第二篇1章 能量系统的火用分析方法
火用分析基础
同理，闭口系统的火用平衡方程为：
eqx (eu 1 x eu2 x )w uel w uwp0(v2v1)
7.5 火用效率与热效率
效率
收益量 支出量
火用效率 火 火用 用支 收出 益量 量
① 热力系统 (E)ixn(E)o xutE l
第七章 小 结
• 火用值计算
• 火用损失
重点
• 火用方程
了解
• 火用效率
第七章 完
闭口系统内能的Ex举例
1kg空气，由p1=50bar, t1=17oC, 膨胀到 p2=40bar, t2=17oC, 已知p0=1bar, t0=17oC
求：该膨胀过程对外界的最大有用功
wmaxexu1exu2
exu=?
w
q
w ’’
假定q通过可逆热机作功 w’
w ’’= w + w ’
w’
q'
T0
u1, s1, T1, p1, v1
初态
热一律：
u0, s0, T0, p0, v0 终态
qu0u1w''
热二律：
siso s0s1Tq00 qT0s0s1
w '' u 1 u 0 T 0s1 s0
w q
w ’ w ’’
SS
三、闭口系统内能火用
内能火用—闭口系统从给定状态（p，T）可
逆过渡到与环境相平衡的状态（p0 ，T0 ）时， 对外所能做出的最大有用功, 以ExU表示.
p0
闭口系统内能的Ex与An
设一闭口系统（1kg），其 状态为 u1, s1, T1, p1, v1
第二章(第一节能量的火用)
S0 Q0 / T0
带入下式： WA (1T0 / TH ) Q U P0V T0S EL
得到： EL T0 (S0 SH S ) T0S产
2020/11/16
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3. 稳定流动系统的火用衡算
能量的火用衡算方程：
EQ EH mC2 / 2 EW EL
热源给加热系统的热量火用：
所做的最大理论功。
火无(Ax)：与火用的概念相反。
凡一切不能转换为火用的能量。
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11
1.2 分析
火用的实质：
1）评价能量的统一尺度（”量”与”质”）。 2）能量的“量”的大小， “质”的高低。
无论是能量、热、焓等，都不是满意的量度，只有参数 火用才是合适的量度。
1、可逆性分析 2、转换能力分析
结论：
能量在使用过程中不断贬值、变废，是能源危机主要原因。
为了正确评价能源的价值，可以从能量“质”的角度出发。
2020/1Biblioteka /1691、什么是火用和火无
火用 有效能： 1873年J.W.Gibbs和1875年J.C.Maxwell
一种评价能量价值的物理量 量和质的角度评价能量 指明了合理用能的方向
功的
形式传递的任何一种机械能或电能；
第二，系统在热力过程中有容积变化，与环境有功交换。
系统反抗环境压力做功EW，这W部分 功P属V于火无。系统的火用为：
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15
2、能量火用的计算
2.2 热量火用和冷量火用
温度为T的恒温热源的热量Q所能做的最大功量，由工作在T和环
境温度T0间的卡诺热机效率决定：
EXQ Q T0S
AnQ T0S
1、如何计算火用的数值： 1）恒温：T为常量 2）变温： Q mcpdT
火用分析基础
p
m T0 O s p0 n O’ v 1
p c 1 2 p0 d a 0 fh e b 3 O v
g
O
v
稳定流动系统工质的火用 稳定流动系统工质的火用——焓火用 火用 焓
定义：稳定物流从任意给定状态经开口系统以可 逆方式变化到环境状态，并只与环境交换热量时 所能做的最大有用功。
δQ = dH + mdc 2 + mgdz + δWA
1 2
δQ = T0 dS
1 T0 dS = dH + mdc 2 + mgdz + δWA p, T , c 2 H
p0 , T0 , c0 H0
δWU ,max
δQ0
δWA = T0 dS − dH − mdc 2 − mgdz
1 2
1 WA,max = H − H 0 − T0 ( S − S 0 ) + mc 2 + mgz 2
环境状态： 环境状态：任何一个系统与环境处于 热力学平衡状态称为环境状态。
热力学平衡包括？ 热力学平衡包括？
不完全热力学平衡 完全热力学平衡 不完全环境状态 完全环境状态
物理火用和化学火用
以不完全平衡环境状态为基准时， 以不完全平衡环境状态为基准时，系统 所具有的火用称为能量的物理火用 火用称为能量的物理火用。 所具有的火用称为能量的物理火用。 以完全平衡环境状态为基准时， 以完全平衡环境状态为基准时，系统 所具有的火用称为能量的化学火用 火用称为能量的化学火用。 所具有的火用称为能量的化学火用。
He
Ne
摩尔分数
0.756
0.2034
0.0312
火用分析
目前的资源综合利用分析与评价主要是基于统计数据的指标评价。
较早出现并具有影响力的评价指标有联合国可持续发展委员会建立的可持续发展指标，蔡邦成等基于生态环境和经济可持续发展理念建立了区域可持续发展评价指标。
但是，指标评价存在数据统计工作繁多、指标计算过程复杂、不能给出量化的评价结果等问题。
在能源利用效率研究中，一直困扰人们的也是如何将非同质的能源投入要素、不同产出进行加总和成本分摊等问题，火用概念的提出解决了这个问题。
火用指能量、物质系统在只有环境作用的条件下，经历可逆过程达到与周围环境状态平衡时能产生的最大可用功。
火用为正确评价不同形态的能量、不同状态的物质的价值提供了统一的标尺[1]。
火用分析是根据进出系统火用的不平衡发现不可逆火用损失，对系统物质、能量利用状况给出全面评价的分析方法。
火用分析不仅已被广泛应用于冶金、电力、水泥等高耗能生产过程和设备的能量系统的分析和评价,火用理论也成为了评价地球和国家资源环境状况的重要工具。
建设资源节约、环境友好两型社会要求的是节约原材料、能源、资金、劳动力以及环境资源等的广义节能。
广义节能必须要有新的科学有效的分析和评价方法对经济系统进行评价和监督。
将火用理论与微观经济学结合，形成了交叉学科—火用(热)经济学。
火用(热)经济学在生产系统的综合经济性分析方面得到了应用。
张超等在单位火用成本基础上，分析了电厂热力系统在设计工况以及变工况下火用成本的分布规律，并且定量研究了各种运行参数对设备火用成本的影响。
而运用火用(热)经济学对运行机组各设备的火用成本变化进行在线监督，已经是热力系统故障诊断的主要方法之一。
但是，火用经济学分析中总是存在热力学参数火用与经济学量货币资金的分别衡算问题，衡算方程多，计算过程复杂。
目前，火用经济学分析的应用研究主要集中在只有单一火用流输入的火电厂或者供热系统的火用成本分析、经济性优化和故障诊断等方面。
生产资料(土地、原材料和能源等)、资金和劳动力是生产系统的3 个要素资源，随着环境恶化，生产的环境成本越来越高，环境资源也成为了生产要素资源之一。
能量系统的火用分析
2 能量系统的火用分析火用，exergy ，可以定义为热力系统在只与环境（自然界）发生作用而不受外界其它影响的前提下，可逆地变化到环境状态时所能作出的最大有用功。
火用表征了热力系统所具有的能量转变为机械能的能力，因此可以用来评价能量的质量、或品位、能级。
数量相同而形式不同的能量，火用大者其能的品位高或能质高；火用少的能的品位低或能质差。
机械能、电能的能质高，而热能则是低品质的能量，热能之中，温度高的热能比温度低的热能品位高。
根据热力学第二定律，高品质的能量总是能够自发地转变为低品质的能量，而低品质的能量永远不可能转变成为高品质的能量。
因此按品位用能是进行能量系统的火用分析所得到的第一个结论，也是能源工作者的基本守则之一。
在动力系统中（动力与动力系统，这里是指power 和power system ，而不是dynamics 和dynamic system ），火用分析正确地给出了可用能损失情况，为人们正确地改进动力循环，提高其热效率指明了途径。
在仅考虑热能直接利用的情况下，虽然不存在热能与机械能转换的问题，但火用分析仍然具有重要的意义，它可以指明如何充分地利用热能，典型的例子就是燃煤供热系统的火用分析结果：如果采用“热电联产+热泵系统”来代替燃煤直接供热的话，理论上可以获得比煤的热值多0.5~1倍的供热量，甚至更多（图2.1）。
但是火用分析忽视了火无的使用。
火无虽然不能用来作功以获得动力，却可以用来加热、取暖，而在火用分析中不能得到所供应能量中的火无有多少得到了利用的信息。
[1]对于复杂系统进行火用分析，可能得到重要的、不寻常的结论。
借鉴中国工程院院士陆钟武教授所提出的系统节能和载能体[2]的概念，对全工序、全流程、全行业或全地区进行比较仔细的火用分析，可能在能源利用方面提出新的见解1。
能源的利用与环境污染是密不可分的，系统节能理论也好，能源技术经济学也好，都提倡从全系统的角度综合评价能源的利用，而从经济性角度考虑，节能的经济性不一定好（实际上大部分都不好），如果把能源利用对环境造成的污染也折算成经济性指标与节能一同考虑，结论一定会大相径庭。
系统火用分析
谢
谢
节流阀火用分析
以节流元件为研究对象进行火用分析,如图(4) eL.exp= e4- e5= (h4- h5)-T0(s4- s5) 节流为绝热节流,节流前后的焓值相等,即:h4= h5。 则 eL.exp= T0(s5- s4)
分析结果: 节流元件火用损失系数的变化幅度亦较大。其火用损失是由于粘性流体流动过 程中因摩擦阻力引起了不可逆节流。由于过冷度的增加使制冷剂节流环境加 以改善,所以其火用损失系数随之逐渐减小。对比蓄冰设备和节流元件火用损 失系数随过冷度的变化规律 ,可以看到节流元件的火用损失的减少部分地转移 给了产生过冷度增加的蓄冰设备的火用损失。
目前广泛应用于工程火用分析的模型，按分析精度可分为三种：黑箱 分析模型、白箱分析模型、灰箱分析模型。其中，黑箱分析模型适用 于粗略分析，白箱分析模型适用于精细分析，灰箱则介于前面两者之 间。 分析法的主要内容有以下几部分： （1）确定出入系统的各种物理量、热流量和功流量，及各种物流的状态 参数； （2）火用流计算； （3）由火用平衡方程确定过程的火用损失；
蒸发器火用分析
以蒸发器为系统如图(5),列火用平衡式: e5= e1+ eL.evap+ eq0 eL.evap= e5- e1- eq0 eq0:冷量火用。 eq0=〔(T0/Tc)-1〕q0=〔(T0/Tc)-1〕(h1-h5)。 所以,eL.evap= T0(s1- s5)-T0/Tc(h1- h5) 分析结果： 蒸发器火用损失系数较小 ,计算最大值1.5%,并随过冷度的增加而有所减 小。其火用损失亦是由于不可逆温差传热引起。因此,减少火用损失的 方法与冷凝器亦基本相同。通过蒸发器传递的冷量火用是我们所要得 到的有用火用。
能量系统的火用分析
2 能量系统的火用分析火用，exergy ，可以定义为热力系统在只与环境（自然界）发生作用而不受外界其它影响的前提下，可逆地变化到环境状态时所能作出的最大有用功。
火用表征了热力系统所具有的能量转变为机械能的能力，因此可以用来评价能量的质量、或品位、能级。
数量相同而形式不同的能量，火用大者其能的品位高或能质高；火用少的能的品位低或能质差。
机械能、电能的能质高，而热能则是低品质的能量，热能之中，温度高的热能比温度低的热能品位高。
根据热力学第二定律，高品质的能量总是能够自发地转变为低品质的能量，而低品质的能量永远不可能转变成为高品质的能量。
因此按品位用能是进行能量系统的火用分析所得到的第一个结论，也是能源工作者的基本守则之一。
在动力系统中（动力与动力系统，这里是指power 和power system ，而不是dynamics 和dynamic system ），火用分析正确地给出了可用能损失情况，为人们正确地改进动力循环，提高其热效率指明了途径。
在仅考虑热能直接利用的情况下，虽然不存在热能与机械能转换的问题，但火用分析仍然具有重要的意义，它可以指明如何充分地利用热能，典型的例子就是燃煤供热系统的火用分析结果：如果采用“热电联产+热泵系统”来代替燃煤直接供热的话，理论上可以获得比煤的热值多0.5~1倍的供热量，甚至更多（图2.1）。
但是火用分析忽视了火无的使用。
火无虽然不能用来作功以获得动力，却可以用来加热、取暖，而在火用分析中不能得到所供应能量中的火无有多少得到了利用的信息。
[1]对于复杂系统进行火用分析，可能得到重要的、不寻常的结论。
借鉴中国工程院院士陆钟武教授所提出的系统节能和载能体[2]的概念，对全工序、全流程、全行业或全地区进行比较仔细的火用分析，可能在能源利用方面提出新的见解1。
能源的利用与环境污染是密不可分的，系统节能理论也好，能源技术经济学也好，都提倡从全系统的角度综合评价能源的利用，而从经济性角度考虑，节能的经济性不一定好（实际上大部分都不好），如果把能源利用对环境造成的污染也折算成经济性指标与节能一同考虑，结论一定会大相径庭。
带回热器的R1234yf热泵系统能量分析和[火用]分析
![带回热器的R1234yf热泵系统能量分析和[火用]分析](https://img.taocdn.com/s3/m/54c4a7323c1ec5da51e27036.png)
收稿日期 $%&9:%":>% 基金项目 河北省自然科学基金资助项目! +$%&#$%=$>=" #河北省教育厅基金项目! l0$%&9&$"" 作者简介 王洪利!&=9"$" %男%博士%主要从事热力学()a$ 跨临界循环及节能技术研究%+:?7@5& 574Z@IMER5A&">6C4?#张率华%男%硕士
R+-./E )+1-8-./E )+)6E2&2*,[FHIJE,5-)%$A'$2E2%-' 3&%5&+%-.+)65-)%-805)+/-.
@:;< K*+/>6&& % YK:;< M5A)&>5A)& % D:;!->'&+$ !&6)455WMW4[,WZ755\UM87I] +IWUM8% 04UZR )R@I7;I@VWUP@Z84[QC@WICW7I] ^WCRI454M8% ^7IMPR7I %">$&%%
第 !" 卷 第 # 期((((((((((((
化(学(工(程
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EX ,U 1 和 由 ex,u (u u0 ) p0 (v v0 ) T0 (s s0 ) 计算 ex,u1 、 E X ,U 2 。 ex,u 2 、
(2) 蒸汽从初态膨胀到终态可能作出的最大有用功为
借可逆机计算冷量火用
EX,QL WA, max
An,QL QL EX ,QL
T QL 1 0 1 T 2 Q
2
1
T
T0 ( S 2 S1 ) Q0
E X ,Q
L
QL
与热量火用不同，冷量火用流的方向和冷量流 的方向是相反的。
En ,Q
冷量火用 Ex ,Q 和火无 在T－S图上的表示
2.环境状态 任何一个系统与环境处于热力学平衡的状态称为环境状态。 热力学平衡包括热平衡，力平衡和化学平衡。当不涉及化学 反应或扩散等系统时，系统可以与环境仅处于力平衡和热平衡， 称之为不完全热力学平衡。 当研究涉及化学反应系统，如后面的化学火用时，此时系统 与环境的平衡状态不但涉及力平衡和热平衡，而且还涉及化学 平衡，称之为完全热力学平衡。 西安交通大学热流科学与工程系
wA,max ex,u1 ex,u 2
WA,max mwA,max
(3)蒸汽在实际过程中的有用功为
wA w12 p0 (v2 v1 ) q (u2 u1 ) p0 (v2 v1 )
WA m wA
西安交通大学热流科学与工程系
高等工程热力学
3、封闭系统
在给定环境状态下，封闭系统从初态可逆地转变到终态 所能作出的最大有用功，只与初、终有关，与具体过程无关，
并等于系统内能火用的减少。
西安交通大学热流科学与工程系
高等工程热力学
例1
蒸汽贮于具有活塞的汽缸中，膨胀前蒸汽的状态为
10×105Pa和300℃，容积为0.015m3；膨胀后压力为1.4×105Pa，汽缸容
0.2197
不同温度 t 和 t 0 下卡诺系数的绝对值 1
T0 T
0
-50 0.2241 0.3137 0.4033 0.4929
-100 0.5775 0.6930 0.8085 0.9241
-150 1.2180 1.3804 1.5428 1.7052
-200 2.7341 3.0075 3.2809
p v T 1 v T T p p V
p p 可以证明： v s v T
且
c p / cV 1
p p 比 v T v s
6.5
封闭系统的火用
1、封闭系统的火用――热力学能（内能）火用
任一封闭系统从给定状态以可逆方式转变到环境状态，并只与环
境交换热量时所作出的最大有用功称为给定状态下封闭系统的火用。
2、封闭系统火用的表达式
1).物理模型 2).推导
由第一定律
又
Q dU W
W WA p0 dV
ex,w w p0 (v2 v1 )
可逆
E X, W
pdV p (V
1 0
2
2
V1 ) ( p p0 )dV
1
2
e x ,w ( p p0 )dv
1
2
2
An,W p0 (V2 V1 ) p0dV
1
2
an,w p0 (v2 v1 ) p0dv
1、稳定流动系统火用的计算式
1).物理模型
c
c0
计算稳定流动系统火用的用图 西安交通大学热流科学与工程系
高等工程热力学 ２)．稳定流动系统火用的计算式
c0
1 Q dH mdc 2 mg dz W A 2
c
Q QO T0 dS
T0 dS dH 1 mdc 2 mg dz W A,max 2 1 dH T0 dS mdc 2 mg dz 2
高等工程热力学
3、物理火用，化学火用 系统所具有的火用也会因基准状态选取不同而具有不同的 值。当我们研究的系统是不涉及化学反应和扩散的简单可压缩 系统时，常常选取不完全平衡环境状态作为基准状态，此时系 统能量所具有的火用称为能量的物理火用 。 当我们研究的系统涉及化学反应及扩散时，常取完全平 衡状态作为基准状态，此时系统所具有的火用是物理火用 和化学火用之和。 T0 条件下对于完 系统的能量的化学火用是系统在 p0 ， 全平衡环境状态因化学不平衡所具有的火用。 对于完全平衡环境状态
E X ,Q T0 Q(1 ) T
An ,Q Q
T0 T
西安交通大学热流科学与工程系
Q EX,Q An,Q
高等工程热力学
6.2
自然环境和环境状态
1、自然环境 周围自然环境当作一个具有不变压力 p0 ，不变温度 和不变化学组成的庞大而静止的物系，即便在接受或放出 T 0 热量和物质时，其压力、温度和化学组成仍保持不变。称 p0 为环境压力，称 T0 (t 0 )为环境温度。
1
2
T0 T
Q EX,Q An,Q
T
T0 eX,Q q1 1 T
2
T0
Ex,Q
T0 an,Q q 1 T
2
An,Q
S
图 2-1-2
西安交通大学热流科学与工程系
高等工程热力学
2、冷量火用
习惯上将 T T0 系统传递的热量称为冷量，即 冷量是系统在低于环境温度下通过边界所传递的热量。 因而冷量火用也就是低于环境温度的热量火用。
两部分所组成，不可能使火无转变为火用而不引起其它变化”。
西安交通大学热流科学与工程系
高等工程热力学
第6 章
6.1 能量和火用
物理火用
卡诺热机的热效率为 TL c 1 TH
当以温度为的周围环境为低温热源时，卡诺机的热效率为
T0 c 1 T
根据卡诺循环和卡诺定理，引出了热火用和热火无的概念
计算稳定流动系统火用的用图
WA,max
1 2 WA,max H H 0 T0 ( S S0 ) mc mgz 2 1 wA,max h h0 T0 ( s s0 ) c 2 gz 2
3.5543
-250 10.7991 11.6631 12.5270 13.3909
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e x ,q
2 1.5 1 0.5 0 100 200 T0 400 500 600 700
T (K )
热量火用 和温度T的关系
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1
2）．轴功和循环功的火用
E X ,Wsh Wsh E X ,W0 W0
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6.4
热量火用和冷量火用
1、热量火用及其在T-S 图上表示
E X ,Q
显然
T0 2 Q1 c Q 1 T 1
2
An,Q Q
计算封闭系统火用的用图
故
Q dU WA p0 dV
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由第二定律
dSiso
Q Q0
T T0
dS
Q0
T0
0
Q0 T0 dS Q Q0 T0 dS
故有
T0 dS dU WAmax p0 dV
wAmax du T0ds p0dv
wA,max (u1 u2 ) p0 (v1 v2 ) T0 (s1 s2 )
[(u1 u0 ) p0 (v1 v0 ) T0 (s1 s0 )] [(u2 u0 ) p0 (v2 v0 ) T0 (s2 s0 )]
(available energy)，能量中不能够转变为有用功的那部分能量
称为该能量的火无 (anergy) 或无效能(unavailable energy)
能量＝火用＋火无 引用火用的概念，可以将热力学第一定律表述为：“在 任何能量的转换过程中火用和火无的总和保持不变”。 可以将热力学第二定律表述为:“每种能量都是由火用和火无
1 m 0 d
m
图2-1-7
封闭系统火用在p-v图上的表示 西安交通大学热流科学与工程系
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只要证明循环是顺时钟向的，则封闭系统的火用（循环 功）就具有正值，否则火用为负值。
由
和
cV ds T
cp T p dp T v
T dv V p
EX EX,ph EX, ch
对于不完全平衡环境状态
EX EX, ph
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6.3
机械火用
E X m 1 mc 2 mgz 2
P0 P W
1、机械能火用
2、机械功火用
图 2-1-1
1）．体积变化功的火用
EX, w W p0 (V2 V1 )
高等工程热力学
第2 篇
能量系统的火用分析方法
19世纪50年代，克劳修斯在前人研究的基础上，概括
而又确切地阐述了热力学的两个基本定律。但由热力学第
二定律建立起来的能质概念，长期以来却缺乏理论上的认 识，迟迟地未能为工程技术界所接受。直到20世纪50年代， 火用 的概念被正式确立，参数火用 获得国际确认，才 结束了这种不合理状况，能量的品质概念才为越来越多的