1、第四章第四章 可用能可用能 可可用能分析用能分析一、可用能一、可用能(火用火用)概念提出概念提出v1 1、能量的种类，能量的转换程度不同（机械、能量的种类，能量的转换程度不同（机械功，热，环境热量），能量的品质不同。功，热，环境热量），能量的品质不同。v把可用能（火用，把可用能（火用，ExergyExergy）作为衡量能量质）作为衡量能量质量的指标，量的指标，v有限转换能，无限转换能，非转换能。有限转换能，无限转换能，非转换能。v2 2、研究进程、研究进程v18241824年，卡诺：通过可逆热机能够从热量中获年，卡诺：通过可逆热机能够从热量中获得得最大数量的功最大数量的功；v18651865年
2、，年，ClausiusClausius提出提出熵熵的概念；的概念；v18681868年，泰特提出年，泰特提出能量可用性能量可用性的概念，的概念，AvailabilityAvailability；v1871187118751875年，麦克斯韦提出年，麦克斯韦提出可用能量可用能量的概念的概念v18981898年，年，StodolaStodola导出了输出导出了输出功损功损失与失与熵增熵增之之间的关系；间的关系；v19411941年，基南较系统介绍了可用能、功损的年，基南较系统介绍了可用能、功损的概念；概念；v19621962年，年，RantRant提出提出ExergyExergy的概念，提出的概念
3、，提出AnergyAnergy的概念。的概念。v定义：定义：在周围环境条件下，任一形式的能量中在周围环境条件下，任一形式的能量中能够最大限度地转变为有用功的那部分能量称能够最大限度地转变为有用功的那部分能量称为该能量的为该能量的ExergyExergy。系统由任意状态可逆变化。系统由任意状态可逆变化到环境状态时，能量最大限度转换的有用功，到环境状态时，能量最大限度转换的有用功，称为称为ExergyExergy。v能量中不能够转变为有用功的那部分能量称为能量中不能够转变为有用功的那部分能量称为该能量的该能量的AnergyAnergy。vThe work potential of a given
4、quantity of energy is defined as the maximum possible useful work that can be obtained from that energy in a given environment.v热力学定律表达热力学定律表达v热一律：在任何过程中，热一律：在任何过程中，ExergyExergy和和AnergyAnergy的的总量保持不变。总量保持不变。v热二律：若是可逆过程，则热二律：若是可逆过程，则ExergyExergy保持不变保持不变；若为不可逆过程，则部分；若为不可逆过程，则部分ExergyExergy转变为转变为Anergy
5、Anergy。AnergyAnergy不能转变为不能转变为ExergyExergy。二、能量可用性的分析二、能量可用性的分析v1 1、基准状态、基准状态v当系统的状态与环境相平衡时，就完全失去了当系统的状态与环境相平衡时，就完全失去了转换为有用功的能力。因此常把周围自然环境转换为有用功的能力。因此常把周围自然环境状态作为计算有用功的基准状态。把系统与周状态作为计算有用功的基准状态。把系统与周围环境处于热力平衡的状态称为系统的环境状围环境处于热力平衡的状态称为系统的环境状态。包括态。包括热平衡热平衡（温度）、（温度）、力平衡力平衡（压力）、（压力）、化学平衡化学平衡（化学势、浓度）等在内。（化学
6、势、浓度）等在内。v2 2、各种能量、各种能量ExergyExergy计算计算v恒温热源恒温热源T T热量：热量：v变温热源：温度范围内积分变温热源：温度范围内积分0(1)QTExQT00001QTTTExQT STTSQTSTT 0QQAnQExTSv2 2、机械能、电能：全部为、机械能、电能：全部为ExergyExergy；v3 3、燃料化学能、燃料化学能v化学化学ExergyExergy：燃料电池；：燃料电池；v热工：燃烧后的热量热工：燃烧后的热量ExergyExergy。三、闭口系工质的热力学能三、闭口系工质的热力学能Exergyv闭口热力系只与环境作用，从闭口热力系只与环境作用，从给
7、定状态给定状态以可以可逆方式变化到逆方式变化到与环境平衡的状态与环境平衡的状态，所能作出，所能作出的最大有用功的最大有用功 。v设想在系统和环境间有设想在系统和环境间有一系列微元卡诺机一系列微元卡诺机，闭口系和卡诺热机组成复合系统，按可逆过闭口系和卡诺热机组成复合系统，按可逆过程工作，复合系统对外作出的最大有用功：程工作，复合系统对外作出的最大有用功：,x UE,max0(1)uEWWWp dVv闭口系能量守恒：闭口系能量守恒：v过程可逆过程可逆v对微元卡诺机，循环能量方程：对微元卡诺机，循环能量方程：v微元卡诺循环：微元卡诺循环：QdUW(2)WQdU(3)QQTdSdST0(4)EEWQQ
8、0000(5)EEQTQQQTTT v将（将（5 5）（）（6 6）代入（）代入（4 4）得到：）得到：v再把（再把（7 7）（）（2 2）代入式（）代入式（1 1），得到：），得到：v由原给定状态积分到环境状态，得到工质热由原给定状态积分到环境状态，得到工质热力学力学ExergyExergy为为(6)EQQ 0(7)EWQT dS,max00(8)uWdUp dVT dS,max00000()()(9)UuExWUUT SSp VVv热力学能热力学能AnergyAnergy为：为：v如果由状态如果由状态1 1变化到状态变化到状态2 2，则有所能作出的，则有所能作出的最大有用功为两个状态的可用
9、能最大有用功为两个状态的可用能ExergyExergy之差之差00000()()(10)UUAnUExUT SSp VV1 2,max1201201212()()(11)UUUWUUT SSp VVExExEx 四、稳定流动工质的焓四、稳定流动工质的焓Exergyv定义：稳流工质在只与环境作用下，以给定定义：稳流工质在只与环境作用下，以给定状态以可逆方式变化到环境状态时所能做出状态以可逆方式变化到环境状态时所能做出的最大有用功，为稳流工质的物流的最大有用功，为稳流工质的物流ExergyExergy。v最大稳流功：最大稳流功：v根据稳态、稳流系统能量方根据稳态、稳流系统能量方程，轴功：程，轴功：
10、v根据能量守恒，得到根据能量守恒，得到,max(1)uieWWW2211()()(2)22ifoutoutfininrevWhcgzdmhcgzdmQ0(3)erevWQQv对控制容积列熵方程：对控制容积列熵方程：v稳态稳流，可逆：稳态稳流，可逆：v对卡诺热机，对卡诺热机，()()0iCVoutiniQdSsdmsdmT()()0(4)ioutiniQsdmsdmT00(5)iiQQTTv代入（代入（3 3）得到：）得到：v将（将（2 2）和（）和（6 6）代入（）代入（1 1）得到：）得到：v单位质量：单位质量：v计算结果为负值。计算结果为负值。021()()(6)erevWQTsdmsdm
11、22,max021220011()()()()2211()()(7)22ufoutoutfininfoutoutfininWhcgzdmhcgzdmTsdmsdmhcgzT sdmhcgzT sdm22,max0011()()22ufoutfinwhcgzT shcgzT sv可用能流动可用能流动ExergyExergy：v定义为由初态可逆转变为环境状态，与环境定义为由初态可逆转变为环境状态，与环境只有热量交换。只有热量交换。20000 01()()(8)2fhcgzT shgzT s五、五、Exergy平衡方程及可用能损失平衡方程及可用能损失v与能量平衡方程相似，但由于不可逆造成与能量平衡方
12、程相似，但由于不可逆造成ExergyExergy损失，需增加该项。损失，需增加该项。v1 1、闭口系统、闭口系统v能量方程：能量方程：vExergyExergy平衡方程：平衡方程：021021()uQQUUWp VV21QUUuExExExWIv所以，所以，v式中，式中，12QUUuIExExExW1212012012()()UUExExUUT SSp VV012()uWuExWWp VV201(1)QTExQTv2 2、稳定流动系统、稳定流动系统v稳定流动系的能量方程为稳定流动系的能量方程为vExergyExergy平衡方程为：平衡方程为：v所以所以22021211122ffiqqhhccw
13、2122211122QHHffiexexexccwi12Quiexexexw1222121222120121211221()()2HHffffexexexexcchhT sscc0(1)QTexqTuiww六、六、Exergy效率，热力学第二定效率，热力学第二定律效率律效率v1 1、可逆过程：、可逆过程：v若余若余ExEx未利用，则有未利用，则有1输出可用能可用能损失输入可用能输入可用能max12211exqWExExExmax1211exqWExExv2 2、不可逆过程、不可逆过程v如果不利用余如果不利用余ExergyExergy，则有，则有v 为余为余ExergyExergy损失率。损失率
14、。1 2211111lexqqExWExExExExEx 1lqExExEx 12211111lexqqqExWExExExExExExEx 21qExExExv局限性：一般认为环境温度为标准状态，在局限性：一般认为环境温度为标准状态，在涉及制冷空调时，冷量和热量都在环境温度涉及制冷空调时，冷量和热量都在环境温度附近，附近，ExergyExergy分析缺少实际意义。分析缺少实际意义。七、可用能损失计算举例七、可用能损失计算举例v1 1、绝热节流、绝热节流v根据热一律，有根据热一律，有v绝热节流过程：绝热节流过程：v所以，所以，21()2qwd hc0q0w21()02dc0dh 12hhv若为
15、理想气体，又有若为理想气体，又有v对于理想气体，热容为定值时有：对于理想气体，热容为定值时有：v绝热节流可用能损失：绝热节流可用能损失：12TT2112lnlnadppSRRpp 12lnlossuadupWTSRTpv2 2、自由膨胀、自由膨胀v对理想气体，对理想气体，0,0QW0U21UU21TT21VV21lnln2adVSRRVln2lossuaduWTSRTvApproximately 1/3 of the useful energy of the fuel is destroyed during the combustion process used in electrical p
16、ower generation.This study is an attempt to clarify and categorize the reasons for the exergy destruction taking place in combustion processes.vThe entropy production is separated into three subprocesses:(1)combined diffusion/fuel oxidation,(2)internal thermal energy exchange(heat transfer),and(3)th
17、e product constituent mixing process.vFour plausible process paths are proposed and analyzed.The analyses are performed for two fuels:hydrogen and methane.The results disclose that the majority(about 3/4)of the exergy destruction occurs during the internal thermal energy exchange.The fuel oxidation,by itself,is relatively efficient,having an exergetic efficiency of typically 94%to 97%.
