第二篇1章 能量系统的火用分析方法讲解
第二篇1章 能量系统的火用分析方法
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，
简单系统火用分析
火用分析摘要：火力发电厂，是利用煤、石油、天然气作为燃料生产电能的工厂，它的基本生产过程是：燃料在锅炉中燃烧加热水使成为蒸汽，在这过程中燃料的化学能转变成热能，蒸汽压力推动汽轮机旋转，热能转换成机械能，然后汽轮机带动发电机旋转，将机械能转变成电能。
本文主要在分析了火力发电厂热动力装置的工作原理后，提出系统火用分析数学模型及火用分析法，通过分析每个单元的火用损失，并由此建立简单蒸汽动力循环的火用平衡方程。
关键词：数学模型 火用分析 火用损 火用平衡方程火用分析的研究现状长期以来人们在不断探求能量系统的分析方法，近几年来人们对节能关注度很高，特别地人类能源面临着匮乏的危机，加大了各个国家在各个领域节能技术的研究，为此，火用分析理论对过程的热力学分析、工艺过程节能降耗和新工艺的开发设计有着十分重要的作用而得到迅速的发展。
人们通过对生产工艺系统的火用分析，可以展示系统用火用的状况。
揭示火用损分布规律，由此得到对系统能量的科学评价目前，国内外在石化、动力、冶金、制冷等技术领域以及以火用方法评价和指导用能实践，已获得日益广泛的应用。
目前，美国已经将火用分析方法用于热力系统的经济分析中，而我国在实际火电机组热力系统的分析方法都是依据热力学第一定律，依然还是建立在能量量的守恒上。
也有一些学者做出了基于热力学第二定律的分析研究，但这些优化方法多是理论指导只是单一的因素，还缺乏应用实践。
所以，我们的研究水平与发达国家还有很大的差距，为了热力系统的经济性、安全性以及更准确可靠地评价热力系统，这些方面的研究有待进一步的完善和发展火用分析的基本知识（一） 火用的定义和意义热力学定义：在环境条件下任意形式的能量中理论上能够转变为有用功的那部分能量称为该能量的火用，而不能转变为用用功的那部分能量称为火无。
于是，我们可以将任何一种形式的能量都看成是由火用和火无组成的 ： 能量=火用+火无 即：n x A E E +=用火用的概念将热力学第一定律可以描述为：任何能量转换的过程，火用和火无的总和保持不变。
节能的热力学原理 -热力学第二定律III-火用损失和平衡方程式
E X ,Q E X ,W E X , L E X ,U
㶲损失： 其中，
E X , L E X ,Q E X ,U E X ,W
E X ,Q
2
Hale Waihona Puke 1 T0 1 T
Q
E X ,Wu Wu W p0 V2 V1
E X ,U U 2 U1 T0 ( S 2 S1 ) p0 (V2 V1 )
EX ,L
1 TH TL 1 T0 Q T0 Q TH TL TL TH
在相同传热温差条件下，高温的㶲损失比低温的 要小； 如果要求㶲损失不超过某一定值，那么温度水平 高（锅炉）的情况允许使用较大温差；反之，温度 水平低（低温换热量）的情况只允许使用较小的传 热温差。
入-(出+损)=增量
闭口系㶲平衡方程及㶲损失
以汽缸里的气体作为研究对象， 热力学第一定律： 系统所得的㶲量： 从热源得到的热量㶲EX,Q 输出的㶲： 对外所做的有用功EX,W 系统㶲的增量：内能㶲的增量△EX,U 设㶲损为EX,L
1 2 W
Q U W
Q
㶲的一般关系式：入- (出+损) =增量 根据㶲平衡方程：
这一点具有很大的实用意义，因为传递一定 热量时，换热器的面积与冷、热流体的传热温差 成反比，故而低温换热器比高温换热器的传热面 积大。
换热器的㶲平衡方程和㶲损失
EX ,L
1 TH TL 1 T0 Q T0 Q TH TL TL TH
•
TH和TL一般随热量传递而变化，需通过积分求解 传递一定热量的㶲损失，计算困难；
•
㶲损失：(1)冷、热流体温差传热; (2)工质粘性 摩擦阻力。
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
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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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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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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
第二章 燃烧系统讲解
第二章燃烧系统第一节燃烧概况一概述燃烧方式采用从美国阿尔斯通能源公司引进的摆动式四角切圆燃烧技术。
本燃烧设备燃煤为神府东胜煤，采用中速磨煤机、冷一次风机、正压直吹式制粉系统设计，煤粉燃烧器为四角布置、切向燃烧、摆动式燃烧器。
燃烧器共设置六层煤粉喷嘴，锅炉配置6台HP1003型中速磨煤机，每台磨的出口由四根煤粉管接至炉膛四角的同一层煤粉喷嘴，锅炉MCR和ECR负荷时均投5层，另一层备用，煤粉细度R75=25%。
燃烧方式采用低NOx同轴燃烧系统（LNCFS）。
通过分析煤粉燃烧时NOx的生成机理，低NOx煤粉燃烧系统设计的主要任务是减少挥发份氮转化成NOx，其主要方法是建立早期着火和使用控制氧量的燃料/空气分段燃烧技术。
LNCFS的主要组件为：a.紧凑燃尽风（CCOFA）；b.可水平摆动的分离燃尽风（SOFA）；c.预置水平偏角的辅助风喷嘴（CFS）；d.强化着火（EI）煤粉喷嘴。
LNCFS在降低NOx排放的同时，着重考虑提高锅炉不投油低负荷稳燃能力和燃烧效率。
通过技术的不断更新，LNCFS在防止炉内结渣、高温腐蚀和降低炉膛出口烟温偏差等方面，同样具有独特的效果。
主风箱设有6层强化着火煤粉喷嘴，在煤粉喷嘴四周布置有燃料风（周界风）。
在每相邻2层煤粉喷嘴之间布置有1层辅助风喷嘴，其中包括上下2只偏置的CFS喷嘴，1只直吹风喷嘴。
在主风箱上部设有2层CCOFA（Closed-coupled OFA，紧凑燃尽风）喷嘴，在主风箱下部设有1层UFA （Underfire Air，火下风）喷嘴。
参见图1：煤粉燃烧器布置图。
在主风箱上部布置有SOFA（Separated OFA，分离燃尽风）燃烧器，包括5层可水平摆动的分离燃尽风（SOFA）喷嘴。
参见图2：SOFA燃烧器布置图。
连同煤粉喷嘴的周界风，每角主燃烧器和SOFA燃烧器各有二次风挡板25组，均由电动执行器单独操作。
为满足锅炉汽温调节的需要，主燃烧器喷嘴采用摆动结构，由内外连杆组成一个摆动系统，由一台气动执行器集中带动作上下摆动。
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。
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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 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 物理火用
6.1 能量和火用
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。
系统的能量的化学火用是系统在 p0 ，T0 条件下对于完 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
EX EX,ph EX,ch
对于不完全平衡环境状态
EX EX,ph
火用的概念是进行火用值计算和工程火用分析的理论 基础，它不仅完善、丰富了工程热力学的理论，而且对现 代能源应用科学产生了深远的影响。 西安交通大学热流科学与工程系
高等工程热力学
我们把在周围环境条件下任一形式的能量中理论上能够转变 为有用功的那部分能量称为该能量的火用(exergy)或有效能 (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)
表2-1-1
不同温度
t
和
t0
下卡诺系数的绝对值
1 T0 T
t,℃ t0,℃
0
-50
-100
-150
-200
-250
0
0
0.2241 0.5775 1.2180 2.7341 10.7991
20
0.0732 0.3137 0.6930 1.3804 3.0075 11.6631
40
0.1464 0.4033 0.8085 1.5428 3.2809 12.5270
1
1
1
2
2
An,W p0 (V2 V1) 1 p0dV an,w p0 (v2 v1) 1 p0dv
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
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6.3 机械火用 1、机械能火用 2、机械功火用
EXm
1 mc2 2
mgz
P0
P
W
图 2-1-1
1）．体积变化功的火用
可逆
EX,w W p0 (V2 V1 )
ex,w w p0 (v2 v1 )
2
2
2
EX,W pdV p0 (V2 V1) ( p p0 )dV ex,w ( p p0 )dv
60
0.2197
0.4929 0.9241 1.7052 3.5543
13.3909
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ex,q 2
1.5 1
0.5
0 100 200 T0 400 500 600 700 热量火用 和温度T的关系
T (K)
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6.5 封闭系统的火用
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
T和0 不变化学组成的庞大而静止的物系，即便在接受或放出
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 (t0 )为环境温度。
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
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。
借可逆机计算冷量火用
EX,QL WA,max
2
1
QL
1
T0 T
2 Q
An,QL QL EX,QL 1 T T0 (S2 S1) Q0
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 人所接受，并开始走向工程应用。
卡诺热机的热效率为
c
1
TL 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
c
1
T0 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
EX,Q
Q(1 T0 ) T
Q EX,Q An,Q
An,Q
Q T0 T
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6.2 自然环境和环境状态
EX,Q
2
Q1
T0
1 T
2
1 c Q
An,Q
2
Q
T0
1T
显然
Q EX,Q An,Q
T
eX,Q
2
q1
T0
1 T
an,Q
2
q
T0
1T
Ex,Q
T0
S
An,Q
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
EX ,QL
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。
冷量火用 Ex,Q和火无 En,Q 在T－S图上的表示
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冷量火用也可以写成卡诺系数与该冷量的乘积，即
2
2
EX,QL
c Q
1
；或 ex,qL
c qL
1
或 EX,QL c QL ； ex,qL c qL
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。
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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 。