火用分析方法及其应用

[?]分析方法及其应用

摘要：本文从?的定义出发，给出了?的定义以及分析的意义。?传递研究?的传递和转换规律，系经典热力学在从热静力学向热动力学过渡的过程中产生的研究新领域。阐述了静态的?分析方法的特点，分析了?传递的产生与发展现状，指出?传递的学科属性及其应用。

关键词：热力学；?；?分析；?传递

1 引言

热力学第一定律“能量守恒定律”只是从数量上说明了能量在转化过程中的总量守恒关系，它可以发现装置或循环中哪些设备、部位能量损失大，但未顾及到能量质量的变化，不能发现耗能的真正原因。而热力学第二定律阐述了孤立系统熵增原理，从能的本性的高度，规定过程发生的方向性与限制，特别是指出了能量转化的条件和限制，指出能量在转移过程中具有部分地乃至全部地失去其使用价值的客观规律。为提高火电机组的发电效率，减少在电力生产过程中排放物对环境的影响，人们对火电机组的热力系统性能开展了大量的理论与试验研究。从热力学观点，所从事的这些研究大体可分为能量分析与?分析两类方法。传统的研究主要基于热力学第一定律的能量分析，它们从能的“量”方面评价热力设备和系统，而近年来广泛开展的?分析法则是基于热力学第二定律，它们从能的“量”与“质”2个方面进行评价。后者既能辨别?损的性质，即内部不可逆性与外部排放性，也能揭示?损的分布规律，从而能很好地指明系统性能改进方向。

2 ?的概念及其定义

表征物质所含热量多少的状态参数之一的焓，只表达了单位质量物质所含热量的多少，但并未表明热量质量的优劣。能源是有级别的，相同的热能量，其有效作功的能力并不相同。最能说明这一问题的是：稍高于环境温度的锅炉排出的烟气，尽管其量很大，但其热量很难加以利用。

热力学中用物质的另一个状态参数“?”来表示单位质量物质所含热量的可用性，可以定义为：在无其它(除环境介质外)热源的条件下，稳定流动的工质从初始状态经可逆过程变化到与环境介质处于热平衡时所能作的最大有用功，称为工质在该初始状态的热力?。热力?和压力、温度、焓、熵一样，是工质状态参数之一，它对应于某一温度的值是单一的．热力?区别于热量?(热量作功的能力)和机械?(机械作功的能力)，热量?和机械?都不是物质的状态参数。众所周知，在实际热力过程中，系统物质的熵的总和是增加的，但是系统物质的?的总和则是减少的。将?分析应用于锅炉设计的目的在于发现锅炉设计方面在能源利用中存在的问题，从而采取措施提高能源的利用效率，这是国家节能政策的需要。

?分析方法是建立在热力学第一定律的平衡思想和第二定律的?概念的基础上的，它以?平衡为工具，通过研究循环中能量转换与利用的效果，分析其影响因素，揭示产生?损失的部位、分布与大小，找出薄弱环节，探讨提高能量转换与利用效果的途径。

2.1 ?平衡与?损失

能量守恒是一个普遍定律，能量收支应保持平衡。?能量中可用能部分，它收支一般是不平衡，实际转换过程中，一部分可用能将转变成不可用能，?将减少，称之为?损失。这并不违反能量守恒定律，?平衡是?与?损失（不可用能）之和保持平衡。

?平衡考虑了能量数量，还顾及了能量质量。考虑?平衡时，关键是需要记入各项?损失才能保持平衡。其中，内部不可逆?损失项热平衡中并无反映。两种分析方法有着质区别。两者相互之间又存着内联系，?平衡是建立热平衡基础之上。

2.2 ?分析与?效率

通常热量平衡和能量转换效率并不能反映出?利用程度，我们引入了?效率概念。?效率与能量转换效率由类似定义，所不同是，?效率是收益?与支付?比值。

有了?效率概念，我们就可以针对某个热力系统建立?平衡关系式，并对其进行?分析，达到以下目：

（1）定量计算能量?各项收支、利用及损失情况。收支保持平衡是基

础，能流去向中包括收益项和各种损失项，各项分配比例可以分清其主次。

（2）计算效率，确定能量转换效果和有效利用程度。

（3）分析能量利用合理性，分析各种损失大小和影响因素，提出改进可能性及改进途径，并预测改进后节能效果。

3 ?传递理论分析在我国的发展状况

?传递理论作为一种新兴的理论国内外的学者对其进行的研究相对较少，大多数研究集中在于对?传递理论本身的研究，而对此理论在工程上的应用研究相对较少，而对于此理论在电力系统的应用则更是少之又少。但是我国的一些学者还是在这方面做出了一些有益的尝试。1997年，吴双应通过阐述?效率法在余热回收换热器的热力学性能分析中的局限性。提出了一个新的评价换热器性能的概念一?传递有效度，得到了一般计算式。讨论了传热单元数，冷热流体热容量比和流型对换热器?传递有效度的影响。这可以说是开了?传递理论在电力系统中应用的先河。2007年，张友利从热力学第一二定律出发，基于非平衡热力学和?平衡理论，对外部流动强制对流换热过程的?传递基本特性进行研究，探讨实用而完整的外部流动对流换热的?传递方程和?传递规律，导出外部流动强制对流换热?传递系数传?Nusselt数等新的表达式并进行数值计算。这对?传递在在对流换热中研究具有一定的指导意义。2007年，项新耀基于对燃烧系统?转换元和输?元组成及传递结构的分析，建立燃烧系统通用烟传递模型。2008年，张友利通过导出结垢前后换热器传热单元数之间的关系，并引人传?有效度的概念，对考虑污垢时的换热器?传递性能进行了分析，讨论了洁净状态下的传热单元数和冷热流体热容量比对结垢前后换热器的?传递性能的影响。最后得出了污垢对逆流影响最大，其次是交叉流，对顺流的影响最小的结论。2008年，华北电力大学的陈海平教授建立了电站锅炉?传递分析模型。参照工程?传递评价准则，提出了?传递过程，?流密度，?阻等评价指标，并且定义了?传递系数，完成了对IOOMW机组锅炉的?传递分析。通过与常规的传热及?分析比较，认为?传递分析可以提供新的技术评价信息，从而对能量传递过程有更完整和全面的动态分析。2009年，陈海平教授又通过对热?传递规律的研究，获得了对流受热面的热?传递规律，提出了?流密度、娴密度降低率、?损率等评价原则且定义了无因次热流密度、无因次?流密度的概念，并以IOOMW机组锅炉的后

屏受热面为例进行?传递分析，通过与常规的传热及?分析比较，得出了在传递过程中，?密度总是小于热流密度的结论引。2009年，华北电力大学的张明智教授借鉴推导无相变逆流换热器对数平均温度的方法，导出了无相变换热器中流体及换热管中、外壁的温度分布，同时得出了换热过程中蒸汽至管外壁及管内壁至给水的传?系数，从?传递的角度讨论了无相变管壳式换热器的换热性能，为优化换热器结构提供了理论参考依据。

4 ?传递理论在未来的发展方向

以热力学第一定律和第二定律为依据的烟分析理论无论是其科学性还是它对实践的指导作用，无疑要比任何其他能量分析法更优越在我国经济飞速民展，工业生产规模和产值成倍增长，能源供需矛盾日异尖锐的今天，假若我们仍然只用热效率这个指标来评价用能水平，那么，纵然浪费能量的现象可以得到有效扼制，但是能质浪费严重的状况将会依然存在。如何合理利用?和提高?效率便成为能源建设和能源设备改选的重要课题。?的合理利用和提高?效率，原则上是使能源能量的质量与用户需要的能量的质量相匹配，尽量做到高质能高用，低质能低用，让不同质的能物尽其用。因此，降耗节能目标的实现,还需使用能的理论研究与工程应用研究紧密结合，今后的研究主攻方向应该是理论研究与应用研究并举，而以应用研究为主。理论研究的目的是赶上或超过世界潮流，应用研究的主要目的则是使?分析走出研究室，使之在工程实践中充分发挥它的重要作用。

参考文献

【l】B.M.布罗章斯基。?方法强及其应用【M】。王加璇编译。北京：中国电力出版社，1997.209～225

【2】夏兴兰，等。柴油机可用性分析【J】。南昌大学学报(工科版)。1997，2(19)：1—7。

【3】毕小平，等。直喷式柴油机缸内过程的能量可用性分析【J】。内燃机学报，1999，16(I)：9—17。

【4】于淑敏，等。低温废热高效回收系统及其评价【J】。热能动力工程，2002，17(99)：285-287。

【5】李荣晖，等。输油泵站的?平衡与能量平衡【J】。节能，2001，(4)：22-25。【6】徐剑风，等。火电厂热力系统?分析【J】。能源工程，2001，(5)：21—24。

【7】龙敏贤，等。?分析法对回热式制冷系统的优化【J】。新能源，2000，22(11)：31～34。

【8】陈林根，等。热力循环的生态学品质因素【J】。热能动力工程，1994，9(6)：374～375。

【9】赵君，等。?分析的发展与应用平【J】。新能源，2000，22(1)：39—43。【10】Rosen M A. Second Law Analysis：Approaches and Implications【M】。Int J Energy Res，1999，(23)：415～429。

【11】吴双应，等。换热器系统的热力学性能评价【J】。热能动力工程，2002，17(99)：237—241。

【12】杨惠山，等。不可逆吸收式制冷机的?经济和生态学优化准则【J】。太阳能学报，2002，(3)：398—392。