高等工程热力学_3_可用能分析理论课件

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1、Advanced Thermodynamics（高等热力学）,Lecturer: Dr. Hao-Chun Zhang（张昊春） Phone: 86402820 Email: ,S0400001Q,第六章 能量的可用性分析(Availability, Exergy Analysis),人类社会的发展与能量的利用密切的关系。但是，直到一百年前，人们才系统地掌握了科学利用能量的基本规律（核心：热力学第一、第二定律）,基于能量在数量上守恒的观点，提出评价热工设备的热力性能经济指标为：,同时，能量在转换过程中具有方向性，即不是每一种形式的能量都能全部、无条件地转换为另一种其他形式的能量。 因此，能量有

2、品位之分，上述指标反映不出能量的品质问题,6.1 能量的可用性,根据能量转换的强弱，能量分为三类型：,1824年，卡诺提出，工作在高温热源 T1 与低温热源 T2 之间的任何热机，当从高温热源吸取 Q1能量时，最多可转换为有用功的部分为：,如果 T2 即为环境温度T0时：,在热量 Q1中，除去可转变为有用机械功的 这部分外，将有 部分放给周围环境而无法转变为功,能量的转换性,我们将一种形式的能量转换为任意其它形式能量的能力，理解为该能量转变为有用功的能力 用能量中能够转变为有用功部分的多少作为衡量能量品质的指标，将对能量的认识更深入 可用能，（火用），Exergy, Availability,

3、（火用） 理论上可以无限转换为任何其它形式能量 的那部分能量，称为(火用)（Exergy）, Ex （火无） 在给定环境下，能量中不可能转换为功的那部分能量，称为能量的(火无)（Anergy）, An 或：（火用） 在周围环境条件，任一形式的能量中能够最大限度地转变为有用功的那部分能量,火用与火无的定义,可用能理论,（火用） 和（火无） 的关系： 第一定律：在任何过程中， （火用）和（火无）的总量保持不变 第二定律：可逆过程， （火用）保持不变；不可逆过程，部分（火用） 转换为（火无） ， （火无）不能转换为火用,1. 基准状态,能量转换过程通常是在一定的自然环境中进行的； 系统与环境的平衡促

4、使系统发生变化。当系统与环境相平衡时，系统所贮存的能量变完全丧失了转换为有用功的能力，所以通常以周围自然环境作为计算有用功的基准状态； 将自然环境理想化，认为其压力、温度、组成等不变，即基本的状态参数P0、T0、V0、S0、H0、U0不变。,6.2 可用能理论,2. 热力系具有的可用能,热力系在与外界环境相互作用下，从一个状态过渡到另一个状态，过程可以是可逆的，也可以是不可逆的。如果是可逆的，则完成的功量最大。 热力系在与环境相互作用下，从任意状态过渡到与环境相平衡的状态所能完成的最大功量称为其可用能或（火用 ）,a . 闭口系,闭 口系参数：V、U、S 环境参数： T0、p0,闭系在此过程中

5、的能量方程为：,气体在膨胀过程中，由于推挤环境介质必须付出的功 可对外界提供的可用功 与环境交换的热量,相互作用,当系统吸热时，环境放热，故 。 由于是可逆过程，系统的熵变与环境熵变之和为零，即,如果系统只是从 1 状态，过渡到 2 状态，则所能完成的最大功为：,b. 开口系,在 p0、T0 环境中，稳态、稳定流动系统 一定质量的流体从处于任意状态的进口流到与环境处于平衡状态的出口能够完成的最大功量，叫开口系的可用能,与闭口系时一样，利用可逆条件可得到,从现在状态到环境状态积分得：,用 Ex 表示最大有用功，则,（为开系工质的火用 ）,其中，为了计算上的方便，定义,为 稳定流动系统的可用能函数

6、,c特定过程的可用能（火用 ）,（1）定温定容系统（闭口系）,（2）定温定压系统（开口系）,能量耗散（贬值）：在实际条件下，在初终状态之间经不可逆过程完成的有用功WA，必小于最大有用功，其差值为An ，是由不可逆因素影响造成的。,在参数 p0、T0 的环境中，由于能量的耗散（或贬值）引起的可用能（火用 ）损失恒等于 T0 dSg,可用能损失：,可用能损失，即(火用) 损失,22,含有不同（火用）/（火无）的能量形式和能量传递形式,（火用） /（火无） 分配的示例,6.3 可用能平衡计算,假定某一稳定流动系统为不可逆过程，为了集中考虑内部的不可逆性的影响，可假定系统与外界的传热为可逆过程。 系统

7、与外界的能量和（火用）平衡关系如图：,（火无） An,H2, S2, Exf2,H1, S1, Exf1,热 源 T,出口状态2,进口状态1,Q0,Q (Ex,Q),W (Exw),稳定流动系统 内部不可逆过程,理想环境T0，p0,出口状态2,由于内部过程的不可逆性引起的熵增,由上式 可得：,为进入系统的物流带入系统的(火用),为流出系统的物流带出系统的(火用),为系统实际输出的有用功，全部为(火用),由系统内部过程的不可逆性引起的 （火用）损失，记为：,如系统过程为可逆过程，则系统对外输出功最大，等于：,系统实际可输出的功为：,由此得出：（火无） 直接表现为由于过程不可逆而引起的有用功减少,

8、在一些热工设备中，如锅炉的排烟、燃气机的排气、蒸汽轮机冷凝排放的冷却水等，是常见的外部损失。当这些排烟、排气、排冷却水离开系统时，虽然都还具有一定的（火用）值，但往往难以利用而被排放到环境中损失掉了。人们也比较注意这部分能量的回收利用余热、余压利用 系统内部的不可逆性，如传热、燃烧和节流等，会引起巨大的（火用）损失，这个损失直接减少了有用功输出，这是通常没有注意到的。,实际系统的（火用）分析,6.4 不可逆过程与功损,上节的理论告诉我们，任何系统实际向外输出的有用功都小于它可能输出的最大理论功，原因就是系统在运行时存在各种内部和外部损失。直接的外部损失我们容易判断，由不可逆性引起的内部或外部损

9、失则容易受到忽视。 本节进一步就实际的不可逆过程来分析功的损失，把由于不可逆性产生的功损和熵增联系起来，讨论在各种情况下如何计算功损。,1. 第一功损法则,这条法则讨论的是：在确定的稳定端态之间的有限过程中，由于不可逆性而引起的输出总功损失（或输入功的增加）。设在两个确定的稳定端态和之间有两个不同的过程，过程 R 是可逆的，输出功为WR，向环境放热 （Q0）R；过程 I是不可逆的，输出功为WI，向环境放热（Q0）I；如下图所示：,系统处于理想环境中，根据热力学第一定律，并根据上述两个过程都是在相同的初态1和终态2之间进行的，因而可以得到下面计算功损的关系式：,为了集中讨论不可逆性对功损的影响，

10、我们对系统的边界做这样的规定：系统与理想环境间的传热的任何不可逆性都发生在系统内部，系统边界处于温度T0条件下。那么，在不可逆过程I中进入系统的热熵流为：,在可逆过程 R中，系统的全部熵变 等于外界流入的热熵流，即,由于熵是状态参数，不管是可逆还是不可逆过程，熵为一个定值，应该有：,因此，两种过程的功损可以转换为：,当系统经历不可逆过程I从状态变化到状态时，由于不可逆性引起的熵增（即熵产） 等于总熵增 减去热熵流 ，即,2. 第二功损法则,第一功损法则所讨论的仅是两个确定的稳定端态间的单一过程，但复杂的实际装置中往往包含有许多子过程，而这些子过程是在可以辨认的中间状态之间进行的。,第二功损法则

11、：处于理想环境（T0，p0）的多个过程装置工作于确定的稳定端态间，而它所包含的各个子过程又都处于可以辨认的相应中间状态之间，那么整个装置由于不可逆性引起的输出总功损失（或输入总功增加），等于每个子过程分别引起的各输出总功损失（或输入总功增加）之和，也等于理想环境温度T0与过程总熵增的乘积。总熵增等于各子过程熵增之和。,整个装置由于不可逆性引起的输出总功损失（或输入总功增加），等于每个子过程分别引起的各输出总功损失（或输入总功增加）之和，也等于理想环境温度T0与过程总熵增的乘积。总熵增等于各子过程熵增之和。,3. 第三功损法则,这条法则所要阐明的是，在确定的稳定端态之间进行的微元过程由于不可逆性

12、引起的输出内功损失（或输入功增加） 这一法则描述的过程与第一功损法则描述的过程类似，但本法则描述的是初、终态相同的两个微元过程，其中R 为内部可逆的微元过程，I 为内部不可逆的微元过程。系统的温度为T，假定系统传给理想的局部环境的热量是在环境温度T0下进行的。此时，系统的对外输出功仅为内功dWi （注意内功与外功的区别）,4. 第四功损法则,这一法则要描述的是，微小的内部不可逆性所引起的输出总功损失与输出内功损失的关系。 对于在确定的端态 1 和 2 之间进行的不可逆的有限过程。在这个有限过程中，其内部有某个不可逆性产生于一个微小的过程内。这个子过程是在可以辨认的两个固定的中间状态A和B之间进

13、行的，其局部温度为TL。除该微小过程外，其他过程是可逆的。则，在AB子过程中，由于内部不可逆性所产生的输出总功损失 和输出内功损失 间的关系为：,这是第四功损法则的数学表达式。可做如下推导（也可从第一、第二法则导出）：,对如图所示过程，由于A、B两个状态固定不变，在这个子过程中不可逆性引起的内功减少，必然等于放热量的增加，即,由图中的控制体可知，,对于图中的辅助可逆机，有下列关系,由上面三式可得,6. 5 可用能计算及分析举例,例一如图所示的具有微小摩擦压降的绝热稳定流动过程中，试计算不可逆性引起的输出内功损失与输出总功损失。设流体温度为T。,解 由可知， 为负值，而 ，故,因为过程绝热，故不

14、可逆过程产生的熵增即熵产为 于是，从第一功损法则可得 输出总功损失= 热力学的知识告诉我们，从具有这样大小压力降的一台可逆热机可以得到的轴功为,因而，这就是不可逆性引起的输出内功损失，即 输出内功损失= 故可得： 输出总功损失= 输出内功损失 与第四功损法则一致,Qi,T,T-,T,(b),具有微小温差的传热过程,例二如图所示的具有微小温差传热过程，试导出由不可逆性引起的输出内功损失与输出总功损失的关系。设两种流体的温度分别为T和 T-T。,解 冷流体与热流体的熵变分别为 因换热过程与外界是绝热的，所以不可逆性所产生的熵增为 于是，从第一功损法则可得： 输出总功损失=,我们知道，从工作在温度T

15、 和 T-T 间的一台可逆热机可以得到净输出功为： 因而这就是不可逆性所产生的输出内功损失，即 输出内功损失= 进一步可以得出： 输出总功损失=输出内功损失 符合第四功损法则,一切实际的热力设备都不可能达到完全的理想效果。因而，都不可避免地存在能量的损失和可用能的损失。为了查明这些损失以利改进装置，必须对装置的工作情况进行热力学分析。现以简单蒸汽动力循环为例，进行热力学两个定律的分析和计算，并对两种分析所得结果加以比较。,例三. 蒸汽动力装置的可用能分析,简单蒸汽动力装置的设备系统和工质流程如下图所示。设工质的状态参数为： 锅炉出口蒸汽状态 ： =17MPa， ； 汽轮机进口蒸汽状态1： =16.5MPa， ； 汽轮机出口蒸汽状态 ： =0.004MPa。,a. 可逆朗肯循环,如不考虑系统的散热损失和其他损失，则工质（蒸汽）在整个循环过程中，状态的变化可示于图1(b)中。1-2-3-4-1即是一般的朗肯循环运行模式。由所给参数，自水蒸汽图表可查得各状态点的焓值如下：,由 ， 查得 ； 由 ， 查得 ； 由 ，查得饱和水焓 ； 由 ， 查得： ；,汽轮机内水蒸汽