火用-分-析教學課件

火用分析火用分析火用分析火用分析主要內(nèi)容火用的概念封閉系統(tǒng)火用分析流動火用（焓火用）開口系統(tǒng)火用分析化學火用Exergy的數(shù)學表述環(huán)境溫度T0=const壓力p0=const系統(tǒng)初始狀態(tài)：E,T,p終態(tài)：U0,T0,p0Exergy是系統(tǒng)與環(huán)境共同決定的性質(zhì)它是當系統(tǒng)變化到與環(huán)境平衡時所做最大功比火用：火用差：Exergy的性質(zhì)當環(huán)境確定以后，Exergy僅是系統(tǒng)的屬性。它給出了系統(tǒng)與環(huán)境偏離的程度Exergy是非負的，任何與環(huán)境的偏離都可做有用功。如低于環(huán)境溫度的系統(tǒng)：冷量也是寶貴的Exergy是不守恒的，不可逆性使之不斷減少：自發(fā)過程使Exergy完全浪費Exergy是系統(tǒng)與環(huán)境共同決定的性質(zhì)：冷量ExergyExergy的形式動能中的Exergy：勢能中的Exergy：Epe=PE=gz(kJ/kg)熱能中的Exergy：系統(tǒng)環(huán)境熱量火用冷量火用Exergy的形式流動火用（焓火用）化學火用火用值計算例1：飽和蒸汽的火用值：120℃的飽和蒸汽，速度30m/s，高度6m。計算其比火用。環(huán)境溫度298K，壓力1atm，重力加速度9.8m/s。解：120℃的飽和蒸汽：環(huán)境狀態(tài)下的水：火用值計算例1：飽和蒸汽的火用值：火用值計算例2：汽車尾氣的火用內(nèi)燃機排氣閥打開前，氣缸中有2450cm3的氣體燃燒產(chǎn)物，壓力7bar，溫度867℃。計算此時氣體的比火用，忽略動能和勢能。環(huán)境狀態(tài)為300K，1.1013bar解：假定尾氣為理想氣體忽略動能和勢能：火用值計算例2：汽車尾氣的火用尾氣火用的利用：渦輪增壓火用值計算例3：火用與能量的比較剛性絕熱容器內(nèi)裝有制冷劑134a的-28℃的飽和蒸汽，質(zhì)量1.11kg。容器內(nèi)安裝有葉片，通過輪軸與外面懸垂重物相連。重物下落，攪動制冷劑使之壓力達到1.4bar。計算：(a)制冷劑初始、終了狀態(tài)的火用以及兩個狀態(tài)的火用差(b)懸垂重物的火用值變化(c)整個系統(tǒng)的火用值變化討論所得結(jié)果，與能量變化相比較?；鹩弥涤嬎憷?：火用與能量的比較解：假定：1、整個系統(tǒng)是個孤立系統(tǒng)：Q=0，W=02、制冷劑沒有動能和勢能的變化，懸垂重物沒有動能和內(nèi)能的變化（a）制冷劑的狀態(tài)變化如圖所示火用值計算例3：火用與能量的比較（a）制冷劑的火用（b）重物的火用整個系統(tǒng)的能量變化：火用值計算例3：火用與能量的比較（c）整個系統(tǒng)的火用火用與能量變化的比較封閉系統(tǒng)火用平衡能量平衡：熵平衡：火用損失火用傳遞火用變化封閉系統(tǒng)火用平衡火用損失：不可逆過程可逆過程火用損失總是大于或等于零的，它不是系統(tǒng)的屬性火用的變化可正可負，是系統(tǒng)的屬性：微分形式的火用平衡方程：封閉系統(tǒng)火用分析，例1初始時，活塞氣缸中有100度的飽和水。計算以下兩種情況下系統(tǒng)火用的變化、火用的傳遞和損失。環(huán)境溫度20℃，壓力1.014bar。系統(tǒng)終態(tài)為100℃的飽和蒸汽。(a)系統(tǒng)被加熱，發(fā)生等溫等壓可逆變化(b)系統(tǒng)絕熱，葉片對系統(tǒng)做功解：(a)封閉系統(tǒng)火用分析例1(a)火用的傳遞：=0火用損失：封閉系統(tǒng)火用分析例1(b)火用的傳遞：火用損失：封閉系統(tǒng)火用分析例2對運轉(zhuǎn)中的汽車變速箱進行火用平衡分析。T0=293K解：取如圖所示的封閉系統(tǒng)，系統(tǒng)處在穩(wěn)態(tài)，邊界溫度均勻。封閉系統(tǒng)火用分析例2火用的傳遞：火用損失：熵平衡：=58.8–60=-1.2kW封閉系統(tǒng)火用分析例2火用平衡表輸入火用：輸出火用：火用損失：0…………..…..…………...……...…………..…..……..開口系統(tǒng)火用分析焓火用(流動火用,Flowexergy)伴隨物質(zhì)流入流出的可用能焓火用=伴隨物質(zhì)流的火用+伴隨流動功的火用伴隨物質(zhì)流的火用伴隨流動功的火用火用損失火用傳遞火用變化火用流速率=流動功：焓火用(Flowexergy)焓火用=伴隨物質(zhì)流的火用+伴隨流動功的火用+開口系統(tǒng)火用平衡穩(wěn)態(tài)形式：或開口系統(tǒng)火用平衡單一進口單一出口：例1：節(jié)流閥火用損失3.0MPa,320℃的過熱蒸汽絕熱節(jié)流到0.5MPa。計算進出口的焓火用和節(jié)流過程中的火用損失。T0=25℃,p0=1atm.解：忽略動能、勢能例1：節(jié)流閥火用損失節(jié)流過程火用平衡：例2：廢熱回收MichaelJ.Moran,HowardN.Shapiro.FundamentalsofEngineeringThermodynamics,5thEditionp300，EXAMPLE7.8例3：熱泵火用損失成本熱泵穩(wěn)態(tài)工作時，-5℃、3.5bar的制冷劑22進入壓縮機，被絕熱壓縮到75℃，14bar；然后經(jīng)冷凝器變?yōu)?8℃、14bar的液體；然后節(jié)流到3.5bar。20℃、1bar的室內(nèi)空氣以0.42m3/s進入冷凝器，被加熱至50℃回到室內(nèi)，壓力不變。計算各部件火用損失。如果火用價格為$0.08/kWh，計算每日火用損失成本。假定空氣為理想氣體，忽略動能、勢能。T0=273K(0℃)解：火用損失通過熵產(chǎn)計算：例3：熱泵火用損失成本熵產(chǎn)計算：制冷劑狀態(tài)計算：冷凝器熵產(chǎn)：熵平衡：例3：熱泵火用損失成本熵產(chǎn)計算：冷凝器熵產(chǎn)：壓縮機熵產(chǎn)：節(jié)流閥熵產(chǎn)：火用損計算：每日火用損失成本：(0.217)=(0.478)CcompCvalveCcond例3：熱泵火用損失成本壓縮機功率：熱泵運轉(zhuǎn)每日用電成本：每日火用損失成本：(0.217)=(0.478)CcompCvalveCcond火用損失成本占總用電成本31%火用效率（第二定律效率）火用平衡與能量平衡：火用效率火用效率能量利用效率火用效率取決于：能量利用效率η熱源溫度與使用溫度的匹配火用效率熱源溫度與使用溫度的匹配程度對火用效率的影響火用效率，熱損與火用損失火用損失成本：熱力學系統(tǒng)火用效率透平泵與壓縮機熱力學系統(tǒng)火用效率換熱器提高火用利用率熱電聯(lián)產(chǎn)回收再利用化學火用火用熱平衡力平衡化學平衡Exergy是系統(tǒng)與環(huán)境共同決定的性質(zhì)它是當系統(tǒng)變化到與環(huán)境平衡時所做最大功化學火用：對于已經(jīng)與環(huán)境處于熱平衡和力平衡的系統(tǒng)當系統(tǒng)變化到與環(huán)境達化學平衡時所得最大功化學火用環(huán)境理想氣體混合物溫度T0，壓力p0氣體分壓，，系統(tǒng)溫度T0，壓力p0進入燃料狀態(tài)：T0,p0進入氧氣狀態(tài)：T0,流出產(chǎn)物狀態(tài)：T0,Exergy是系統(tǒng)與環(huán)境共同決定的性質(zhì)：化學火用熵平衡：能量平衡：系統(tǒng)做功：化學火用=0化學火用Gibbs自由能表示的化學火用化學火用與化學平衡化學火用即狀態(tài)（T0，p0）下的化學反應(yīng)親和勢：其它物質(zhì)的化學火用CO燃料混合物中的CO：純水其它物質(zhì)的化學火用純N2、O2,、CO2理想氣體混合物物質(zhì)的標準化學火用物質(zhì)相對于環(huán)境標準態(tài)的化學火用即處于（T0、p0）的物質(zhì)經(jīng)化學變化達到與環(huán)境標準態(tài)達化學平衡時所得最大功環(huán)境標準態(tài)：溫度T0、壓力p0、組分火用的環(huán)境標準態(tài)中必須包含與所考慮物質(zhì)相對應(yīng)的化學元素參考態(tài)中的各物質(zhì)之間處于化學平衡沒有統(tǒng)一的環(huán)境標準態(tài)（包含所有物質(zhì)）同一物質(zhì)在不同標準態(tài)下具有不同的化學火用環(huán)境標準態(tài)中的物質(zhì)：大氣氣體組分、地殼固體組分、海洋液體組分物質(zhì)的標準化學火用標準化學火用的計算對于環(huán)境標準態(tài)中沒有的物質(zhì)，其標準化學火用可用已知物質(zhì)的標準化學火用計算火用平衡：標準化學火用的計算能量平衡+熵平衡：例：辛烷的標準化學火用計算25℃，1atm的液態(tài)辛烷的化學火用。（a）用化學火用的計算公式直接計算，環(huán)境狀態(tài)為25℃，1atm了，環(huán)境氣體摩爾組成為：N2,75.67%;O2,20.35%;H2O,3.12%;CO2,0.03%;other,0.83%。（b）利用其它物質(zhì)的標準化學火用計算，環(huán)境參考態(tài)采用模型II。解：辛烷發(fā)生如下反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為環(huán)境物質(zhì)例：辛烷的標準化學火用（a）（b）其它物質(zhì)的標準化學火用為反應(yīng)的Gibbs自由能變化，參與反應(yīng)的各物質(zhì)都各自處于狀態(tài)（T0，p0）總火用總火用=熱力火用+化學火用例：燃燒產(chǎn)物的焓火用甲烷與空氣在燃燒室中完全反應(yīng)，過量空氣系數(shù)1.4，燃燒產(chǎn)物以狀態(tài)（T，1atm）流出。計算T=480和T=1560K時燃燒產(chǎn)物的焓火用。環(huán)境參考態(tài)為：25℃，1atm，氮氣、氧氣、水蒸氣、CO2的摩爾分數(shù)分別為解：過量空氣系數(shù)1.4的反應(yīng)方程式：化學火用：例：燃燒產(chǎn)物的焓火用熱力火用：利用理想氣體混合物的性質(zhì)：例：燃燒產(chǎn)物的焓火用燃燒產(chǎn)物的焓火用：化學火用：熱力火用：高溫時完全燃燒產(chǎn)物的化學火用占總火用的很小部分化學反應(yīng)系統(tǒng)的火用效率火用效率：實際做功與最大理論功之比例：內(nèi)燃機火用效率液態(tài)辛烷以1.8×10-3kg/s的質(zhì)量流率進入氣缸，與等于理論空氣量的空氣混合，辛烷與空氣的狀態(tài)均為25℃，1atm。完全燃燒，做功37kW后排出氣缸，燃燒產(chǎn)物溫度890K。計算火用效率解：最大理論功為燃料火用值例：內(nèi)燃機火用效率燃料火用值燃料以環(huán)境狀態(tài)（T0，p0）進入氣缸，其火用僅為化學火用，用前面得到的辛烷的標準化學火用表示內(nèi)燃機火用效率熱經(jīng)濟學(Thermoeconomics)動力-制冷聯(lián)合循環(huán)的火用分析參考文獻：A.Vidala,R.Best,R.Rivero,J.Cervantes.Analysisofacombinedpowerandrefrigerationcyclebytheexergymethod.Energy31(2006)3401–3414火用分析與熱力系統(tǒng)優(yōu)化參考文獻：C.CASAROSAandA.FRANCO.ThermodynamicOptimizationoftheOperativeParametersfortheHeatRecoveryinCombinedPowerPlants.Int.J.AppliedThermodynamics,ISSN1301-9724Vol.4,(No.1),pp.43-52,March-2001M.Pouraghaie,K.Atashkari,S.M.Besarati.Thermodynamicperformanceoptimizat