火用分析基础课件.ppt

1、基本概念基本概念何谓火用何谓火用？周围环境条件周围环境条件下，任一形式下，任一形式的能量中的能量中理论上理论上能够能够转变转变为为有用功有用功的那部分能量，称为的那部分能量，称为该能量的火用。该能量的火用。自然环境和环境状态自然环境和环境状态自然环境自然环境：在热力学的研究中，将自然环境抽象为一个具有不变压力p0、不变温度t0和不变化学组成的庞大而静止的系统，当它与任何系统发生能量和物质交换时，其压力、温度和化学组成仍保持不变，实际工程中任何热力过程不会影响它的状态参数。环境状态：环境状态：任何一个系统与环境处于热力学平衡状态称为环境状态。热力学平衡包括？热力学平衡包括？不完全热力学平衡不完全

2、热力学平衡完全热力学平衡完全热力学平衡不完全环境状态不完全环境状态完全环境状态完全环境状态物理火用和化学火用物理火用和化学火用以不完全平衡环境状态为基准时，系统以不完全平衡环境状态为基准时，系统所具有的所具有的火用火用称为能量的物理称为能量的物理火用火用。以完全平衡环境状态为基准时，系统以完全平衡环境状态为基准时，系统所具有的所具有的火用火用称为能量的化学称为能量的化学火用火用。x.chx.phEEEx几种物理火用 机械火用1.机械能火用：2,21mcmgzEmx2.机械功火用：)(120,VVpWEWx)(12021,VVppdVEWx210)(dVpp轴功、技术功和循环净功是否为火用？热量

3、火用热量火用定义：热量相对于环境所具有的最大作功能力，称为定义：热量相对于环境所具有的最大作功能力，称为热量火用热量火用。可逆热机0QT0W0TQ20max1(1)xQTEWQTTSQxE,QnA,123456定义：冷量是系统温度低于环境温度下通过边界所传定义：冷量是系统温度低于环境温度下通过边界所传递的热量。冷量递的热量。冷量火用火用也就是低于环境温度的热量也就是低于环境温度的热量火用火用。冷量火用冷量火用20,max1(1)xQATEWQT0TTS可逆机0Q0T0W0TT 可逆热机QEQrevEWQAQ0TT 热源0T环境可逆制冷机QEQrevEWQAQ0TT 冷库0T环境QETQETQQ

4、时，时，01闭口系统的闭口系统的火用火用内能内能火用火用定义：任意闭口系统从给定状态可逆变化到环境状态，并只与环境交换热量时所做的最大有用功。dVp0max,UWrevQ0p00,Tp)()()(00000max,SSTVVpUUWEUU)()()(21021021max,21SSTVVpUUWEUU内能火用在内能火用在p-v图上的表示图上的表示pvabc常数0T常数1s0T1T1m0d0pTASAUWWE)()(pdveUx,)()()(00000max,SSTVVpUUWEUU内能火用是不是状态参数？内能火用的正负号如何？pvabc常数0T常数1s0T1T1m0d0pdvvTTcdppTT

5、cdsppvv)()(0)()(sppsvvdvvTTcdppTTcvpvvppsTpvTkpTTcvTTcvp)()()()(1)()()(vpTpTTvvpvpvpTTpvTpTTvvp)()()()(1)(vpvvppsTpvTpTTcvTTcvp)()()()(TsvpkvpOpv1Op0snOT0vmOpvp00d2c1ab3efgh稳定流动系统工质的稳定流动系统工质的火用火用焓焓火用火用定义：稳定物流从任意给定状态经开口系统以可逆方式变化到环境状态，并只与环境交换热量时所能做的最大有用功。HcTp,000,cTp0Hmax,UW0QAWmgdzmdcdHQ221AWmgdzmdcd

6、HdST2021dSTQ0mgdzmdcdHdSTWA2021mgzmcSSTHHWA2000max,21)()(000max,SSTHHWEAHX)()(21021max12,SSTHHWA稳流工质所做的最大有用功：)()()(020201001max12,SSTHSSTHHWA21,HXHXEE焓火用在焓火用在p-v图上的表示图上的表示1m0s=常数T=常数T10Tabc0pp1opv焓火用在焓火用在T-s图上的表示图上的表示1p0p0ssb1h0h01Ts1T0TTs0h1h1p0p1T0T10bs0s理想气体的焓火用理想气体的焓火用)(000max,ssThhweAHXTTpdTc00

7、ln0ppRdTTcgTTp000,ln00ppRTdTTcTdTcegTTpTTpHX温度火用和压力火用温度火用和压力火用pxTxHXeee,dTTTcdTTcTdTceTTpTTpTTpTX000)1 (00,00,lnppRTegpx1.可逆定压的过程0,pxedQTTeTTTX0)1 (0,2.定温或初、终态温度相同的过程0,TXe120,lnppTRegpx可以解释理想气体在透平中做可逆等温膨胀1200ln-ppTRqwgA210,ln)(ppTReabsgpx化学火用 化学火用与基准物系化学火用与基准物系化学不平衡包括组分不平衡和浓度的不平衡。DchRchchEEE.,扩散火用反应

8、火用化学火用基准物系中对基准物的要求基准物系中对基准物的要求1、每种元素都有相应的基准物，基准物系包括研究物质中所有、每种元素都有相应的基准物，基准物系包括研究物质中所有元素的基准物；元素的基准物；2、基准物的火用值、基准物的火用值 为零；为零；3、各种基准物均是环境中可能存在的物质，且在不耗功条件、各种基准物均是环境中可能存在的物质，且在不耗功条件下由环境不断供应；下由环境不断供应；4、不能从基准物的任何结合中获得自由功，即各种基准物之、不能从基准物的任何结合中获得自由功，即各种基准物之间不会自发进行化学反应并做有用功。间不会自发进行化学反应并做有用功。5、当有两种以上的物质可取做基准物时，

9、应优先选取自然界、当有两种以上的物质可取做基准物时，应优先选取自然界中相对丰富和经济的物质，即以价廉易得者为宜。中相对丰富和经济的物质，即以价廉易得者为宜。斯查尔古特体系龟山-吉田体系龟山-吉田体系 （1）环境温度T0=298.15K，环境压力P0=1atm； （2）空气中含有的各元素以空气相应的组成气体为基准物，以饱和湿空气的摩尔成分为基准物的成分； （3）其他元素则以含该元素最稳定的纯物质作为基准物。组分N2O2H2OCO2ArHeNe摩尔分数0.7560.20340.03120.00030.00910.00000520.000018分压力（atm）0.7560.20340.03120.0

10、0030.00910.00000520.000018扩散火用（kJ/mol）0.69173.95288.595320.10811.67730.1627.082参考山内樊，化学热力学绪论。化学工业，1981.斯查尔古特体系 （1）环境温度T0=298.15K，环境压力P0=1atm； （2）无论是空气中含有的各元素，还是其他元素，其对应的基准物全部采用天然物质； （3）基准物的成分（浓度）采用它在自然界中的平均成分（浓度）。化学反应的最大有用功及其计算化学反应的最大有用功及其计算AWHQ222COO2COFor example)(2-222OCOCOHHHH如果在定温条件下进行化学反应如果在定温

11、条件下进行化学反应isogSTQSTQSisoSTSTQHSTSTWisoA）（STHW-maxGGGTSHTSHW)()-()-121122max（化学标准状态：环境温度化学标准状态：环境温度Tn=298.15K，环境压力，环境压力Pn=1atm000STHGnff气体的扩散火用气体的扩散火用000000.lnlnigigDchxTmRppTmRSTE000000.lnlnigigDchxTRppTRSTe000000.lnlnimimDchmxTnRppTnRSTE定义：处于p0、T0下的环境空气中含有的任何一种气体可逆定温地变化到它在环境空气中的分压力pi0时，所能作出的最大有用功。化学

12、化学火用火用R,jmchjEnp,jmchjEnGWAmax，mchE,max.p,R,AjmchjmchjmchjWEnEEnR,p,max.,-jmchjjmchjAmchEnEnWER,p,-jmchjjmchjEnEnG解分可逆基准反应00 Tp00 Tp00 Tp环境反应物环境生成物散扩00 Tp00 Tp物准基境环物准基境环max,UW燃料的化学燃料的化学火用火用燃料燃料化学火用：化学标准状态下，燃料与氧气一起稳定流经化化学火用：化学标准状态下，燃料与氧气一起稳定流经化学反应系统时，以可逆的方式转变到完全平衡的环境状态所能学反应系统时，以可逆的方式转变到完全平衡的环境状态所能作出的

13、最大有用功称为燃料的化学火用，简称燃料火用。作出的最大有用功称为燃料的化学火用，简称燃料火用。nAGWmax，mfE,2,2QmEnQ ，p,jmchjEn00,Tp00,Tpmax.p,22AjmchjmfomWEnEEno0,20p,00,)()(-)(2omjmchjmfEnoEnGE2,2p,-omjmchjmfEnoEnGE近似公式介绍近似公式介绍煤、石油煤、石油hfmQE,气体燃料（气体燃料（2个碳原子以上的）个碳原子以上的）hfmQE0.95,液体燃料（液体燃料（2个碳原子以上的）个碳原子以上的）hfmQE0.975,固体燃料（固体燃料（2个碳原子以上的）个碳原子以上的）)(2,

14、OHrwQElfm即使已知燃料元素成分即使已知燃料元素成分,也可用下面的近似式也可用下面的近似式)()(0104. 0)()(0308. 0)()(1365. 00038. 1 (,CwSwCwOwCwHwQElfm)()(4290 . 0)()(6160 . 0)()(5191 . 06400. 1 (,CwSwCwOwCwHwQElfm(1)(1)对环境空气中各组成气体扩散火用的修正对环境空气中各组成气体扩散火用的修正温度变化，环境空气中饱和水蒸汽的分压力也随之而变，因而温度变化，环境空气中饱和水蒸汽的分压力也随之而变，因而其摩尔组成是改变的，因此要重新计算摩尔组成。其摩尔组成是改变的，因

15、此要重新计算摩尔组成。0000)(pTppyysii(2)(2)反应火用的修正反应火用的修正nnnnnnnnSTSTSTHSTHG000nnnSTTG)(02,2p,-omjmchjmfEnoEnGE试求 燃料在t=0，p0=1.01325X105Pa状态下的化学火用42HC)(22322242lOHCOOHC222242,0,-omoCOmchCOHCfEnEnGE在t=0时水蒸汽的饱和压力为ps(T0)=0.000611MPa=0.00603atm0000)(22pTppyyscoco000298. 0 )100603. 01(0003. 002coy2086. 0100603. 0120

16、99. 0)(000022pTppyysoo000298. 0ln15.2733143. 8ln00.22coyTREmcochm)kJ/mol(347.182086. 0ln15.2733143. 8ln00.22oyTREmochm)kJ/mol(5595. 3422200022HCfOHfcofnGGGG)kJ/mol(041.1332173.68)362.237(2)572.394(2nnnSTTGG)(00nHCnOnOHnCOnSSSSS422223222196. 02052. 0306999. 022138. 02)KkJ/mol(26762. 0)kJ/mol(880.1338

17、 )26762. 0()250(041.13320G(kJ/mol)076.1365 5595. 33437.18288.133842,HCfE元素和化合物的化学元素和化合物的化学火用火用利用基准反应：利用基准反应：一种非基准物质（包括元素、单质和一种非基准物质（包括元素、单质和化合物）与一种或几种基准物在化合物）与一种或几种基准物在p0、T0下发生化学反应，下发生化学反应，而反应物和生成物均为而反应物和生成物均为p0、T0下的纯物质（基准物）。下的纯物质（基准物）。元素基准反应基准物基准物浓度C0.2034，0.003H20.2034，1Fe0.2034，1Si0.2034，1Ti0.203

18、4，1Ca0.2034,0.003,1)(COOC22气)液O(H/2OH222)(2OFe43OFe322固)(SiOOSi22固)(TiOOTi22固322CaCOCO2OCa)(CO,O22气)(OH,O22液)(OFe,O322固)(SiO,O22固)(TiO,O22固322CaCOCO,O，利用生成反应系统求取化合物的标准化学火用利用生成反应系统求取化合物的标准化学火用nAGWmax，mAaEn,mBbEn,0Q00,TpmCcEn,mAaBbCcE,00 x,QEAaBbCcnC,mcB,mbA,mamAaBbCc)(EnEnEnEG,环境温度修正：)(00niniiTTEE25C

19、0iniiEE任意元素化学火用的环境温度系数：利用元素与大气环境中的单质或基准物的反应来求取其温度系数。22COOC000022GEEECOOCnnCOnOnCGEEE22TTGGTTEETTEETTEEnnnCOCOnnOOnnCC000000002222nococS22当元素化学火用的环境温度系数为已知，则化合物化学火用的环境温度系数：nCcBbAaAaBbCcSnnn混合气体的火用混合气体的火用iixx-RTln0 x,mchiEx00,TpxmchE00,TpLxmmchxixmchEExE,iiLxmxxRTEln-0,相对于完全平衡状态，混合气体的火用是物理火用和化学火用之和相对于

20、完全平衡状态，混合气体的火用是物理火用和化学火用之和iimxiimmmmmiiimximmmmmchxmphxmxmxxRTExSSTHHxxxRTExSSTHHEEEln)()( ln)()( 0,0000,000,燃气的火用燃气的火用燃气是燃气是CO2、O2、N2和和H2组成。燃气的火用由物理组成。燃气的火用由物理火用和化学火用组成。其化学火用按照混合气体的火用和化学火用组成。其化学火用按照混合气体的化学火用进行计算：化学火用进行计算：iimxichxmxxRTExEln0,00,lnimxxRTE环境饱和湿空气中各组分的摩尔分数0000)(pTppxxsiiiiiichxmxxRTxxR

21、TElnln000,0000lnlniiiiiippxRTxxxRT000000000,ln)()( ln)()( iiiimmmmmiiimmmmmchxmphxmxmxxxRTSSTHHxxxRTSSTHHEEE火用方程和火用损失火用方程和火用损失系统火用增量火用损失）（流出系统的火用流入系统的火用-闭口系统火用方程闭口系统火用方程WUQUxLxWxQxEEEE,)(,x Qx Wx Ux LEEEE开口系统火用方程开口系统火用方程WHQHxLxQxEEWE,)(循环系统的火用方程和火用损失分析循环系统的火用方程和火用损失分析0)(,LxWxQxEEEQTTEQx)1 (0,AWxWE,L

22、xAEWQTT,0)1 (ALxWQTTE)1 (0,几种典型的火用损失几种典型的火用损失1、有限温差传热、有限温差传热)11(0HLLTTQTE)(0HLLHLTTTTQTEHTLTQ14231, 11,EpTHHm4, 44,EpTL3, 33,EpTL2, 22,EpTHLm3421HHHHQ)()(34212431EEEEEEEEEL)()()()(3403421021SSTHHSSTHHEL)(000SSTHHE)()(210340SSTSST1234Qc,Hc,LQQ43211234Q2、绝热节流过程引起火用损失、绝热节流过程引起火用损失)(12021SSTEEEHHLsh0431

23、2p02pp141pp20T21Ts123、气体混合过程火用损失、气体混合过程火用损失iiLxmxxRTEln-0,4、燃烧过程火用损失、燃烧过程火用损失LxE,fxmfEn,axmaEn,adTgxmgEn,fTaTgxmgLxmaxmafxmfEnEEnEn,fphxmchxmfxmEEE)(,giphxmchxmgphxmchxmgxmEEEEE)()(,giphxmchxmgiaxmafphxmchxmfxlEEnEnEEnE)()(,)()(00,0,TmTmTmTmgigphxmSSTHHnEadad例题：进入锅炉的气体燃料由H2、CH4、N2和NH3组成，设燃料各组分i的摩尔热容

24、随温度的变化关系可用TbaCiiipm2,10表示。各组分的ai、bi和摩尔分数xi列于下表。H2N2CH4NH3xi0.6600.210.0900.040aiJ/(mol.K)29.08728.88219.87427.55biJ/(mol.K)-0.1918-0.15705.02422.5644燃气各组分的摩尔热容随温度的变化关系可用253,1010TcTbaCiiiipm表示。燃气的组分、各组分的摩尔分数ai、bi、ci、xi列于下表：N2H2O(g)O2CO2xi0.7180.210.0510.021aiJ/(mol.K)27.85529.99929.95944.141biJ/(mol.

25、K)4.267710.7114.1849.037ciJ/(mol.K)00.3347-1.6736-8.535空气15气体燃料200燃气绝热燃烧温度T=1959K空气流量为360N.m3/h，燃料流量为100N.m3/h，燃气流量为428N.m3/h气体燃料各组成的标准化学火用和温度修正系数见下表H2N2CH4NH3 235.220.67830.15336.69-169.742.340-201.96-154.22)kJ/mol(,0ixmEJ/mol Ki)(00niniiTTEEfiiichxmifchxmxxRTExEln0,)59.33604. 015.83009. 067. 021.

26、022.23566. 0()2515()22.154(04. 0)96.201(09. 034. 221. 0)74.169(66. 0)04. 0ln04. 009. 0ln09. 021. 0ln21. 066. 0ln66. 010314. 815.2883kJ/mol732.1680气体燃料的化学火用混合气体的比热)10157. 0882.28(0.21)101918. 0087.29(66. 022TTCxpmii)105644. 255.27(0.04)100242. 5874.19(0.0922TTT2100.395228.153气体燃料的物理火用TTpmiiTTpmiifphx

27、mTdTCxTdTCxE000,TdTTTdTTEfphxm473.15288.1520473.15288.152,)103952. 0513.28()103952. 0513.28()ol1.268(kJ/m气体燃料的摩尔火用fchxmfphxmfxmEEE,l)1682(kJ/mo1.2681680.732气体燃料的总火用)kJ/h(107.5116821022.410063-,fxmffxEnE燃气各组分的标准化学火用和温度修正系数见下表O2N2CO2H2O(g) 3.9330.6720.118.61913.2212.34067.44-118.78)kJ/mol(,0ixmEKJ/mol

28、i燃气在T0下的摩尔化学火用giiichxmigchxmxxRTExEln0,)11.20021. 0933. 3051. 0619. 821. 069. 0718. 0()2515(44.67021. 0221.13051. 0)78.118(21. 034. 2718. 0)021. 0ln021. 0051. 0ln051. 021. 0ln21. 0718. 0ln718. 010314. 815.2883kJ/mol75.212混合气体的比热)141.44021. 0959.29051. 0999.2921. 0865.27718. 0(pmiiCxT310)037. 9021. 0

29、184. 4051. 0711.1021. 02677. 4718. 0(T510)535. 80.0211.67360.0510.3347(0.21TT53101943. 010717. 528.762燃气在绝热燃烧温度下的物理火用adadTTpmiiTTpmiifphxmTdTCxTdTCxE000,TdTTTTdTTT1959288.152530251959288.153)101943. 010717. 5762.28()101943. 010717. 5762.28()(kJ/mol35. 63燃气在绝热燃烧温度下的摩尔火用)kJ/mol( 1 .24975.21235.36,gchx

30、mgphxmgxmEEE燃气总火用值)kJ/h(1076. 41 .4921022.442863-,fxmffxEnE)kJ/h(1075. 210)76. 451. 7()(66,gxaxfxLxEEEE%6 .361051. 71075. 266,fxLxEE火用效率火用效率火用效率：在系统或设备的能量传递和转换过程火用效率：在系统或设备的能量传递和转换过程中，将被利用或收益的火用与支付或耗费的火用中，将被利用或收益的火用与支付或耗费的火用代价的比值定义为系统或设备的火用效率。代价的比值定义为系统或设备的火用效率。payxgainxexEE,1,payxlxpayxpayxgainxexE

31、EEEE建立火用效率公式的原则建立火用效率公式的原则建立火用效率公式的模型建立火用效率公式的模型和火用效率的形式和火用效率的形式“火用火用”源源A A稳定流动稳定流动系统系统“火用火用”的的副收益户副收益户C C“火用火用”的的主收益户主收益户B B常用热工装置的耗费火用、收益常用热工装置的耗费火用、收益火用和火用效率火用和火用效率热工设备耗费火用收益火用火用效率锅炉燃烧室透平压缩机或泵节流阀闭口蒸汽动力循环燃气轮机装置fxfem,)(12xxveemfxfxxvemeem,12)(fxfem,xaaxggememxffxaaxggememem)(2,1 ,xxeemshW)(2,1 ,xxsheemWcW)(1 ,2,xxeemcxxWeem)(1 ,2,1 , xme2, xme1 ,2,xxeeQTTH01WQTTWH01fxfem,shWfxfshemW,火用分析的基本模型火用分析的基本模型1、黑箱模型：由不透明的边界所包围的体系。2、白箱模型：由透明的边界所包围的体系。3、灰箱模型：将系统中的设备均看成是黑箱模型。3.1：简单串联系统：3.2：复杂串联系统：3.3：并联网络模型：燃气轮机装置的火用分析3压气机压气机燃烧室燃烧室燃气轮机燃气轮机124acba、压缩机；b、燃烧室；c、燃气轮机1234