熱能節(jié)能基礎(chǔ)

1、第二章 熱能節(jié)能基礎(chǔ)本章內(nèi)容：能量轉(zhuǎn)換與平衡、能質(zhì)及有效能、有效能計(jì)算、有效能損失及有效能效率。熱能利用是一個(gè)大的系統(tǒng)工程，它涉及能源的開采、加工、轉(zhuǎn)化、運(yùn)輸、儲(chǔ)存、使用和回收等環(huán)節(jié)，限于篇幅和目的，本課程略去前五個(gè)環(huán)節(jié)，而主要對(duì)后兩個(gè)環(huán)節(jié)的分析與完善進(jìn)行闡述，熱能利用的實(shí)質(zhì)是能源的轉(zhuǎn)換與熱能的傳遞。如前所述，熱能利用的具體方式多種多樣，但從熱能形態(tài)的角度來(lái)看，則只有間接使用和直接使用兩種方式。在這兩種方式中，都有能量的轉(zhuǎn)換與平衡。2.1能量的轉(zhuǎn)換與平衡能量轉(zhuǎn)換自然界是由不斷運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)構(gòu)成的，而物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)形態(tài)是多種多樣的。物質(zhì)的每一種運(yùn)動(dòng)都具有做功能力，即具有“能”。不同運(yùn)動(dòng)形式的能分別被稱為

2、“機(jī)械能”、“熱能”、“化學(xué)能”、“電能”、“光能”、“原子能”等。1能量轉(zhuǎn)換的形式1） 熱能 提供各種化學(xué)反應(yīng)中還原過程所需熱量，物料加熱融化所需熱量，以及提供生產(chǎn)工藝所需加熱源（水蒸氣等）。它主要是利用燃料的燃燒熱能，是企業(yè)消耗的最主要能源之一。2） 機(jī)械能 用于流體的輸送和壓縮如鼓風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)和泵等；物料的運(yùn)輸、提升、壓延、破碎、機(jī)械加工等。機(jī)械能大部分是由電能轉(zhuǎn)換而來(lái)，也有利用蒸汽動(dòng)力裝置直接拖動(dòng)。3） 電能 主要是通過電機(jī)轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，同時(shí)可提供照明、電熱等。但電能本身大多數(shù)實(shí)際是由熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能、再由機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的。4） 化學(xué)能 最常見的是燃料燃燒，將燃料蘊(yùn)藏的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成熱

3、能，氧化反應(yīng)就是將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成熱能。這四種能量的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下表所列輸入能輸出能熱能化學(xué)能機(jī)械能電能熱能傳熱過程吸熱反應(yīng)熱力發(fā)電機(jī)熱電偶化學(xué)能燃燒過程化學(xué)反應(yīng)肌肉、滲透壓電池機(jī)械能摩擦機(jī)械傳動(dòng)發(fā)電機(jī)電能電熱電解電動(dòng)機(jī)變壓器不同形式能量之間的轉(zhuǎn)換，有些是可能的，有些是不可能的，有些可以全部轉(zhuǎn)換，有些只能部分轉(zhuǎn)換，有的在理論上正向逆向都可轉(zhuǎn)換，有的需要一定條件。例如，電能與機(jī)械能之間，理論上可以百分之百地相互轉(zhuǎn)換，且都可以全部轉(zhuǎn)換成熱能。反之，熱能絕不可能百分之百的轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。并且，熱能只可能由高溫處向低溫處傳遞。由一次能源向常用形式的能源轉(zhuǎn)換及其裝置列于下表。能源種類轉(zhuǎn)換方式轉(zhuǎn)換裝置煤、石油等化

4、石燃料、氫、酒精等二次燃料化學(xué)能 熱能燃燒裝置、鍋爐化學(xué)能 熱能機(jī)械能各種熱力發(fā)動(dòng)機(jī)化學(xué)能 熱能機(jī)械能電能熱力發(fā)電廠化學(xué)能熱能電能燃料電池、磁流體發(fā)電、熱電發(fā)電水能、風(fēng)能、潮汐能、波浪能機(jī)械能機(jī)械能水車、風(fēng)車、機(jī)械能電能水力發(fā)電機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)太陽(yáng)能光能熱能太陽(yáng)能熱水器光能熱能機(jī)械能太陽(yáng)能熱機(jī)光能熱能機(jī)械能電能熱力發(fā)電裝置光能熱能電能熱電子發(fā)電光能電能太陽(yáng)能電池、光化學(xué)電池地?zé)崮軣崮軝C(jī)械能電能蒸汽透平發(fā)電核能核裂變熱能機(jī)械能電能現(xiàn)有核電站核裂變熱能電能磁流體發(fā)電、熱電子發(fā)電一次能源具有不同的特性。例如，太陽(yáng)能絕對(duì)數(shù)量極大，但輻射到地面上的能流密度很小，且隨時(shí)間地點(diǎn)而變；水力資源能量比較集中，但受

5、地域限制，就地不能全部利用，有一個(gè)能量的儲(chǔ)存與輸送問題；化石燃料具有現(xiàn)成的化學(xué)能，但不能直接利用，要通過燃燒轉(zhuǎn)變成熱能才便于使用。目前，絕大多數(shù)一次能源都首先經(jīng)過轉(zhuǎn)換成熱能形式或者直接使用，滿足各種工藝流程和生活所需；或者通過熱機(jī)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為機(jī)械能和電能后再利用。經(jīng)過熱能這個(gè)重要環(huán)節(jié)而被利用的能量，在我國(guó)占90%以上，世界各國(guó)平均也超過85%，因此，分析和研究熱能轉(zhuǎn)換的特點(diǎn)，對(duì)有效利用能量有著重要意義。2能量轉(zhuǎn)換的要求在實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換時(shí)，對(duì)轉(zhuǎn)換裝置有以下幾項(xiàng)基本要求：1） 轉(zhuǎn)換效率要高。指轉(zhuǎn)換后得到的能量（收益）與轉(zhuǎn)換前耗費(fèi)的能量（支付）之比?？梢灾敢慌_(tái)設(shè)備，也可以指一個(gè)系統(tǒng)。能量可以指數(shù)量而言

6、，也可以指質(zhì)量而言（有效能）。例如，煤氣的燃燒效率比煤要高得多，但是，城市煤氣多數(shù)也是由煤轉(zhuǎn)換而來(lái)。在比較轉(zhuǎn)換效率時(shí)，要對(duì)煤煤氣熱能的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)與煤熱能的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進(jìn)行比較才有意義。由于煤氣的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的效率比煤直接燃燒的效率高，因此，城市的煤氣化是節(jié)能的一個(gè)重要方向。2） 轉(zhuǎn)換速度要快，能流密度要大。一般都希望能量轉(zhuǎn)換裝置用盡量緊湊的設(shè)備轉(zhuǎn)換更多的能量。例如，一般的換熱器希望換熱強(qiáng)度盡可能大，單位面積上傳遞的熱量盡可能多，可以用最小的裝置滿足熱交換的要求。尤其在一些移動(dòng)式設(shè)備上，如汽車、火車等，要求裝置盡可能緊湊。目前，內(nèi)燃機(jī)比燃料電池的轉(zhuǎn)換速度和能流密度都要大得多，所以燃料電池還不適于用在汽車上

7、。3） 具有良好的負(fù)荷調(diào)節(jié)性能。一種能量轉(zhuǎn)換裝置往往需要根據(jù)用能一方的要求來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換能量的多少，電能是調(diào)節(jié)最方便的二次能源，因此使用最為廣泛，為了調(diào)節(jié)負(fù)荷的需要，必要時(shí)，需采用蓄能裝置。4） 滿足環(huán)境的要求和經(jīng)濟(jì)上的合理。燃燒過程的污染是造成環(huán)境污染的主要根源，防止燃燒污染是當(dāng)前能量轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的重要課題。但是這一要求通常與經(jīng)濟(jì)性又有矛盾。太陽(yáng)能，風(fēng)能等均為清潔能源，但是要大規(guī)模利用在經(jīng)濟(jì)上還不合理（成本太高）。所以應(yīng)當(dāng)把降低污染與經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一作為努力的方向。能量平衡能量守恒定律通常又叫熱力學(xué)第一定律，因?yàn)槟芰康娜魏芜^程幾乎都伴隨著熱能的變化。能量守恒定律、細(xì)胞學(xué)說與進(jìn)化論并稱為19世紀(jì)三大發(fā)現(xiàn)。

8、它表達(dá)了能量守恒這一自然規(guī)律。即：能量可以由一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式，從一個(gè)物體傳遞給另一個(gè)物體，但在轉(zhuǎn)換與傳遞過程中，能量的總量保持不變。在這一定律提出前，曾有很多人幻想制造出不消耗任何能量卻能源源不斷得到機(jī)械能的永動(dòng)機(jī)，這類永動(dòng)機(jī)被叫作第一類永動(dòng)機(jī)，所以熱力學(xué)第一定律又可以說成：第一類永動(dòng)機(jī)是不可能制造成功的。對(duì)任何能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)來(lái)說，有輸入能量-輸出能量=貯存能量的變化1對(duì)封閉系統(tǒng)。用Q表示輸入熱量，W表示輸出功量，DE表示貯存能量的變化（包括宏觀運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能、位能及熱力學(xué)內(nèi)能或焓），則封閉系統(tǒng)發(fā)生變化時(shí)，有Q=DE+W2穩(wěn)定流動(dòng)開放系統(tǒng)。生產(chǎn)實(shí)際中的生產(chǎn)系統(tǒng)，在正常情況下，其物流和能流都可

9、當(dāng)作穩(wěn)定的，在忽略其宏觀動(dòng)能和位能的情況下，有式中，Q=Qi-Qe ,DH=He-Hi ,w=we-wi ,當(dāng)計(jì)入動(dòng)能與重力勢(shì)能的變化時(shí)，為Q=DH+1/2mDv2+mgDZ+W在一些設(shè)備內(nèi)，能量平衡往往可以簡(jiǎn)化。1） 換熱器內(nèi)Q=DH2） 泵、壓縮機(jī)鼓風(fēng)機(jī)內(nèi)DH=W3） 噴管內(nèi)絕熱穩(wěn)定流動(dòng)DH=1/2mDv23能量的貶值能量在轉(zhuǎn)換與傳遞過程中雖然總的數(shù)量保持不變，但能量在使用中質(zhì)量卻是不斷下降的。這一規(guī)律也是在大量的自然現(xiàn)象中得到的，被叫作熱力學(xué)第二定律。熱力學(xué)第二定律指出：能量轉(zhuǎn)換過程總是朝著能量貶值的方向進(jìn)行，高品質(zhì)能可以完全轉(zhuǎn)變?yōu)榈推焚|(zhì)能，低品質(zhì)能不可能全部轉(zhuǎn)變?yōu)楦咂焚|(zhì)能，任何能量過程

10、都將使總能量的品質(zhì)降低，理想情況只能使總能量的品質(zhì)保持不變。包含有耗散效應(yīng)或勢(shì)差的過程是造成能量貶值的原因。前者如機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)中的摩擦使機(jī)械能貶損，電流流動(dòng)中的電阻是電能降級(jí)。后者如傳熱中要維持一定的溫差使得熱能傳遞之后溫度降低從而其能級(jí)降低。機(jī)械能在傳遞過程中總是不斷減少，以數(shù)字從小到大表示順序從先到后，W1W2W3。熱能在傳遞過程中不僅數(shù)量要減少，更重要的是溫度也在不斷降低，T1T2T3。例如，火爐向房間供熱取暖的過程燃料化學(xué)能（高品質(zhì)能）高溫?zé)崮埽ㄆ焚|(zhì)降低）傳向房間的熱能（溫度進(jìn)一步降低，品質(zhì)更降低）透過墻壁，散失于環(huán)境（溫度與環(huán)境趨于一致）。又如，零件的機(jī)械加工電能（高品質(zhì)能）機(jī)床的機(jī)械動(dòng)

11、能（高品質(zhì)能）切削、壓延、鐓鍛零件變成熱能（溫度較高）環(huán)境熱能（溫度與環(huán)境一致）。如果再計(jì)入電能的生產(chǎn)過程，則還有燃料化學(xué)能（高級(jí)能）高溫?zé)崮埽ㄆ焚|(zhì)已降低）部分轉(zhuǎn)換為機(jī)械能（高級(jí)能）電能（高級(jí)能）。按照熱力學(xué)第一定律，各種能量在利用之后，并沒有消失，那跑哪兒去了呢？轉(zhuǎn)化成了不能再被利用的環(huán)境中的能量，如大氣、湖海中的能量。因此，能源的消耗過程就是能量的利用過程，而能量的利用過程就是能量從能量源經(jīng)過一系列過程進(jìn)入產(chǎn)品或環(huán)境的過程。任何運(yùn)動(dòng)都伴隨有能量的轉(zhuǎn)化，即使用。因而都伴隨著能量品質(zhì)的降低，這稱為貶值。能量的貶值是因?yàn)槟芰康霓D(zhuǎn)換、傳輸、使用的過程都是有損耗的，在熱力學(xué)上就是存在不可逆性。就是說

12、，當(dāng)一個(gè)過程發(fā)生后，要把此一過程回復(fù)到之前的狀態(tài)，必須要付出一定的代價(jià)，這就是過程的不可逆性。例如，熱量從高溫物體傳向低溫物體，要把此熱量從低溫物體重新傳輸給高溫物體，目前的方法只能通過熱泵，消耗一定的機(jī)械能才能做到，這個(gè)機(jī)械能就是付出的代價(jià)。再如，摩擦過程把機(jī)械能變成了熱能，簡(jiǎn)單地把熱能還給發(fā)生摩擦的物體，則不可能把熱能重新變回成機(jī)械能。過程的不可逆性越大，則損耗越大，能量貶值就越大。因此傳熱過程要盡可能減小溫差，機(jī)械過程要盡可能減小摩擦。2.2有效能能質(zhì)概念經(jīng)驗(yàn)表明機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)變成熱能，而熱能則只能部分轉(zhuǎn)變成機(jī)械能。前者如摩擦生熱，后者如熱電廠?？梢姍C(jī)械能和熱能雖然同樣是能，卻并不等價(jià)

13、。與機(jī)械能等價(jià)的能量形態(tài)有電能、水力和風(fēng)能等，如果沒有摩擦和阻力，它們之間可以完全相互轉(zhuǎn)換，這說明，不同形態(tài)的能量，質(zhì)量不同。此外，即使是同一形態(tài)的能量，載能物質(zhì)處在不同的狀態(tài)，能量的質(zhì)量也不相同。例如，相同數(shù)量的熱能，若載熱介質(zhì)的壓力和溫度不同，可以轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ亩嗌僖膊煌?，亦即“質(zhì)量”有高低之分。壓力和溫度高的熱能，“質(zhì)量”高，壓力和溫度低的熱能，“質(zhì)量”也低。相對(duì)于同一環(huán)境溫度，前者轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的份額大于后者。與環(huán)境溫度相同的熱能，“質(zhì)量”最低，作功能力等于零。經(jīng)驗(yàn)表明機(jī)械能是“一切形態(tài)的能量中“質(zhì)量”最高的一種，而且又是人類生產(chǎn)和生活中最常使用的能量。所以通常以機(jī)械能為標(biāo)準(zhǔn)，用轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能

14、的程度來(lái)衡量其它形態(tài)能量“質(zhì)量”的高低，能的“質(zhì)量”，又稱為能的“品位”，“能級(jí)”，這些概念都相同。能質(zhì)=機(jī)械能/總能量l=Ex/E有效能處于某一狀態(tài)下的任何熱力系統(tǒng)，可逆地變化到與周圍環(huán)境狀態(tài)相平衡時(shí)，對(duì)外界所作出的最大有用功稱為該熱力系統(tǒng)的有效能，以符號(hào)Ex表示，單位為kJ。單位質(zhì)量工質(zhì)的有效能，稱為比有效能，以ex表示，單位為kJkg。可逆變化只是熱力學(xué)上的理想假定，實(shí)際的任何過程都是不可逆的，但這一假定對(duì)于量化分析能量的可用性有重大作用，所以這一定義有重要的理論和實(shí)際意義。從上述定義出發(fā)，由熱力學(xué)第一定律和第二定律可以導(dǎo)出各種系統(tǒng)或工質(zhì)優(yōu)效能的計(jì)算公式。這在工程熱力學(xué)中已有詳細(xì)論述，在

15、此不多討論。一份能量可以寫成E=Ex+AnEx表示有效能，An表示無(wú)效能，用總能量中可以轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的數(shù)量與總能量的比值來(lái)表示能質(zhì)的大小機(jī)械能、電能、化學(xué)能、核能等，都全部是有效能，無(wú)效能為零，因而其l都等于一，都是高級(jí)能。而環(huán)境中的能量全部是無(wú)效能，即其中Ex=0，l都等于0，熱能介于這兩種能之間。2.3有效能的計(jì)算有效能的計(jì)算在能源利用和節(jié)能中有著重要意義，根據(jù)實(shí)際的已知情況的不同，有效能的計(jì)算可分為針對(duì)能流和針對(duì)物流而進(jìn)行。例如，換熱器中高溫的蒸汽通過冷凝而放熱，使另一側(cè)的低溫流體吸熱。高溫側(cè)的熱流給定時(shí)，有效能計(jì)算就是針對(duì)能流進(jìn)行。當(dāng)高溫側(cè)熱流沒有給定時(shí)，就要有高溫側(cè)的蒸汽的狀態(tài)變化來(lái)

16、確定熱流，此時(shí)的有效能計(jì)算就是針對(duì)物流有效能進(jìn)行。能流的有效能1機(jī)械能、電能動(dòng)能、勢(shì)能、彈性能、張力能等機(jī)械能和電能在無(wú)摩擦或無(wú)阻力時(shí)可全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣?，故全部是有效能Exw=W，Ew=WExw表示以功的形式傳遞的有效能，W表示以功的形式傳遞的任何一種形式的機(jī)械能或電能。其能質(zhì)l= Ex/E=Exw/W=12熱量的有效能溫度為T的恒溫?zé)嵩吹臒崃縌所能做出的最大功量，由工作在溫度為T的熱源和溫度為T0的環(huán)境之間的卡諾熱機(jī)決定?？ㄖZ熱機(jī)效率h=1-T0/TExQ=W=Q(1-T0/T)如為變溫?zé)嵩?，即在放出熱量Q的過程中，熱源溫度由T1變?yōu)門2，則有ExQ=W=能質(zhì)l= Ex/E=(1-T0/T)或/

17、Q1物流的有效能一、物流有效能組成及基本計(jì)算式1組成對(duì)于沒有核、磁、電與表面張力效應(yīng)的過程，穩(wěn)定流動(dòng)過程物流的有效能Ex由以下四個(gè)部分組成：動(dòng)能Exd、勢(shì)能Exp、物理Exph、化學(xué)Exch。物體的動(dòng)能和勢(shì)能可全部轉(zhuǎn)化為功，因此，物體的動(dòng)能和勢(shì)能都是有效能。物體因溫度和壓力與環(huán)境不同而具有的有效能為物理有效能。物體因化學(xué)組成不同，可發(fā)生化學(xué)反應(yīng)達(dá)到與環(huán)境平衡而具有的有效能為化學(xué)有效能。通常，物體化學(xué)有效能的做功過程包括化學(xué)反應(yīng)和物理擴(kuò)散兩個(gè)過程?；瘜W(xué)反應(yīng)是將原物體的物質(zhì)轉(zhuǎn)化成環(huán)境物質(zhì)基準(zhǔn)物，物理擴(kuò)散是將生成的基準(zhǔn)物濃度調(diào)節(jié)（擴(kuò)散）至環(huán)境的濃度。例如，要確定溫度為1273K，壓力為1.0Mpa的

18、CO氣體的做功能力。假定環(huán)境溫度T0為298K，壓力P0為0.1013MPa。我們先將CO的溫度降至298K，放出的熱量可用卡諾熱機(jī)做功，然后再將其通過膨脹機(jī)等溫可諾做功。這樣CO就達(dá)到與環(huán)境在溫度與壓力上的平衡，其物理有效能就都放出了。此后，CO還可還可與環(huán)境中的O2氣進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，放出熱量通過卡諾熱機(jī)做功，生成的CO2分壓力比環(huán)境中的CO2分壓力大，還可通過膨脹機(jī)做功，這兩項(xiàng)就組成了其化學(xué)能。因此，物流的有效能為Ex=Exd+Exp+Exph+Exch通常，穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)流體的進(jìn)出口動(dòng)能與勢(shì)能的變化都很小，因此動(dòng)能有效能和勢(shì)能有效能往往可忽略不計(jì)。2物流有效能的基本計(jì)算式處于某一狀態(tài)的物流，

19、可逆地變化到與環(huán)境相平衡時(shí)所能做出的最大功為物流的有效能。對(duì)物理有效能和化學(xué)有效能都適用。物流從自己的狀態(tài)P,T,H,S變到與環(huán)境相平衡的狀態(tài)P0,T0,H0,S0，不考慮動(dòng)能與勢(shì)能的有效能。首先，在一相應(yīng)設(shè)備內(nèi)可逆變化，放熱膨脹做功，變至環(huán)境狀態(tài)，此設(shè)備可由一卡諾熱機(jī)和一膨脹機(jī)組成，則物流的能量方程為Q1=H-H0-W1此熱量又可通過卡諾熱機(jī)做一部分功Q1=W2+Q0H=H0+W1+W2+Q0Ex= W1+W2=H-H0-Q0DS總=DS體+DS環(huán)=S0-S+Q0/T0=0Q0=T0(S-S0)該式由熱力學(xué)第二定律而來(lái)。Ex=H-H0-T0(S-S0)對(duì)單位物流則為ex=h-h0-T0(s-

20、s0)能質(zhì)l= (H-H0-T0(S-S0)/( H-H0)上式對(duì)物流的物理有效能與化學(xué)有效能的計(jì)算都適用。當(dāng)體系從某一狀態(tài)1變化到另一狀態(tài)2時(shí)，其有效能的變化即為此兩個(gè)狀態(tài)的有效能之差DEx= H1-H2-T0(S1-S2)。1）溫度有效能物體因具有一定的溫度而具有的最大的做功能力，對(duì)單位質(zhì)量或體積dh=cpdTds=dq/T=cpdT/T當(dāng)定壓比熱容近似為常數(shù)時(shí)，有如果物體溫度從T1變到T2，則其有效能變化D ext為如果質(zhì)量或體積已知，則各種情況下的有效能乘以質(zhì)量或體積即為總值。如總質(zhì)量為m，則ExT=mexT2）潛熱有效能相當(dāng)于恒溫?zé)嵩?，r為潛熱，對(duì)單位工質(zhì)，其有效能為而其總能量即為r

21、,故3）壓力有效能指氣體物質(zhì)溫度與環(huán)境相同，壓力p與環(huán)境p0不同時(shí)所具有的有效能，考慮單位氣體。i)開口系統(tǒng)在這一變化過程中，氣體能量方程為Q=H+W對(duì)理想氣體，溫度不變，焓也不變，故Q=W對(duì)單位氣體故式中Rg為氣體常數(shù)J/(kg.K)。當(dāng)氣體壓力從P1變到P2時(shí)，有效能的變化ii)封閉系統(tǒng)對(duì)于封閉體系中的氣體，處于T0,p,V的狀態(tài)，它等溫可逆膨脹的功式中n為摩爾數(shù)，R為摩爾氣體常數(shù)，R=8.314J/(mol.K)，4）混合氣體有效能氣體的混合過程是不同分子相互擴(kuò)散的過程，是一個(gè)不可逆過程，系統(tǒng)的總上增大，可用能減少。設(shè)混合前兩種氣體具有相同的溫度T和壓力p，分別由n1摩爾（mol）和n2

22、摩爾(mol)。混合前總的有效能為Ex=Ex1+Ex2而兩種成分各自的有效能分別為混合后的溫度和總壓力不變，分壓力分別為p1和p2，則混合物的有效能分別為則混合后的總有效能為對(duì)一摩爾混合氣物理有效能在化工單元操作中的加熱、冷卻、壓縮、和膨脹等過程只需考慮物理有效能。計(jì)算時(shí)，利用熱力學(xué)圖表或公式求得系統(tǒng)的H和S及其H0和S0，代入物流有效能計(jì)算式即可。二、化學(xué)有效能因環(huán)境模型尚未統(tǒng)一，目前一般通過計(jì)算物體狀態(tài)和環(huán)境狀態(tài)的焓差及熵差，再代入有效能的定義公式來(lái)計(jì)算。2.4有效能損失及有效能效率有效能損失對(duì)一個(gè)體系、一個(gè)過程做出物料和能量平衡，求出其有效能后，可以進(jìn)行有效能衡算，確定其有效能損失，查明

23、有效能轉(zhuǎn)化、傳遞、利用和損失的情況，以便確定節(jié)能改造的最佳途徑，達(dá)到合理用能的目的。在完全可逆的情況下，理論上對(duì)某一耗能產(chǎn)物做有效能衡算，可以確定該產(chǎn)品的理論能耗或過程的理想功，作為衡量實(shí)際能耗的理論依據(jù)。實(shí)際過程都是不可逆過程，都要引起有效能的損失，因此有效能衡算與能量衡算不一樣。對(duì)一個(gè)系統(tǒng)或一個(gè)過程，輸入的有效能與輸出的有效能相差一個(gè)數(shù)，這個(gè)差值就是有效能的損失。根據(jù)過程的特點(diǎn)，此差值有大有小，1直接計(jì)算法直接通過計(jì)算過程各物流和能流的有效能來(lái)計(jì)算有效能的進(jìn)出口之差，即為有效能損失。Ex損失=Ex進(jìn)-Ex出2間接計(jì)算法在很多情況下，直接計(jì)算法往往很麻煩，這時(shí)采用間接法往往簡(jiǎn)單明了。有效能損

24、失是由過程的不可逆性造成的，這反映在一定環(huán)境條件下，過程熵的增大上。Ex損失=T0DS總2.4.2有效能效率如過程完全可逆,沒有效能損失，則hEx=1，如過程完全不可逆，則hEx=0，一般過程介于兩者之間，0hEx1。例1：有一鍋爐，燃燒氣的壓力0.1013MPa，傳熱前后溫度分別為1400K和810K，水在0.7Mpa,423K進(jìn)入鍋爐，以0.7Mpa,533K的過熱蒸汽送出，燃燒氣的定壓比熱Cp=4.56kJ/kg.K，求此鍋爐生產(chǎn)過熱蒸汽的有效能損失及有效能效率，設(shè)環(huán)境溫度為298K,壓力為0.1013KPA。解：將鍋爐的傳熱視為并流換熱器的工作過程。由能量衡算確定冷熱物流的質(zhì)量流量比。

25、由水蒸氣表查得：0.7MPA,423K的熱水的焓ha=632.1kJ/kg,熵sa=1.840kJ/kg.K; 0.7Mpa,533K的過熱蒸汽的焓hb=2972kJ/kg,熵sb=7.139840kJ/kg.K;1）確定汽水比例在穩(wěn)定工作狀態(tài)下，設(shè)一段時(shí)間內(nèi)流過的燃燒氣的量為m氣，對(duì)應(yīng)的水為m水。燃燒氣的熱量全部傳給水使其變?yōu)檫^熱蒸汽，故2）計(jì)算各自的有效能變化水的變化：所以，故有效能損失為有效能效率例2：p1=0.01Mpa的過熱水蒸氣h1=2649kJ/kg, s1=8.337kJ/kg.K，在壓縮機(jī)中被絕熱壓縮到p2=0.1Mpa, h2=3278kJ/kg, s2=8.541kJ/kg.K，壓