火用分析方法及其應(yīng)用

1、? 分析方法及其應(yīng)用 摘要 ：本文從 ? 的定義出發(fā)，給出了 ? 的定義以及分析的意義。 ? 傳遞研究 ? 的傳遞和轉(zhuǎn)換規(guī)律， 系經(jīng)典熱力學(xué)在從熱靜力學(xué)向熱動(dòng)力學(xué)過渡的過程中產(chǎn)生的 研究新領(lǐng)域。闡述了靜態(tài)的 ? 分析方法的特點(diǎn)，分析了 ? 傳遞的產(chǎn)生與發(fā)展現(xiàn)狀， 指出 ? 傳遞的學(xué)科屬性及其應(yīng)用。關(guān)鍵詞 ：熱力學(xué)； ? ；? 分析； ? 傳遞1 引言熱力學(xué)第一定律“能量守恒定律” 只是從數(shù)量上說明了能量在轉(zhuǎn)化過程中的 總量守恒關(guān)系， 它可以發(fā)現(xiàn)裝置或循環(huán)中哪些設(shè)備、 部位能量損失大， 但未顧及 到能量質(zhì)量的變化， 不能發(fā)現(xiàn)耗能的真正原因。 而熱力學(xué)第二定律闡述了孤立系 統(tǒng)熵增原理， 從能的本性

2、的高度， 規(guī)定過程發(fā)生的方向性與限制， 特別是指出了 能量轉(zhuǎn)化的條件和限制， 指出能量在轉(zhuǎn)移過程中具有部分地乃至全部地失去其使 用價(jià)值的客觀規(guī)律。 為提高火電機(jī)組的發(fā)電效率， 減少在電力生產(chǎn)過程中排放物 對(duì)環(huán)境的影響，人們對(duì)火電機(jī)組的熱力系統(tǒng)性能開展了大量的理論與試驗(yàn)研究 。 從熱力學(xué)觀點(diǎn)， 所從事的這些研究大體可分為能量分析與 ? 分析兩類方法。 傳統(tǒng) 的研究主要基于熱力學(xué)第一定律的能量分析， 它們從能的 “量”方面評(píng)價(jià)熱力設(shè) 備和系統(tǒng)， 而近年來廣泛開展的 ? 分析法則是基于熱力學(xué)第二定律， 它們從能的 “量”與“質(zhì)” 2個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià) 。后者既能辨別 ? 損的性質(zhì)，即內(nèi)部不可逆性 與外部

3、排放性，也能揭示 ? 損的分布規(guī)律 ，從而能很好地指明系統(tǒng)性能改進(jìn)方 向。2 ? 的概念及其定義表征物質(zhì)所含熱量多少的狀態(tài)參數(shù)之一的焓， 只表達(dá)了單位質(zhì)量物質(zhì)所含熱 量的多少，但并未表明熱量質(zhì)量的優(yōu)劣。能源是有級(jí)別的，相同的熱能量，其有 效作功的能力并不相同。 最能說明這一問題的是： 稍高于環(huán)境溫度的鍋爐排出的 煙氣，盡管其量很大，但其熱量很難加以利用。熱力學(xué)中用物質(zhì)的另一個(gè)狀態(tài)參數(shù) “ ? ”來表示單位質(zhì)量物質(zhì)所含熱量的可 用性，可以定義為：在無其它 （除環(huán)境介質(zhì)外 ）熱源的條件下，穩(wěn)定流動(dòng)的工質(zhì)從 初始狀態(tài)經(jīng)可逆過程變化到與環(huán)境介質(zhì)處于熱平衡時(shí)所能作的最大有用功， 稱為 工質(zhì)在該初始狀態(tài)的

4、熱力 ? 。熱力 ? 和壓力、溫度、焓、熵一樣，是工質(zhì)狀態(tài)參 數(shù)之一，它對(duì)應(yīng)于某一溫度的值是單一的熱力 ? 區(qū)別于熱量 ? （熱量作功的能 力）和機(jī)械 ? （機(jī)械作功的能力 ），熱量? 和機(jī)械 ? 都不是物質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)。 眾所周 知，在實(shí)際熱力過程中， 系統(tǒng)物質(zhì)的熵的總和是增加的， 但是系統(tǒng)物質(zhì)的 ? 的總 和則是減少的。將? 分析應(yīng)用于鍋爐設(shè)計(jì)的目的在于發(fā)現(xiàn)鍋爐設(shè)計(jì)方面在能源利 用中存在的問題，從而采取措施提高能源的利用效率， 這是國家節(jié)能政策的需要。? 分析方法是建立在熱力學(xué)第一定律的平衡思想和第二定律的 ? 概念的基 礎(chǔ)上的，它以? 平衡為工具， 通過研究循環(huán)中能量轉(zhuǎn)換與利用的效果， 分

5、析其影 響因素，揭示產(chǎn)生 ? 損失的部位、分布與大小，找出薄弱環(huán)節(jié)，探討提高能量轉(zhuǎn) 換與利用效果的途徑。2.1 ? 平衡與 ? 損失 能量守恒是一個(gè)普遍定律，能量收支應(yīng)保持平衡。 ? 能量中可用能部 分，它收支一般是不平衡，實(shí)際轉(zhuǎn)換過程中，一部分可用能將轉(zhuǎn)變成不可用 能， ? 將減少，稱之為 ? 損失。這并不違反能量守恒定律， ? 平衡是 ? 與? 損失（不可用能）之和保持平衡。? 平衡考慮了能量數(shù)量，還顧及了能量質(zhì)量?？紤] ? 平衡時(shí)，關(guān)鍵是 需要記入各項(xiàng) ? 損失才能保持平衡。其中，內(nèi)部不可逆 ? 損失項(xiàng)熱平衡中并 無反映。兩種分析方法有著質(zhì)區(qū)別。兩者相互之間又存著內(nèi)聯(lián)系， ? 平衡是 建

6、立熱平衡基礎(chǔ)之上。2.2 ? 分析與 ? 效率通常熱量平衡和能量轉(zhuǎn)換效率并不能反映出 ? 利用程度，我們引入了 ? 效率概念。 ? 效率與能量轉(zhuǎn)換效率由類似定義，所不同是， ? 效率是收益 ? 與支付 ? 比值。有了 ? 效率概念，我們就可以針對(duì)某個(gè)熱力系統(tǒng)建立 ? 平衡關(guān)系式， 并對(duì)其進(jìn)行 ? 分析，達(dá)到以下目：（ 1）定量計(jì)算能量 ? 各項(xiàng)收支、利用及損失情況。收支保持平衡是基 礎(chǔ)，能流去向中包括收益項(xiàng)和各種損失項(xiàng)，各項(xiàng)分配比例可以分清其主次。（2）計(jì)算效率，確定能量轉(zhuǎn)換效果和有效利用程度。 （3）分析能量利用合理性，分析各種損失大小和影響因素，提出改進(jìn) 可能性及改進(jìn)途徑，并預(yù)測(cè)改進(jìn)后節(jié)能

7、效果。3 ? 傳遞理論分析在我國的發(fā)展?fàn)顩r? 傳遞理論作為一種新興的理論國內(nèi)外的學(xué)者對(duì)其進(jìn)行的研究相對(duì)較少， 大 多數(shù)研究集中在于對(duì) ? 傳遞理論本身的研究， 而對(duì)此理論在工程上的應(yīng)用研究相 對(duì)較少，而對(duì)于此理論在電力系統(tǒng)的應(yīng)用則更是少之又少。 但是我國的一些學(xué)者 還是在這方面做出了一些有益的嘗試。 1997 年，吳雙應(yīng)通過闡述 ? 效率法在余 熱回收換熱器的熱力學(xué)性能分析中的局限性。 提出了一個(gè)新的評(píng)價(jià)換熱器性能的 概念一 ? 傳遞有效度， 得到了一般計(jì)算式。 討論了傳熱單元數(shù)， 冷熱流體熱容量 比和流型對(duì)換熱器 ? 傳遞有效度的影響。 這可以說是開了 ? 傳遞理論在電力系統(tǒng) 中應(yīng)用的先河。

8、 2007 年，張友利從熱力學(xué)第一二定律出發(fā)，基于非平衡熱力學(xué) 和 ? 平衡理論， 對(duì)外部流動(dòng)強(qiáng)制對(duì)流換熱過程的 ? 傳遞基本特性進(jìn)行研究， 探討 實(shí)用而完整的外部流動(dòng)對(duì)流換熱的 ? 傳遞方程和 ? 傳遞規(guī)律，導(dǎo)出外部流動(dòng)強(qiáng)制 對(duì)流換熱 ? 傳遞系數(shù)傳 ? Nusselt 數(shù)等新的表達(dá)式并進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。這對(duì) ? 傳遞 在在對(duì)流換熱中研究具有一定的指導(dǎo)意義。 2007 年，項(xiàng)新耀基于對(duì)燃燒系統(tǒng) ? 轉(zhuǎn)換元和輸 ? 元組成及傳遞結(jié)構(gòu)的分析，建立燃燒系統(tǒng)通用煙傳遞模型。 2008 年，張友利通過導(dǎo)出結(jié)垢前后換熱器傳熱單元數(shù)之間的關(guān)系， 并引人傳 ? 有效度 的概念，對(duì)考慮污垢時(shí)的換熱器 ? 傳遞性能

9、進(jìn)行了分析， 討論了潔凈狀態(tài)下的傳 熱單元數(shù)和冷熱流體熱容量比對(duì)結(jié)垢前后換熱器的 ? 傳遞性能的影響。 最后得出 了污垢對(duì)逆流影響最大，其次是交叉流，對(duì)順流的影響最小的結(jié)論。 2008 年， 華北電力大學(xué)的陳海平教授建立了電站鍋爐 ? 傳遞分析模型。參照工程 ? 傳遞評(píng) 價(jià)準(zhǔn)則，提出了 ? 傳遞過程， ? 流密度，? 阻等評(píng)價(jià)指標(biāo)，并且定義了 ? 傳遞系 數(shù)，完成了對(duì)IOOMW機(jī)組鍋爐的？傳遞分析。通過與常規(guī)的傳熱及？分析比較， 認(rèn)為? 傳遞分析可以提供新的技術(shù)評(píng)價(jià)信息， 從而對(duì)能量傳遞過程有更完整和全 面的動(dòng)態(tài)分析 。 2009 年，陳海平教授又通過對(duì)熱 ? 傳遞規(guī)律的研究，獲得了對(duì) 流受熱

10、面的熱 ? 傳遞規(guī)律， 提出了 ? 流密度、嫻密度降低率、 ? 損率等評(píng)價(jià)原則 且定義了無因次熱流密度、無因次？流密度的概念，并以IOOMW機(jī)組鍋爐的后 屏受熱面為例進(jìn)行 ? 傳遞分析，通過與常規(guī)的傳熱及 ? 分析比較， 得出了在傳遞 過程中， ? 密度總是小于熱流密度的結(jié)論引。 2009 年，華北電力大學(xué)的張明智 教授借鑒推導(dǎo)無相變逆流換熱器對(duì)數(shù)平均溫度的方法， 導(dǎo)出了無相變換熱器中流 體及換熱管中、外壁的溫度分布， 同時(shí)得出了換熱過程中蒸汽至管外壁及管內(nèi)壁 至給水的傳 ? 系數(shù)，從? 傳遞的角度討論了無相變管殼式換熱器的換熱性能， 為 優(yōu)化換熱器結(jié)構(gòu)提供了理論參考依據(jù)。4 ? 傳遞理論在未

11、來的發(fā)展方向 以熱力學(xué)第一定律和第二定律為依據(jù)的煙分析理論無論是其科學(xué)性 還是它對(duì)實(shí)踐的指導(dǎo)作用，無疑要比任何其他能量分析法更優(yōu)越在我國經(jīng)濟(jì) 飛速民展，工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模和產(chǎn)值成倍增長(zhǎng)，能源供需矛盾日異尖銳的今天， 假若我們?nèi)匀恢挥脽嵝蔬@個(gè)指標(biāo)來評(píng)價(jià)用能水平，那么，縱然浪費(fèi)能量的 現(xiàn)象可以得到有效扼制，但是能質(zhì)浪費(fèi)嚴(yán)重的狀況將會(huì)依然存在。如何合理 利用 ? 和提高 ? 效率便成為能源建設(shè)和能源設(shè)備改選的重要課題。 ? 的合理 利用和提高 ? 效率，原則上是使能源能量的質(zhì)量與用戶需要的能量的質(zhì)量相 匹配，盡量做到高質(zhì)能高用，低質(zhì)能低用，讓不同質(zhì)的能物盡其用。因此， 降耗節(jié)能目標(biāo)的實(shí)現(xiàn) ,還需使用能的

12、理論研究與工程應(yīng)用研究緊密結(jié)合，今后的研究主攻方向應(yīng)該是理論研究與應(yīng)用研究并舉，而以應(yīng)用研究為主。理論 研究的目的是趕上或超過世界潮流，應(yīng)用研究的主要目的則是使 ? 分析走出 研究室，使之在工程實(shí)踐中充分發(fā)揮它的重要作用。參考文獻(xiàn)【I】B.M.布羅章斯基。？方法強(qiáng)及其應(yīng)用【M。王加璇編譯。北京：中國電力出版社，1997.209225【2】夏興蘭，等。柴油機(jī)可用性分析【J】。南昌大學(xué)學(xué)報(bào)(工科版)。1997, 2(19):1 7。【3】畢小平，等。直噴式柴油機(jī)缸內(nèi)過程的能量可用性分析【J】。內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，1999， 16(I) ： 917?！?】于淑敏，等。低溫廢熱高效回收系統(tǒng)及其評(píng)價(jià) 【J】。熱能動(dòng)力工程，2002,17(99) ： 285-287?！?】李榮暉，等。輸油泵站的？平衡與能量平衡【J】。節(jié)能，2001,：22-25?！?】徐劍風(fēng)，等?；痣姀S熱力系統(tǒng)？分析【J】。能源工程，2001，(5) : 21 24?！?】龍敏賢，等。?分析法對(duì)回?zé)崾街评湎到y(tǒng)的優(yōu)化 【J】。新能源，2000, 22(11):31 34。【8】陳林根，等。熱力循環(huán)的生態(tài)學(xué)品質(zhì)因素 【J】。熱能動(dòng)力工程，1994, 9(6): 374375。【9】趙君，等。？分析的發(fā)展與應(yīng)用平【J】。新能源，2000, 22(1) : 39 43?！?0】 Rosen M A. Second