第四章-能源系统火用分析方法.pdf

第四章能源系统火用分析方法一、火用的基本知识二、火用损失和火用平衡方程式三、能量系统的火用效率四、不可避免的火用损失五、能量系统的火用分析模型六、能量系统火用分析的实际应用举例七、能级分析方法简介一、火用的基本知识(一)“量”,不同形式能量间的转换能力可能是不同的。理论与实践证明:机械能能够全部转变为任意形式的能量,能量的转换能力为转换为功的能力或做功能力火用(有效能):在周围环境条件下,不同形式的能量中理论上能转变为有用功的那部分能量。火无(无效能):能量中不能转变为有用功的那部分能量。能量=火用+火无1956年Rant采用了希腊字“ergy”(意为功或力)加上前缀“ex”(意为从其中,外部)来命名可以转换部分的能为“Exergy”,而把不可转换的部分叫“Anergy”。Rant提出的这个术语可以满足国际间关于术语所有的要求,能反应所代表的概念,而且形式上也非常接近同类术语能(Energy)、熵(Entropy)和焓(Enthalpy)等。(二)自然环境和环境状态某些形式的能量转换要受到周围环境条件的限制,环境性质会影响能量火用值的大小。:抽象成压力,温度及化学组成不变的庞大而静止的系统,实际工程中任何的热力过程都不会影响其状态参数;:系统与环境处于热力学平衡的状态。:热平衡,力平衡和化学平衡(三)物理火用和化学火用环境是火用的自然零点,通常将环境状态作为火用的基准状态。:系统不涉及化学反应和扩散的简单可压缩系统,选环境状态作基准,系统能量所具有的火用;:系统涉及化学反应和扩散时,选环境状态作基准,系统能量所具有的火用是物理火用和化学火用之和,其中化学火用是系统因化学不平衡所具有的火用。(四):动能和位能都是机械能,能全部转变为火用;:通过系统边界以功的形式转移的能量是机械形式的能量,并非所有形式的机械功都是火用,只有在环境条件下的有用功才是火用。(1)体积变化功火用:闭口系统的体积变化功W中,一部分是反抗环境压力p0所做的功,系统通过边界所做的功火用为:若系统进行的是可逆过程,则功火用为:闭口系统的体积变化功体积变化功中的火无为:(2)轴功火用:稳流系统,轴功全为火用,即(3)净功火用:任何循环,输入或输出的净功全为火用,即(五):热量传递中,随热量转移,相应火用也转移。热量传递的方向是由高温物体到低温物体,热量火用的传递也是由高温物体到低温物体,二者的流向一致。热量一定的条件下,热量火用与热量的温度和环境温度有关,即与卡诺系数有关。热量火用和卡诺系数随to的降低而升高,随t的升高而增大,而且其值永远小于1。:冷量是系统在低于环境温度下通过边界所传递的热量,冷量火用是低于环境温度的热量火用。设想将冷量加给工作在To和T间的可逆机,冷量火用:冷量火用和热量火用的计算式完全一样,但实际上可逆机要消耗功,系统从冷物体吸收冷量时放出了火用,而放出冷量时却得到了火用,即冷量火用流和冷量流的方向是相反的。(冷量火用和冷量符号相反)卡诺系数是一负值,冷量火用与冷量符号相反,吸取冷量时的温度越低,环境温度越高,卡诺系数或冷量火用的绝对值就越大,其绝对值可以小于、等于或大于1。例1吸热为“+”放热为“-”2Q2cdTTspcln2p1T1TT122T0qexqq(1)qT01T1TqT(0s2-s1)例2(六)闭口系统工质的火用——热力学能(内能):已知宏观动能和位能全是火用,在不加说明时,闭口系统的火用就指的是闭口系统的热力学能(内能)火用,任意闭口系统从给定状态以可逆方式转变到环境状态,并只与环境交换热量时所做的最大有用功。:闭口系统在状态变化过程中与环境有功量交换,根据有用功是技术上能利用的可输给外界的功的定义,可将闭口系统及其环境组成一个复合系统,通过复合系统边界做的功就是有用功,即闭口系统工质的火用。根据热一律考虑包括系统和环境在内的孤立系,据热二律,在可逆条件下有内能火用:内能火无:闭口系统火用的特征:恒为正只要闭口系统和环境间存在压差、温差,均可对外界做有用功