熱能的可用性及火用分析

2023年7月14日第六章熱能的可用性及火用分析1第六章熱能的可用性及分析6-1熱能的可用性及的基本概念6-2值的計(jì)算6-3熱力過程的分析6-4效率2023年7月14日第六章熱能的可用性及火用分析2熱能可用性的討論及

分析的意義用來描述能量可用性的熱力學(xué)參數(shù)為，它表示各種形態(tài)的能量中所包含的可以轉(zhuǎn)換為功的能量的多少。利用的概念來分析熱力學(xué)問題，可以說明能量轉(zhuǎn)換和傳遞過程中其數(shù)量和質(zhì)量的變化關(guān)系。熱力學(xué)第二定律說明了能量轉(zhuǎn)換的條件、方向和限度，揭示了在轉(zhuǎn)換為功的能力上或者說在能量的質(zhì)量上，熱能和其他形式的能相比其品位較低，即熱能不可能連續(xù)地全部轉(zhuǎn)換為功，且溫度越低的熱能其能夠轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ哪芰烤驮缴?，即其可用性較差，這正是熱能和其他形式的能所不同的特殊屬性。2023年7月14日第六章熱能的可用性及火用分析36-1熱能的可用性及的基本概念

熱量轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ哪芰Γ涸趦蔁嵩撮g工作的熱機(jī)，其循環(huán)熱效率的最大值等于卡諾循環(huán)的熱效率。在一定的環(huán)境中，低溫?zé)嵩纯蛇_(dá)到的最低溫度為環(huán)境溫度T0，因此當(dāng)供熱熱源溫度為Tr，從該熱源吸熱的熱機(jī)循環(huán)的最高熱效率為當(dāng)吸熱量為時(shí)，通過熱機(jī)循環(huán)而轉(zhuǎn)換為功的最大限額，即熱量轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ哪芰?023年7月14日第六章熱能的可用性及火用分析4可用能—可以連續(xù)地全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ哪?；不可用能—不可能轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ哪?。Ex/J—能量中可以連續(xù)地全部轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ牟糠帜芰浚籄n/J—能量中不可能轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ哪遣糠帜芰?。有用功—功量中能夠被有效利用的部分；無用功—由于系統(tǒng)容積變化而對周圍環(huán)境支付的功，這部分功量消耗于環(huán)境中而不能被利用。按能量轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ目赡苄?，將能量分為?/p>

按是否可以被有效利用，功量被分為：

按照轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ目赡苄?，可以把能分為?023年7月14日第六章熱能的可用性及火用分析5系統(tǒng)中的能量E可分為和兩部分：對于確定的熱力學(xué)系統(tǒng)，系統(tǒng)中能量的就是系統(tǒng)由該狀態(tài)可逆地變化到與給定環(huán)境狀態(tài)相平衡時(shí)所作的最大有用功。為了確定不同形式、不同狀態(tài)能量的作功能力，即確定能量的值，需要明確基準(zhǔn)狀態(tài)。

一般以環(huán)境狀態(tài)為基準(zhǔn)狀態(tài)，在該狀態(tài)下

值為零。同樣，系統(tǒng)中單位質(zhì)量的能量e可表示為其中，ex為單位工質(zhì)的，稱為比(J/kg)；an為單位工質(zhì)的

，稱為比

(J/kg)

。2023年7月14日第六章熱能的可用性及火用分析66-2值的計(jì)算一、熱量在環(huán)境溫度T0確定的條件下，熱量Q中最大可能轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ牟糠址Q為熱量，以Ex,Q表示。假設(shè)溫度為T的熱源，向溫度為T0的環(huán)境傳遞熱量Q，則該熱量的值等于在熱源溫度T與環(huán)境溫度T0之間工作的可逆熱機(jī)所能作出的最大有用功（循環(huán)凈功），即熱量的可表示為2023年7月14日第六章熱能的可用性及火用分析7由上述討論可見：熱量是熱量Q所能轉(zhuǎn)換的最大有用功，其值取決于熱量的大小、熱源溫度和環(huán)境溫度。環(huán)境溫度確定時(shí)，單位質(zhì)量工質(zhì)的熱量的值就僅僅是熱源溫度T的單值函數(shù)。T越高，值就越大，T越低，值就越??；當(dāng)T=T0時(shí)，值等于零?？梢?，高溫下的熱能具有更大的可用性，具有更大的轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ哪芰ΑＥc熱量一樣，熱量的和

的大小可以在T-s圖上以相應(yīng)的面積來表示。2023年7月14日第六章熱能的可用性及火用分析8二、閉口系統(tǒng)工質(zhì)的任意狀態(tài)1的閉口系統(tǒng)中工質(zhì)的作功能力，即可逆功為在閉口系統(tǒng)和環(huán)境組成的孤立系統(tǒng)中，閉口系統(tǒng)內(nèi)的工質(zhì)由所處狀態(tài)可逆變化到環(huán)境狀態(tài)所能作出的最大有用功稱為該工質(zhì)的?？赡娼^熱過程1-a中，工質(zhì)所作的可逆功為

可逆定溫過程a-0中，工質(zhì)所作的可逆功為其中即2023年7月14日第六章熱能的可用性及火用分析9綜合上述各式，可得任意狀態(tài)的閉口系統(tǒng)中工質(zhì)的作功能力，即可逆功為由于系統(tǒng)總是處于一定的周圍環(huán)境中，當(dāng)閉口系統(tǒng)體積膨脹對外作功時(shí)，必因推動(dòng)壓力為p0的周圍物質(zhì)發(fā)生位移，而消耗功p0(V0-V1)，故實(shí)際上可利用的有效作功能力為這是在一定環(huán)境條件下，給定狀態(tài)時(shí)系統(tǒng)作出有效功的最大能力，稱為最大有用功。則2023年7月14日第六章熱能的可用性及火用分析10參數(shù)可見，周圍環(huán)境確定時(shí)，最大有用功數(shù)值僅決定于工質(zhì)的初始狀態(tài)，即在確定的周圍環(huán)境條件下，最大有用功相當(dāng)于一個(gè)狀態(tài)參數(shù)，稱為閉口系統(tǒng)工質(zhì)的參數(shù)(熱力學(xué))，用Ex,U表示，有當(dāng)系統(tǒng)由狀態(tài)1變化到狀態(tài)2時(shí)，系統(tǒng)容積變化作出有用功的能力可表示為參數(shù)的關(guān)系：它的含義為：在確定的環(huán)境條件下，給定狀態(tài)的閉口系統(tǒng)通過容積變化作出有用功的最大能力，故也稱為最大有用功參數(shù)。閉口系統(tǒng)中1kg工質(zhì)的稱為比熱力學(xué)：

2023年7月14日第六章熱能的可用性及火用分析11三、穩(wěn)定流動(dòng)工質(zhì)的任意狀態(tài)1的工質(zhì)在穩(wěn)定流動(dòng)條件下的最大有用功可表示為在開口系統(tǒng)和環(huán)境組成的孤立系統(tǒng)中，系統(tǒng)內(nèi)穩(wěn)定流動(dòng)的工質(zhì)由所處狀態(tài)可逆變化到環(huán)境狀態(tài)所能作出的最大有用功稱為該工質(zhì)的?？赡娼^熱過程1-a中和可逆定溫過程a-0中，工質(zhì)的可逆功分別為

結(jié)合上式，即可得到開口系統(tǒng)穩(wěn)定流動(dòng)工質(zhì)的可逆功，即工質(zhì)可能作出的最大有用功為2023年7月14日第六章熱能的可用性及火用分析12環(huán)境條件確定時(shí)，穩(wěn)定流動(dòng)開口系統(tǒng)的最大作功能力，相當(dāng)于系統(tǒng)進(jìn)口熱力學(xué)狀態(tài)的一個(gè)狀態(tài)參數(shù)，稱為穩(wěn)定流動(dòng)開口系統(tǒng)工質(zhì)的參數(shù)，也稱為焓，用Ex,H表示，因此有其含義為：在確定的環(huán)境條件下，給定進(jìn)口狀態(tài)的穩(wěn)定流動(dòng)開口系統(tǒng)通過軸功形式作出有用功的最大能力。單位質(zhì)量流動(dòng)工質(zhì)具有的稱為比焓?：2023年7月14日第六章熱能的可用性及火用分析13由于工質(zhì)的流動(dòng)動(dòng)能及重力位能都是可直接轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ臋C(jī)械能，因此在考慮工質(zhì)的流動(dòng)動(dòng)能及重力位能情況下，可直接將焓的表達(dá)式改寫為當(dāng)穩(wěn)定流動(dòng)開口系統(tǒng)的進(jìn)口及出口狀態(tài)給定時(shí)，系統(tǒng)的作功能力也可表示為參數(shù)的關(guān)系：閉口系統(tǒng)經(jīng)歷一個(gè)微元不可逆熱力過程，由于從高溫?zé)嵩次鼰?，系統(tǒng)得到熱量，向環(huán)境放熱對外輸出熱量，對外作功而輸出功量。同時(shí)，由于過程中系統(tǒng)內(nèi)部的不可逆因素而產(chǎn)生的損失為

。則系統(tǒng)內(nèi)部值的變化為

2023年7月14日第六章熱能的可用性及火用分析146-3熱力過程的分析

一、閉口系統(tǒng)的方程和損失式中，系統(tǒng)向環(huán)境放熱而輸出的熱量系統(tǒng)向溫度為T0的環(huán)境放熱而向外輸出的熱量可看作為損失的一部分，即可將上式改寫為此式稱為閉口系統(tǒng)平衡方程式。

2023年7月14日第六章熱能的可用性及火用分析15閉口系統(tǒng)的損失系統(tǒng)從高溫?zé)嵩吹玫綗崃浚合到y(tǒng)向外輸出的功量：系統(tǒng)內(nèi)值的變化：將其均帶入平衡方程式，可得因所以閉口系統(tǒng)的損失為又則有，2023年7月14日第六章熱能的可用性及火用分析16可見，系統(tǒng)的損失本質(zhì)上就是系統(tǒng)作功能力的損失，因此，閉口系統(tǒng)熱力過程中由于不可逆因素所造成的系統(tǒng)作功能力的損失可表示為2023年7月14日第六章熱能的可用性及火用分析17開口系統(tǒng)其經(jīng)歷一個(gè)微元不可逆熱力過程后，其內(nèi)部的值變化為由溫度為T的系統(tǒng)向溫度T0的環(huán)境放出熱量而向外輸出的熱量實(shí)際上是系統(tǒng)損失的一部分，因此上式可寫為

二、穩(wěn)定流動(dòng)開口系統(tǒng)的方程和損失此式即為開口系統(tǒng)平衡方程一般表達(dá)式。

2023年7月14日第六章熱能的可用性及火用分析18忽略系統(tǒng)進(jìn)出口宏觀動(dòng)能和宏觀位能變化時(shí)，有系統(tǒng)內(nèi)部的值是不變的，即開口系統(tǒng)進(jìn)出口焓的變化：由于功量交換而引起開口系統(tǒng)內(nèi)部值的發(fā)化，等于系統(tǒng)所作出的技術(shù)功，即系統(tǒng)從高溫?zé)嵩吹玫綗崃浚簞t開口系統(tǒng)平衡方程式可表示為2023年7月14日第六章熱能的可用性及火用分析19開口系統(tǒng)的損失對于開口系統(tǒng)，有將其帶入開口系統(tǒng)平衡方程，有又因所以有同樣，不可逆因素所造成的系統(tǒng)作功能力的損失可表示為及，2023年7月14日第六章熱能的可用性及火用分析206-4