第五章—火用分析基础.ppt

5 火用分析基础,能量平衡只讨论量，不讨论质。火用平衡既讨论量，还讨论质。,所以数量相同而形式不同的能量，其有用程度是不一样的；不同形式、不同状态下的能量，作功能力也是不同的。,我们知道：系统放出的热能和内能不可能完全转变成有用功，而机械能、电能理论上则可以100转换为其他形式的能。,5.1 基本概念,1956，I.Rant（I.郎特）,Available Energy,东南大学夏彦儒教授翻译,如何评价能量的价值?,Availability,Anergy,可用能，有效能,可用度,火无,火用,Unavailable Energy 无效能,三种不同品质的能量,1、可无限转换的能量,如：机械能、电能、水能、风能,理论上可以完全转换为功的能量高级能量,2、不能转换的能量,理论上不能转换为功的能量无效能,如：环境（大气、海洋）,3、可有限转换的能量,理论上不能完全转换为功的能量低级能量,如：热能、焓、内能,（Ex）,（An）,（Ex+An）,火用和火无的概念火用（exergy）：1、在环境条件下，任一形式的能量中理论上能够 转变为有用功的那部分能量，称为该能量的 火用，用Ex表示，单位:J、kJ；2、热力系统由任一状态可逆地变化到与环境平衡 时所作出的最大有用功。火无（anergy）：系统中不能转变为有用功的那部 分能量称为火无；用An表示，单位:J、kJ。,比火用：ex 单位：J/kg，kJ/kg比火无：an 单位：J/kg，kJ/kg,则任何能量 E 都由火用（Ex）和火无（An）两部分组成，即,机械能、电能：An=0 Ex=E环境介质中的热能：Ex=0,度量能量的可用程度,标准：能量的作功能力火用、有效能、可用能约束条件：以给定的环境为基准，在该环境状态下火用值为零；作功过程是完全可逆的，这样才能获得理论功；过程中，除环境外，无其它热源或功源参与作用，这样才能使获得的功全部是由给定状态下物质的能 量转化而来的。,热一律和热二律的Ex含义,一切过程，Ex+An总量恒定,热一律：,热二律：,在可逆过程中，Ex保持不变,在不可逆过程中，部分Ex转换为An,Ex损失、作功能力损失、能量贬值,任何一孤立系，Ex只能不变或减少，不能增加 孤立系统Ex减原理,由An转换为Ex不可能,能量转换过程中，火用和火无的总和恒定不变 可逆过程 没有功损失，能量不贬值 不可逆过程 功有损失，能量贬值，不可逆过程伴随火用损失 火用可作为过程进行方向的判据 比熵更直观，物理意义更明确,5.2 火用值的计算,热量火用 冷量火用 物质或物流火用 化学火用 物理火用 动能火用 位能火用 扩散火用 功源火用 电力火用 水力火用 风力火用 地力火用 波浪火用,火用可分为以下几类：,5.2.1 功源火用,机械能、电能、水能、风能等功源可以100%地被用以完成功，都可以直接转化为机械能，所以理论上功源火用值与功源总能量相等，火无值等于零。,5.2.2 热量火用,在 T0（环境温度）和 T（T T0）两热源间实施卡诺循环，热源（系统）T 放出热量Q 时，所能产生的最大功就是热量 Q 的热量火用（有效能）。根据热力学第二定律，该热量火用就是两热源之间卡诺循环的循环净功。,系统温度高于环境温度时系统与外界传递的热量所做的最大有用功称为热量火用，用ExQ 表示。,则：,若,则,ExQ取决于Q、T和T0 当T0Const，单位热量火用（ExQ/Q）只是 T的单值函数 高温热源较低温热源具有更大的可用性 AnQ与T0、S有关 Q0，ExQ0，系统吸热，系统也吸收了火用，外界对系统作功,5.2.3 冷量火用,低于环境温度的系统（T T0）与外界交换的热量称为冷量。冷量自发地由低温物体流入高温物体，冷流与热流方向相反，冷量交换过程中也伴随着冷量火用的交换。系统温度 T 低于环境温度 T0，则可在T与T0之间设置可逆热机，该热机自环境吸热Q0，向低温系统放热Q，向外输出的最大有用功即为冷量火用。,系统温度低于环境温度，所具有的火用称为冷量火用，用ExQ表示。,则,若,则,冷量火无为循环从环境的吸热量,ExQ与Q、T、T0有关，T0=const，ExQ/Q是T 的单值函数。T ExQ T 0，ExQ T ExQ T T0，ExQ 0 系统吸热，放出冷量火用，Q0，ExQ 0，系统 对外界作功；系统放热，吸入冷量火用，Q0，ExQ 0，外界 对系统作功。通常，使制冷系统中冷库温度降低并维 持低温，必须从系统取出热量（或者说得到冷量），而环境以外的外界必须提供有用功，所以有“冷量火用”之称。,热量火用与冷量火用的不同 热量火用：系统放出热量的同时，放出热量火用，火用值，ExQ与Q方向一致。冷量火用：系统在吸收热量的同时，放出了冷量火用，冷量火用的方向总是与热流Q的方向相反。当，。,单位热量的火用（不是比火用）,环境点(300K)处火用为0,热量火用,冷量火用,5.2.4 物质或物流火用,闭系工质物理火用（内能火用）若闭口热力系只与环境作用，从给定状态以可逆方式变化到与环境平衡的状态，所能作出的最大有用功，称为该状态下闭口系的火用，也称为内能火用。,物质或物流火用包括物质的化学火用、扩散火用、动能火用、位能火用和物理火用等。这里主要讨论物理火用。,设处于环境（p0，T0）中的任意闭口系统，状态为 p，v，T，u，s,经某可逆过程，与环境达到平衡，状态为 p0，v0，T0，u0，s0，过程中换热量 q，内能变化为u，对外作功为w。,则根据热一律和热二律 q=T0s=u+w,所以内能火用,由于系统处于环境中，为了克服环境压力，在膨胀过程中系统要推挤环境介质而作功，这部分功是不能用的。则内能火用：,所以，火无,对于m kg工质,闭口系统内能的火用与火无的说明,1）闭口系的内能u，只有一部分是火用ex 内能火无 an=u0+T0(s-s0)-p0(v-v0),2）当环境 p0、T0一定时，ex 是状态参数,3）环境的内能很大，但内能火用 ex0,4）闭口系由1 2的可逆过程，工质作的最大功,开系工质物理火用（焓火用）对稳流系统，仍取系统和环境组成孤立系统，则系统由初始状态可逆过渡到环境状态所完成的最大技术功（轴功），即为开系工质的物理火用，也称为焓火用。,设处于给定状态 T，h，s 的工质，流入稳定开口系统。,所以焓火用,流出系统时与环境达到平衡，状态为 T0，h0，s0。过程中换热量 q，焓变化为h，对外作技术功为wt。则根据热一律和热二律:,稳定流动工质的焓火用的说明,1）稳流工质的焓h，只有一部分是ex，焓火无 an=h-ex,2）当环境 p0、T0一定时，ex 是状态参数,3）当工质状态与环境相平衡，焓 ex=0,若除环境外无其它热源，则工质始、终状态的火用差即为这一过程中所能提供的最大有用功。,对于mkg工质,例1：现有一空气压缩机进口压力，温度；排气压力，温度；周围环境温度。试求每kg空气在机内作稳定流动时火用变化值等多少？（按理想气体考虑，空气定压比热容，气体常数）,5.3 火用损失,火用的基本含义是以环境为基准时系统的理论作功能力。它不是实际过程中系统做出的最大功，也不是系统由初态变化到与环境平衡状态时实际完成的有用功，即火用与实际过程功无关。如果实际过程中所完成的功量小于系统能提供的火用值，就意味着过程中有火用损失。实际上任何过程都存在不可逆因素，都存在火用损失。,5.3.1 温差传热引起的火用损失 吸热,在温度为T0的环境中，温度为TA的高温热源与外界交换的热量（TA T0）为Q，则Q的热量火用,由于传热温差的存在，实际上工质的吸热温度为TB（TB TA），与外界交换的热量仍为Q，此时的热量火用,显然火用损失为,该温差传热过程的熵产,所以,火用损失就是图中的面积37853,放热,同理，在放热时，由于传热温差的存在，实际上的放热温度T0高于环境温度T0，放给环境的热量为Q0，则过程的熵产和火用损失为,5.3.2 摩擦引起的火用损失,如图所示，在T1和环境温度T0之间有一工作热机，可逆循环为12341。若绝热膨胀过程有摩擦，则不可逆循环为12341。两循环的吸热量Q相同，都是面积12651，只是由于摩擦，不可逆循环多放了热量Q，少做了功Wl，其值等于面积33763。,由于循环中只有2-3为不可逆过程，则过程的熵产和火用损失为,则总火用损失,5.3.3 能级与能量贬值原理,机械能、电能等可100%被利用品质高 热能、内能不能100%无偿利用品质低 不同温度下热能具有不同的火用值，它们的可利用程度不同 衡量能量的可用性能级,能级就是能量火用值与能量数量的比值。,热能,能量贬值原理：在不可逆过程中，能量的数量虽然不变，但火用减小了，能级降低了，作功能力下降 了，即能量的品质下降了。,机械能、电能 1 可利用程度,例2：一刚性绝热容器用刚性透热壁分成A、B两部 分且各储有1kg空气，压力和温度分别为 100kPa、600kPa和300K、700K，如图所示。通过传热，两侧温度最后相等。设大气温度 T0300K，试求该过程的有效能损失。（即内 能火用损失、物理火用损失）cv=0.717kJ/(kgK)cp=1.004 kJ/(kgK),5.4 火用方程,在热力过程中，热力系的能量保持守恒，系统的火用值也应保持平衡，其平衡方程就是火用方程。,由熵的概念,得,又，热力学第一定律,两式相减得,这就是火用方程的微元形式。左边是热量火用；右边第一项是焓火用，第二项是技术功，第三项是火用损失。,进、出口截面间的稳定流动,多股流体进出,即：热量火用焓火用技术功火用损,5.5 火用效率和热效率,火用效率ex 系统中可用能的利用程度，表示不可逆因素引起的火用损失的大小。,在换热器中，热流体的火用值之差就是提供的火用值，而冷流体的火用值之差就是实际利用的火用值。,火用效率的表示方法,所以，火用效率是一种相对效率，反映实际过程偏离理想可逆过程的程度。它从质量上说明了应该转变成的可用能中有多少被实际利用了，而热效率只从数量上说明了有多少热能转变成了功。,而热效率t=W/Q 是指：实际完成的功与所提供热量的比值。,卡诺循环热效率,则实际循环火用效率,热力循环中，热量的火用效率,例3：经过一断管路后，压缩空气的压力和温度由0.9MPa、50降至0.8MPa、45，环境温度T0=293K，压力p0=0.1MPa。求火用效率和火用损失。已知空气cp=1.012kJ/(kgK)，R=0.287kJ/(kgK),例4：刚性容器A容积V=3m3，内有CO2，压力p2=0.6MPa，温度t2=27，通过阀门与管道连接，如图。管道中CO2作稳定流动，p1=2MPa，t1=27。若将阀门开启，管道则向A充气，直至A中压力达到p3=1.8MPa，然后将阀门关闭，这时t3=57。经足够时间，容器中CO2的温度又降至t4=27，与大气温度t0相等。试求整个过程有效能损失。已知气体常数R=0.189kJ/(kgK)，大气压力p0=0.1MPa,例5：现有一换热器，热流体进出口温度分别为450K和310K，流量MH=2.5kg/min，比热容 CpH=4.40kJ/(kgK)；冷流体进出口温度分别为 298K和390K，比热容CpC=4.70kJ/(kgK)；环境温度T0=298K。试确定冷、热流体的火用变化值、火用损耗以及火用效率等多少？（换热时按定压过程分析）,例6：内燃机入口气体参数为温度t1=900，压力为 p1=0.85MPa，流速c1=120m/s。在内燃机内绝热膨胀 做功后，变为温度t2=477，压力p2=0.1MPa，流速 c2=70m/s的废气。取气体比热容cp=1.1kJ/(kgK)，气体 常数R=0.28kJ/(kgK)，大气温度t0=25，压力为 p0=0.1MPa，试计算：（1）该过程完成的轴功；（2）内燃机入口和出口气体的火用值；（3）理论上该过程能完成的最大轴功；（4）该过程的火用损失。,