工程熱力學課件第5章火用分析基礎(chǔ)

1、第五章第五章 分析基礎(chǔ)分析基礎(chǔ) 熱一律：熱一律：揭示能量轉(zhuǎn)換中的揭示能量轉(zhuǎn)換中的數(shù)量數(shù)量守恒關(guān)系守恒關(guān)系 熱二律：熱二律：各種能量不但有各種能量不但有“量量”的差別，還有的差別，還有“質(zhì)質(zhì)”的差別的差別. T1 T2=300 K E Q1 =1000 kJ Wamx=? 例如：例如： T11500K、 500K、 300K， Wmax=？ T11500K：Wmax 800 kJ T1 500K ：Wmax 400 kJ T1300K： Wmax 0 kJ Wmax= c Q1 （1 T2 / T1 ） Q1 Q1“量量”相同，相同， 但但“質(zhì)質(zhì)”不同不同 各種能量的做功能力，不但與其數(shù)量多少有

2、關(guān)，還與各種能量的做功能力，不但與其數(shù)量多少有關(guān)，還與 其質(zhì)量高低有關(guān)。其質(zhì)量高低有關(guān)。 如何度量能量的如何度量能量的“質(zhì)質(zhì)”呢？呢？引入：引入：“” 概念概念 任何形式的能量任何形式的能量E都由都由 和和 兩部分組成：兩部分組成： E 說明：說明： (1) 0：E 可全部轉(zhuǎn)化為有用功，如機械能、電能、風力、水力可全部轉(zhuǎn)化為有用功，如機械能、電能、風力、水力 (2) 0： E 不能轉(zhuǎn)化為有用功，如環(huán)境介質(zhì)中的熱能不能轉(zhuǎn)化為有用功，如環(huán)境介質(zhì)中的熱能 (3) An 和和 Ex都都0： E 可部分轉(zhuǎn)化為有用功，如熱能、化學能、核能可部分轉(zhuǎn)化為有用功，如熱能、化學能、核能 (4) 不同形態(tài)的能量或物

3、質(zhì)，處于不同狀態(tài)時，不同形態(tài)的能量或物質(zhì)，處于不同狀態(tài)時， An 和和 Ex 比例不同比例不同 (5) 引入引入 火 火用 用 參數(shù)的意義：參數(shù)的意義： 為評價能量的為評價能量的 “量量” 和和 “質(zhì)質(zhì)” 提供了一個統(tǒng)一尺度；提供了一個統(tǒng)一尺度； 形成了熱系統(tǒng)形成了熱系統(tǒng)火 火用平衡分析法 用平衡分析法，比，比能量平衡法能量平衡法更科學、更合理更科學、更合理 火火用 用（Exergy，有效能、可用能）：在給定的環(huán)境條件下，有效能、可用能）：在給定的環(huán)境條件下， 能量中可轉(zhuǎn)化為有用功的最高份額。符號；能量中可轉(zhuǎn)化為有用功的最高份額。符號；Ex 火火無 無（Anergy，無效能、不可用能）：在給定

4、的環(huán)境條件，無效能、不可用能）：在給定的環(huán)境條件 下，能量中不可能轉(zhuǎn)化為有用功的那部分。符號；下，能量中不可能轉(zhuǎn)化為有用功的那部分。符號；An Zoran rant: Exergos 熱量熱量 和冷量和冷量 1、熱量、熱量 系統(tǒng)從高溫熱源系統(tǒng)從高溫熱源T定溫吸熱定溫吸熱Q，其其=？ =卡諾循環(huán)所做的功卡諾循環(huán)所做的功 T T QExQ 0 1 Q T T EQA xQnQ 0 T S AnQ ExQ T Q T0 若系統(tǒng)溫度若系統(tǒng)溫度T 變化，取微元循環(huán)變化，取微元循環(huán)微元卡諾循環(huán)微元卡諾循環(huán) Q T T ExQ 0 1 STQ T Q TQExQ 00 積分：積分： Q的的 值：值： STE

5、QA xQnQ 0 說明：說明： （1）熱量）熱量 取決于：取決于： Q 、T、T0 （2）熱量）熱量 為過程量為過程量 （3）熱量）熱量 除與環(huán)境溫度有關(guān)外，還與除與環(huán)境溫度有關(guān)外，還與 S有關(guān)。有關(guān)。 （4）熱量）熱量 的正、負號與的正、負號與Q相同：吸熱，系統(tǒng)獲得了相同：吸熱，系統(tǒng)獲得了 Ex dS ExQ T S T0 S AnQ Q 例例1 熱量熱量火 火用 用 值計算值計算 空氣冷卻器將空氣冷卻器將200的空氣定壓冷卻到的空氣定壓冷卻到40，問：每，問：每 kg空氣放出的熱量最多能做多少功？（環(huán)境溫度為空氣放出的熱量最多能做多少功？（環(huán)境溫度為 25, 空氣空氣Cp=1.004kJ

6、/kg K為定值，）為定值，） 解解分析：熱源溫度變化分析：熱源溫度變化 dTcq p q T T exQ 0 1 負號：放出熱量。負號：放出熱量。該熱量最多能做該熱量最多能做37 kJ/kg 的功的功 kgkJTd T T cq T T e T Tp T TxQ /3711 2 1 2 1 00 kJ/kg161)40200(004. 1 2 1 T T p Tdcq q有用的部分只占有用的部分只占23% 5.2.4 物質(zhì)或物流物質(zhì)或物流 火 火用 用 1、閉口系工質(zhì)物理、閉口系工質(zhì)物理 T S T0 p p0p A O B SS0 T 工質(zhì)工質(zhì)可逆過程做功最大，構(gòu)造：可逆過程做功最大，構(gòu)造

7、： （1）定）定S 膨脹（膨脹（A B） 做功做功 定定S膨脹膨脹 定定 T 膨脹膨脹 做功做功 1 WUQ 0 UUW 1 （2）定）定T膨脹（膨脹（B O） )()()( 000022 UUSSTUUQW )()( 00021 UUSSTWWW W是最大功嗎？是最大功嗎？NO! 原因：原因：系統(tǒng)從狀態(tài)系統(tǒng)從狀態(tài)A O ，體積，體積V V0，在，在p0下排擠下排擠 環(huán)境做功環(huán)境做功: ( V - V0 )，無法利用，需扣除：，無法利用，需扣除： Ex )()( )( 0000000 00max STVpUSTVpU VVpWW 比內(nèi)能比內(nèi)能 火 火用： 用： )()( 0000000 sTv

8、pusTvpuex 注注 （1）ex為狀態(tài)參數(shù)為狀態(tài)參數(shù) （2）由狀態(tài)）由狀態(tài)1狀態(tài)狀態(tài)2，最大有用功為，最大有用功為: )()()( 2102100121max21 vvpssTuueew xx )()()( 00000 vvpssTuu 例例2 內(nèi)能內(nèi)能火 火用 用 計算計算 空氣由空氣由狀態(tài)狀態(tài)1 ( 1 MPa, 50) 狀態(tài)狀態(tài)2 ( 0.5 MPa, 40 ) 求求wmax=？(環(huán)境環(huán)境 :0.1MPa, 25, 空氣空氣Cv= 0.716 kJ/kg K) 解解由由pv = RT 求出：求出：v0、 v1 、 v2 狀態(tài)狀態(tài)1 的內(nèi)能的內(nèi)能火 火用 用ex1 ： )()()( 0

9、00001 vvpssTuuex )()lnln()( 010 0 1 0 1 001 vvp v v R T T cTTTc vv 同理，求出狀態(tài)同理，求出狀態(tài)2的內(nèi)能的內(nèi)能：ex2 wmax = ex1 ex2 = 114.5 kJ/kg 2、開口系工質(zhì)物理、開口系工質(zhì)物理 火 火用（焓 用（焓 火 火用） 用） 穩(wěn)流開口系工質(zhì)焓穩(wěn)流開口系工質(zhì)焓 火 火用： 用：工質(zhì)從進口工質(zhì)從進口所做的最大所做的最大技術(shù)功技術(shù)功。 （p，T）（p，T0） （p0，T0） 做功做功 Wt 1 定定S膨脹膨脹 定定 T 膨脹膨脹 做功做功 Wt 2 )()( 00021 SSTHHWWW ttt 是最大技術(shù)

10、是最大技術(shù) 功嗎？功嗎？Yes! 推導過程與內(nèi)能類似，不同的是：用公式推導過程與內(nèi)能類似，不同的是：用公式 Q = H + Wt x E )()( 000 ssThhex 工質(zhì)由狀態(tài)工質(zhì)由狀態(tài)1 狀態(tài)狀態(tài)2能做的最大技術(shù)功：能做的最大技術(shù)功： )()( 2102121max, ssThheew xxt 5.3 火 火用 用 損失損失 5.3.1 溫差傳熱引起的溫差傳熱引起的 火 火用 用 損失損失 假想熱源假想熱源 R Q2 W T0 TA Q 工質(zhì)溫度工質(zhì)溫度 1 T Q TB T0假想熱源假想熱源 Q0 1、若無溫差、若無溫差 QTTE AxQA0 1 2、有溫差：可逆熱機工作于、有溫差：

11、可逆熱機工作于TB與與T0之間：之間： QTTE BxQB0 1 火火用 用 損失：損失： ABxQBxQAl TTQTEEE11 01 而熵產(chǎn)為：而熵產(chǎn)為： ABg TTQS11 1 101gl STE 002 11 TTQSg 202gl STE 5.3.2 摩擦引起的摩擦引起的 火 火用 用 損失損失 1-2-3-4-1：可逆循環(huán)：可逆循環(huán) p S T0 Q T 12 3 4 76 5 3 若膨脹過程若膨脹過程2-3不可逆：不可逆：2- 3， 則則Q 相同但循環(huán)相同但循環(huán)1-2- 3 -4-1向低向低 溫熱源多放熱，即：少做功：溫熱源多放熱，即：少做功： Wl = Q 不可逆循環(huán)熵產(chǎn)：不

12、可逆循環(huán)熵產(chǎn)： 670 SSTWS lg 火火用 用 損失：損失： gl STSSTE 0670 )( 綜上，總綜上，總 火 火用 用 損失：損失： igl STE 0 El 5.3.3 能級、能量貶值原理能級、能量貶值原理 1、能級（、能級（） 定義：定義： 能量的數(shù)量 值能量的用火 機械能、電能：機械能、電能：=1 熱能：熱能： 11 0 T T Q ExQ 環(huán)境熱能：環(huán)境熱能： 01 0 0 T T 2、能量貶值原理、能量貶值原理 0 00 isoigl STSTE孤立系：孤立系： 能量貶能量貶 值原理：值原理： Gouy - Stodla公式公式 在不可逆過程中，能量的數(shù)量雖然不變，但在不可逆過程中，能量的數(shù)量雖然不變，但值減值減 少，即能量的少，即能量的“質(zhì)量質(zhì)量”降低。稱為降低。稱為“能量貶值能量貶值” 孤立系統(tǒng)中進行熱力過程，孤立系統(tǒng)中進行熱力過程，只會減小不會只會減小不會 增大，極限情況下（可逆）增大，極限情況下（可逆）保持不變。保持不變。 5.3 火 火用效率 用效率 1、定義：、定義： 值所能提供的 值實際利用的 用 用 火 火 ex 2、與熱效率的關(guān)系：、與熱效率的關(guān)系： 熱力循環(huán)：熱力循環(huán)： xQ exQ E W Q Q Q E Q W xQ 1 Q W T Q T T ExQ)1 ( 0 熱效率：熱效率： 熱量熱量火 火用 用：