火用分析基礎(chǔ)

1、內(nèi)容回顧內(nèi)內(nèi)容容回回顧顧zpp1)(初終1ttzww 21)(初終ppnnnnttRTnnppRTnnww11112111121122z級壓縮級壓縮二級壓縮二級壓縮21)(初終pp2412pppp與單級壓縮相比多級壓縮有下列優(yōu)點：與單級壓縮相比多級壓縮有下列優(yōu)點： 排氣溫度低。排氣溫度低。 多級壓縮較單級省功。多級壓縮較單級省功。多級壓縮由于每一級壓力比小，因而每一多級壓縮由于每一級壓力比小，因而每一級的容積效率比單級壓縮為高，即氣缸行程級的容積效率比單級壓縮為高，即氣缸行程容積的有效利用率高。容積的有效利用率高。多級壓縮活塞上所受的最大氣體力較小，多級壓縮活塞上所受的最大氣體力較小，這是由于

2、高壓級的氣缸直徑可以做得較小的這是由于高壓級的氣缸直徑可以做得較小的緣故。緣故。7.2 火用值的計算火用值的計算熱量熱量火用火用0QQAnQExTSTST0ExQAnQ1234STQExQ0QTT)1 (0TST0ExQAnQT1234Q ,T0一定，一定，T ExQ三三、閉口系統(tǒng)內(nèi)能閉口系統(tǒng)內(nèi)能火用火用內(nèi)能內(nèi)能火用火用閉口系統(tǒng)從給定狀態(tài)（閉口系統(tǒng)從給定狀態(tài)（p，T）可可逆逆過渡到與環(huán)境相平衡的狀態(tài)（過渡到與環(huán)境相平衡的狀態(tài)（p0 ，T0 ）時，）時，對外對外所能做出的最大所能做出的最大有用功有用功, , 以以ExU表示表示. .p0閉口系統(tǒng)內(nèi)能的閉口系統(tǒng)內(nèi)能的Ex與與An 設一閉口系統(tǒng)設一閉

3、口系統(tǒng)（1kg），其，其狀態(tài)為狀態(tài)為 u1, s1, T1, p1, v1qww w T0qexu=?經(jīng)某可逆過程，與環(huán)境達到平經(jīng)某可逆過程，與環(huán)境達到平衡，狀態(tài)為衡，狀態(tài)為u0, s0, T0, p0, v0，過過程中放熱程中放熱q ,對外作功為對外作功為w 假定假定q通過可逆熱機作功通過可逆熱機作功 ww = w + w qww w T0q 熱一律：熱一律：01quuw 熱二律：熱二律：iso0100qsssT001qTss 10010wuuTss 束縛能束縛能u1, s1, T1, p1, v1u0, s0, T0, p0, v0初態(tài)初態(tài)終態(tài)終態(tài)qww w T0q10010wuuTss

4、內(nèi)能內(nèi)能ex：(有用功有用功)u001exwpvv 克服環(huán)境壓力克服環(huán)境壓力u10010010exuuTsspvvp0u1, s1, T1, p1, v1閉口系統(tǒng)內(nèi)能的閉口系統(tǒng)內(nèi)能的Ex與與An的說明的說明 1）閉口系的內(nèi)能閉口系的內(nèi)能u1-u0，只有一部分是，只有一部分是exu anu= u1-u0 - exu =T0(s1-s0)-p0(v1-v0) 2）當環(huán)境當環(huán)境p0, T0一定，一定，exu是是狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)參數(shù) 3）環(huán)境的內(nèi)能很大，但內(nèi)能環(huán)境的內(nèi)能很大，但內(nèi)能exu=0 4）閉口系由閉口系由1 2的可逆過程，工質(zhì)作的的可逆過程，工質(zhì)作的最大功最大功maxu1u212012012wex

5、exuuTsspvvu10010010exuuTsspvvu110010010220020020uexuuTsspvvexuuTsspvv四、四、穩(wěn)定流動工質(zhì)的焓穩(wěn)定流動工質(zhì)的焓火用火用qT0qwsws 焓焓火用火用忽略動能和位能忽略動能和位能變化變化, 工質(zhì)從初態(tài)（工質(zhì)從初態(tài)（p，T）可逆過渡到與環(huán)境相平衡可逆過渡到與環(huán)境相平衡的狀態(tài)（的狀態(tài)（p0 ，T0 ）時，工）時，工質(zhì)焓降質(zhì)焓降(H-H0)可能可能做出的最做出的最大技術(shù)功大技術(shù)功, , 以以ExH 表示表示. .qwsws wsT0q流量流量1kg的工質(zhì)，初狀態(tài)為的工質(zhì)，初狀態(tài)為h1, s1, c1, z1exh=?經(jīng)穩(wěn)定流動，與環(huán)境

6、達到經(jīng)穩(wěn)定流動，與環(huán)境達到平衡，狀態(tài)為平衡，狀態(tài)為h0, s0, c0, z0，過程中放熱為過程中放熱為 ,對外作對外作功為功為wsq假定假定 通過可逆熱機作功通過可逆熱機作功ws q exh= ws = ws+ ws 1h0h1qwsws wsT0q1 熱一律：熱一律： 22010101s12qhhccg zzw 熱二律：熱二律： iso0100qsssThs10010exwhhTss 一般動、位能變化忽略一般動、位能變化忽略 1001qTss 初態(tài)初態(tài)h1, s1, c1, z1終態(tài)終態(tài)h0, s0, c0, z0穩(wěn)定流動工質(zhì)的焓穩(wěn)定流動工質(zhì)的焓Ex與與An的說明的說明 1）穩(wěn)流工質(zhì)的焓穩(wěn)

7、流工質(zhì)的焓h1-h0，只有一部分是，只有一部分是exh anh= h1-h0 - exh =T0(s1-s0) 2）當環(huán)境當環(huán)境p0, T0一定，一定，exh是是狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)參數(shù) 3）當工質(zhì)狀態(tài)與環(huán)境相平衡，焓當工質(zhì)狀態(tài)與環(huán)境相平衡，焓exh=0 4）由初態(tài)由初態(tài)1 終態(tài)終態(tài)2的可逆過程，工質(zhì)作的的可逆過程，工質(zhì)作的 最大功最大功maxh1h212012wexexhhTssh10010exhhTss若工質(zhì)宏觀運動動能及位能的變化較大不若工質(zhì)宏觀運動動能及位能的變化較大不可忽略，穩(wěn)流工質(zhì)的作功能力與焓可忽略，穩(wěn)流工質(zhì)的作功能力與焓火用火用有有什么差異？什么差異？ 穩(wěn)流工質(zhì)的作功能力應計入工質(zhì)的動

8、穩(wěn)流工質(zhì)的作功能力應計入工質(zhì)的動能差和位能差，此時穩(wěn)流工質(zhì)的作功能差和位能差，此時穩(wěn)流工質(zhì)的作功能力稱為物流能力稱為物流火用火用，物流，物流火用火用與焓與焓火用火用相差工質(zhì)的動能差和位能差。相差工質(zhì)的動能差和位能差。7.3 火用火用損失損失(作功能力損失作功能力損失) )火用的基本含義是以環(huán)境為基準時系統(tǒng)的火用的基本含義是以環(huán)境為基準時系統(tǒng)的理論理論做功能力做功能力,它不是實際過程中系統(tǒng)作出它不是實際過程中系統(tǒng)作出的最大功的最大功,也不是系統(tǒng)由初態(tài)變化到與環(huán)境也不是系統(tǒng)由初態(tài)變化到與環(huán)境平衡狀態(tài)實際完成的有用功平衡狀態(tài)實際完成的有用功,即火用與實際即火用與實際過程功無關(guān)過程功無關(guān).任何不可逆因

9、素均引起功任何不可逆因素均引起功損失損失,即引起火用損失即引起火用損失.7.3.1 溫差傳熱引起的火用損失溫差傳熱引起的火用損失TA環(huán)境環(huán)境T0Q0ExQAQRQ0QRTBQExQBQTTExAQA)1 (0QTTExBQB)1 (0TA TBQTTTTExExEABQBQAl)(00QTTTQTTTTEABABl)11()(000glSTE0gSTA環(huán)境環(huán)境T0Q0ExQAQRQ0QRTBQExQB TST012341 2 3 33SSSg22lgEWWWQQ121222101000QQQQQQTTTTTT7.3.2 摩擦引起的火用損失摩擦引起的火用損失T1T0RQ1Q2W11221100Q

10、QQQTTTTIRWQ1Q210isoTTIRRSSSSS 假定假定 Q1=Q1 ， W W 作功能力損失作功能力損失02tt,C1111TQQT 1210QQTT220QQT0TElgisoSTST00 TST0El12343 glSTE0工質(zhì)因過程不可逆引起的作功能力的損工質(zhì)因過程不可逆引起的作功能力的損失是過程熵產(chǎn)與環(huán)境介質(zhì)溫度的乘積。失是過程熵產(chǎn)與環(huán)境介質(zhì)溫度的乘積。不論什么工質(zhì)，不論何種不可逆過程，不論什么工質(zhì)，不論何種不可逆過程，也不論工質(zhì)溫度是高于還是低于環(huán)境溫也不論工質(zhì)溫度是高于還是低于環(huán)境溫度，工質(zhì)的作功能力的損失均可用此式度，工質(zhì)的作功能力的損失均可用此式計算。計算。 gl

11、STE0注意！注意！gigiililSTSTEE007.3.3 能級與能量貶值原理能級與能量貶值原理能級能級能量數(shù)量能量火用值機械能和電能的能級為機械能和電能的能級為1.對熱量對熱量:110TTQExQ能級越高能級越高,能量的可利用程度越大能量的可利用程度越大.能量貶值原理能量貶值原理 : : 在不可逆過程中在不可逆過程中, ,雖然能量的數(shù)雖然能量的數(shù)量不變量不變, ,但火用減少了但火用減少了, ,能級降低了能級降低了, ,即能量的品即能量的品質(zhì)下降了質(zhì)下降了. .7.4 火用方程火用方程gfdsdsdsTqdsfgdsTdsTTqT000twdhq- ，得 gtdsTwdsTdhqTT000

12、)1 (qexhdexlelthqewdexex1.1.開口系統(tǒng)的火用平衡方程開口系統(tǒng)的火用平衡方程lthhqewexexex)(21ltihihiQEWExExEx)()()(21若有多股流體進出，則若有多股流體進出，則lthqewexex火用方程表明，系統(tǒng)提供的熱量火用方程表明，系統(tǒng)提供的熱量火用火用與工質(zhì)與工質(zhì)焓火用之和等于系統(tǒng)完成的技術(shù)功與火用損焓火用之和等于系統(tǒng)完成的技術(shù)功與火用損失之和。失之和。積分得積分得lthqewdexex)(120vvpwwu同理，閉口系統(tǒng)的火用平衡方程為：同理，閉口系統(tǒng)的火用平衡方程為：luuuqewexexex)(217.5 7.5 火用效率與熱效率火用

13、效率與熱效率loutinEExEx)()(熱力系統(tǒng)熱力系統(tǒng)支出量收益量效率 火用支出量火用收益量火用效率 inlinoutexExEExEx)(1)()(和進入系統(tǒng)的各火用值之和離開系統(tǒng)的各火用值之thaexExEx)()(提供的火用值之和實際利用的火用值之和 動力裝置動力裝置exinoutWExExnet耗功裝置耗功裝置outinexExExWWsEx1Ex2QT0)()(2102121SSTHHExExExhhslWExE 換熱設備換熱設備exExEx冷流體得到的熱流體放出的加熱加熱m熱熱1234m冷冷isoghhhhlSTSTexexmexexmE003421)()(冷熱 熱力循環(huán)的熱量

14、熱力循環(huán)的熱量火用火用效率為效率為QexQExWQWtQExQWQcmaxctexQ火用效率是一種相對效率，它反映了實際過火用效率是一種相對效率，它反映了實際過程程偏離理想可逆過程偏離理想可逆過程的的程度程度。7.6 熱經(jīng)濟學熱經(jīng)濟學 20世紀世紀60年代以來，在節(jié)能領(lǐng)域產(chǎn)生了將年代以來，在節(jié)能領(lǐng)域產(chǎn)生了將火用分析法與經(jīng)濟因素及優(yōu)化理論有機結(jié)合的火用分析法與經(jīng)濟因素及優(yōu)化理論有機結(jié)合的熱經(jīng)濟學，即除了研究體系與自然環(huán)境之間的熱經(jīng)濟學，即除了研究體系與自然環(huán)境之間的相互作用外，還要研究一個體系內(nèi)部的經(jīng)濟參相互作用外，還要研究一個體系內(nèi)部的經(jīng)濟參量與環(huán)境經(jīng)濟參量之間的相互作用。量與環(huán)境經(jīng)濟參量之間

15、的相互作用。 一般來說，第一定律和第二定律分析法，一般來說，第一定律和第二定律分析法，在方案比較中僅能給出一個參考方向，而不能在方案比較中僅能給出一個參考方向，而不能得出具體結(jié)論。而熱經(jīng)濟學分析法可以直接給得出具體結(jié)論。而熱經(jīng)濟學分析法可以直接給出結(jié)果，這種方法特別適用于解決大型、復雜出結(jié)果，這種方法特別適用于解決大型、復雜的能量系統(tǒng)分析、設計和優(yōu)化。的能量系統(tǒng)分析、設計和優(yōu)化。 火用值計算火用值計算 火用損失火用損失 火用方程火用方程 火用效率火用效率第七章第七章 小小 結(jié)結(jié)重點重點了解了解第七章第七章 完完閉口系統(tǒng)內(nèi)能的閉口系統(tǒng)內(nèi)能的Ex舉例舉例1kg空氣，由空氣，由p1=50bar, t

16、1=17oC, 膨脹到膨脹到p2=40bar, t2=17oC, 已知已知p0=1bar, t0=17oCu110010010exuuTsspvv求：該膨脹過程對外界的最大有用功求：該膨脹過程對外界的最大有用功01110p0001001001lnlnln1244/RTTpRTTcRpTpppppRTkJ kgpp maxu1u2wexex閉口系統(tǒng)內(nèi)能的閉口系統(tǒng)內(nèi)能的Ex舉例舉例1kg空氣，由空氣，由p1=50bar, t1=17oC, 膨脹到膨脹到p2=40bar, t2=17oC, 已知已知p0=1bar, t0=17oC01u1001ln1244/ppexRTkJ kgppmaxu1u218kJ/kgwexex02u2002ln1226/ppexRTkJ kgpp求：該膨脹過程對外界的最大有用功求：該膨脹過程對外界的最大有用功穩(wěn)定流動工質(zhì)的焓穩(wěn)定流動工質(zhì)的焓Ex舉例舉例壓氣機壓氣機燃