【正文】 水的焓 【例 】據估計，每年全球的降水如果均勻分布在 1014m2的地球表面，則平均降水量 為 1m 。求每年使這些水汽化所需要的能量，與 1987 年世界的能源消耗（ 1017kJ ）以及與地球表面對太陽能的平均吸收率（ 168 W/m2）進行比較。 解：全球水體的平均表層溫度接近 15 ? ，因此選用 15 ? 作為起始溫度。水在 15? 下的汽化熱為 2 457 .7k J/k g 。所有水汽化的總能量需求為： 1 4 2 3211 5 .1 0 1 0 m 1 0 2 4 5 7 .71 .2 5 1 0 k J/aQ ? ? ? ? ??? 這是人類社會所消耗能量的將近 4000 倍。在全球范圍內，推動全球水循環(huán)的平均能量為： 242141 .2 5 1 07 8 W / m3 6 5 2 4 3 6 0 0 5 .1 0 1 0?? ? ? ?＝ 該數值約地球表面對太陽能的平均吸收率的 一半。 21314 ???????hQkJ 開放系統(tǒng) －與環(huán)境既有物質交換又有能量交換的系統(tǒng) 三、開放系統(tǒng)的能量衡算 對于單位時間物料進行衡算 qEHH qFP ??? ??對于穩(wěn)態(tài)過程 qHHFP ?? ??【 例 】 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 (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：取整個換熱器為衡算系統(tǒng)，時間基準為 1h，物態(tài)溫度基準為 273K液體。 輸入 系統(tǒng)的物料的焓值包括： 設飽和水蒸氣用量為 G kg/h，查得 373K的飽和水蒸氣的焓為2677 kJ/kg，飽和水的焓為 kJ/kg GH F 2677)273298( ??????GH P )273353( ??????GH P )273353( ??????GH F 2 6 7 7)273298( 0 0 0 ??????GH F 2 6 7 7)273298( 0 0 0 ??????輸出 系統(tǒng)的物料的焓值包括： GH P )273353( ??????q =－ 10000 kJ/h qHH FP ?? ??解得 G＝ kg/h 飽和水蒸氣的焓： 298K的液體： 飽和水蒸氣的焓 298K的液體 373K飽和水的焓： 353K的液體： 353K的液體 373K飽和水的焓 Q=5m3/h 【 例 】 一污水池內有 50m3的污水，溫度為 15℃ ，為加速消化過程，需將其加熱到 35℃ 。采用外循環(huán)法加熱，使污水以 5 m3/h的流量通過換熱器，換熱器用水蒸氣加熱，其出口溫度恒定為 100℃ 。假設罐內污水混合均勻 ，污水的密度為 1000kg/ m3，不考慮池的散熱，問污水加熱到所需溫度需要多少時間？ 非穩(wěn)態(tài)過程 解：池中污水混合均勻，因此任意時刻從池中排出的污水溫度與池中相同，設其為 T℃ 。以污水池為衡算系統(tǒng)，以 0℃ 的污水為溫度物態(tài)基準。 3FpH Q c T???輸出系統(tǒng)的焓 PpH Q c T???系統(tǒng)內積累的焓 ddqpTE V ct??輸入系統(tǒng)的焓 T 3ddp p pTQ c T Q c T V ct? ? ???3dd VTtQ T T? ?邊界條件： 1 0t ? 1 15T ?2 35T ?t 350 1550 dd5 10 0TtT? ??? 0 0 151 0 0ln10 ????t℃ ℃ h tt ?20??? ?? qFP EHH qPF EHH ?? ??當只有一種物料流經系統(tǒng)輸入或輸出熱量時，因物料進入系統(tǒng)而輸入 的能量為 1 H H F ? ? ? 因物料離開系統(tǒng)所輸出的能量為 2 H H P ? ? ? 式中： ? —— 通過系統(tǒng)的物料的質量流量， kg/h 或 kg/s ； 1 H —— 單位質量物料進入系統(tǒng)時的焓， kJ/kg ； 2 H —— 單位質量物料離開系統(tǒng)時的焓， kJ/kg 。 則系統(tǒng)的能量變化率為 ? ? 1 2 H H H H F P ? ? ? ? ? ? 開放系統(tǒng)中能量變化率的計算： qHH FP ?? ??? ? 1 2 H H H H F P ? ? ? ? ? ? （ 1 ） 當物料無相變時 ，若定壓比熱容不隨時間變化，或取物料平均溫 度下的定壓比熱容時， ? ? T c H H H H p F P ? ? ? ? ? ? ? ? ? 1 2 例如，用水對熱電廠進行冷卻， ? 表示冷卻水的質量流量， ΔT 表示冷 卻水在流經熱電廠的 冷凝器后溫度的升高 。 （ 2 ） 物料有相變時 ， 例如熱流體為飽和蒸汽，放出熱量后變?yōu)槔淠骸? 當冷凝液以飽和溫度離開系統(tǒng)時， ? ? r H H H H F P ? ? ? ? ? ? ? ? 1 2 式中： r —— 飽和蒸汽的冷凝潛熱， kJ/kg 。 當物料離開系統(tǒng)時的溫度低于飽和溫度時 ， ? ? T c r H H H H p F P ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 1 2 物料經過系統(tǒng)放出潛熱時， r為負值！ 【 例 】 燃煤發(fā)電廠將煤的化學能的三分之一轉化為電能，輸出電能 1000MW。其余三分之二的化學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%的余熱隨冷卻水進入附近的河流中。如圖 。河流上游的流速為 100m3/s，水溫為 20℃ 。試計算： （ 1）若冷卻水的溫度只升高了 10℃ ，冷卻水的流量為多少？ （ 2）這些冷卻水進入河流后，河水的溫度將變化多少？ （ 1）以冷卻水為衡算對象 ?則冷卻水能量的變化率為 61010 . 041 8417 00 ???? ?361700 4 0 . 6 1 0 k g /s4 1 8 4 1 0 . 0 1 0? ??? －＝ ＝水的密度為 1000kg/m3，故水的體積流量為 m3/s。 設冷卻水的質量流量為 冷卻水吸收熱量速率為 MW1 7 0 0 0 0 ?????qTcHH pFP ??? ?? ?（ 2）以河流水為衡算對象，在 100m3/s的流量下，吸收 1700MW能量后河水溫度的變化為 1 8 4101 0 0 101 7 0 0 o36＝?? ??? T河水溫度升高了 ℃ ，變?yōu)?℃ 。