热能转换与利用
能源转换与利用的基本原理与技术
能源转换与利用的基本原理与技术能源转换与利用是指将能量从一种形式转化为另一种形式，并将其应用于生产和生活领域。
这是人类社会发展的必然过程，也是实现可持续发展的重要手段。
本文将探讨能源转换与利用的基本原理和相关技术。
一、能源转换的基本原理能源转换是指将一种能源形式转化为另一种能源形式的过程。
其中最基本的能源转换是热能转化为机械能，这是利用传统火车、汽车和发电厂的基本原理。
在能源转换过程中，能源的种类和质量都发生了变化。
例如，热能转化为机械能时热能的质量降低，但机械能的质量增加。
这说明能源转换不是简单的物质或能量的转化，而是需要流体动力学、热力学和材料科学等多学科知识的综合应用。
二、能源转化的技术1. 太阳能转化技术太阳能是目前最受关注的清洁能源之一。
太阳能转化技术包括太阳能电池、太阳能光热技术和太阳能光电技术。
太阳能电池是利用已知的光电效应将太阳能转化为电能的器件。
太阳能光热技术是利用银镜和反光镜将太阳光能集中到一起，让太阳光成为高温的源头。
太阳能光电技术则是使用半导体和光学元件将太阳光转化为电力。
2. 核能转化技术核能是高效能的能源之一，因为核能的释放主要来自于原子核的裂变或聚变反应。
核能转化技术包括核反应器、核燃料等等。
核反应器是核能转化的核心设备。
它是将一定数量的核燃料装入反应堆内，从而在反应堆中产生核燃料进行核反应，使其释放能量并转化为热能，再将其转换为电能。
核燃料则是核反应堆的活性物质，它通常采用铀、钚等核稀有材料。
3. 化石能源转化技术化石能源是指石油、天然气和煤等在地球中形成的利用广泛的化学能源。
化石能源转化技术包括炼油、液化天然气和煤炭成分技术等。
炼油技术是将石油分离成多种组分化学品的过程，以获得能源和原料产品。
液化天然气技术是将天然气液化，降低其体积，从而方便运输和使用。
煤炭成分技术是指将煤炭加工分离成几种可用的化学和能源产品。
三、能源转化技术的优缺点能源转化技术有其优缺点。
下面将针对太阳能、核能和化石能源几种重要的能源来源进行讨论。
能源的转换和利用方法
能源的转换和利用方法能源是人类社会发展所不可或缺的资源，其转换和利用方法对于未来的可持续发展具有重要的意义。
本文将从能源的转换和利用两个方面入手，探讨现有的能源转换和利用方法以及未来的发展趋势。
一、能源的转换能源的转换指的是将一种能源转换成另一种可利用的能源。
目前常用的能源转换方法包括热能转换、化学能转换、电能转换和光能转换。
1. 热能转换热能转换是指将热能转化为机械能的过程，包括蒸汽轮机、内燃机和燃气轮机等。
其中，蒸汽轮机是最常见的一种热能转换装置，可以将水热能转化为机械能。
内燃机和燃气轮机则是在燃烧燃料后直接转化热能为机械能。
2. 化学能转换化学能转换是将化学能转化为热能、电能或机械能的过程，包括化石能源的利用和燃料电池等。
化石能源的利用是指将化学能转化为热能和电能的过程，包括燃煤发电、燃气发电和燃油发电等。
而燃料电池则是将氢气和氧气反应产生电能的过程。
3. 电能转换电能转换是指将电能转化为其他形式的能源的过程，包括电机、变压器和电池等。
其中，电机是将电能转化为机械能的装置；变压器则是将电能转化为不同电压的装置；电池则是将化学能转化为电能的装置。
4. 光能转换光能转换是指将太阳能转化为电能或热能的过程，包括光伏发电和太阳热能利用等。
光伏发电是将太阳能转化为电能的过程，利用光伏电池将光能转化为电能；太阳热能利用则是通过集热器将太阳能转化为热能，用于制热或制冷等领域。
二、能源的利用能源的利用指的是将转换后的能源应用到不同的领域。
目前常用的能源利用方式包括工业、交通和居民用能等。
1. 工业工业领域是能源利用最为广泛的领域之一，包括制造、建筑、冶金和化工等领域。
其中，制造业用能最为广泛，包括钢铁、水泥、玻璃和纸张等行业。
在能源利用方面，工业领域主要采用化石能源和电能，其中化石能源占据主导地位。
2. 交通交通领域是能源消耗最为庞大的领域之一，主要包括道路交通、铁路交通、航空交通和船舶交通等。
在能源利用方面，交通领域主要采用化石能源和电能，其中化石能源占据主导地位。
热能的转换和利用
热能的转换和利用热能是一种常见的能量形式，它存在于我们日常生活的各个方面。
为了提高能源利用效率和保护环境，我们需要深入理解和掌握热能的转换和利用方式。
本文将探讨热能的转换和利用原理，并介绍一些常见的应用。
一、热能转换的原理热能转换的基本原理是热量的传导、对流和辐射三种方式。
在传导方面，热量通过物质内部分子的碰撞传递。
对流是指热量通过流体的运动传递。
辐射是指热量以电磁波的形式传播。
在实际转换过程中，常常会涉及到这三种方式的综合作用。
二、热能利用的方式1. 热能利用于发电热能转换为电能是常见的热能利用方式之一。
一种常见的方式是利用燃煤、天然气等燃料燃烧产生高温高压蒸汽，通过蒸汽驱动涡轮发电机转动，进而产生电能。
这种方式被广泛应用于火力发电厂。
另一种方式是利用核能反应释放的热能，通过控制核反应堆中的核链反应来产生蒸汽驱动涡轮发电机。
2. 热能利用于供暖热能转换为供暖是我们日常生活中常见的应用。
一种常用的方式是利用燃气锅炉或燃煤锅炉燃烧燃料，产生热能加热水或蒸汽，通过管道输送到房间供暖。
此外，太阳能热能也可以用于供暖，通过太阳能集热器将太阳光转换为热能，再利用水循环或空气对流系统将热能传递到室内。
3. 热能利用于制冷制冷领域也是热能利用的重要领域之一。
热泵是一种常见的利用热能制冷的设备，它通过外界低温热能源（如空气、水、土壤等）提取热能，经过压缩冷却循环实现制冷效果。
这种方式能够节约能源并保护环境。
4. 热能利用于加热热能利用于加热是我们生活中常见的使用方式。
例如，电热水器使用电能将热能转换为热水，用于洗浴和清洁。
电暖气使用电能将热能转换为热空气，用于室内取暖。
这些设备都是通过将电能转换为热能来满足我们的生活和工作需求。
三、热能转换和利用的挑战与展望由于热能转换和利用过程中会存在能量损耗和环境污染等问题，因此我们需要不断研究和改进相关技术，提高能源利用效率，降低能源消耗。
同时，开发利用新能源和可再生能源也是未来的发展方向。
热力学和热能转化
热力学和热能转化热力学是研究物质能量转移和转化规律的科学，是现代科学的基础之一。
而热能转化则是热力学研究的核心内容之一。
下面将探讨热力学和热能转化的相关知识和应用。
一、热力学的基本原理热力学研究的首要问题是热能的转化规律。
根据热力学第一定律，能量在系统和外界之间可以转化，但是在转化过程中能量的总量保持不变。
这一定律被称为能量守恒定律，是热力学的基本原理之一。
热力学第二定律是热力学的另一个基本原理。
根据第二定律，热量只能从高温物体传递到低温物体，热量不会自发地从低温物体传递到高温物体。
这种不可逆性是热力学研究的重要内容之一。
二、热能的转化方式在热力学中，热能可以通过以下几种方式进行转化：1. 热传导：热传导是热能沿着物体内部传递的过程，它是由分子之间的相互作用引起的。
热传导的速率与物体的热导率和温度梯度有关。
2. 热辐射：热辐射是指物体在温度差的作用下，通过电磁波的辐射将热能传递到周围环境中。
所有物体在绝对零度以上都会发出热辐射，而辐射的能量与物体的温度密切相关。
3. 热对流：热对流是指流体中的热能传递过程。
当物体被加热时，流体会因为密度变化而产生对流现象，从而将热能传递到周围环境中。
三、热能转化的应用热能转化在现实生活和工业生产中有着广泛的应用。
以下是其中一些应用领域的简要介绍：1. 动力工程：热能转化在动力工程中起着至关重要的作用。
例如，汽车引擎将燃料的化学能转化为机械能，从而驱动车辆运行。
发电厂也是利用热能转化来产生电力的。
2. 热泵技术：热泵技术是一种利用外界热源将低温热能转化为高温热能的技术。
它可以被广泛应用于供暖和空调领域。
通过逆转热转换过程，热泵可以将外界的低温热量转化为高温热能，实现室内温度的升高或降低。
3. 太阳能利用：太阳能是一种重要的可再生能源，它的利用主要依靠太阳辐射能的转化。
太阳能光热发电和太阳能光伏发电就是利用热能转化的例子。
太阳能光热发电利用太阳能将水加热为高温蒸汽，驱动发电机发电；太阳能光伏发电则利用太阳能将光能直接转化为电能。
太阳能热利用技术
用户指南农业和农村节能减排十大技术之三———太阳能热利用技术太阳能—热能转换利用技术和太阳能—电能转换利用技术是常见的太阳能利用方式。
其中，太阳能—热能转换利用技术主要包括太阳房、太阳热水器、阳光温室大棚、太阳灶等。
一太阳房（被动式太阳房）太阳房是一种利用太阳能采暖或降温的房子，用于冬季采暖目的的叫做“太阳暖房”，用于夏季降温或制冷目的的叫做“太阳冷房”。
人们常见加之利用的是“太阳暖房”。
按目前国际上的惯用名称，太阳房分为主动式和被动式两大类。
主动式太阳房的一次性投资大，设备利用率低，维修管理工作量大，而且需要耗费一定量的常规能源。
因此，对于居住建筑和中小型公共建筑已经为被动式太阳房所代替。
被动式太阳房具有构造简单，造价低，不需特殊维护管理，节约常规能源和减少空气污染等许多独特的优点。
被动式太阳房作为节能建筑的一种形式，集绝热、集热、蓄热为一体，成为节能建筑中具有广泛推广价值的一种建筑形式。
以下介绍这种太阳房的建造技术概要。
（一）结构类型被动式太阳房的基本结构类型包括直接受益式、集热蓄热墙式、附加阳光间式、贮热屋顶式和自然对流回路式等五类。
1.直接受益式太阳房这是被动式太阳房中最简单的一种，它是利用南窗直接接受太阳辐射能。
太阳辐射能通过窗户直接照射到室内地面、墙壁及其他物体上，使它们表面温度升高，通过自然对流换热，用部分能量加热室内空气。
另一部分能量则贮存在地面、墙壁等物体内部，当太阳辐射消失或室内温度下降时再向室内释放，使室温维持在一定水平。
2.集热蓄热墙式太阳房这种类型的太阳房是间接受益太阳能采暖系统。
阳光首先照射到置于太阳与房屋之间的一道带透明外罩的深色贮热墙上，加热墙体与盖板之间的空气，然后通过贮热墙上风口将热量导入室内，另一部分是通过墙体的导热向室内供热。
3.附加阳光间式太阳房该类型的太阳房是集热蓄热墙式太阳房系统的一种发展。
主要是将透明盖层与墙之间的空气夹层加一个通道，形成一个可以使用的空间———附加阳光间（也可以称附加温室）。
空气能和太阳能的热能转换的原理
空气能和太阳能的热能转换的原理随着环保理念的逐渐深入人心，新能源逐渐成为了社会关注的热点。
而在新能源中，空气能和太阳能可以说是两种比较热门的形式，尤其是在冬季供暖和夏季制冷方面。
那么，空气能和太阳能是如何将热能转换为可利用的能量呢？现在我们来一步步地解析。
1. 空气能的热能转换原理空气能是指根据空气的温度差别，利用热泵冷凝制冷剂的物理特性，通过压缩制冷与蒸发换热的原理，实现空气和水的相互热换。
其主要原理可分为以下几个步骤：（1）压缩制冷将低温、低压的蒸汽通过压缩机的作用，进一步压缩和加热，使其变成高温、高压的蒸汽。
（2）冷凝放热将高温高压的蒸汽通过散热器释放出来，变成低温液体。
这一步放出的热量就可以被利用，如制热用。
（3）膨胀制冷将高温、高压的液体通过减压器降至低温、低压，进入蒸发器，从而使得制冷剂液体变成低温蒸汽，运转循环。
这个过程，也会释放出一些热量。
（4）蒸发吸热低温蒸汽通过蒸发器，吸收空气中的热能，变成高温、低压蒸汽，等待再次进入压缩机进行重复循环。
2. 太阳能的热能转换原理地球上接受到太阳光的能量占全球总能量的1%，其中大部分的能量被大气层、云层吸收，仅有一部分的能量能够照到地表，而这部分能量就可以被我们利用到。
太阳能的热能转换主要可以通过以下几个步骤实现。
（1）太阳光辐射太阳能是一种光能，在光线当中，紫外线的照射强度最高。
虽然大气层可以吸收大部分的紫外线，但是一部分仍可以穿透大气层，直接照射到地表。
这就是我们常说的太阳光辐射。
（2）吸收传导当太阳光照射到一个物体表面时，光能将被吸收，将被转化为热能，从而使表面温度升高。
这个过程也会使得物体表面逐渐透出热能，这就是传导现象。
透出的热能可以通过直接对流和辐射传递到周围。
（3）储存水箱在太阳能供热系统中，一般会设置一个储存水箱，用于收集从太阳板上吸收来的热能，并保留一段时间。
当室内温度低于所设温度时，热水泵就会工作将热能提取到室内加热空气供暖。
热能转换与利用 第二章课件
工设备的 效率。 8.通过锅炉的热平衡与 平衡、钢材连续加热炉的热平
衡与 平衡的例子进一步熟练 分析。 9.了解 的性质、 分析的作用、 分析的发展。
2–1 能量转换
钢铁企业中涉及到的主要能的形式有：热能、 机械能、电能、化学能
T0
c
pT0
T T0
dT T
cp[(T
T0
)
T0
ln
T T0
]
cp
(T
T0
)[1
T
T0 T0
ln
T T0
]
h
h0
1
T
T0 T0
ln
T T0
它的能级为
T
exT h h0
1 T0 T T0
T ln
T0
如果需要考虑比热容 cp随温度变化时，一般把比热容与 温度的关系表示成幂函数的关系：
本章知识点
1.理解能量转换与平衡； 2.理解 的概念、熟练 的计算、了
解 的平衡、掌握 损失计算； 3.学会 分析，以及 分析的举例，
分析的意义。
本章重点
1.了解能量转换； 2.理解能量平衡； 3.掌握 的概念； 4.熟练各种 的计算包括温度 、潜热 、压力 、
混合气体的 、化学 。 5.深入理解流动过程、混合过程、分离过程的 平衡。 6.掌握燃烧 损失、传热 损失、散热等 损失、燃烧
1kWh=860kcal=3600kJ
2.3 （可用能）
根据能量可转换性的不同，可以把能量分为三类： 高级能：可以不受限制地完全转换的能量 中级能：具有部分转换能力的能量 低级能：完全没有转换能力的能量 热能属于第二类能量：它具有的可用能取决于它的状态参 数（温度、压力等），同时与环境状态有关。当参数与环境相 同，即与环境处于平衡状态时，其 值为零。但是，只要与环 境处于不平衡状态，它就具有一定的 值。 为了衡量能量的可用性，提出以“可用能”或“ ”作为 衡量能量质量的物理量。
物理学中的能量转换与利用
物理学中的能量转换与利用能量转换是指将一种形式的能量转化为另一种形式的过程。
在物理学中，能量转换是非常重要的一部分。
人们研究能量转换和利用，旨在实现高效能量利用和环境保护。
本文将介绍一些关于能量转换和利用的知识。
一、热能转换热能是指由物体温度不同所具有的能量。
热能可以被转换为机械能、电能等。
例如，蒸汽涡轮发电机通过将水加热并形成蒸汽，然后将蒸汽通过高速涡轮和发电机转换为电能，实现了热能到电能的转换。
另外，热能还可以转换为光能。
太阳能就是一种将热能转化为光能的方式。
太阳能系统中，太阳能电池板通过将太阳能的热量转化为电能，来为家庭供电。
二、机械能转换机械能是由物体的运动所具有的能量。
机械能转化是指将机械能转化为其他类型的能量。
例如，人力发电机就是一种将人的机械能转化为电能的方式。
当人们通过使用自行车等方式来发电时，他们的机械能将被转换为电能。
另外，机械能还可以被用于电能的转换。
涡轮机是一个通过机械能将热能转化为电能的例子。
涡轮机被广泛用于火力发电站和核电站中，来将燃料或热能的能量转化为电能。
三、化学能转换化学能是物质在化学反应中所具有的能量。
化学能可以被转换为其他类型的能量，例如电能、热能等。
例如，燃煤发电机将燃料中的化学能转换为热能，然后将热能转化为电能。
另外，化学能还可以被用于燃料电池。
燃料电池是一种将化学能转化为电能的装置。
例如，氢气燃料电池通过将氢气和氧气进行反应来释放能量，从而产生电能和热能。
四、光能转换光能是由光子所具有的能量，光能可以被转换为其他类型的能量。
例如，光伏发电机将阳光中的光能转换为电能。
光伏发电机通过将光子射入太阳能电池板中，来将太阳能转化为电能。
另外，光能还可以被用于激光加工。
激光是一种将光能转化为热能的过程。
例如，激光切割机可以通过将激光束聚焦在金属、玻璃等材料上，将光能转化为热能，从而切割材料。
总结能量转换和利用是人类为满足能源需求所进行的探索和尝试，其涉及到物理、化学、电子学等方面的知识。
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M.A. Khalighi
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余热回收原则：（1）回收效率尽可能高 （2）回收成本尽可能低、或投资回收期尽可能短 （3）适应负荷变化的能力强 气体：200°C以上 高温 液体：80°C以上 固体： 500°C以上（固体一般只回收高温大量）
余热回收优先顺序：1、气体高温大量 2、气体高温小量 3、液体高温大量 4、固体高温大 5、气体低温大量 6、液体高温小量 7、气体低温小量 8、液体低温大量 9、液体低温小量
M.A. Khalighi
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吨钢综合能耗=耗能量/钢产量
良锭量+良连铸坯量+良铸钢水量 80%以上是燃料的热能 消耗 钢铁企业的能源利用与节能途径：增加产量、提高生产率、改进生产工艺过程、提高设备效率、改善能 源管理、加强余热回收 余热：属于二次能源，凡是具有一定温度的排气、排液和高温待冷却的物料所包含的 热能、衡量余热不仅要看它的数量、还要看它的质量（火用） 直接利用 利用途径 供热泵用 动力回收 预热空气或煤气 预热或干燥物料 生产蒸汽或热水或制冷
一、概述
再生资源 非可再生资源 二次能源 蒸汽、电能、石油、液 化气等
一次能源 能源分类
能源结构
生产结构：是指各种能源的生产量在这整个能源工业总产量中所占比重。 消费结构：是指国民经济各部分所消费的各种能源量占能源总消费量的比重。
作用 通过对能源结构的分析，可以使我们从能源生产和消费的平衡关系中，看出能源结构的特点和结构是否合 理，以及能源有效利用情况。通过分析能源结构的变化，还可以预测能源能源发展方向、趋势。为今后确定能源 发展方向，规划能源生产提供依据。 单位能耗=该产品总耗能量／产品总产量 能源有效利用程度指标 能源利用率＝有效利用的能量／能源消费量 能源主要形式：热能
M.A. Khalighi
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工业炉烟气余热回收系统
1、工业炉烟气焓值的计算 Hy=VytyCy=Bhy hy= VntyCy
2、工业炉烟气余热回收量 Qyr=(Hy-H2y)ηsr=Hyηyr =VyCy(ty-t2y)ηsr
Hy、H2y为烟气进、出余热设备的总焓 ηsr为回收设备的散热损失系数 ηyr为余热设备的热效率，即余热的回收率 ty、t2y为进、出余热回收设备时的温度
各种余热回收基本途径： 炉子排气 气体余热
烟气
空气余热器 直接利用
热风
热
内部循环
重新利用
水蒸气
热泵 冷凝水回收 有机热媒体冷却 汽化冷却
蒸气
热水 热水 蒸气 蒸汽
重新利用
锅炉给水 直接利用 或发电
冷凝水
冷却水 液体余热 间接冷却水
直接冷却水
热泵
热水、蒸气、冷水
空调
M.A. Khalighi
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产品、副产品显热
M.A. Khalighi
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工业企业中的热能利用
重油
天然气
钢铁企业购入的能源 电力 洗精煤：占50%。用于炼焦 煤炭 无烟煤：用于烧结和高炉喷吹 动力煤：自备电厂发电、工业锅炉、蒸汽机其它窑炉
占总能耗的70%
工序能耗=耗能量/产品产量 能耗指标 整个企业能耗
耗能量=购入量±库存量变化－外销量
Φ=
(Bo-B) Ql BQr
=
Bo Ql Qx+Qs
=
Ql Ql-VntyCy
燃料的发热量越低，炉尾烟气温度越高，空气系数越大时，采用预热器回收热量的燃料转换率越高。
M.A. Khalighi
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余热锅炉际可提供给热用户的热量Q为： Q=ηx QKL 余热锅炉代替供热锅炉可节约的燃料量为 ηx供热系统热效率 ηg供热锅炉的效率 QKL= ∆B1= 3600Q 7000×4.186ηg
B=
Qx+ Qs Ql+ Qr -VntyCy
设置预热器后燃料节约量为 Ql+ Qr -VntyCy ∆B 燃料的节约率为Sf= B0 由此可见，空气预热温度越高，节约燃料效果越显著；发热量低的燃料采用空气预热效果 比发热量高时要显著 （2）燃料转化率 采用预热器节约的燃料量将超过预热器回收热量相当的燃料量。这是因为预热空气或煤气返回到炉内的 热量，可在炉内得到充分地有效利用，没有再变成废气的显热而从炉内排出。而向炉内投入同样热量的 燃料时，随着燃料量增加，相应地烟气量也增加，一部分热被烟气带走，只有一部分在炉内被有效利用 预热器节约的燃料发热量与回收的热量之比称为燃料转换率，用Φ表示，则 ∆B=B0-B=B0 Qr
B0为工业炉在未设置预热器时的燃料消耗量 Ql为燃料低发热量 Qx为有效利用的热量为 Qs为散热等损失为 Vn为单位燃料的烟气量为 ty为出炉膛的烟气温度
M.A. Khalighi
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在设置预热器后，设预热器回收的热量为Qr ，此时的燃料消耗量为B，则热平衡关系是 B(Ql+ Qr)= Qx+ -Qs+ BVntyCy
对不能直接利用的低温余热，可以将它作为热泵系统的低温热源，通 过热泵提高其温度水平，然后加以利用。
余热发电1)利用余热锅炉首先产生蒸汽，再通过汽轮发电机组，按凝 气循环或被压供热循环发电。2）以高温余热作为燃气轮机工质的热 源经加热的工质推动汽轮机做功。在带动压力机工作的同时，带动发 电机发电。3）采用低沸点工质回收中低温余热产生的蒸汽按郎肯循 环再透平中膨胀做功，带动发电机发电。
Hy为工业炉烟气焓值 Vy为烟气量 ty为烟气温度 Cy为烟气平均定压比热 B为工业炉燃料消耗量 hy为单位燃料的烟气焓 Vn为单位燃料产生的烟气量
3、工业炉烟气余热回收方法
约燃料的目的
回收工业炉烟气余热的最简单、最有效的方法是设置预热器。助燃空气或燃料将热量带回到炉内，起到直接节
（1）预热器的燃料节约率 B0Ql=Qx+Qs+Bo VntyCy Bo= Qx+Qs Ql- VntyCy
固体余热
热媒
余热锅炉
蒸气
直接利用 或发电
燃烧
副产气体 化学潜热 回收 工艺余压 余压能 燃气透平
热
重新利用
燃料 电力
利用 利用
高炉炉顶气压能的回收
气体通过透平绝热膨胀时，具有的最大做功能力为进口与出口火用之差即 Wmax=(h1-h2)-T0（S1-S2t）=h1-h2t 如果把高炉视为理想气体，则 Wmax=h1-h2t=CP(T1-T2t) 对绝热膨胀过程，实际对外作的功仍可根据进出口的实际焓值计算。因此，实际作出的功 可表示为 W=（h1-h2t）ηn,T