火用及其漫談

引言火用，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powersystem，而不是dynamics和dynamicsystem），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0.5~1倍的供熱量，甚至更多。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。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。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火用概念及其分類2.1火用的概念火用的概念本質(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。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）2.2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。2.3火用的各種形式2.3.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(kāi)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(kāi)環(huán)境物質(zhì)所作的功為p0V，那么閉口系統(tǒng)對(duì)外膨脹作出的功的火用為：ExW=W12–p0V(2-1)反抗環(huán)境壓力所作的環(huán)境功p0V可以看作是體積變化功的火無(wú)部分。2.3.2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)2.3.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)(2-4)2.3.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=–dU–dU0=–dU+dQ0–p0V=–dU+T0dS–p0V從系統(tǒng)狀態(tài)積分到環(huán)境狀態(tài)，可以得到Exu=WA=U–U0+p0(V–V0)–T0(S–S0)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）。2.3.p0,T0,s0,h0T0,s1p1p0,T0,s0,h0T0,s1p1,T1,s1,h1s圖2-1計(jì)算穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)的Tq=h0–h1+wt其中q=T0(s0–s1)于是exh=wt=h1–h0–T0(s1–s0)=(h1–T0s1)–(h0–T0s0)這就是穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)的火用，也稱焓火用。2.3.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。3火用平衡及火用分析火用平衡與火用分析在我們對(duì)熱力系統(tǒng)進(jìn)行能量分析時(shí)，希望通過(guò)對(duì)能量形態(tài)的變化過(guò)程分析，定量計(jì)算能量有效利用及損失等情況，弄清造成損失的部位和原因，以便提出改進(jìn)措施，并預(yù)測(cè)改善后的效果。我們通常采用的能量平衡分析分為熱平衡（焓平衡）分析及火用平衡分析兩種。3.1火用平衡與火用損失能量守恒是一個(gè)普遍的定律，能量的收支應(yīng)保持平衡。但是，火用只是能量中的可用能部分，它的收支一般是不平衡的，在實(shí)際的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，一部分可用能將轉(zhuǎn)變成不可用能，火用將減少，稱之為火用損失。這并不違反能量守恒定律，火用平衡是火用與火用損失（不可用能）之和保持平衡。設(shè)穿過(guò)體系邊界的輸入火用為Exin，輸出火用為Exout，系統(tǒng)各項(xiàng)內(nèi)部火用損失為Ii，外界作功為W，則它們的平衡關(guān)系為∑Exin＋W＝∑Exout＋∑Ii火用平衡不僅考慮了能量的數(shù)量，而且還顧及了能量的質(zhì)量。在考慮火用平衡時(shí)，關(guān)鍵是需要記入各項(xiàng)火用損失才能保持平衡。其中，內(nèi)部不可逆火用損失項(xiàng)在熱平衡中并無(wú)反映。因此，兩種分析方法有著質(zhì)的區(qū)別。但是，兩者相互之間又存在著內(nèi)在的聯(lián)系，火用平衡是建立在熱平衡的基礎(chǔ)之上的。3.2火用分析與火用效率通常的熱量平衡和能量轉(zhuǎn)換效率并不能反映出火用的利用程度，因而我們引入了火用效率的概念?；鹩眯逝c能量轉(zhuǎn)換效率由類似的定義，所不同的是，火用效率是收益火用與支付火用的比值。火用效率Ex為有了火用效率的概念，我們就可以針對(duì)某個(gè)熱力系統(tǒng)建立火用平衡關(guān)系式，并對(duì)其進(jìn)行火用分析，從而達(dá)到以下目的：（1）定量計(jì)算能量火用的各項(xiàng)收支、利用及損失情況。收支保持平衡是基礎(chǔ)，能流的去向中包括收益項(xiàng)和各種損失項(xiàng)，根據(jù)各項(xiàng)的分配比例可以分清其主次。（2）通過(guò)計(jì)算效率，確定能量轉(zhuǎn)換的效果和有效利用程度。（3）分析能量利用的合理性，分析各種損失大小和影響因素，提出改進(jìn)的可能性及改進(jìn)途徑，并預(yù)測(cè)改進(jìn)后的節(jié)能效果。4火用分析的模型和方法4.1火用分析的模型和方法在工質(zhì)分析應(yīng)用中，根據(jù)分析對(duì)象的不同，分析要求的不同，對(duì)建立的分析模型可以采用不同精度的模型。目前廣泛應(yīng)用于工程火用分析的模型，按分析精度可分為三種：黑箱分析模型、白箱分析模型、灰箱分析模型。其中，黑箱分析模型適用于粗略分析，白箱分析模型適用于精細(xì)分析，灰箱則介于前面兩者之間?；鹩梅治鍪且韵到y(tǒng)火用平衡原理為基礎(chǔ)，在實(shí)際過(guò)程中火用是不守恒的，即輸入系統(tǒng)的火用與系統(tǒng)輸出的火用是不相等的?；鹩梅治龇ň褪且詿崃W(xué)第二定律和火用平衡為基礎(chǔ)，對(duì)各種能量進(jìn)行火用分析，求取各種性能指標(biāo)，以考察系統(tǒng)各部位的火用損失分布，找到火用損失的最大環(huán)節(jié)，對(duì)所研究的系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，是工程項(xiàng)目、工程設(shè)計(jì)和節(jié)能分析的有效方法。為了建立火用平衡方程，就要引入火用損失的概念，只有在計(jì)算出系統(tǒng)的各項(xiàng)火用損失之后，才能揭示出系統(tǒng)的各項(xiàng)能量向之間的火用平衡關(guān)系，然后確定過(guò)程的火用效率和火用損失，找出損失和損耗的原因以及能量利用的薄弱環(huán)節(jié)，從而為節(jié)能降耗，提高能量利用率指明正確方向。分析法主要內(nèi)容有以下幾部分：（1）確定出入系統(tǒng)的各種物理量、熱流量和功流量，及各種物流的狀態(tài)參數(shù)；（2）火用流計(jì)算；（3）由火用平衡方程確定過(guò)程的火用損失；（4）確定熱力學(xué)第二定律效率、及火用耗。4.2簡(jiǎn)單蒸汽動(dòng)力裝置循環(huán)的火用平衡方程的建立在火力發(fā)電廠的熱動(dòng)力裝置中主要就是蒸汽動(dòng)力裝置，其中有三類循環(huán)：簡(jiǎn)單蒸汽動(dòng)力循環(huán)——朗肯循環(huán)，復(fù)雜蒸汽動(dòng)力循環(huán)——再熱循環(huán)和回?zé)嵫h(huán)，由于回?zé)嵴羝麆?dòng)力循環(huán)是大多數(shù)火電廠中動(dòng)力循環(huán)的基礎(chǔ)，在這里我們只分析簡(jiǎn)單的一級(jí)回?zé)嵴羝麆?dòng)力循環(huán)。4.2冷冷凝器1235水泵鍋爐Rab45—1可逆定壓加熱過(guò)程1—2和1—a水蒸氣在汽輪機(jī)中定熵膨脹過(guò)程2—3乏汽在冷凝器中定壓定溫放熱過(guò)程a抽出尚未完全膨脹、壓力、溫度較高的少量蒸汽3—b冷卻水在水泵升壓后進(jìn)入回?zé)崞鱝、b混合—4抽出蒸汽與冷卻水混合4—5混合后的水升壓后進(jìn)入鍋爐4.2鍋爐設(shè)備火用損失：，,分別為燃料的化學(xué)火用，鍋爐出口蒸氣火用，入口飽和水火用或?yàn)樗贸隹谒鹩闷啓C(jī)的火用損失為：，，分別為軸功，汽輪機(jī)排出乏汽火用，抽出蒸汽火用若循環(huán)冷卻水未被利用，則冷凝器的火用損：為冷凝器出口冷卻水火用若循環(huán)冷卻水作為采暖熱水，則有：，分別為入口和出口水火用水泵的火用損失：和為水泵耗功，為水泵出口水火用，為回?zé)崞鞒隹谒鹩们遥┙o體系的火用有，輸入體系電功（主要是），輸出的有用功為回?zé)崞骰鹩脫p失：是抽出蒸汽火用于是得出簡(jiǎn)單蒸汽動(dòng)力循環(huán)的火用平衡方程：則一級(jí)回?zé)嵴羝麆?dòng)力循環(huán)的火用效率：通過(guò)測(cè)定整個(gè)循環(huán)的各個(gè)設(shè)備的水和蒸汽參數(shù)P，V，T，從而計(jì)算出進(jìn)入和流出設(shè)備的水，蒸汽的火用值，代入公式求出各個(gè)設(shè)備的火用損失，最后計(jì)算可以得到循環(huán)的火用效率。5火用理論分析在我國(guó)的發(fā)展?fàn)顩r及應(yīng)用5.1火用傳遞理論的發(fā)展火用傳遞理論作為一種新興的理論國(guó)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)火用傳遞理論本身的研究，而對(duì)此理論在工程的應(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(guó)的一些學(xué)者還是在這方面做出了一些新的嘗試。1997年，吳雙應(yīng)通過(guò)闡述火用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-火用傳遞有效度，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)換熱器火用傳遞有效度的影響。這可以說(shuō)是開(kāi)了火用傳遞理論在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的先河。2007年，張有利從熱力學(xué)第一二定律出發(fā)，基于非平衡熱力學(xué)和火用平衡理論，對(duì)外部流動(dòng)強(qiáng)制對(duì)流換熱過(guò)程的火用傳遞方程和火用傳遞規(guī)律，導(dǎo)出外部流動(dòng)強(qiáng)制對(duì)流換熱火用傳遞系數(shù)傳火用Nusselt數(shù)等新的表達(dá)式并進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。這對(duì)火用傳遞在對(duì)流換熱中研究具有一定的指導(dǎo)意義。2008年，華北電力大學(xué)的陳海平教授建立了電站鍋爐火用傳遞分析模型。參照工程火用傳遞評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，提出了火用傳遞過(guò)程，火用流密度，火用阻等評(píng)價(jià)指標(biāo)，并且定義了火用傳遞系數(shù)，完成了對(duì)100MW機(jī)組鍋爐的火用傳遞分析。通過(guò)與常規(guī)的傳熱及火用分析比較，認(rèn)為火用傳遞分析提供新的技術(shù)評(píng)價(jià)信息，從而對(duì)能量傳遞過(guò)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(guò)對(duì)熱火用傳遞規(guī)律的研究，獲得了對(duì)流受熱面的熱火用傳遞的規(guī)律，提出了火用流密度、嫻密度降低率、火用損率等評(píng)價(jià)原則且定義了無(wú)因次熱流密度、無(wú)因次火用流密度的概念，并以100MW機(jī)組鍋爐的后屏受熱面為例進(jìn)行火用傳遞分析，通過(guò)與常規(guī)的傳熱及火用分析比較，得出了在傳遞過(guò)程中，火用密度總是小于熱流密度的結(jié)論。2009年，華北電力大學(xué)的張明智教授借鑒推導(dǎo)無(wú)相變逆流換熱器對(duì)數(shù)平均溫度的方法，同時(shí)得出了換熱過(guò)程中蒸汽至管外壁及管內(nèi)壁至給水的傳火用系數(shù)，從火用傳遞的角度討論了無(wú)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)。5.2火用分析法的應(yīng)用目前，隨著節(jié)能工作發(fā)展的需要，首先在歐洲，蘇聯(lián)，繼而在美國(guó)、日本以及其他國(guó)