(2.7)-06熱能的可用性及火用分析

2023年12月16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值的計算6-3熱力過程的分析6-4效率2023年12月16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參數(shù)為，它表示各種形態(tài)的能量中所包含的可以轉換為功的能量的多少。利用的概念來分析熱力學問題，可以說明能量轉換和傳遞過程中其數(shù)量和質量的變化關系。熱力學第二定律說明了能量轉換的條件、方向和限度，揭示了在轉換為功的能力上或者說在能量的質量上，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)地全部轉換為功，且溫度越低的熱能其能夠轉變?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12月16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

熱量轉變?yōu)楣Φ哪芰Γ涸趦蔁嵩撮g工作的熱機，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，低溫熱源可達到的最低溫度為環(huán)境溫度T0，因此當供熱熱源溫度為Tr，從該熱源吸熱的熱機循環(huán)的最高熱效率為當吸熱量為時，通過熱機循環(huán)而轉換為功的最大限額，即熱量轉變?yōu)楣Φ哪芰?023年12月16日第六章熱能的可用性及火用分析4可用能—可以連續(xù)地全部轉變?yōu)楣Φ哪?；不可用能—不可能轉變?yōu)楣Φ哪?。Ex/J—能量中可以連續(xù)地全部轉變?yōu)橛杏霉Φ牟糠帜芰?；An/J—能量中不可能轉變?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：

按照轉變?yōu)楣Φ目赡苄?，可以把能分為?023年12月16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，需要明確基準狀態(tài)。

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

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

，稱為比

(J/kg)

。2023年12月16日第六章熱能的可用性及火用分析66-2值的計算一、熱量在環(huán)境溫度T0確定的條件下，熱量Q中最大可能轉變?yōu)橛杏霉Φ牟糠址Q為熱量，以Ex,Q表示。假設溫度為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12月16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，單位質量工質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，值就越小；當T=T0時，值等于零?？梢?，高溫下的熱能具有更大的可用性，具有更大的轉變?yōu)橛杏霉Φ哪芰?。與熱量一樣，熱量的和

的大小可以在T-s圖上以相應的面積來表示。2023年12月16日第六章熱能的可用性及火用分析8二、閉口系統(tǒng)工質的任意狀態(tài)1的閉口系統(tǒng)中工質的作功能力，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)內的工質由所處狀態(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的?？赡娼^熱過程1-a中，工質所作的可逆功為

可逆定溫過程a-0中，工質所作的可逆功為其中即2023年12月16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，當閉口系統(tǒng)體積膨脹對外作功時，必因推動壓力為p0的周圍物質發(fā)生位移，而消耗功p0(V0-V1)，故實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)時系統(tǒng)作出有效功的最大能力，稱為最大有用功。則2023年12月16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，最大有用功數(shù)值僅決定于工質的初始狀態(tài)，即在確定的周圍環(huán)境條件下，最大有用功相當于一個狀態(tài)參數(shù)，稱為閉口系統(tǒng)工質的參數(shù)(熱力學)，用Ex,U表示，有當系統(tǒng)由狀態(tài)1變化到狀態(tài)2時，系統(tǒng)容積變化作出有用功的能力可表示為參數(shù)的關系：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工質的稱為比熱力學：

2023年12月16日第六章熱能的可用性及火用分析11三、穩(wěn)定流動工質的任意狀態(tài)1的工質在穩(wěn)定流動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)內穩(wěn)定流動的工質由所處狀態(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的?？赡娼^熱過程1-a中和可逆定溫過程a-0中，工質的可逆功分別為

結合上式，即可得到開口系統(tǒng)穩(wěn)定流動工質的可逆功，即工質可能作出的最大有用功為2023年12月16日第六章熱能的可用性及火用分析12環(huán)境條件確定時，穩(wěn)定流動開口系統(tǒng)的最大作功能力，相當于系統(tǒng)進口熱力學狀態(tài)的一個狀態(tài)參數(shù)，稱為穩(wěn)定流動開口系統(tǒng)工質的參數(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，給定進口狀態(tài)的穩(wěn)定流動開口系統(tǒng)通過軸功形式作出有用功的最大能力。單位質量流動工質具有的稱為比焓?：2023年12月16日第六章熱能的可用性及火用分析13由于工質的流動動能及重力位能都是可直接轉變?yōu)橛杏霉Φ臋C械能，因此在考慮工質的流動動能及重力位能情況下，可直接將焓的表達式改寫為當穩(wěn)定流動開口系統(tǒng)的進口及出口狀態(tài)給定時，系統(tǒng)的作功能力也可表示為參數(shù)的關系：閉口系統(tǒng)經歷一個微元不可逆熱力過程，由于從高溫熱源吸熱，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，由于過程中系統(tǒng)內部的不可逆因素而產生的損失為

。則系統(tǒng)內部值的變化為

2023年12月16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12月16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)從高溫熱源得到熱量：系統(tǒng)向外輸出的功量：系統(tǒng)內值的變化：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12月16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12月16日第六章熱能的可用性及火用分析17開口系統(tǒng)其經歷一個微元不可逆熱力過程后，其內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)平衡方程一般表達式。

2023年12月16日第六章熱能的可用性及火用分析18忽略系統(tǒng)進出口宏觀動能和宏觀位能變化時，有系統(tǒng)內部的值是不變的，即開口系統(tǒng)進出口焓的變化：由于功量交換而引起開口系統(tǒng)內部值的發(fā)化，等于系統(tǒng)所作出的技術功，即系統(tǒng)從高溫熱源得到熱量：則開口系統(tǒng)平衡方程式可表示為2023年12月16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12月16日第六章熱能的可用性及火用分析206-4