下载文档原格式
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 。
目前的资源综合利用分析与评价主要是基于统计数据的指标评价。
较早出现并具有影响力的评价指标有联合国可持续发展委员会建立的可持续发展指标，蔡邦成等基于生态环境和经济可持续发展理念建立了区域可持续发展评价指标。
但是，指标评价存在数据统计工作繁多、指标计算过程复杂、不能给出量化的评价结果等问题。
在能源利用效率研究中，一直困扰人们的也是如何将非同质的能源投入要素、不同产出进行加总和成本分摊等问题，火用概念的提出解决了这个问题。
火用指能量、物质系统在只有环境作用的条件下，经历可逆过程达到与周围环境状态平衡时能产生的最大可用功。
火用为正确评价不同形态的能量、不同状态的物质的价值提供了统一的标尺[1]。
火用分析是根据进出系统火用的不平衡发现不可逆火用损失，对系统物质、能量利用状况给出全面评价的分析方法。
火用分析不仅已被广泛应用于冶金、电力、水泥等高耗能生产过程和设备的能量系统的分析和评价,火用理论也成为了评价地球和国家资源环境状况的重要工具。
建设资源节约、环境友好两型社会要求的是节约原材料、能源、资金、劳动力以及环境资源等的广义节能。
广义节能必须要有新的科学有效的分析和评价方法对经济系统进行评价和监督。
将火用理论与微观经济学结合，形成了交叉学科—火用(热)经济学。
火用(热)经济学在生产系统的综合经济性分析方面得到了应用。
张超等在单位火用成本基础上，分析了电厂热力系统在设计工况以及变工况下火用成本的分布规律，并且定量研究了各种运行参数对设备火用成本的影响。
而运用火用(热)经济学对运行机组各设备的火用成本变化进行在线监督，已经是热力系统故障诊断的主要方法之一。
但是，火用经济学分析中总是存在热力学参数火用与经济学量货币资金的分别衡算问题，衡算方程多，计算过程复杂。
目前，火用经济学分析的应用研究主要集中在只有单一火用流输入的火电厂或者供热系统的火用成本分析、经济性优化和故障诊断等方面。
生产资料(土地、原材料和能源等)、资金和劳动力是生产系统的3 个要素资源，随着环境恶化，生产的环境成本越来越高，环境资源也成为了生产要素资源之一。
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n
x A E E +=n
x 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 s
g 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 Q
x Q n Q x δδδδδ1δ0,,0,=-=⎪⎭
⎫ ⎝⎛-=
S
T E Q A S
T 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
p
v 2
15436T s 215436E
xQ E xQ A nQ
A 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T
0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(0T
T 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T0= 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。
解：火用损失∆E xQ = T 0∆S iso
(1) T A = 693 K ，T B = 673 K T A > T B > T 0，热量由A 传向B
kJ 287.110069316731300110=⨯⎪⎭⎫
⎝⎛-⨯=⎪
⎪⎭⎫
⎝⎛-
=∆Q
T T T E A B xQ
kJ
308.210034313231300110=⨯⎪⎭⎫
⎝⎛-⨯=⎪⎪
⎭⎫
⎝⎛-
=∆Q
T T T E A B xQ (2)K 323K
343==B A T T
kJ 636.1310022012001300110=⨯⎪⎭
⎫ ⎝⎛-⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=∆Q T T T E B A
xQ (3) 由于T A < T B < T 0，热量由
B 传向 A
同样大小的传热温差，低温传热时火用损失最大
5.2.3 冷量火用•定义
–温度低于环境温度T
0 的系统
（T <T
0 ），吸入的热量Q
时作出的最大有用功，用E x, Q'表示
Q T T E Q A Q T T E Q x Q n Q x '=-'='⎪⎭
⎫ ⎝⎛-='
''δδδδδ1δ0,,0,•冷量火用与冷量火无
•低温下的火用值较高温下的火用更大)1(0T
T Q E Q x -'='Q T T A Q n '='0系统温度恒定不变
•系统吸热放出冷量火用，利用它对外作功；系统放热，则得到冷量火用，这时外界提供最小有用功
•冷量火用的方向总是和热流方向相反
p v 21543
6T s 345126E xQ'E xQ'Q'Q'
•冷量火用数值上可以大于热量本身，冷量火用更珍贵•超低温系统可以获得很大的有用功
5.2.4 物质或物流火用•只讨论物理火用
•闭系工质物理火用)()()(00000V V p S S T U U E x -+---=
)()(000S S T H H E x -+-=•开系工质物理火用
•在一定环境条件下，给定状态时系统作出有效功的最大能力，称为最大有用功。
在环境确定的条件下，系统最大有用功的数值仅决定于给定的初始状态
5.3 火用损失
•如果实际过程所完成的功量小于系统所提供的火用值，就意味着过程中有火用损失
5.3.1 温差传热引起的火用损失Q
T T T E E E A B QB
x QA x l ⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛-=-=110,,
T
s 3
451261'
2'T A
T B T s
3451264'3'T'0T 0T 0
5.3.2摩擦引起的火用损失g
l
l S T T W T E ∆==000T s 34512
63'
T A T
5.3.3能级与能量贬值原理•能级——能量火用值与能量数量的比值
•热量的数量并未减少，但是Q 中的热量火用减少了，热量的“质量”降低了，这就是能量贬值原理
5.4 火用方程
•在热力过程中，热力系统的能量保持守恒，系统的火用值也应保持平衡，其平衡方程式称为火用方程
5.5 火用效率与热效率
•火用效率
–火用的收益量与火用的支出量
表示
之比，用h
ex
•对于可逆过程，火用效率等于1
•对于不可逆过程，小于1
h ex = 实际利用火用值之和
提供的火用值之和离开系统的各火用值之和进入系统的各火用值之和h ex =
•热力循环的热量火用效率
•热效率c
t xQ exQ E W h h h ==Q
W t =h •卡诺循环热效率Q E xQ
t =
h
•作业
P145:
2、3。
