第五章、火用分析基础

1、第五章、火用 分析基础,5.1火用和火无的基本概念,1、几个基本概念： （1）高级能、低级能、无效能； （2）不同形式、不同状态下的能量做功能力是不同的。为了确定能量的做功能力必须附加三个约束条件： A、以给定的环境为标准，在该环境状态下火用值为零； B、做功过程是完全可逆过程，这样才能获得理论功； C、过程中，除环境外，无其他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。 （3）火用与火无的概念 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。（Exergy,Availability） 火无凡一切不能转换为火用的能量。(Anergy

2、),火用和火无的表示方法：,能量守恒原理的又一表述,对可逆过程，熵产等于0，没有功损失，能量不贬值，火用的总量保持守恒； 对不可逆过程，熵产大于0，必然出现功损失，发生能量贬值，火用的总量不断减小，火无的总量不断增加，即不可逆过程必然伴随火用损失。 孤立系统火用减火无增原理：能量转换过程中，孤立系统的火用值不会增加，火无值不会减少。,5.2 火用 值的计算,一、火用 的分类,二、功源火用理论上与功源总能量相等,三、热量火用：温度高于环境温度的系统与外界传递的热量所能作出的最大有用功,热量Q的火用值,热量Q的火无值,当系统温度恒定不变时 例题51,四、冷量火用工程上把低于环境温度下的系统与外界交

3、换的热量称为冷量。冷流与热流方向相反。,冷量火用,冷量火无,系统温度恒定不变时,冷量火用和热量火用的区别： 系统放出热量Q的同时，也放出热量火用，且 系统吸收Q的同时，放出冷量火用，且TT0/2时 冷量火用的方向总是与热流Q的方向相反，而热量火用的方向与热量Q的方向总一致。,五、物质或物流火用,1、闭系工质物理火用概念，内能火用,设系统状态为A(p,T,v,s,h,u),环境状态为O(p0,T0,v0,s0,h0,u0)，使系统先经历一个可逆的绝热过程A-B (pB,TB,vB,sB,hB,uB,，TBT0)，然后再经历一个可逆的定温过程B-O.系统与外界相平衡,对于过程A-B-O,应用热力学

4、第一定律,对mKg工质,闭系工质由状态1过渡到状态2所能完成的最大有用功为：,2、开系工质物理火用焓火用,对1Kg工质,对mKg工质,工质由状态1变化到状态2所能完成的最大技术功为：,例题52、53、54,5.3 火用 损失,一、温差传热引起的火用损失,温差传热过程的熵产 火用损失,热机温度高于环境温度时： 温差传热过程的熵产 火用损失,由温差引起的火用损失与熵产成正比,2、摩擦引起的火用损失,综合式（522）（524）有,三、能级与能量贬值原理,1、能级的概念：能量火用值与能量数量的比值。,机械能和电能的能级等于1。,2、能量贬值原理：在不可逆过程中，能量的数量虽然不变，但火用减少了，能级降

5、低了，做功能量下降了，即能量的品质下降了，这就是能量贬值原理。,5.4 火用 方程,1、在热力过程中，热量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。,2、火用方程的微元形式：,对于在进出口截面间的稳定系统，有,若有多股流体进出,上两式称为火用方程。它表明，系统提供的热量火用与工质焓火用之和等于系统完成的技术功和火用损失之和。综合了热力学第一定律和热力学第二定律，既体现了能量在数量上的关系，也表示了在质量上的关系。,5.5 火用效率与热效率,火用效率就是火用的收益量与火用的支出量之比，常用 表示。,热效率指实际完成的功与所提供的热量之比值。,卡诺循环效率：,火用效率

6、,火用效率是一种相对效率，它反映了实际过程偏离理想可逆过程的程度。它从质量上说明应该转换的可用能中有多少被实际利用了，而热效率只是从数量上说明了有多少热能转变成了功。,例题55、56、57,例题55设高温热源温度TH=1800K，低温热源温度为环境温度T0=290K，热机吸热温度为T1=900K，排热温度为T2=320K，热机热效率为相应卡诺循环热效率的70。若每千克工质从高温热源吸热100KJ，试计算（1）热机的实际循环功；（2）各温度下的热量火用；（3）各不可逆过程的熵产和火用损失；（4）孤立系统的熵增和火用损失。,解：（1）热机的实际循环功 qH=q1=100KJ，热机各过程如上图所示。

7、由于工质吸热时与高温热源间有温差，放热时与环境也有温差，所以热机相当工作于T1T2之间。 工作于T1T2之间的卡诺热机的热效率为,循环功为,实际热机的热效率为,实际循环功为： 热机放出热量为：,（2）各温度下的热量火用 A 1800K下的热量火用,B 900K下的热量火用,C 320K下的热量火用,D 290K下的热量火用,(3)各不可逆过程的熵产和火用损失 A 温差吸热过程的熵产,火用损失,B 循环过程摩擦引起的功损失为,熵产为 火用损失为,C 温差放热过程的熵产,火用损失为,（4）孤立系统熵增为：,总火用损失,5.6 热经济学思想简介,火用分析方法得出的结论不能作为投资决策的依据，而只能作

8、为指导性建议。 火用分析方法的不足： （1）属于纯技术分析； （2）火用效率的高低与可逆程度有关，而可逆过程都是推动力无限小的过程，速度极慢，产量极低； （3）火用值相同的物质在价格上并不等价。 热经济学就是集技术与经济于一体的分析方法，其研究内容：火用单价与能量品质之间的关系；通过建立数学模型求解，确定产品成本最低的条件，从而作出投资决定。,对于一个系统来说，输入系统的价值有： 供给能的价值Cin=供给能的火用单价cinX供给能的火用值(Ex)in； 设备投资费用Ceq； 经营管理费用Cad； 输出系统的产品成本Cout=单位产品能的火用成本X产品能的火用值(Ex)out,输入系统的价值应等于输出产品的成本,火用经济方程的基本形式，也叫成本方程。,成本方程的应用,以锅炉为例进行说明,热经济学分析方法还可以应用到工艺设备、生产单元、生产大系统、甚至国家经济问