高等工程热力学_3_可用能分析理论.ppt

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1、AdvancedThermodynamics（高等热力学）Lecturer:Dr.Hao-ChunZhang（张昊春）Phone:86402820Email:zhc5@vip.163.comS0400001Q第六章能量的可用性分析(Availability,ExergyAnalysis)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

2、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：具有无限转换的能量，如电能、机械能、理论上可以无限制地转化为可资利用的功或者任何其它形式的能量有限转换的能量，如温度高于环境温度的热能；与环境介质的状态不相平衡的热力系统所具有的能量不可转换的能量，如环境介质的内能或以热量形式输入环境的能量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

3、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（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

4、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

5、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

6、，故。由于是可逆过程，系统的熵变与环境熵变之和为零，即环境的熵变化为：联合上二式：从任意状态到环境状态积分，得到即在环境T0、p0下，系统可能提供的最大有用功，或（火用）其中，称为封闭系统的可用能函数如果系统只是从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）如果1→2状态，完成

7、的最大功，即为两状态的（火用）差比火用：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c．特定过程的可用能（火用）（1）定温—定容系统（闭口系）此时：T=T0；V=V0令任意状态下：则：F—亥姆霍兹函数或自由能∴（2）定温—定压系统（开口系）此时：T=T0；P=P0∴令则—自由焓，或吉布斯（Gibbs）函数能量耗散（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T

8、0dSg为克服环境压力作的功；为实际有用功。以闭系为例：p0、T0环境中可逆过程完成的功为（火用）：任意过程（不可逆），可用能损失：——可用能损失，即(火用)损失含有不同（火用）/（火无）的能量形式和能量传递形式22（火用）[■]/（火无）[□]分配的示例能量形式、能量传递形