火用分析基础

火用分析基础第一页，共七十五页，2022年，8月28日基本概念何谓火用？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。第二页，共七十五页，2022年，8月28日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。第三页，共七十五页，2022年，8月28日环境状态：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第四页，共七十五页，2022年，8月28日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。第五页，共七十五页，2022年，8月28日几种物理火用

第六页，共七十五页，2022年，8月28日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？第七页，共七十五页，2022年，8月28日热量火用定义：热量相对于环境所具有的最大作功能力，称为热量火用。可逆热机第八页，共七十五页，2022年，8月28日定义：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。冷量火用可逆机第九页，共七十五页，2022年，8月28日第十页，共七十五页，2022年，8月28日第十一页，共七十五页，2022年，8月28日闭口系统的火用——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。第十二页，共七十五页，2022年，8月28日内能火用在p-v图上的表示第十三页，共七十五页，2022年，8月28日内能火用是不是状态参数？内能火用的正负号如何？第十四页，共七十五页，2022年，8月28日第十五页，共七十五页，2022年，8月28日第十六页，共七十五页，2022年，8月28日1O’p0snOT0vm第十七页，共七十五页，2022年，8月28日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。第十八页，共七十五页，2022年，8月28日稳流工质所做的最大有用功：第十九页，共七十五页，2022年，8月28日焓火用在p-v图上的表示第二十页，共七十五页，2022年，8月28日焓火用在T-s图上的表示第二十一页，共七十五页，2022年，8月28日理想气体的焓火用温度火用和压力火用第二十二页，共七十五页，2022年，8月28日1.可逆定压的过程2.定温或初、终态温度相同的过程第二十三页，共七十五页，2022年，8月28日可以解释理想气体在透平中做可逆等温膨胀第二十四页，共七十五页，2022年，8月28日化学火用

第二十五页，共七十五页，2022年，8月28日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；第二十六页，共七十五页，2022年，8月28日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-吉田体系第二十七页，共七十五页，2022年，8月28日龟山-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。第二十八页，共七十五页，2022年，8月28日组分N2O2H2OCO2ArHeNe摩尔分数0.7560.20340.03120.00030.00910.00000520.000018分压力（atm）0.7560.20340.03120.00030.00910.00000520.000018扩散火用（kJ/mol）0.69173.95288.595320.10811.67730.1627.082参考山内樊，化学热力学绪论。化学工业，1981.第二十九页，共七十五页，2022年，8月28日斯查尔古特体系（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）。第三十页，共七十五页，2022年，8月28日化学反应的最大有用功及其计算Forexample如果在定温条件下进行化学反应第三十一页，共七十五页，2022年，8月28日化学标准状态：环境温度Tn=298.15K，环境压力Pn=1atm第三十二页，共七十五页，2022年，8月28日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。第三十三页，共七十五页，2022年，8月28日化学火用第三十四页，共七十五页，2022年，8月28日第三十五页，共七十五页，2022年，8月28日第三十六页，共七十五页，2022年，8月28日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。第三十七页，共七十五页，2022年，8月28日近似公式介绍煤、石油气体燃料（2个碳原子以上的）第三十八页，共七十五页，2022年，8月28日液体燃料（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第三十九页，共七十五页，2022年，8月28日(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)反应火用的修正第四十页，共七十五页，2022年，8月28日试求燃料在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第四十一页，共七十五页，2022年，8月28日第四十二页，共七十五页，2022年，8月28日第四十三页，共七十五页，2022年，8月28日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）。元素基准反应基准物基准物浓度C0.2034，0.003H20.2034，1Fe0.2034，1Si0.2034，1Ti0.2034，1Ca0.2034,0.003,1第四十四页，共七十五页，2022年，8月28日利用生成反应系统求取化合物的标准化学火用第四十五页，共七十五页，2022年，8月28日环境温度修正：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。第四十六页，共七十五页，2022年，8月28日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：第四十七页，共七十五页，2022年，8月28日混合气体的火用第四十八页，共七十五页，2022年，8月28日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第四十九页，共七十五页，2022年，8月28日燃气的火用燃气是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第五十页，共七十五页，2022年，8月28日第五十一页，共七十五页，2022年，8月28日火用方程和火用损失闭口系统火用方程第五十二页，共七十五页，2022年，8月28日开口系统火用方程第五十三页，共七十五页，2022年，8月28日循环系统的火用方程和火用损失分析第五十四页，共七十五页，2022年，8月28日几种典型的火用损失1、有限温差传热第五十五页，共七十五页，2022年，8月28日第五十六页，共七十五页，2022年，8月28日2、绝热节流过程引起火用损失第五十七页，共七十五页，2022年，8月28日3、气体混合过程火用损失4、燃烧过程火用损失第五十八页，共七十五页，2022年，8月28日第五十九页，共七十五页，2022年，8月28日例题：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。H2N2CH4NH3xi0.6600.210.0900.040ai[J/(mol.K)29.08728.88219.87427.55bi[J/(mol.K)-0.1918-0.15705.02422.5644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：第六十页，共七十五页，2022年，8月28日N2H2O(g)O2CO2xi0.7180.210.0510.021ai[J/(mol.K)27.85529.99929.95944.141bi[J/(mol.K)4.267710.7114.1849.037ci[J/(mol.K)00.3347-1.6736-8.535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第六十一页，共七十五页，2022年，8月28日气体燃料各组成的标准化学火用和温度修正系数见下表H2N2CH4NH3

235.220.67830.15336.69-169.742.340-201.96-154.22气体燃料的化学火用第六十二页，共七十五页，2022年，8月28日混合气体的比热气体燃料的物理火用第六十三页，共七十五页，2022年，8月28日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O2N2CO2H2O(g)

3.9330.6720.118.61913.2212.34067.44-118.78第六十四页，共七十五页，2022年，8月28日燃气在T0下的摩尔化学火用混合气体的比热第六十五页，共七十五页，2022年，8月28日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第六十六页，共七十五页，2022年，8月28日第六十七页，共七十五页，2022年，8月28日火用效率火用效率：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。第六十八页，共七十五页，2022年，8月28日建立火用效率公式的原则第六十九页，共七十五页，2022年，8月28日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第七十页，共七十五页，2022年，8月28日常用热工装置的耗费火用、收益火用和火用效率热工设备耗费火用收益火用火用效率锅炉燃烧室透平压缩机或泵节流阀闭口蒸汽动力循环燃气轮机装置第七十一页，共七十五页，2022年，8月2