液時所產生的熱效應。當加入的溶劑量為無形成較稀的溶液時所產生的熱效應。當加入的溶劑量為無限大時，其熱效應稱無限稀釋熱；限大時，其熱效應稱無限稀釋熱；qid表示。表示。例例4-14 苯胺重氮化反應中鹽酸的濃度由苯胺重氮化反應中鹽酸的濃度由30%降低到降低

12、到1.21%（均為質量百分濃度）。已知反應中投入（均為質量百分濃度）。已知反應中投入30%鹽酸鹽酸2571kg，反應中實際消耗，反應中實際消耗HCl量為量為673.8kg。計算反應中由于鹽酸的濃度變化而產生的熱效應。計算反應中由于鹽酸的濃度變化而產生的熱效應。m1=21.13 310103 3qid1=102.9m2=2.6710103 3qid2=267.7無限稀釋狀態無限稀釋狀態Qp三 常用熱力學數據的計算一、比熱容一、比熱容1、氣體：、氣體： 定壓、定容定壓、定容適用于常溫、低壓（壓強不大于適用于常溫、低壓（壓強不大于5*105pa），否則，用圖），否則，用圖6-3修正。修正。2、液體：

13、與壓強無關，隨溫度增加略有增加，在、液體：與壓強無關，隨溫度增加略有增加，在1.72.5Kj/(Kg. )，液氨、水在，液氨、水在4左右，汞、液體金屬很小。左右，汞、液體金屬很小。溶液：由固體比熱容近似計算；溶液：由固體比熱容近似計算；有機化合物：結構式有機化合物：結構式基本結構的摩爾熱容值求和基本結構的摩爾熱容值求和摩爾熱摩爾熱容容比熱容，表比熱容，表6-4，例，例6-4.3、固體：元素、固體：元素Ce=Ca/A；化合物比熱容。；化合物比熱容。二、汽化熱二、汽化熱 化合物化合物6-18、液體在沸點、液體在沸點6-19三、熔融熱三、熔融熱 元素元素6-20、 無機物無機物6-21、有機物、有機

14、物6-22四、溶解熱四、溶解熱 硫酸硫酸6-23、 硝酸硝酸6-24、 鹽酸鹽酸6-25五、無限稀釋熱五、無限稀釋熱 硫酸、硝酸、混酸硫酸、硝酸、混酸 例例6-5 六、標準燃燒熱六、標準燃燒熱 使用查里德法的原則使用查里德法的原則1-7 例例6-6四 加熱劑、冷卻劑及其他能量消耗計算 一、水蒸氣消耗量一、水蒸氣消耗量 1、間接蒸汽加熱時蒸汽的消耗量、間接蒸汽加熱時蒸汽的消耗量 6-30 2、直接蒸汽加熱時蒸汽的消耗量、直接蒸汽加熱時蒸汽的消耗量 6-31 二、燃料的消耗量二、燃料的消耗量 6-32 三、電能的消耗量三、電能的消耗量 6-33 四、冷卻劑的消耗量四、冷卻劑的消耗量 W=Q2/C(

15、TK-TH) W-冷卻劑的消耗量冷卻劑的消耗量 C-冷卻劑的平均比熱容冷卻劑的平均比熱容 TK-冷卻劑的最終溫度冷卻劑的最終溫度 TH-冷卻劑的最初溫度冷卻劑的最初溫度 五、壓縮空氣的消耗量五、壓縮空氣的消耗量 1、壓縮液體物料、壓縮液體物料 2、攪拌液體、攪拌液體 六、真空的抽氣量六、真空的抽氣量 1、抽氣液體物料、抽氣液體物料 2、真空抽濾、真空抽濾3、真空蒸發、真空蒸發4、建立真空、建立真空抽氣量抽氣量 5、維持真空抽氣量、維持真空抽氣量五 有效能的概念一、一、火火用用定義：能量的轉換能力或有用程度，統一理解為能量轉變為功的能力或定義：能量的轉換能力或有用程度，統一理解為能量轉變為功的能

16、力或做功的能力，成為有效能。做功的能力，成為有效能。能量的數量：能量的數量：E=Ex+An 能量的質量：能量的質量：R=Ex/E=Ex/Ex+An(能級或能量的品質系數能級或能量的品質系數)二、熱、功與物流的二、熱、功與物流的火火用用1、對外做功（容積有體積變化）、對外做功（容積有體積變化） 2、從熱源吸熱、從熱源吸熱3、物流的、物流的火火用用定義：物流所處狀態變化到與給定環境完全平衡時所作的最大有用功。定義：物流所處狀態變化到與給定環境完全平衡時所作的最大有用功。物理死態：與環境達成機械、熱平衡物理死態：與環境達成機械、熱平衡 ；化學死態：與環境達成機械、熱、；化學死態：與環境達成機械、熱、

17、化學平衡。化學平衡。物理物理火火用用：物理死態：物理死態 Exiph 化學化學火火用用:化學死態化學死態 Exch Ex=Exiph+ Exch組分不平衡組分不平衡化學反應化學反應化學火用化學火用,濃度不平衡濃度不平衡擴散過程擴散過程擴散火用擴散火用五 有效能的概念三、三、火火用用平衡方程式平衡方程式理論基礎：可逆過程無理論基礎：可逆過程無火火用損失，任何不可逆過程必引起用損失，任何不可逆過程必引起火火用損失。實用損失。實際過程，需要附加一項際過程，需要附加一項火火用損失，才能建立平衡方程。用損失，才能建立平衡方程。表達式：表達式：EXH1+EXQ1+EXW1=EXH2+EXQ2+EXW2+D

18、KEXH1 EXH2進、出系統物流的進、出系統物流的火用火用EXQ1 EXQ2輸入、輸出系統的熱輸入、輸出系統的熱火用火用EXW1 EXW2輸入、輸出系統的功輸入、輸出系統的功火用火用DK火用火用損失損失特征：同品味能量的平衡，與熱量的異品位能量的數量平衡不同。特征：同品味能量的平衡，與熱量的異品位能量的數量平衡不同。四、四、火用火用損失損失傳熱過程的傳熱過程的火用火用損失：損失：DK=T0s s-總總火火商商差差 降低環境溫度和總降低環境溫度和總火火商商差可減少差可減少火用火用損失，傳熱推動力損失，傳熱推動力T越大，越大，DK越大，越大，當當T趨于零，趨于零，DK趨于零，過程越偏離可逆過程，趨于零，過程越偏離可逆過程，火用火用損失越大。損失越大。五、五、火火用用效率效率為了統一評定各類設備的用能完善程度，引入的統一的尺度，定義具有為了統一評定各類設備的用能完善程度，引入的統一的尺度，定義具有一定的不確定性。一定的不確定性。五 有效能的概念 六、有效能的應用六、有效能的應用 能量的雙重含義：