能量系統(tǒng)的火用分析.doc

2 能量系統(tǒng)的火用分析WQ2Q1T燃燒=1600KT供熱=300KT環(huán)境=250K圖 2.1 按品位用能火用，exergy，可以定義為熱力系統(tǒng)在只與環(huán)境（自然界）發(fā)生作用而不受外界其它影響的前提下，可逆地變化到環(huán)境狀態(tài)時(shí)所能作出的最大有用功?；鹩帽碚髁藷崃ο到y(tǒng)所具有的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的能力，因此可以用來(lái)評(píng)價(jià)能量的質(zhì)量、或品位、能級(jí)。數(shù)量相同而形式不同的能量，火用大者其能的品位高或能質(zhì)高；火用少的能的品位低或能質(zhì)差。機(jī)械能、電能的能質(zhì)高，而熱能則是低品質(zhì)的能量，熱能之中，溫度高的熱能比溫度低的熱能品位高。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，高品質(zhì)的能量總是能夠自發(fā)地轉(zhuǎn)變?yōu)榈推焚|(zhì)的能量，而低品質(zhì)的能量永遠(yuǎn)不可能轉(zhuǎn)變成為高品質(zhì)的能量。因此按品位用能是進(jìn)行能量系統(tǒng)的火用分析所得到的第一個(gè)結(jié)論，也是能源工作者的基本守則之一。在動(dòng)力系統(tǒng)中（動(dòng)力與動(dòng)力系統(tǒng)，這里是指power和power system，而不是dynamics和dynamic system），火用分析正確地給出了可用能損失情況，為人們正確地改進(jìn)動(dòng)力循環(huán)，提高其熱效率指明了途徑。在僅考慮熱能直接利用的情況下，雖然不存在熱能與機(jī)械能轉(zhuǎn)換的問(wèn)題，但火用分析仍然具有重要的意義，它可以指明如何充分地利用熱能，典型的例子就是燃煤供熱系統(tǒng)的火用分析結(jié)果：如果采用“熱電聯(lián)產(chǎn)+熱泵系統(tǒng)”來(lái)代替燃煤直接供熱的話，理論上可以獲得比煤的熱值多0.51倍的供熱量，甚至更多（圖2.1）。但是火用分析忽視了火無(wú)的使用?；馃o(wú)雖然不能用來(lái)作功以獲得動(dòng)力，卻可以用來(lái)加熱、取暖，而在火用分析中不能得到所供應(yīng)能量中的火無(wú)有多少得到了利用的信息。1 對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行火用分析，可能得到重要的、不尋常的結(jié)論。借鑒中國(guó)工程院院士陸鐘武教授所提出的系統(tǒng)節(jié)能和載能體2的概念，對(duì)全工序、全流程、全行業(yè)或全地區(qū)進(jìn)行比較仔細(xì)的火用分析，可能在能源利用方面提出新的見(jiàn)解火用的概念本質(zhì)上與載能體的概念有沖突。載能體計(jì)算的是能源物質(zhì)與非能源物質(zhì)在制取的過(guò)程中消耗了能量的數(shù)量；火用的是按照能源物質(zhì)與非能源物質(zhì)在只與環(huán)境（外界、自然界）發(fā)生作用的前提下，可逆地變化到環(huán)境（或自然界）中存在的狀態(tài)所能作出的最大有用功來(lái)計(jì)算的。一種物質(zhì)由于制取的工藝流程不同，可能有不同的載能量，但它的火用只有一個(gè)數(shù)值，除非環(huán)境狀態(tài)改變。能源的利用與環(huán)境污染是密不可分的，系統(tǒng)節(jié)能理論也好，能源技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)也好，都提倡從全系統(tǒng)的角度綜合評(píng)價(jià)能源的利用，而從經(jīng)濟(jì)性角度考慮，節(jié)能的經(jīng)濟(jì)性不一定好（實(shí)際上大部分都不好），如果把能源利用對(duì)環(huán)境造成的污染也折算成經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)與節(jié)能一同考慮，結(jié)論一定會(huì)大相徑庭。2.1 火用2.1.1 火用的概念各種不同形式的能量的轉(zhuǎn)換能力是不同的。在周圍環(huán)境條件下任一形式的能量中理論上能夠變?yōu)橛杏霉Φ哪遣糠帜芰糠Q為該能量的火用（可用能、有效能、作功能力），不能夠變?yōu)橛杏霉Φ哪遣糠帜芰糠Q為該能量的火無(wú)(Anerey)，火無(wú)不能轉(zhuǎn)換為火用，它相當(dāng)于周圍自然環(huán)境的能量。能量=火用+火無(wú)在任何能量的轉(zhuǎn)換過(guò)程中火用和火無(wú)的總和保持不變。（熱力學(xué)第一定律）火用可以轉(zhuǎn)換為火無(wú)，而火無(wú)不可以轉(zhuǎn)化為火用。（熱力學(xué)第二定律）2.1.2 自然環(huán)境與環(huán)境狀態(tài)環(huán)境的性質(zhì)作為基準(zhǔn)狀態(tài)是影響火用值大小的重要因素。實(shí)際的環(huán)境并不是均勻、穩(wěn)定和平衡（熱平衡、力平衡、化學(xué)平衡，哪個(gè)都達(dá)不到）的，在太陽(yáng)能、地?zé)崮芎鸵Φ淖饔孟虏粩嗟匕l(fā)生著變化，能量和物質(zhì)不斷地聚集、轉(zhuǎn)換和耗散。為研究方便起見(jiàn)，我們忽略這些變化和不平衡，把周圍的自然環(huán)境包括大氣、海洋甚至地殼的外層當(dāng)作一個(gè)具有恒定壓力p0、恒定溫度T0和恒定化學(xué)組成的無(wú)限大的物質(zhì)系統(tǒng)，即使有物質(zhì)或能量出入也不會(huì)改變其壓力、溫度和化學(xué)組成。當(dāng)系統(tǒng)與環(huán)境處于平衡時(shí)，可以是完全的熱力學(xué)平衡，即熱平衡、力平衡和化學(xué)平衡，也可以是不完全的熱力學(xué)平衡，僅有熱平衡和力平衡，或者說(shuō)，環(huán)境基準(zhǔn)狀態(tài)可以有不同的選取方法。當(dāng)研究?jī)?nèi)容不必考慮化學(xué)反應(yīng)因素時(shí)，取僅有熱平衡和力平衡的環(huán)境狀態(tài)為基準(zhǔn)狀態(tài)可以減少問(wèn)題的煩瑣程度，此時(shí)被研究的熱力系統(tǒng)的火用可稱為物理火用。否則需要按照完全的熱力學(xué)平衡狀況確定的基準(zhǔn)狀態(tài)進(jìn)行分析，此時(shí)被研究的熱力系統(tǒng)的火用包括物理火用和化學(xué)火用。一個(gè)系統(tǒng)的能量的化學(xué)火用是系統(tǒng)在p0、T0條件下相對(duì)于完全平衡環(huán)境狀態(tài)因?yàn)榛瘜W(xué)不平衡所具有的火用。2.1.3 火用的各種形式2.1.3.1 機(jī)械形式的火用宏觀動(dòng)能和宏觀位能都是機(jī)械能，都是火用，可以稱為機(jī)械（能）火用。但是閉口系統(tǒng)對(duì)外作功并不全是火用。由于環(huán)境狀態(tài)p0、T0都不會(huì)等于零，所以閉口系統(tǒng)對(duì)外膨脹必然要推開環(huán)境（p0、T0）物質(zhì)，從而有一部分功作用于環(huán)境而不能輸出使用，這部分功就不是有用功，也就不是火用。環(huán)境狀態(tài)p0、T0下推開環(huán)境物質(zhì)所作的功為p0DV，那么閉口系統(tǒng)對(duì)外膨脹作出的功的火用為：ExW=W12p0DV (2-1)反抗環(huán)境壓力所作的環(huán)境功p0DV可以看作是體積變化功的火無(wú)部分。2.1.3.2 熱量火用熱量是系統(tǒng)通過(guò)邊界傳遞的熱能，傳遞時(shí)唯一的特性是傳遞溫度T。根據(jù)卡諾理論，很容易得到一定溫度的熱量Q所具有的火用為Exq=Q(1) (2-2)2.1.3.3 冷量火用冷量是指在系統(tǒng)邊界溫度低于環(huán)境溫度時(shí)通過(guò)邊界傳遞的熱能，冷量火用的定義有兩種方式：定義一考慮低溫?zé)嵩碩下的熱量Q即冷量，假定在低溫?zé)嵩碩和環(huán)境T0之間運(yùn)行一卡諾熱機(jī)，它從環(huán)境吸熱Q0，對(duì)外作功W，定義此W為冷量火用Exq，有Exq=W=Q0(1)=(W+Q) (1)得 Exq=W=Q(1) (2-3)定義二考慮低溫?zé)嵩碩下的熱量Q即冷量，假定在低溫?zé)嵩碩和環(huán)境T0之間運(yùn)行一逆向卡諾熱機(jī)，它利用外功W，制冷Q，定義此W為冷量火用Exq，有Exq=W= =Q(1) (2-3)2.1.3.3 閉口系統(tǒng)的火用計(jì)算閉口系統(tǒng)的最大有用功時(shí)，不能允許系統(tǒng)與環(huán)境以外的其它熱源之間有任何熱交換，以避免因?yàn)榘l(fā)生可用能傳遞而影響最大有用功的計(jì)算，而且系統(tǒng)與環(huán)境之間的傳熱是在等溫下進(jìn)行的。假定最大有用功給予了一個(gè)功源，則咸與過(guò)程的僅為系統(tǒng)、環(huán)境和功源。系統(tǒng)+環(huán)境與功源之間僅有機(jī)械能傳遞，因此對(duì)于“系統(tǒng)+環(huán)境”有dWA=(dU+dU0)其中，dWA為給予功源的有用功，dU為閉口系統(tǒng)的熱力學(xué)能（內(nèi)能）增量，dU0為環(huán)境的熱力學(xué)能增量。對(duì)于環(huán)境，熱力學(xué)第一定律表達(dá)為dQ0=dU0+(p0dV)Q0是閉口系統(tǒng)與環(huán)境之間傳熱量，所以從環(huán)境的角度Q0應(yīng)加一負(fù)號(hào)；dV是閉口系統(tǒng)體積膨脹量，從環(huán)境角度也應(yīng)加一負(fù)號(hào)。由于功源無(wú)熵變，所以孤立系統(tǒng)熵增為dSisolated=dS+dS0=0 （可逆）其中 dS0=綜上 dWA=dUdU0=dU+dQ0p0DV =dU+T0dSp0DV從系統(tǒng)狀態(tài)積分到環(huán)境狀態(tài)，可以得到 Exu=WA=UU0+p0(VV0)T0(SS0)這就是閉口系統(tǒng)的火用，也稱熱力學(xué)能火用（內(nèi)能火用）。2.1.3.4 穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)的火用p0,T0,s0,h0T0,s1p1,T1,s1,h1s圖2-1 計(jì)算穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)的火用T穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)口處狀態(tài)（p1, T1），工質(zhì)在狀態(tài)系統(tǒng)內(nèi)可逆地變化到與環(huán)境相平衡的出口狀態(tài)（p0, T0），在變化過(guò)程中無(wú)別的熱源，只與環(huán)境之間傳遞熱量。由于環(huán)境是唯一熱源，所以只能按先可逆絕熱，后可逆定溫的過(guò)程來(lái)變化（否則需要無(wú)窮多個(gè)不同溫度的熱源來(lái)保證過(guò)程可逆，而且導(dǎo)致外來(lái)可用能參與其中）。穩(wěn)定流動(dòng)能量方程：q=h0h1+wt其中 q=T0(s0s1)于是 exh=wt=h1h0T0(s1s0) =(h1T0s1)(h0T0s0)這就是穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)的火用，也稱焓火用。 2.1.3.5 化學(xué)火用熱力系統(tǒng)與環(huán)境（自然界）之間只存在物質(zhì)結(jié)構(gòu)的不同，而其他條件如壓力、溫度等都完全相同的情況下，所具有的火用（可逆地變化到環(huán)境狀態(tài)時(shí)所能作出的最大有用功）稱為化學(xué)火用。物質(zhì)結(jié)構(gòu)的差異包括構(gòu)成物質(zhì)的分子或分子團(tuán)的不同，也包括僅僅由于成分（濃度）不一樣而帶來(lái)的不同。后者不涉及化學(xué)反應(yīng)，也可以成為擴(kuò)散火用。確定化學(xué)火用的最大困難就是環(huán)境基準(zhǔn)物質(zhì)的判定。一般地，學(xué)術(shù)界以元素在自然界常見(jiàn)存在形式作為基準(zhǔn)物質(zhì)，例如以Fe2O3為Fe元素的基準(zhǔn)物質(zhì)。但是，F(xiàn)e2O3在自然界極少單獨(dú)以純物質(zhì)形態(tài)存在，而是與其它物質(zhì)組成混合物，且混合比例變化范圍極大。另外相當(dāng)多的Fe是以Fe3O4混合物的形態(tài)存在，使問(wèn)題進(jìn)一步復(fù)雜化。因此Fe2O3這個(gè)基準(zhǔn)物質(zhì)并不合適。文獻(xiàn)4指出，“p0、T0下的空氣、河水、海水以及部分地殼都可作為火用的基準(zhǔn)物，其火用值為零，”這是確定無(wú)疑的。然而接下來(lái)，“而且它們中的各組分在其固定濃度下的火用值也為零。例如，p0=1atm和T0=(273.15+25)K下飽和濕空氣具有如表6-1所列的固定組成。這樣，空氣中各組分在T0及其分壓力下的火用都為零，例如溫度為25、壓力為0.7660105Pa的氮?dú)獾幕鹩弥禐榱?，在其它壓力下則有正的火用值或負(fù)的火用值。”就值得商榷了，例如獨(dú)立存在于封閉容器中的溫度為25、壓力為0.7660105Pa的氮?dú)馀c空氣中的氮?dú)饣鹩弥翟趺磿?huì)一樣呢？元素的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)火用與溫度修正系數(shù)3IaIIaIIIaIVaVaVIaVIIaVIIIIbIIbIIIbIVbVbVIbVIIb1H117.61H2O (l)-84.89He30.125Airp=5.2410-6101.092Li371.96LiClH2O-485.13Be594.25BeOAl2O3-103.26H117.61H2O (l)-84.89元素符號(hào)化學(xué)火用基準(zhǔn)物質(zhì)溫度修正系數(shù)103kJ/kmolkJ/(kmolK)B610.28H3BO3-185.60C410.53CO2p=0.00357.07N0.335Airp=0.7561.17O1.966Airp=0.2036.61F308.03Ca10(PO4)6F281.21Ne27.07Airp=1.810-890.833Na360.79NaNO3-358.99Mg618.23CaCO3MgCO3-360.58Al788.22Al2O3-166.57Si852.74SiO2-195.27P865.96Ca3(PO4)286.36S602.79CaSO42H2O-116.69Cl23.47NaCl268.82Ar11.673Airp=0.00939.164K386.85KNO3-354.97Ca712.37CaCO3-338.74Sc906.76Sc2O3-159.87Ti885.59TiO2-198.57V704.88V2O5-236.27Cr547.43K2Cr2O730.67Mn461.24MnO2-197.23Fe368.15Fe2O3-147.28Co288.40CoFe2O4-91.84Ni243.47NiCl26H2O-865.63Cu143.80Cu4(OH)6Cl2Zn337.44Zn(NO3)26H2O-852.87Ga496.18Ga2O3-162.09Ge493.13GeO2-194.10As386.27As2O5-255.27Se0Se0Br34.35PtBr2-19.92Kr5Rb389.57RbNO3-353.80Sr771.15SrCl6H2O-841.61Y932.45Y(OH)3Zr1058.59ZrSiO4-215.02Nb878.10Nb2O5-240.62Mo714.42CaMoO4-45.27TCRu0Ru0Rh0Rh0Pd0Pd0Ag86.32AgCl326.60Cd304.18CdClH2O-759.94In412.42In2O3-169.41Sn515.72SnO2217.53Sb409.70Sb2O5-255.98Te266.35TeO2-188.49I25.61KIO356.82Xe6Cs390.91CsCl-364.26Ba784.17Ba(NO3)2-697.60LaHf1023.24HfO2-202.51Ta950.69Ta2O5-242.80W818.22CaWO4-45.44ReOs297.11OsO4-325.22Ir0Ir0Pt0Pt0Au0Au0Hg131.71HgCl2-690.61Ti169.70Ti2O4Pb337.27PbClOHBi296.73BiOCl-425.68PoAtRn7FrRaAcTh1164.87ThO2-168.78PaU1117.88U3O8-247.19NpPuAmCmBkCfEsFmMdNoLrLa982.57LaCl27H2O-1224.45Ce1020.73CeO2-227.94Pr926.17Pr(OH)3Nd967.05NdCl36H2O-1214.78PmSm962.06SmCl36H2O-1215.74Eu872.49EuCl36H2O-1231.06Gd958.26GdCl36H2O-1220.26Tb947.38TbCl36H2O-1230.26Dy958.26DyCl36H2O-1234.03Ho966.63HoCl36H2O-1235.20Er960.77ErCl36H2O-1234.82Tm894.29Tm2O5-167.82Yb9