《工程熱力學(xué)》(第四版)教學(xué)課件：06熱能的可用性及火用分析

1、2022年7月17日第六章 熱能的可用性及火用分析1第六章 熱能的可用性及 分析6-1 熱能的可用性及 的基本概念6-2 值的計(jì)算6-3 熱力過程的 分析6-4 效率2022年7月17日第六章 熱能的可用性及火用分析2熱能可用性的討論及 分析的意義 用來描述能量可用性的熱力學(xué)參數(shù)為 ，它表示各種形態(tài)的能量中所包含的可以轉(zhuǎn)換為功的能量的多少。 利用 的概念來分析熱力學(xué)問題，可以說明能量轉(zhuǎn)換和傳遞過程中其數(shù)量和質(zhì)量的變化關(guān)系。 熱力學(xué)第二定律說明了能量轉(zhuǎn)換的條件、方向和限度，揭示了在轉(zhuǎn)換為功的能力上或者說在能量的質(zhì)量上，熱能和其他形式的能相比其品位較低，即熱能不可能連續(xù)地全部轉(zhuǎn)換為功，且溫度越低的

2、熱能其能夠轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ哪芰烤驮缴?，即其可用性較差，這正是熱能和其他形式的能所不同的特殊屬性。2022年7月17日第六章 熱能的可用性及火用分析36-1 熱能的可用性及 的基本概念 熱量轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ哪芰Γ?在兩熱源間工作的熱機(jī)，其循環(huán)熱效率的最大值等于卡諾循環(huán)的熱效率。在一定的環(huán)境中，低溫?zé)嵩纯蛇_(dá)到的最低溫度為環(huán)境溫度T0，因此當(dāng)供熱熱源溫度為Tr，從該熱源吸熱的熱機(jī)循環(huán)的最高熱效率為 當(dāng)吸熱量為 時(shí)，通過熱機(jī)循環(huán)而轉(zhuǎn)換為功的最大限額，即熱量轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ哪芰?2022年7月17日第六章 熱能的可用性及火用分析4 可用能可以連續(xù)地全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ哪埽?不可用能不可能轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ哪?。Ex/J能量中可以連續(xù)地

3、全部轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ牟糠帜芰?；An/J能量中不可能轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ哪遣糠帜芰俊?有用功功量中能夠被有效利用的部分； 無用功由于系統(tǒng)容積變化而對周圍環(huán)境支付的功，這部分功量消耗于環(huán)境中而不能被利用。 按能量轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ目赡苄裕瑢⒛芰糠譃椋?按是否可以被有效利用，功量被分為： 按照轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ目赡苄裕梢园涯芊譃椋?022年7月17日第六章 熱能的可用性及火用分析5 系統(tǒng)中的能量E 可分為 和 兩部分： 對于確定的熱力學(xué)系統(tǒng)，系統(tǒng)中能量的 就是系統(tǒng)由該狀態(tài)可逆地變化到與給定環(huán)境狀態(tài)相平衡時(shí)所作的最大有用功。 為了確定不同形式、不同狀態(tài)能量的作功能力，即確定能量的 值，需要明確基準(zhǔn)狀態(tài)。 一般以環(huán)境狀態(tài)

4、為基準(zhǔn)狀態(tài)，在該狀態(tài)下 值為零。 同樣，系統(tǒng)中單位質(zhì)量的能量e 可表示為其中，ex為單位工質(zhì)的 ，稱為比 (J/kg)；an為單位工質(zhì)的 ，稱為比 (J/kg) 。2022年7月17日第六章 熱能的可用性及火用分析66-2 值的計(jì)算一、熱量 在環(huán)境溫度T0確定的條件下，熱量Q中最大可能轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ牟糠址Q為熱量 ，以Ex,Q 表示。 假設(shè)溫度為T的熱源，向溫度為T0的環(huán)境傳遞熱量Q，則該熱量的 值等于在熱源溫度T與環(huán)境溫度T0之間工作的可逆熱機(jī)所能作出的最大有用功（循環(huán)凈功），即 熱量的 可表示為2022年7月17日第六章 熱能的可用性及火用分析7 由上述討論可見： 熱量 是熱量Q所能轉(zhuǎn)換的最

5、大有用功，其值取決于熱量的大小、熱源溫度和環(huán)境溫度。 環(huán)境溫度確定時(shí)，單位質(zhì)量工質(zhì)的熱量的 值就僅僅是熱源溫度T的單值函數(shù)。 T越高， 值就越大，T越低， 值就越?。划?dāng)T=T0時(shí)， 值等于零。 可見，高溫下的熱能具有更大的可用性，具有更大的轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ哪芰Α?與熱量一樣，熱量的 和 的大小可以在T-s圖上以相應(yīng)的面積來表示。 2022年7月17日第六章 熱能的可用性及火用分析8二、閉口系統(tǒng)工質(zhì)的 任意狀態(tài)1的閉口系統(tǒng)中工質(zhì)的作功能力，即可逆功為 在閉口系統(tǒng)和環(huán)境組成的孤立系統(tǒng)中，閉口系統(tǒng)內(nèi)的工質(zhì)由所處狀態(tài)可逆變化到環(huán)境狀態(tài)所能作出的最大有用功稱為該工質(zhì)的 。 可逆絕熱過程1-a中，工質(zhì)所作的

6、可逆功為 可逆定溫過程a-0中，工質(zhì)所作的可逆功為其中即2022年7月17日第六章 熱能的可用性及火用分析9 綜合上述各式，可得任意狀態(tài)的閉口系統(tǒng)中工質(zhì)的作功能力，即可逆功為 由于系統(tǒng)總是處于一定的周圍環(huán)境中，當(dāng)閉口系統(tǒng)體積膨脹對外作功時(shí)，必因推動(dòng)壓力為p0的周圍物質(zhì)發(fā)生位移，而消耗功p0(V0-V1)，故實(shí)際上可利用的有效作功能力為 這是在一定環(huán)境條件下，給定狀態(tài)時(shí)系統(tǒng)作出有效功的最大能力，稱為最大有用功。則2022年7月17日第六章 熱能的可用性及火用分析10參數(shù) 可見，周圍環(huán)境確定時(shí)，最大有用功數(shù)值僅決定于工質(zhì)的初始狀態(tài)，即在確定的周圍環(huán)境條件下，最大有用功相當(dāng)于一個(gè)狀態(tài)參數(shù)，稱為閉口系

7、統(tǒng)工質(zhì)的 參數(shù)(熱力學(xué) )，用Ex,U表示，有 當(dāng)系統(tǒng)由狀態(tài)1變化到狀態(tài)2時(shí)，系統(tǒng)容積變化作出有用功的能力可表示為 參數(shù)的關(guān)系： 它的含義為：在確定的環(huán)境條件下，給定狀態(tài)的閉口系統(tǒng)通過容積變化作出有用功的最大能力，故也稱為最大有用功參數(shù)。閉口系統(tǒng)中1kg工質(zhì)的 稱為比熱力學(xué) ： 2022年7月17日第六章 熱能的可用性及火用分析11三、穩(wěn)定流動(dòng)工質(zhì)的 任意狀態(tài)1的工質(zhì)在穩(wěn)定流動(dòng)條件下的最大有用功可表示為 在開口系統(tǒng)和環(huán)境組成的孤立系統(tǒng)中，系統(tǒng)內(nèi)穩(wěn)定流動(dòng)的工質(zhì)由所處狀態(tài)可逆變化到環(huán)境狀態(tài)所能作出的最大有用功稱為該工質(zhì)的 。 可逆絕熱過程1-a中和可逆定溫過程a-0中，工質(zhì)的可逆功分別為 結(jié)合上式

8、，即可得到開口系統(tǒng)穩(wěn)定流動(dòng)工質(zhì)的可逆功，即工質(zhì)可能作出的最大有用功為2022年7月17日第六章 熱能的可用性及火用分析12 環(huán)境條件確定時(shí)，穩(wěn)定流動(dòng)開口系統(tǒng)的最大作功能力，相當(dāng)于系統(tǒng)進(jìn)口熱力學(xué)狀態(tài)的一個(gè)狀態(tài)參數(shù)，稱為穩(wěn)定流動(dòng)開口系統(tǒng)工質(zhì)的 參數(shù)，也稱為焓 ，用Ex,H表示，因此有 其含義為：在確定的環(huán)境條件下，給定進(jìn)口狀態(tài)的穩(wěn)定流動(dòng)開口系統(tǒng)通過軸功形式作出有用功的最大能力。單位質(zhì)量流動(dòng)工質(zhì)具有的 稱為比焓 ：2022年7月17日第六章 熱能的可用性及火用分析13 由于工質(zhì)的流動(dòng)動(dòng)能及重力位能都是可直接轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ臋C(jī)械能，因此在考慮工質(zhì)的流動(dòng)動(dòng)能及重力位能情況下，可直接將焓 的表達(dá)式改寫為 當(dāng)

9、穩(wěn)定流動(dòng)開口系統(tǒng)的進(jìn)口及出口狀態(tài)給定時(shí)，系統(tǒng)的作功能力也可表示為 參數(shù)的關(guān)系： 閉口系統(tǒng)經(jīng)歷一個(gè)微元不可逆熱力過程，由于從高溫?zé)嵩次鼰?，系統(tǒng)得到熱量 ，向環(huán)境放熱對外輸出熱量 ，對外作功而輸出功量 。同時(shí)，由于過程中系統(tǒng)內(nèi)部的不可逆因素而產(chǎn)生的 損失為 。則系統(tǒng)內(nèi)部 值的變化為 2022年7月17日第六章 熱能的可用性及火用分析146-3 熱力過程的 分析 一、閉口系統(tǒng)的 方程和 損失式中，系統(tǒng)向環(huán)境放熱而輸出的熱量系統(tǒng)向溫度為T0的環(huán)境放熱而向外輸出的熱量 可看作為 損失的一部分，即可將上式改寫為 此式稱為閉口系統(tǒng) 平衡方程式。 2022年7月17日第六章 熱能的可用性及火用分析15閉口系統(tǒng)

10、的 損失 系統(tǒng)從高溫?zé)嵩吹玫綗崃?：系統(tǒng)向外輸出的功量 ：系統(tǒng)內(nèi) 值的變化： 將其均帶入 平衡方程式，可得 因 所以閉口系統(tǒng)的 損失為 又 則有，2022年7月17日第六章 熱能的可用性及火用分析16 可見，系統(tǒng)的 損失本質(zhì)上就是系統(tǒng)作功能力的損失 ，因此，閉口系統(tǒng)熱力過程中由于不可逆因素所造成的系統(tǒng)作功能力的損失可表示為 2022年7月17日第六章 熱能的可用性及火用分析17 開口系統(tǒng)其經(jīng)歷一個(gè)微元不可逆熱力過程后，其內(nèi)部的 值變化為 由溫度為T的系統(tǒng)向溫度T0的環(huán)境放出熱量而向外輸出的熱量 實(shí)際上是系統(tǒng) 損失的一部分，因此上式可寫為 二、穩(wěn)定流動(dòng)開口系統(tǒng)的 方程和 損失此式即為開口系統(tǒng) 平衡方程一般表達(dá)式。 2022年7月17日第六章 熱能的可用性及火用分析18忽略系統(tǒng)進(jìn)出口宏觀動(dòng)能和宏觀位能變化時(shí)，有系統(tǒng)內(nèi)部的 值是不變的，即開口系統(tǒng)進(jìn)出口焓 的變化： 由于功量交換而引起開口系統(tǒng)內(nèi)部 值的發(fā)化，等于系統(tǒng)所作出的技術(shù)功，即系統(tǒng)從高溫?zé)嵩吹玫綗崃?：則開口系統(tǒng) 平衡方程式可表示為2022年7月17日第六章 熱能的可用性及火用分析19開口系統(tǒng)的 損失 對于開口系統(tǒng)，有 將其帶入開口系統(tǒng) 平衡方程，有 又因 所以有同樣，不可逆因素所造成的系統(tǒng)作功能力的損失可表示為 及，2022年7月17日第六章