火用分析基础
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工程热力学5教师:李建明电话:85407591 电子信箱:lijmo@2010年2月5 火用分析基础5.1 火用和火无的基本概念•热能中有可用能和不可用能•热能转换机械能的最大能力为多大?受什么限制?•能量不仅有数量,还有品质•可用能——就是可以连续地全部转变为功的能•不可用能——不可能转变为功的能•按照转变为功的可能性,可以把能分为可用能和不可用能两大类•电能、机械能在理论上可以百分之百地转化为其他形式的能,所以是可用能•大气、海洋等环境物体的热力学能是不可用能•火用——能量的做功能力•如何确定火用–以给定环境为基准,在该环境状态下火用值为零–做功过程是完全可逆过程,这样才能获得理论功–过程中,除环境外,无其他热源或功源参与作用,功全部由物质的能量转化而得•火用是系统由任一状态经可逆过程变化到与给定环境状态相平衡时所做的最大理论功•火无是一切不能转换为火用的能量•任何能量 E 都由火用 E x 和火无 A n 两部分组成 nx A E E +=nx a e e +=•能量的可转换性、火用和火无–对于可无限转换的能量,火无等于 0,如机械能、电能全为火用,即能量等于火用–对于不可转换的能量,火用等于 0,如环境介质中的热能全为火无•系统出现不可逆过程,d sg 大于 0,必然有机械能损失,体系做功能力降低,即必然有火用损失,有火无增量•火用损(或火无增)可以作为不可逆尺度的又一个度量•5.2 火用值的计算–火用的基本含义是表示系统的理论做功能力–系统之所以具有做功能力,是由于系统与环境之间存在着某种不平衡势火用热量火用冷量火用物质或物流火用功源火用电力、水力、风力地力、波浪化学、物理动能、位能扩散5.2.1 功源火用•电能、水力能、风能等功源可以百分之百地被用以完成功,都可以直接转化为机械能,理论上功源火用值与功源总能量相等5.2.2 热量火用•定义–温度为 T 0 的环境条件下,系统(T > T 0 )所提供的热量中可转化为有用功的最大值,用 E x, Q 表示•如果以环境为冷源,系统为热源,依照热力学第二定律,热量火用和热量火无分别为 Q T T E Q A Q T T E Qx Q n Q x δδδδδ1δ0,,0,=-=⎪⎭⎫ ⎝⎛-=ST E Q A ST Q E Q x Q n Q x ∆=-=∆-=0,,0,•对于循环,由于各过程是可逆的,热量火用和热量火无分别为系统以恒温 T 供热时,公式同上pv 21 5 4 3 6 T s2 1 5 43 6 ExQ E xQ A nQA nQ•热量火用是热量Q所能转换的最大有用功,其值取决于热量Q 的大小,传热时的温度和环境温度•当环境状态一定时,单位热量的火用值只是温度T的单值函数•高温下的热能较低温下的热能具有更大的可用性,可完成更多的有用功•热量火无除了与T0有关外,还与 S 有关•热量火用是能量本身的属性,E x, Q 与Q的方向相同•系统吸热时,Q 为正值,d E也为正值,表示系统也xQ吸收了火用(外界消耗功),反之,系统放热时,也放出了火用(外界得到功)•热量火用是过程量,环境状态一定时还与系统供热温度变化规律有关•高温下的热能较低温下的热能具有更大的可用性,可完成更多的有用功 )1(0TT Q E xQ -=Q T T A nQ 0=系统温度恒定不变例 5-1 火用损失计算–求下列情况下由不可逆传热造成的火用损失,设 Q = 100 kJ ,环境温度 T 0 = 300 K :(1) t A = 420 ℃,t B = 400 ℃;(2)t A = 70 ℃,t B = 50 ℃;(3)t A = 200 K ,t B = 220 K 。
2 能量系统的火用分析火用,exergy ,可以定义为热力系统在只与环境(自然界)发生作用而不受外界其它影响的前提下,可逆地变化到环境状态时所能作出的最大有用功。
火用表征了热力系统所具有的能量转变为机械能的能力,因此可以用来评价能量的质量、或品位、能级。
数量相同而形式不同的能量,火用大者其能的品位高或能质高;火用少的能的品位低或能质差。
机械能、电能的能质高,而热能则是低品质的能量,热能之中,温度高的热能比温度低的热能品位高。
根据热力学第二定律,高品质的能量总是能够自发地转变为低品质的能量,而低品质的能量永远不可能转变成为高品质的能量。
因此按品位用能是进行能量系统的火用分析所得到的第一个结论,也是能源工作者的基本守则之一。
在动力系统中(动力与动力系统,这里是指power 和power system ,而不是dynamics 和dynamic system ),火用分析正确地给出了可用能损失情况,为人们正确地改进动力循环,提高其热效率指明了途径。
在仅考虑热能直接利用的情况下,虽然不存在热能与机械能转换的问题,但火用分析仍然具有重要的意义,它可以指明如何充分地利用热能,典型的例子就是燃煤供热系统的火用分析结果:如果采用“热电联产+热泵系统”来代替燃煤直接供热的话,理论上可以获得比煤的热值多0.5~1倍的供热量,甚至更多(图2.1)。
但是火用分析忽视了火无的使用。
火无虽然不能用来作功以获得动力,却可以用来加热、取暖,而在火用分析中不能得到所供应能量中的火无有多少得到了利用的信息。
[1]对于复杂系统进行火用分析,可能得到重要的、不寻常的结论。
借鉴中国工程院院士陆钟武教授所提出的系统节能和载能体[2]的概念,对全工序、全流程、全行业或全地区进行比较仔细的火用分析,可能在能源利用方面提出新的见解1。
能源的利用与环境污染是密不可分的,系统节能理论也好,能源技术经济学也好,都提倡从全系统的角度综合评价能源的利用,而从经济性角度考虑,节能的经济性不一定好(实际上大部分都不好),如果把能源利用对环境造成的污染也折算成经济性指标与节能一同考虑,结论一定会大相径庭。
第三章分析法建立在热力学第一定律基础上的能量平衡法只能确定能量数量的损失和能量利用率。
因此它不能反映出过程在能量质量上的损失,当然也不能解释能量消耗的真正原因,不能全面评价过程能量利用情况。
因此,还必须联合应用热力学第一、二定律,建立新的热力学分析法──分析法。
本章根据热力学第一、二定律阐述的定义、分类、数学表达式及计算方法,并讲述分析的基本方法和在化工过程中的应用。
3.1 的定义及其构成3.1.1 的定义在第一章中已简略说明了的物理意义,现首先对物系的给出准确定义。
物系处于一定的热力学状态下,当其在一定的自然环境状态下,经历完全可逆过程,最终与(自然)环境建立完全的热力学平衡。
此时物系总能量中理论上可作出的最大有用功,称为该物系在所处状态下具有的。
在一些文献中,又称可用能、有效能、有用能等。
与的定义相对应,物系从给定状态完全可逆地变化到基准状态(寂态)时,其总能量中理论上不能转化为有用功的部分,称为,也称寂态能、无效能。
为了将此定义中(自然)环境与热力学中泛指的环境相区别,以后将其称为周境。
上述定义中所谓完全热力学平衡,系指:(1)热平衡:即物系的温度变化到与周境的温度完全相同,无温差;(2)力平衡:即物系的压力变化到与周境的压力完全相同,无压差;(3)相平衡:即物系的相态变化到与周境的相态完全相同;(4)化学平衡:即物系的化学物质和组成变化到与周境的化学物质和组成完全相同。
这里还需注意:(1)所谓完全可逆,指物系经历的一切变化,包括内部变化以及和周境间发生的变化都必须可逆;(2)是指总能量中理论上所能作出的最大有用功,这就要求物系从给定的状态变化到周境状态时,一切过程均须可逆,从而使得在一定周境状态下,物系的为唯一确定值;(3)是物系的热力学性质,是状态函数,但与U、H、S等不尽相同。
除取决于物系本身的状态外,还与规定的周境状态有关,所以是一个复合状态函数。
3.1.2 物系的基准状态和周境由的定义得出,当物系与周境建立了完全的热力学平衡时,其为零。