第五章、火用 分析基础(课堂PPT)
工程热力学 第五章(3) 图文
T0
cp
ln
T1 T0
R ln
p1 p0
p0
RT1 p1
RT0 p0
RT0 ln
p1 p0
p0 p1
1
244kJ
/ kg
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
exu=?
w
假定 q 通过可逆热机作功 w’
exu = w ’’= w + w ’
q w ’’
w’
q'
T0
闭口系统内能的Ex与An
热一律：
q ' u0 u1 w ''
热二律：
q'
siso s0 s1 T0 0
q ' T0 s0 s1
w '' u1 u0 T0 s1 s0
E Ex An
Yong的理解
热力系只与环境相互作用、从任意状态可逆地 变化到与环境平衡时，才能作出最大的有用功。
当系统由一任意状态可逆地变化到与给定 环境相平衡的状态时，理论上可以无限转换 为任何其它能量形式的那部分能量，称为Ex
功
100%相互转换
能量中除了 Ex 的部分，就是 An
E Ex An
求：该膨胀过程对外界的最大有用功
exu1
RT0 ln
p1 p0
p0 p1
1
244kJ
/ kg
exu2
RT0
ln
p2 p0
p0 p2
机械能、电能：An=0 Ex=E 环境介质中的热能： Ex=0
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
5火用分析基础
Ex损失、作功能力损失、能量贬值
任何一孤立系， Ex只能不变或减少，
火用值的计算
5.2.1功源火用 电能，机械能，水利能，风能等功源可以百分 之百的用以完成功可以直接转化为机械能。
功源火用值=功源总能量
5.2.2热量火用
热量火用是指温度高于环境温度的系统与外界传
3.做功程除环境外无其他功源参与作用。
火用（
Exergy ）：
当系统由一任意状态可逆地变化到与给定环境相平 衡的状态时可以做的最大理论功，称为火用。用Ex表 示。
Anergy 理论上不能转化为有用功的能量（不能转化 为火用的能量）。用An表示
火无：
三种不同品质的能量
1、可无限转换的能量
（Ex）
高级能量
ex (u u0 ) T0 ( s s0 ) p0 (v v0 )
2.开系工质物理火用 稳定流动系统A（p，T） 环境O（p0 ， T0）
孤立系统
让稳定流动系统A同样先经过绝热过程，在经过定温
过程，变化到与环境相平衡，所完成的技术功为开系 工质的物理火用
q h wt h0 h wt q qA B qB O 0 T0 ( s0 s)
理论上可以完全转换为功的能量 如：机械能、电能、水能、风能
2、不能转换的能量 （An） 理论上不能转换为功的能量 如：环境（大气、海洋） 3、可有限转换的能量 （Ex+An）
理论上不能完全转换为功的能量
如：热能、焓、内能
低级能量
E Ex An e ex an
能量在转换过程中，火用和火无的总和恒定不变。
（能量守恒定律的又一种表述）
可逆过程：熵产为0，没有功损失，能量不贬值
热力学-5火用分析基础解析
工程热力学5教师：李建明电话：85407591 电子信箱：lijmo@2010年2月5 火用分析基础5.1 火用和火无的基本概念•热能中有可用能和不可用能•热能转换机械能的最大能力为多大？受什么限制？•能量不仅有数量，还有品质•可用能——就是可以连续地全部转变为功的能•不可用能——不可能转变为功的能•按照转变为功的可能性，可以把能分为可用能和不可用能两大类•电能、机械能在理论上可以百分之百地转化为其他形式的能，所以是可用能•大气、海洋等环境物体的热力学能是不可用能•火用——能量的做功能力•如何确定火用–以给定环境为基准，在该环境状态下火用值为零–做功过程是完全可逆过程，这样才能获得理论功–过程中，除环境外，无其他热源或功源参与作用，功全部由物质的能量转化而得•火用是系统由任一状态经可逆过程变化到与给定环境状态相平衡时所做的最大理论功•火无是一切不能转换为火用的能量•任何能量 E 都由火用 E x 和火无 A n 两部分组成 nx A E E +=nx a e e +=•能量的可转换性、火用和火无–对于可无限转换的能量，火无等于 0，如机械能、电能全为火用，即能量等于火用–对于不可转换的能量，火用等于 0，如环境介质中的热能全为火无•系统出现不可逆过程，d sg 大于 0，必然有机械能损失，体系做功能力降低，即必然有火用损失，有火无增量•火用损（或火无增）可以作为不可逆尺度的又一个度量•5.2 火用值的计算–火用的基本含义是表示系统的理论做功能力–系统之所以具有做功能力，是由于系统与环境之间存在着某种不平衡势火用热量火用冷量火用物质或物流火用功源火用电力、水力、风力地力、波浪化学、物理动能、位能扩散5.2.1 功源火用•电能、水力能、风能等功源可以百分之百地被用以完成功，都可以直接转化为机械能，理论上功源火用值与功源总能量相等5.2.2 热量火用•定义–温度为 T 0 的环境条件下，系统（T > T 0 ）所提供的热量中可转化为有用功的最大值，用 E x, Q 表示•如果以环境为冷源，系统为热源，依照热力学第二定律，热量火用和热量火无分别为 Q T T E Q A Q T T E Qx Q n Q x δδδδδ1δ0,,0,=-=⎪⎭⎫ ⎝⎛-=ST E Q A ST Q E Q x Q n Q x ∆=-=∆-=0,,0,•对于循环，由于各过程是可逆的，热量火用和热量火无分别为系统以恒温 T 供热时，公式同上pv 21 5 4 3 6 T s2 1 5 43 6 ExQ E xQ A nQA nQ•热量火用是热量Q所能转换的最大有用功，其值取决于热量Q 的大小，传热时的温度和环境温度•当环境状态一定时，单位热量的火用值只是温度T的单值函数•高温下的热能较低温下的热能具有更大的可用性，可完成更多的有用功•热量火无除了与T0有关外，还与 S 有关•热量火用是能量本身的属性，E x, Q 与Q的方向相同•系统吸热时，Q 为正值，d E也为正值，表示系统也xQ吸收了火用（外界消耗功），反之，系统放热时，也放出了火用（外界得到功）•热量火用是过程量，环境状态一定时还与系统供热温度变化规律有关•高温下的热能较低温下的热能具有更大的可用性，可完成更多的有用功 )1(0TT Q E xQ -=Q T T A nQ 0=系统温度恒定不变例 5-1 火用损失计算–求下列情况下由不可逆传热造成的火用损失，设 Q = 100 kJ ，环境温度 T 0 = 300 K ：(1) t A = 420 ℃，t B = 400 ℃；(2)t A = 70 ℃，t B = 50 ℃；(3)t A = 200 K ，t B = 220 K 。
火灾与爆炸事故技术分析幻灯片PPT
(四)初步勘查时应注意的问题
Company Logo
❖ 1．勘查人员在每一个观察点要搞清楚自己观察的位置和 方向。
❖ 2．要从各个方向观察现场中被烧毁的状态。
❖ 3．凡是现场中遗留的一些物体，都要毫不例外地慎重对 待，不可轻易抛弃。
Company Logo
环境勘查必须由现场勘查负责人率领所有参加实 地勘查的人员，在现场周围进行巡视。观察的程 序是先向外后向内，先看上后看下，先地面后地 下，发现可疑痕迹与物证，及时拍照并可以将实 物取下。
初步勘查
Company Logo
(一)初步勘查的目的
❖ 1．核定环境勘查的初步结论。
❖ 2．结合当事人或有关人员提供燃爆前物体的位置、设备 状况以及火源、热源、电源等情况进行印证性勘验。
Company Logo
❖ 3．勘查中的现场保护 现场勘查也应看作是保护现场的继续。有的现场需要多次勘查
，因此在勘查过程中，任何人都不应有违反勘查纪律的行为。勘查人 员在工作中认为烧剩下的一些构件或物体妨碍工作，也不应该随意清 理。因为不注意这些问题，就可能因小失大，甚至会使勘查归于失败 。在清理堆积物品、移动物品或者取下物证时，在动手之前，必须从 不同侧面拍照，以照片的形式保存和保护现场。 ❖ 4．痕迹与物证的保护方法
❖ 4．扑灭火灾也应视为保护火灾现场的重要组成部分。灭火指挥员在灭火行 动中应充分注意这一点。火灭后进行现场勘查从某种意义上讲是现场保护的 继续，更应努力避免拆除或移动现场中的任何遗留物。
Company Logo
二、保护范围
一般情况下，保护范围应包括被烧到的全部场所及与起火原因 有关的一切地点。但遇到下列情况时，需要根据现场的条件和勘查工 作的需要扩大保护范围。
第五章、火用 分析基础ppt课件
精品课件
17
5.5 火用效率与热效率 火用效率就是火用的收益量与火用的支出量之比，常用 e x 表示。
e x 离 进 开 入 系 系 统 统 的 的 各 各 火 火 用 用 值 值 之 之 和 和 ＝ ( ( E E x x ) ) o i u n t 1 (E E x l)in
ex实 提 际 供 利 的 用 火 火 用 用 值 值 之 之 和 和 ＝ ( (E Ex x))ta h
精品课件
25
对于一个系统来说，输入系统的价值有：
供给能的价值Cin=供给能的火用单价cinX供给能的火用值(Ex)in；
设备投资费用Ceq； 经营管理费用Cad；
输出系统的产品成本Cout=单位产品能的火用成本X产品能的火用
值(Ex)out
输入系统的价值应等于输出产品的成本
c o u t (E x )o u t c in (E x )in C e q C a d
精品课件
2
火用和火无的表示方法： E x , e x A n , a n
E E x An e ex an
能量守恒原理的又一表述
对可逆过程，熵产等于0，没有功损失，能量不贬值，火用的
总量保持守恒；
对不可逆过程，熵产大于0，必然出现功损失，发生能量贬值，
火用的总量不断减小，火无的总量不断增加，即不可逆过程 必然伴随火用损失。
例题5－2、5－3、5－4
精品课件
11
5.3 火用 损失
一、温差传热引起的火用损失
E xQA
Q (1
T0 ) TA
E xQB
Q (1
T0 ) TB
El
E xQA
E xQB
Q
T
第五章 能量可用性20091
第五章火用及火用分析(Exergy or Availability)前章已介绍从不同角度、不同问题出发，对过程进行进行方向、条件的描述。
在工业前漫长的历史时期，人们的生活方式变化非常缓慢，当人们学会使用能量后，这种变化与发展就很迅速。
反过来，人们生活改变又大大促进了能量的利用，大幅度增加了能源消耗（当前能源消耗量是前20年的2～2.5倍）。
因此也造成了能源的紧张。
产生于70年代的能源危机，给人们敲起了警钟，才逐渐认识到必须认真研究各种形态能量的“合理利用”。
因此能量合理利用就成为当代热力学的一个研究热点。
“火用”就是在这种条件下产生的，火用的本质是能量的可用性。
1942年凯恩(Joseph Henry Keenan, 1900-1977)提出了有效能的概念。
内容：火用（能量的可用性）的概念；各种能量火用的计算；热力过程火用分析。
目的：建立对能量可用性的基本认识；掌握各种能量火用的计算；了解从能量的质量角度对过程进行的热力学分析；为今后的应用打基础，而不讨论某一具体的过程。
6159合计5.53其它 1.0≈0加热器 1.547冷凝器4≈0透平4929.714.90.683.729－－－－锅炉燃烧过程传热过程烟道损失扩散段损失火用损失/输入火用能量损失/输入能量设备蒸汽电站的能量损失与火用损失第一节火用的基本概念热机可以实现热能向机械能的转换，下面讨论一下：热机从高温热源吸收1000J 热量可能作出的最大功在不同条件下不同，见下表：一、热机将热量转变为功的讨论<7667660.766251000<5175170.517100500<7077070.7071001000不可逆功（J ）可逆功（J ）（最大功）可逆效率（%）（卡诺循环效率）冷源温度（℃）（低温热源）热源温度（℃）（高温热源）从上面可以看出：热量具有做功能力，它在一定条件下可转换为功；但温度不同的热量，做功能力不同，扩展为不同状态的能量具有不同的做功能力。
火用(exergy)及火用分析课件PPT
各种不同的火用损失
• 总火用损失与局部火用损
Charging
Storing
Discharging
a
d
Q1,1
Q1,2
Q1,3
b
c
I Ii i
各种不同的火用损失
• 外部火用损失
– 系统和环境之间温度、压力、浓度或成分等 不平衡引起
– 可以避免的
• 内部火用损失
– 实际过程需要一定的驱动力，温差、压差、 化学势差
根据总能量系统的特点，各子系统的复杂程度和精确度，选择参考环境模型
状态量 根据需要将总能量系统分成尽可能多的子系统
稳定流动系统工质的火用（焓火用）
能效率和火用效率的比较
可正可负 稳定流动系统、任何循环
火用损失和火用平衡方程式
• 火用损失（exergy consumption） 在任何非可逆过程中，必然发生火用向火 无的转变，并使火用的总量减少，这部分 减少的火用称为火用损失。
几个火用损的例子
有限温差传热过程
XH
Q1
T0 TH
TH>TL
TH δQ
TL
XL
Q1
T0 TL
IXHXLT0QT1LT1H
几个火用损的例子
有摩阻耗散的火用损失
IQ XQ Q 1T T 0 Q T T 0
换热器的火用损失
IT0QT 1LT1 HT0QTT HH TT LL
火用平衡
25º
Charging
Disharging after1 day( case A) Disharging after100 day( case B)
35º 5000kg
25º
75º 1000kg
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
5
热量Q的火用值
ExQ
(1
T0 T
) Q
ExQ Q T0
Q
T
Q
T0 gS
热量Q的火无值 AnQ Q ExQ T0 gS
当系统温度恒定不 变时
ExQ
Q(1
T0 T
)
例题5－1
AnQ
T0 T
Q
6
四、冷量火用——工程上把低于环境温度下的系统与外界交换
的热量称为冷量。冷流与热流方向相反。
对mKg工质 Ex (U U0 ) T0 (S S0 )＋p0 (V V0 )
闭系工质由状态1过渡到状态2所能完成的最大有用功为：
w12max ex1 ex2 (u1 u2 ) T0 (s1 s2 )＋p0 (v1 v120)
2、开系工质物理火用——焓火用
对1Kg工质 ex wt max (h h0 ) T0 (s s0 )
才能使获得的功全部是由给定状态下物质的能量转化而来 的。
（3）火用与火无的概念 火用是系统由任一状态经可逆过程变化到与给定环境状态相
平衡时所做的最大理论功。（Exergy,Availability）
火无——凡一切不能转换为火用的能量。(Anergy)
2
火用和火无的表示方法： Ex , ex An , an
对mKg工质 Ex (H H0 ) T0 (S S0 )
工质由状态1变化到状态2所能完成的最大技术功为：
wt max ex1 ex2 (h1 h2 ) T0 (s1 s2 )
例题5－2、5－3、5－4
11
5.3 火用 损失
一、温差传热引起的火用损失
ExQA
Q(1
T0 TA
)
ExQB
E Ex An
e ex an
能量守恒原理的又一表述
对可逆过程，熵产等于0，没有功损失，能量不贬值，火用
的总量保持守恒； 对不可逆过程，熵产大于0，必然出现功损失，发生能量贬值，
火用的总量不断减小，火无的总量不断增加，即不可逆过程 必然伴随火用损失。 孤立系统火用减火无增原理：能量转换过程中，孤立系统的 火用值不会增加，火无值不会减少。
3
一、火用
的分类
5.2 火用 值的计算
热量火用－温差
冷量火用－温差
化学火用－化学势差
物质或物流火用动物能理火火用用－－速温度差差与压力差
火用
位能火用－位置差 扩散火用－浓度差
功源火用电水 风力力 力火火 火用用 用－－ －电水 风位位 压差差 差
地力火用－压力差
波浪火用－压力差
4
二、功源火用——理论上与功源总能量相等 三、热量火用：温度高于环境温度的系统与外界传
ds f
q
T
T0 T
q
T0ds
T0dsg
q dh wt
(1
T0 T
)
q
d (h
T0s)
wt
T0dsg
16
对于在进出口截面间的稳定系统有
exq (ex1 ex2 ) wt el
若有多股流体进出
(ExQ )i [ (Ex1)i (Ex2)i ] Wt El
上两式称为火用方程。它表明，系统提供的热量火用与 工质焓火用之和等于系统完成的技术功和火用损失之和。
ExQ'
Wmax
(1 T T0
) Q0
Q0 Wmax Q '
ExQ '
(T T0
1) Q '
ExQ'
(T0 T
1) Q '
T0S
Q'
冷量火用
系统温度恒 定不变时
AnQ'
T0 T
Q
'
T0
gS
冷量火无
ExQ '
(T0 T
1)Q '
AnQ '
T0 T
Q'
7
冷量火用和热量火用的区别： 系统放出热量Q的同时，也放出热量火用，且 ExQ Q
对于过程A-B-O,应用热力学第一定律
q u0 u w q qAB qBO 0 T0 (s0 s) w (u u0 ) T0 (s s0 ) 又推挤环境做功p0 (v0 v)不可用 系统完成的最大有用功，即火用为 ex (u u0 ) T0 (s s0 )＋p0 (v v0 )
13
2、摩擦引起的火用损失
Sg
Wl T0
S7 S6
El T0 (S7 S6 ) T0 gSg
综合式（5－22）～（5－24）有
El Eli (T0 gSgi ) T0 gSg
i
14
三、能级与能量贬值原理
1、能级的概念：能量火用值与能量数量的比值。
ExQ 1 T0
Q
T
机械能和电能的能级等于1。
系统吸收Q’的同时，放出冷量火用，且T<T0/2时 ExQ' Q '
冷量火用的方向总是与热流Q‘的方向相反，而热量火用的方向
与热量Q的方向总一致。
8
五、物质或物流火用
1、闭系工质物理火用——概念，内能火用
设系统状态为A(p,T,v,s,h,u),环境状态为O(p0,T0,v0,s0,h0,u0)， 使系统先经历一个可逆的绝热过程A-B (pB,TB,vB,sB,hB,uB,，TB＝ T0)，然后再经历一个可逆的定温过程B-O.系统与外界相平衡9
2、能量贬值原理：在不可逆过程中，能量的数量虽然不变，
但火用减少了，能级降低了，做功能量下降了，即能量的品质
下降了，这就是能量贬值原理。
15
5.4 火用 方程
1、在热力过程中，热量系统的能量保持守恒，系统的火用值也 应保持平衡，其平衡方程式称为火用方程。
2、火用方程的微元形式：
ds ds f dsg
第五章、火用 分析基础
1
5.1火用和火无的基本概念
1、几个基本概念：
（1）高级能、低级能、无效能； （2）不同形式、不同状态下的能量做功能力是不同的。为
了确定能量的做功能力必须附加三个约束条件：
A、以给定的环境为标准，在该环境状态下火用值为零；
B、做功过程是完全可逆过程，这样才能获得理论功； C、过程中，除环境外，无其他热源或功源参与作用，这样
Q(1 T0 TB
)
El
ExQA
ExQB
QT0
(1 TB
1) TA
12
温差传热过程的熵产
火用损失
Sg1
1 Q(
TB
1) TA
El1 T0 gSg1
热机温度高于环境温度时： 温差传热过程的熵产
火用损失
Sg 2
1
Q0
( T0
1 )
T0 '
El2 T0 gSg2
由温差引起的火用损失与熵产成正比
综合了热力学第一定律和热力学第二定律，既体现了能 量在数量上的关系，也表示了在质量上的关系。
17
5.5 火用效率与热效率
火用效率就是火用的收益量与火用的支出量之比，常用 ex 表示。