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1、火用分析 EXERGY ANALYSIS,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。,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。,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,物理火用和化学火用,以不完全平衡环境状
2、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。,几种物理火用,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？,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。,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,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。,内能火用在p-v图上的表示,内能火用是不是状态参数？,内能火用的正负号如何？,稳定流动系统工质
3、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。,稳流工质所做的最大有用功：,焓火用在p-v图上的表示,焓火用在T-s图上的表示,理想气体的焓火用,温度火用和压力火用,1.可逆定压的过程,2.定温或初、终态温度相同的过程,可以解释理想气体在透平中做可逆等温膨胀,化学火用,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
4、；,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,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。,参考山内樊，化学热力学绪论。化学工业，1981.,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
5、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）。,化学反应的最大有用功及其计算,For example,如果在定温条件下进行化学反应,化学标准状态：环境温度Tn=298.15K，环境压力Pn=1atm,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。,化学火用,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
6、火用。,近似公式介绍,煤、石油,气体燃料（2个碳原子以上的）,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,(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,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,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
7、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）。,利用生成反应系统求取化合物的标准化学火用,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。,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：,混合气体的火用,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,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,火用方程和火用损失,闭口系统火用方程,开口系统火用方程,循环系
8、统的火用方程和火用损失分析,几种典型的火用损失,1、有限温差传热,2、绝热节流过程引起火用损失,3、气体混合过程火用损失,4、燃烧过程火用损失,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。,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：,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,气体燃料各组成的标准化学火用和温度修正系
9、数见下表,气体燃料的化学火用,混合气体的比热,气体燃料的物理火用,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,燃气在T0下的摩尔化学火用,混合气体的比热,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,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。,建立火用效率公式的原则,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,常用热工装置的耗费火用、收益火用和火用效率,火用分析的基本模型,1、黑箱模型：由不透明的边界所包围的体系。,2、白箱模型：由透明的边界所包围的体系。,3、灰箱模型：将系统中的设备均看成是黑箱模型。,3.1：简单串联系统：,3.2：复杂串联系统：,3.3：并联网络模型：,燃气轮机装置的火用分析,a,c,b,a、压缩机；b、燃烧室；c、燃气轮机,1,2,3,4,
