《火用分析基础》PPT课件.ppt

火用分析EXERGY ANALYSIS,基本概念,何谓火用？,周围环境条件下，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。,自然环境和环境状态,自然环境：在热力学的研究中，将自然环境抽象为一个具有不变压力p0、不变温度t0和不变化学组成的庞大而静止的系统，当它与任何系统发生能量和物质交换时，其压力、温度和化学组成仍保持不变，实际工程中任何热力过程不会影响它的状态参数。,环境状态：任何一个系统与环境处于热力学平衡状态称为环境状态。,热力学平衡包括？,不完全热力学平衡,完全热力学平衡,不完全环境状态,完全环境状态,物理火用和化学火用,以不完全平衡环境状态为基准时，系统所具有的火用称为能量的物理火用。,以完全平衡环境状态为基准时，系统所具有的火用称为能量的化学火用。,几种物理火用,机械火用,机械能火用：,2.机械功火用：,轴功、技术功和循环净功是否为火用？,热量火用,定义：热量相对于环境所具有的最大作功能力，称为热量火用。,定义：冷量是系统温度低于环境温度下通过边界所传递的热量。冷量火用也就是低于环境温度的热量火用。,冷量火用,可逆机,闭口系统的火用内能火用,定义：任意闭口系统从给定状态可逆变化到环境状态，并只与环境交换热量时所做的最大有用功。,内能火用在p-v图上的表示,内能火用是不是状态参数？,内能火用的正负号如何？,稳定流动系统工质的火用焓火用,定义：稳定物流从任意给定状态经开口系统以可逆方式变化到环境状态，并只与环境交换热量时所能做的最大有用功。,稳流工质所做的最大有用功：,焓火用在p-v图上的表示,焓火用在T-s图上的表示,理想气体的焓火用,温度火用和压力火用,1.可逆定压的过程,2.定温或初、终态温度相同的过程,可以解释理想气体在透平中做可逆等温膨胀,化学火用,化学火用与基准物系,化学不平衡包括组分不平衡和浓度的不平衡。,基准物系中对基准物的要求,1、每种元素都有相应的基准物，基准物系包括研究物质中所有元素的基准物；,2、基准物的火用值 为零；,3、各种基准物均是环境中可能存在的物质，且在不耗功条件下由环境不断供应；,4、不能从基准物的任何结合中获得自由功，即各种基准物之间不会自发进行化学反应并做有用功。,5、当有两种以上的物质可取做基准物时，应优先选取自然界中相对丰富和经济的物质，即以价廉易得者为宜。,斯查尔古特体系,龟山-吉田体系,龟山-吉田体系,（1）环境温度T0=298.15K，环境压力P0=1atm；（2）空气中含有的各元素以空气相应的组成气体为基准物，以饱和湿空气的摩尔成分为基准物的成分；（3）其他元素则以含该元素最稳定的纯物质作为基准物。,参考山内樊，化学热力学绪论。化学工业，1981.,斯查尔古特体系,（1）环境温度T0=298.15K，环境压力P0=1atm；（2）无论是空气中含有的各元素，还是其他元素，其对应的基准物全部采用天然物质；（3）基准物的成分（浓度）采用它在自然界中的平均成分（浓度）。,化学反应的最大有用功及其计算,For example,如果在定温条件下进行化学反应,化学标准状态：环境温度Tn=298.15K，环境压力Pn=1atm,气体的扩散火用,定义：处于p0、T0下的环境空气中含有的任何一种气体可逆定温地变化到它在环境空气中的分压力pi0时，所能作出的最大有用功。,化学火用,燃料的化学火用,燃料化学火用：化学标准状态下，燃料与氧气一起稳定流经化学反应系统时，以可逆的方式转变到完全平衡的环境状态所能作出的最大有用功称为燃料的化学火用，简称燃料火用。,近似公式介绍,煤、石油,气体燃料（2个碳原子以上的）,液体燃料（2个碳原子以上的）,固体燃料（2个碳原子以上的）,即使已知燃料元素成分,也可用下面的近似式,(1)对环境空气中各组成气体扩散火用的修正,温度变化，环境空气中饱和水蒸汽的分压力也随之而变，因而其摩尔组成是改变的，因此要重新计算摩尔组成。,(2)反应火用的修正,试求 燃料在t=0，p0=1.01325X105Pa状态下的化学火用,在t=0时水蒸汽的饱和压力为ps(T0)=0.000611MPa=0.00603atm,元素和化合物的化学火用,利用基准反应：一种非基准物质（包括元素、单质和化合物）与一种或几种基准物在p0、T0下发生化学反应，而反应物和生成物均为p0、T0下的纯物质（基准物）。,利用生成反应系统求取化合物的标准化学火用,环境温度修正：,任意元素化学火用的环境温度系数：,利用元素与大气环境中的单质或基准物的反应来求取其温度系数。,当元素化学火用的环境温度系数为已知，则化合物化学火用的环境温度系数：,混合气体的火用,相对于完全平衡状态，混合气体的火用是物理火用和化学火用之和,燃气的火用,燃气是CO2、O2、N2和H2组成。燃气的火用由物理火用和化学火用组成。其化学火用按照混合气体的化学火用进行计算：,环境饱和湿空气中各组分的摩尔分数,火用方程和火用损失,闭口系统火用方程,开口系统火用方程,循环系统的火用方程和火用损失分析,几种典型的火用损失,1、有限温差传热,2、绝热节流过程引起火用损失,3、气体混合过程火用损失,4、燃烧过程火用损失,例题：进入锅炉的气体燃料由H2、CH4、N2和NH3组成，设燃料各组分i的摩尔热容随温度的变化关系可用,表示。各组分的ai、bi和摩尔分数xi列于下表。,燃气各组分的摩尔热容随温度的变化关系可用,表示。燃气的组分、各组分的摩尔分数,ai、bi、ci、xi列于下表：,空气15,气体燃料200,燃气绝热燃烧温度T=1959K,空气流量为360N.m3/h，燃料流量为100N.m3/h，燃气流量为428N.m3/h,气体燃料各组成的标准化学火用和温度修正系数见下表,气体燃料的化学火用,混合气体的比热,气体燃料的物理火用,气体燃料的摩尔火用,气体燃料的总火用,燃气各组分的标准化学火用和温度修正系数见下表,燃气在T0下的摩尔化学火用,混合气体的比热,燃气在绝热燃烧温度下的物理火用,燃气在绝热燃烧温度下的摩尔火用,燃气总火用值,火用效率,火用效率：在系统或设备的能量传递和转换过程中，将被利用或收益的火用与支付或耗费的火用代价的比值定义为系统或设备的火用效率。,建立火用效率公式的原则,建立火用效率公式的模型和火用效率的形式,“火用”源A,稳定流动系统,“火用”的副收益户C,“火用”的主收益户B,常用热工装置的耗费火用、收益火用和火用效率,火用分析的基本模型,1、黑箱模型：由不透明的边界所包围的体系。,2、白箱模型：由透明的边界所包围的体系。,3、灰箱模型：将系统中的设备均看成是黑箱模型。,3.1：简单串联系统：,3.2：复杂串联系统：,3.3：并联网络模型：,燃气轮机装置的火用分析,a,c,b,a、压缩机；b、燃烧室；c、燃气轮机,1,2,3,4,