I篇環(huán)境工程原理基礎(chǔ).ppt

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第 I 篇 環(huán)境工程原理基礎(chǔ),第I篇 環(huán)境工程原理基礎(chǔ),在環(huán)境污染控制工程領(lǐng)域，無(wú)論是水處理、廢氣處理和固體廢棄物處理處置，還是給水排水管道工程，都涉及流體流動(dòng)和熱量、質(zhì)量傳遞現(xiàn)象。,流體流動(dòng)：輸送流體、沉降分離流體中顆粒物， 污染物的過(guò)濾分離等 熱量傳遞：加熱、冷卻、干燥、蒸發(fā)以及管道、設(shè)備的保溫等 質(zhì)量傳遞：吸收、吸附、吹脫、膜分離以及生物、化學(xué)反應(yīng)等,第I篇 環(huán)境工程原理基礎(chǔ),本篇主要講述質(zhì)量衡算、能量衡算等環(huán)境工程中分析問(wèn)題的基本方法，以及流體流動(dòng)和熱量、質(zhì)量傳遞的基礎(chǔ)理論。,系統(tǒng)掌握流體流動(dòng)和熱量、質(zhì)量傳遞過(guò)程的基礎(chǔ)理論，對(duì)優(yōu)化污染物的分離和轉(zhuǎn)化過(guò)程、提高污染控制工程的效率具有重要意義。,本篇主要內(nèi)容,第二章 質(zhì)量衡算與能量衡算 第三章 流體流動(dòng) 第四章 熱量傳遞 第五章 質(zhì)量傳遞,第I篇 環(huán)境工程原理基礎(chǔ),第二章 質(zhì)量衡算與能量衡算,第二章 質(zhì)量衡算與能量衡算,第一節(jié) 常用物理量 常用物理量及單位換算 常用物理量及其表示方法 第二節(jié) 質(zhì)量衡算 衡算系統(tǒng)的概念 總質(zhì)量衡算方程 第三節(jié) 能量衡算 總能量衡算方程 熱量衡算方程,本章主要內(nèi)容,一、計(jì)量單位 二、物理量的單位換算 三、量綱和無(wú)量綱準(zhǔn)數(shù) 四、常用物理量及其表示方法,本節(jié)的主要內(nèi)容,第一節(jié) 常用物理量,第一節(jié) 常用物理量,一、計(jì)量單位,,第一節(jié) 常用物理量,當(dāng)采用其它單位制時(shí)，將各物理量的單位代入定義式中，得到的k不等于1。例如，上例中，若距離的單位為cm，則k=0.01。,按照國(guó)際單位制規(guī)定，取k=1，則力的導(dǎo)出單位為,第一節(jié) 常用物理量,導(dǎo)出單位,表2.1.3 國(guó)際單位制中規(guī)定了若干具有專(zhuān)門(mén)名稱的導(dǎo)出單位,,,第一節(jié) 常用物理量,同一物理量用不同單位制的單位度量時(shí)，其數(shù)值比稱為換算因數(shù),例如1m長(zhǎng)的管用英尺度量時(shí)為3.2808ft，則英尺與米的換算因數(shù)為3.2808。,二、物理量的單位換算,第一節(jié) 常用物理量,第一節(jié) 常用物理量,解：根據(jù)附錄，1kcal＝4186.8 Ws，1h=3600s；1℃表示溫差為1℃，用K表示溫度時(shí)，溫差為1K。因此 1kcal/（m2h℃）＝4186.8/3600 W/(m2K)＝1.163 W/(m2K) 1cm/s＝0.01m/s,第一節(jié) 常用物理量,(一)量綱,用來(lái)描述物體或系統(tǒng)物理狀態(tài)的可測(cè)量性質(zhì)稱為它的量綱。,量綱與單位的區(qū)別： 量綱是可測(cè)量的性質(zhì)； 單位是測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)，用這些標(biāo)準(zhǔn)和確定的數(shù)值可以定量地描述量綱。,可測(cè)量物理量可以分為兩類(lèi)：基本量和導(dǎo)出量。,三、量綱和無(wú)量綱準(zhǔn)數(shù),第一節(jié) 常用物理量,基本量綱: 質(zhì)量、長(zhǎng)度、時(shí)間、溫度的量綱，分別以M、L、t和T表示，簡(jiǎn)稱MLtT量綱體系。,【物理量】表示該物理量的量綱，不指具有確定數(shù)值的某一物理量。利用量綱所建立起來(lái)的關(guān)系是定性的而不是定量的。,第一節(jié) 常用物理量,(二)無(wú)量綱準(zhǔn)數(shù),由各種變量和參數(shù)組合而成的沒(méi)有單位的群數(shù)，稱為無(wú)量綱準(zhǔn)數(shù)。,無(wú)量綱準(zhǔn)數(shù)既無(wú)量綱，又無(wú)單位，其數(shù)值大小與所選單位制無(wú)關(guān)。只要組合群數(shù)的各個(gè)量采用同一單位制，都可得到相同數(shù)值的無(wú)量綱準(zhǔn)數(shù)。,,,Re=,標(biāo)準(zhǔn)提法是量綱為1,第一節(jié) 常用物理量,通過(guò)對(duì)影響某一過(guò)程和現(xiàn)象的各種因素（物理量）進(jìn)行量綱分析，將物理量表示成為若干個(gè)無(wú)量綱準(zhǔn)數(shù)，然后借助實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立這些無(wú)量綱變量之間的關(guān)系式。,第一節(jié) 常用物理量,參考內(nèi)容:量綱分析法,,,,第一節(jié) 常用物理量,參考內(nèi)容:量綱分析法,雷諾數(shù)，代表慣性力與粘性力的比值，反映流動(dòng)特性；,歐拉數(shù)，代表阻力損失引起的壓降與慣性力之比。,管路的長(zhǎng)徑比，反映幾何尺寸的特性,絕對(duì)粗糙度與管徑之比，稱為相對(duì)粗糙度,,,,,通過(guò)實(shí)驗(yàn)，回歸求取關(guān)聯(lián)式中的待定系數(shù),“黑箱”模型法,第一節(jié) 常用物理量,參考內(nèi)容:量綱分析法,,,例如：氨的水溶液的濃度,氨的物質(zhì)的量/溶液的物質(zhì)的量,四、常用物理量,第一節(jié) 常用物理量,(一)濃度,1．質(zhì)量濃度與物質(zhì)的量濃度 （1）質(zhì)量濃度ρA ，ρ （2）物質(zhì)的量濃度cA ， c,,,組分A的摩爾質(zhì)量,,第一節(jié) 常用物理量,(2.1.2),(2.1.4),(2.1.5),在水處理中，污水中的污染物濃度一般較低，1L污水的質(zhì)量可以近似認(rèn)為等于1000g，所以實(shí)際應(yīng)用中，常常將質(zhì)量濃度和質(zhì)量分?jǐn)?shù)加以換算，即 1mg/L 相當(dāng)于1mg/1000g ＝110-6（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）= 1ppm 1μg/L 相當(dāng)于1μg/1000g ＝110-9（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）=1ppb,當(dāng)污染物的濃度過(guò)高，導(dǎo)致污水的比重發(fā)生變化時(shí)，上兩式應(yīng)加以修正，即 1mg/L 相當(dāng)于1/污水的密度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） 1μg/L相當(dāng)于1/污水的密度 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)）,第一節(jié) 常用物理量,在大氣污染控制工程中，常用體積分?jǐn)?shù)表示污染物質(zhì)的濃度。例如mL/m3，則此氣態(tài)污染物質(zhì)濃度為10-6。,1摩爾任何理想氣體在相同的壓強(qiáng)和溫度下有著同樣的體積，因此可以用體積分?jǐn)?shù)表示污染物質(zhì)的濃度，在實(shí)際應(yīng)用中非常方便；同時(shí)，該單位的最大優(yōu)點(diǎn)是與溫度、壓力無(wú)關(guān)。,第一節(jié) 常用物理量,例如，10-6（體積分?jǐn)?shù)）表示每106體積空氣中有1體積的污染物，這等價(jià)于每106摩爾空氣中有1摩爾污染物質(zhì)。又因?yàn)槿魏螁挝荒柕奈镔|(zhì)有著相同數(shù)量的分子，10-6（體積分?jǐn)?shù)）也就相當(dāng)于每106個(gè)空氣分子中有1個(gè)污染物分子。,對(duì)于氣體，體積分?jǐn)?shù)和質(zhì)量濃度之間的關(guān)系和壓力、溫度以及污染物質(zhì)的分子量有關(guān)。對(duì)于理想氣體，可以用理想氣體狀態(tài)方程表示，即： 式中：p——絕對(duì)壓力，atm； VA——體積，m3； nA——物質(zhì)的摩爾數(shù)，mol； R——理想氣體常數(shù)，0.082LatmK-1mol-1； T——絕對(duì)溫度，K。,第一節(jié) 常用物理量,(2.1.9),根據(jù)質(zhì)量濃度的定義,,根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程,,,,體積分?jǐn)?shù)和質(zhì)量濃度之間的關(guān)系,？,第一節(jié) 常用物理量,(2.1.10),(2.1.11),(2.1.13),【例題2.1.3】在1atm、25℃條件下，某室內(nèi)空氣一氧化碳的體積分?jǐn)?shù)為9.010-6。用質(zhì)量濃度表示一氧化碳的濃度。,解：根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，1mol空氣在1atm和25℃下的體積為,一氧化碳（CO）的分子質(zhì)量為28g/mol，所以CO的質(zhì)量濃度為,mg/m3,第一節(jié) 常用物理量,（2）摩爾分?jǐn)?shù),組分A的摩爾分?jǐn)?shù),混合物的總摩爾數(shù),,,組分A的摩爾數(shù),,當(dāng)混合物為氣液兩相體系時(shí)，常以x表示液相中的摩爾分?jǐn)?shù)，y表示氣相中的摩爾分?jǐn)?shù),，,組分A的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與摩爾分?jǐn)?shù)的關(guān)系,第一節(jié) 常用物理量,(2.1.15b),(2.1.15a),(2.1.14),3．質(zhì)量比與摩爾比,,組分A的質(zhì)量比,混合物中惰性物質(zhì)的質(zhì)量,,,組分A的質(zhì)量,,（當(dāng)混合物中除組分A外，其余為情性組分時(shí)）,,,組分A與惰性組分的關(guān)系,第一節(jié) 常用物理量,(2.1.16),,,,,,組分A與惰性組分的關(guān)系,3．質(zhì)量比與摩爾比,（當(dāng)混合物中除組分A外，其余為情性組分時(shí)）,第一節(jié) 常用物理量,體積流量,質(zhì)量流量,,一維流動(dòng) 二維流動(dòng) 三維流動(dòng),速度分布 平均速度,(二)流量,(三)流速,第一節(jié) 常用物理量,(2.1.21),(2.1.22),圓形管道,在管路設(shè)計(jì)中，選擇適宜的流速非常重要!!!。,一般地，液體的流速取0.5~3.0m/s,氣體則為10~30m/s。,速度分布,,,,流速影響流動(dòng)阻力和管徑，因此直接影響系統(tǒng)的操作費(fèi)用和基建費(fèi)用。,第一節(jié) 常用物理量,(2.1.25),單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的物理量稱為該物理量的通量。通量是表示傳遞速率的重要物理量。,單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的熱量，稱為熱量通量，單位為J/（m2s）； 單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的某組分的質(zhì)量，成為該組分的質(zhì)量通量，單位為kmol/（m2s）； 單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的動(dòng)量，稱為動(dòng)量通量，單位為N/m2。,(四)通量,第一節(jié) 常用物理量,第一節(jié) 常用物理量,（1）什么是換算因數(shù)？英尺和米的換算因素是多少？ （2）什么是量綱和無(wú)量綱準(zhǔn)數(shù)？單位和量綱的區(qū)別是什么？ （3）質(zhì)量分?jǐn)?shù)和質(zhì)量比的區(qū)別和關(guān)系如何？試舉出質(zhì)量比的 應(yīng)用實(shí)例。 （4）大氣污染控制工程中經(jīng)常用體積分?jǐn)?shù)表示污染物的濃 度，試說(shuō)明該單位的優(yōu)點(diǎn)，并闡述與質(zhì)量濃度的關(guān)系。 （5）平均速度的涵義是什么？用管道輸送水和空氣時(shí)，較為 經(jīng)濟(jì)的流速范圍為多少？,思考題,一、衡算的基本概念 二、總質(zhì)量衡算,本節(jié)的主要內(nèi)容,第二節(jié) 質(zhì)量衡算,,分離、反應(yīng)—— 分析物質(zhì)流遷移轉(zhuǎn)化,?,某污染物,生物降解,,,輸入量－輸出量＋降解量=積累量,輸入量1,輸入量2,輸出量,降解量,積累量,第二節(jié) 質(zhì)量衡算,一、衡算的基本概念,?,?,輸入速率－輸出速率＋轉(zhuǎn)化速率=積累速率,質(zhì)量衡算的一般方程,轉(zhuǎn)化速率或反應(yīng)速率——單位時(shí)間因生物或化學(xué)反應(yīng)而轉(zhuǎn)化的質(zhì)量。組分為生成物時(shí)為正值，質(zhì)量增加,,,,,,,單位時(shí)間：,以某種元素或某種物質(zhì)為衡算對(duì)象,第二節(jié) 質(zhì)量衡算,(2.2.4),一、衡算的基本概念,(2.2.8),,污染物的生物降解經(jīng)常被視為一級(jí)反應(yīng)，即污染物的降解速率與其濃度成正比。假設(shè)體積V中可降解物質(zhì)的濃度均勻分布，則,反應(yīng)速率常數(shù)，s-1或d-1,物質(zhì)濃度,負(fù)號(hào)表示污染物隨時(shí)間的增加而減少,,,,體積,,反應(yīng)速率,第二節(jié) 質(zhì)量衡算,各種情況下的質(zhì)量衡算,穩(wěn)態(tài)系統(tǒng) 非穩(wěn)態(tài)系統(tǒng),組分發(fā)生反應(yīng) 組分不發(fā)生反應(yīng),以某組分為對(duì)象 以全部部分為對(duì)象,以總質(zhì)量表示 以單位時(shí)間質(zhì)量表示,,第二節(jié) 質(zhì)量衡算,二、總質(zhì)量衡算,質(zhì)量衡算方程的應(yīng)用,1、需要?jiǎng)澏ê馑愕南到y(tǒng) 2、要確定衡算的對(duì)象 3、確定衡算的基準(zhǔn) 4、繪制質(zhì)量衡算系統(tǒng)圖 5、注意單位要統(tǒng)一,,劃定衡算的系統(tǒng),確定衡算的對(duì)象,某組分,衡算的范圍,,,某組分，和全部組分,單位時(shí)間，某時(shí)間段內(nèi)，或一個(gè)周期,總衡算和微分衡算,,,第二節(jié) 質(zhì)量衡算,——用來(lái)分析質(zhì)量遷移的特定區(qū)域，即衡算的空間范圍,?環(huán)境設(shè)備或管道中一個(gè)微元體——微分衡算,?一個(gè)反應(yīng)池、一個(gè)車(chē)間，或者一個(gè)湖泊、一段河流、一座城市上方的空氣，甚至可以是整個(gè)地球——總衡算,,(一)衡算系統(tǒng),第二節(jié) 質(zhì)量衡算,質(zhì)量衡算系統(tǒng)圖,單位要統(tǒng)一,第二節(jié) 質(zhì)量衡算,【例題2.2.3】一個(gè)湖泊的容積為10.0106m3。有一流量為5.0m3/s、污染物濃度為10.0mg/L的受污染支流流入該湖泊.同時(shí)，還有一污水排放口將污水排入湖泊，污水流量為0.5m3/s，濃度為100mg/L。污染物的降解速率常數(shù)為0.20 d-1。假設(shè)污染物質(zhì)在湖泊中完全混合，且湖水不因蒸發(fā)等原因增加或者減少。求穩(wěn)態(tài)情況下流出水中污染物的濃度。,解：假設(shè)完全混合意味著湖泊中的污染物濃度等于流出水中的污染物濃度,,,,,,,,(二)穩(wěn)態(tài)反應(yīng)系統(tǒng),第二節(jié) 質(zhì)量衡算,解：假設(shè)完全混合意味著湖泊中的污染物濃度等于流出水中的污染物濃度,,輸入速率,輸出速率,,降解速率,,,,第二節(jié) 質(zhì)量衡算,(二)穩(wěn)態(tài)反應(yīng)系統(tǒng),,,【例題】一條河流的上游流量為10m3/s，氯化物的濃度為20mg/L，有一條支流匯入，流量為5m3/s，其氯化物濃度為40mg/L。視氯化物為不可降解物質(zhì)，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，計(jì)算匯合點(diǎn)下游河水中的氯化物濃度，假設(shè)在該點(diǎn)流體完全混合。 解：首先劃定衡算系統(tǒng)，繪制質(zhì)量平衡圖,,第二節(jié) 質(zhì)量衡算,(三)穩(wěn)態(tài)非反應(yīng)系統(tǒng),氯化物的輸出速率為,氯化物的輸入速率為,第二節(jié) 質(zhì)量衡算,解：根據(jù)質(zhì)量衡算方程,,kg/s,kg,t=1518 s,第二節(jié) 質(zhì)量衡算,≠0,(2.2.3),(二)非穩(wěn)態(tài)系統(tǒng),穩(wěn)態(tài)流動(dòng)的數(shù)學(xué)特征：,當(dāng)系統(tǒng)中流速、壓力、密度等物理量只是位置的函數(shù)，不隨時(shí)間變化，稱為穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)；當(dāng)上述物理量不僅隨位置變化，而且隨時(shí)間變化，稱為非穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)。,對(duì)于穩(wěn)態(tài)過(guò)程，內(nèi)部無(wú)物料積累,,,穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)與非穩(wěn)態(tài)系統(tǒng),第二節(jié) 質(zhì)量衡算,【例題】某污水處理工藝中含有沉淀池和濃縮池，沉淀池用于去除水中的懸浮物，濃縮池用于將沉淀的污泥進(jìn)一步濃縮，濃縮池的上清液返回到沉淀池中。污水流量為5000m3/d，懸浮物含量為200mg/L，沉淀池出水中懸浮物濃度為20mg/L，沉淀污泥的含水率為99.8%，進(jìn)入濃縮池停留一定時(shí)間后，排出的污泥含水率為96%，上清液中的懸浮物含量為100mg/L。假設(shè)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，過(guò)程中沒(méi)有生物作用。求整個(gè)系統(tǒng)的污泥產(chǎn)量和排水量，以及濃縮池上清液回流量。污水的比重為1000kg/m3。,？,？,？,根據(jù)需要?jiǎng)澏ê馑愕南到y(tǒng),第二節(jié) 質(zhì)量衡算,已知,,=5000m3/d，,＝200mg/L，,＝20mg/L，,＝(100-96)/(100/1000)＝40(g/L)＝40000(mg/L),＝(100-99.8)/(100/1000)＝2(g/L)＝2000(mg/L),＝100mg/L,污泥含水率為污泥中水和污泥總量的質(zhì)量比，因此污泥中懸浮物含量為,,,,第二節(jié) 質(zhì)量衡算,(1)求污泥產(chǎn)量 以沉淀池和濃縮池的整個(gè)過(guò)程為衡算系統(tǒng)，懸浮物為衡算對(duì)象，因系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，輸入系統(tǒng)的懸浮物量等于輸出的量。,,輸入速率,輸出速率,,,,=22.5(m3/d),＝4977.5(m3/d),第二節(jié) 質(zhì)量衡算,(2)濃縮池上清液量 取濃縮池為衡算系統(tǒng)，懸浮物為衡算對(duì)象,污泥含水率從99.8％降至96％,污泥體積由472.5 m3/d減少為22.5m3/d,相差20倍。,輸入速率,輸出速率,,=450(m3/d),＝472.5(m3/d),,,,第二節(jié) 質(zhì)量衡算,【例題2.2.4】在一個(gè)大小為500m3的會(huì)議室里面有50個(gè)吸煙者，每人每小時(shí)吸兩支香煙。每支香煙散發(fā)1.4mg的甲醛。甲醛轉(zhuǎn)化為二氧化碳的反應(yīng)速率常數(shù)為k＝0.40 h-1。新鮮空氣進(jìn)入會(huì)議室的流量為1000m3/h，同時(shí)室內(nèi)的原有空氣以相同的流量流出。假設(shè)混合完全，估計(jì)在25℃、1atm的條件下，甲醛的穩(wěn)態(tài)濃度。并與造成眼刺激的起始濃度0.0510-6（體積分?jǐn)?shù)）相比較。,第二節(jié) 質(zhì)量衡算,輸入速率,輸出速率,降解速率,,,＝5021.4＝140mg/h,＝1000ρ＝1000ρ mg/h,,第二節(jié) 質(zhì)量衡算,,,第二節(jié) 質(zhì)量衡算,（1）進(jìn)行質(zhì)量衡算的三個(gè)要素是什么？ （2）簡(jiǎn)述穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)和非穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)的特征。 （3）質(zhì)量衡算的基本關(guān)系是什么？ （4）以全部組分為對(duì)象進(jìn)行質(zhì)量衡算時(shí)，衡算方程具有什么特征？ （5）對(duì)存在一級(jí)反應(yīng)過(guò)程的系統(tǒng)進(jìn)行質(zhì)量衡算時(shí)，物質(zhì)的轉(zhuǎn)化速率如何表示？,思考題,一、能量衡算方程 二、熱量衡算方程 三、封閉系統(tǒng)的熱量衡算方程 四、開(kāi)放系統(tǒng)的熱量衡算方程,本節(jié)的主要內(nèi)容,第三節(jié) 能量衡算,水預(yù)熱系統(tǒng),?用熱水或蒸汽加熱水或污泥,?用冷水吸收電廠的廢熱,——水或污泥吸收熱量溫度升高,——冷卻水吸收熱量溫度升高,用量？,加熱時(shí)間？,流量？,溫度？,第三節(jié) 能量衡算,一、能量衡算方程,分析能量流,?流體輸送中，通過(guò)水泵對(duì)水做功，將水提升到高處,？,?流體在管道中流動(dòng)，由于粘性產(chǎn)生摩擦力，消耗機(jī)械能，轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃?？,？,？,兩大類(lèi)問(wèn)題：主要涉及物料溫度與熱量變化的過(guò)程 －冷卻、加熱、散熱 系統(tǒng)對(duì)外做功，系統(tǒng)內(nèi)各種能量相互轉(zhuǎn)化 －流體輸送,機(jī)械能衡算,熱量衡算,,第三節(jié) 能量衡算,（1）流體攜帶能量進(jìn)出系統(tǒng),能量既不會(huì)消失也不能被創(chuàng)造。在給定的過(guò)程中，能量會(huì)發(fā)生形式上的改變,——開(kāi)放系統(tǒng),——封閉系統(tǒng),能量輸入輸出的方式：,（2）系統(tǒng)與外界交換能量 （熱，功）,第三節(jié) 能量衡算,任何系統(tǒng)經(jīng)過(guò)某一過(guò)程時(shí)，其內(nèi)部能量的變化等于該系統(tǒng)從環(huán)境吸收的熱量與它對(duì)外所作的功之差，即,物料所具有的各種能量之和，即總能量,物料從外界吸收的熱量,物料對(duì)外界所作的功,,,,系統(tǒng)內(nèi)部物料能量的變化,,系統(tǒng)內(nèi)能量的變化 ＝（輸出系統(tǒng)的物料的總能量）－（輸入系統(tǒng)的物料的總能量）＋（系統(tǒng)內(nèi)物料能量的積累）,對(duì)于物料總質(zhì)量 ：,第三節(jié) 能量衡算,(2.3.1),（輸出系統(tǒng)的物料的總能量）－（輸入系統(tǒng)的物料的總能量）＋（系統(tǒng)內(nèi)能量的積累）＝（系統(tǒng)從外界吸收的熱量）－（對(duì)外界所作的功）,對(duì)于單位時(shí)間：,（單位時(shí)間輸出系統(tǒng)的物料帶出的總能量）－（單位時(shí)間輸入系統(tǒng)的物料帶入的總能量）＋（單位時(shí)間系統(tǒng)內(nèi)能量的積累） ＝（單位時(shí)間系統(tǒng)從外界吸收的熱量）－（單位時(shí)間對(duì)外界所作的功）,第三節(jié) 能量衡算,對(duì)于單位質(zhì)量物料：,第三節(jié) 能量衡算,＝0,,,,能量可用焓表示,(2.3.1),,,單位時(shí)間輸出系統(tǒng)的物料的焓值總和，即物料帶出的能量總和,單位時(shí)間輸入系統(tǒng)的物料的焓值總和，即物料帶入的能量總和,,,單位時(shí)間系統(tǒng)內(nèi)能量的積累,單位時(shí)間環(huán)境輸入系統(tǒng)的熱量，即系統(tǒng)的吸熱量,,,,,,對(duì)于單位時(shí)間：,第三節(jié) 能量衡算,(2.3.4),二、熱量衡算方程,物質(zhì)的焓定義為,焓值是溫度與物態(tài)的函數(shù)，因此進(jìn)行衡算時(shí)除選取時(shí)間基準(zhǔn)外，還需要選取物態(tài)與溫度基準(zhǔn)，通常以273K物質(zhì)的液態(tài)為基準(zhǔn)。,單位質(zhì)量物質(zhì)的焓,單位質(zhì)量物質(zhì)的內(nèi)能,物質(zhì)所處的壓強(qiáng),單位質(zhì)量物質(zhì)的體積,,,,,,,第三節(jié) 能量衡算,(2.3.5),封閉系統(tǒng)－與環(huán)境沒(méi)有物質(zhì)交換的系統(tǒng) 大氣層、封閉的系統(tǒng)等,,,系統(tǒng)從外界吸收的熱量等于內(nèi)部能量的積累,,,,,對(duì)物料總質(zhì)量進(jìn)行衡算,,,內(nèi)部能量的變化表現(xiàn)為？,第三節(jié) 能量衡算,三、封閉系統(tǒng)的熱量衡算,(2.3.4),,,,物料的比定壓熱容,,物料溫度改變,,物料的質(zhì)量,,,,,無(wú)相變情況下表現(xiàn)為溫度的變化,（1）恒壓過(guò)程中，體系所吸收的熱量全部用于焓的增加，即,（2）恒容、不做非體積功的條件下，體系所吸收的熱量全部用于增加體系的內(nèi)能，即,物料的比定容熱容,,,第三節(jié) 能量衡算,三、封閉系統(tǒng)的熱量衡算,,,,物質(zhì)的潛熱,,,,,對(duì)于固體或液體：,,熱量衡算方程,,,無(wú)相變情況下表現(xiàn)為溫度的變化,第三節(jié) 能量衡算,三、封閉系統(tǒng)的熱量衡算,【例題2.3.1】熱水器發(fā)熱元件的功率是1.5kW，將水20L從15℃加熱到65℃，試計(jì)算需要多少時(shí)間？假設(shè)所有電能都轉(zhuǎn)化為水的熱能，忽略水箱自身溫度升高所消耗的能量和從水箱向環(huán)境中散失掉的能量。,,系統(tǒng)吸收的熱量來(lái)自發(fā)熱元件，加熱時(shí)間為 ， 輸入的熱量為 Q＝1.5Δt＝1.5Δt kWh,水中能量的變化為,＝2014.18（65－15）＝4180 kJ,輸入的能量等于水中能量的變化,,,,水,＝0.77 h,第三節(jié) 能量衡算,解：以熱水器中水所占的體積為衡算系統(tǒng)，為封閉系統(tǒng)。,,kJ,第三節(jié) 能量衡算,－與環(huán)境既有物質(zhì)交換又有能量交換的系統(tǒng),對(duì)于單位時(shí)間物料進(jìn)行衡算,對(duì)于穩(wěn)態(tài)過(guò)程,第三節(jié) 能量衡算,四、開(kāi)放系統(tǒng)的熱量衡算,(2.3.12),開(kāi)放系統(tǒng),【例題2.3.3】在一列管式換熱器中用373K的飽和水蒸氣加熱某液體，液體流量為1000kg/h。從298K加熱到353K，液體的平均比熱容為3.56kJ/(kgK)。飽和水蒸氣冷凝放熱后以373 K的飽和水排出。換熱器向四周的散熱速率為10 000 kJ/h。試求穩(wěn)定操作下加熱所需的蒸氣量。,解：取整個(gè)換熱器為衡算系統(tǒng)，時(shí)間基準(zhǔn)為1h，物態(tài)溫度基準(zhǔn)為273K液體。,,第三節(jié) 能量衡算,四、開(kāi)放系統(tǒng)的熱量衡算,373K飽和水的焓： 353K的液體：,第三節(jié) 能量衡算,輸入系統(tǒng)的物料的焓值包括：,設(shè)飽和水蒸氣用量為G kg/h，查得373K的飽和水蒸氣的焓為2677 kJ/kg，飽和水的焓為418.68 kJ/kg,,輸出系統(tǒng)的物料的焓值包括：,=－10000 kJ/h,解得G＝91.1 kg/h,飽和水蒸氣的焓： 298K的液體：,飽和水蒸氣的焓,298K的液體,,,353K的液體,,,373K飽和水的焓,Q,【例題2.3.4】一污水池內(nèi)有50m3的污水，溫度為15℃，為加速消化過(guò)程，需將其加熱到35℃。采用外循環(huán)法加熱，使污水以5 m3/h的流量通過(guò)換熱器，換熱器用水蒸氣加熱，其出口溫度恒定為100℃。假設(shè)罐內(nèi)污水混合均勻，污水的密度為1000kg/ m3，不考慮池的散熱，問(wèn)污水加熱到所需溫度需要多少時(shí)間？,非穩(wěn)態(tài)過(guò)程,解：池中污水混合均勻，因此任意時(shí)刻從池中排出的污水溫度與池中相同，設(shè)其為T(mén)℃。以污水池為衡算系統(tǒng)，以0℃的污水為溫度物態(tài)基準(zhǔn)。,輸出系統(tǒng)的焓,系統(tǒng)內(nèi)積累的焓,,,輸入系統(tǒng)的焓,,T,第三節(jié) 能量衡算,邊界條件：,℃,℃,h,,第三節(jié) 能量衡算,,,,,,,開(kāi)放系統(tǒng)中能量變化率的計(jì)算：,第三節(jié) 能量衡算,第三節(jié) 能量衡算,物料經(jīng)過(guò)系統(tǒng)放出潛熱時(shí)，r為負(fù)值！,【例2.3.5】 燃煤發(fā)電廠將煤的化學(xué)能的三分之一轉(zhuǎn)化為電能，輸出電能1000MW。其余三分之二的化學(xué)能以廢熱的形式釋放到環(huán)境中，其中有15%的廢熱從煙囪中排出，其余85%的余熱隨冷卻水進(jìn)入附近的河流中。如圖所示。河流上游的流速為100m3/s，水溫為20℃。試計(jì)算： （1）若冷卻水的溫度只升高了10℃，冷卻水的流量為多少？ （2）這些冷卻水進(jìn)入河流后，河水的溫度將變化多少？,,,,,？,？,第三節(jié) 能量衡算,（1）以冷卻水為衡算對(duì)象,則冷卻水熱量的變化率為,水的密度為1000kg/m3，故水的體積流量為40.6 m3/s。,設(shè)冷卻水的質(zhì)量流量為,冷卻水吸收熱量速率為,第三節(jié) 能量衡算,（2）以河流水為衡算對(duì)象，在100m3/s的流量下，吸收1700MW能量后河水溫度的變化為,河水溫度升高了4.1℃，變?yōu)?4.1℃。,第三節(jié) 能量衡算,第三節(jié) 能量衡算,（1）物質(zhì)的總能量由哪幾部分組成？系統(tǒng)內(nèi)部能量的變化與環(huán)境的關(guān)系如何？ （2）什么是封閉系統(tǒng)和開(kāi)放系統(tǒng)？ （3）簡(jiǎn)述熱量衡算方程的涵義。 （4）對(duì)于不對(duì)外做功的封閉系統(tǒng)，其內(nèi)部能量的變化如何表現(xiàn)？ （5）對(duì)于不對(duì)外做功的開(kāi)放系統(tǒng)，系統(tǒng)能量能量變化率可如何表示？,思考題,