第六章 热(火用)经济学基础

☻第一定律分析法没有环境概念，只使用一个能量的概念， 是单纯地以能量平衡和物质平衡为基础进行分析的一种方法。 ☻第二定律分析法有一个环境——物理环境。取一定的环境为
本身，而且还取决于环境的参数。 ☻热经济学分析法具有两个环境，除了物理环境外，还有一个 经济环境，经济环境是人们依照热力学方法想象的，经济环境 随着社会经济信息的改变而改变。
" X2
EX1”=EX2’
因子系统1向2
' X2
C2 E C23 C12 E
Cn2
(B)
Hale Waihona Puke 子系统2输出产品的总成本 A代入B，得子系统2输出产品总成本为：
C2 C1 Cn 2 Cin EXin Cn1 Cn 2
依次类推
(C )
Ck Cin E Xin Cni
☻R.Evans对热经济学孤立化原理进行了数学论证。
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☻20世纪70年代又形成了以R.Gaggioli为首的所谓“代数”模
式热经济学
☻近年来又出现了“结构系数”模式热经济学、“矩阵”模式
总之： 热经济学把热力学分析法与经济学分析法（优化） 结合在一起，分析与优化相辅相成。分析的结果可给出
些地方存在着最大的改进潜力。优化方法则从系统整体 的角度给出系统的某一局部改进或某一参数改进对全系 统的影响。
k

i 1
i

i 1
k
k
k Cin (G )
i
ck k Cin
Cni 1 i 1 Cin E Xin

i 1
k
i
子系统k的
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空气流经一逆流式换热器，从2.8105Pa 、25℃的状态 加热至125℃。空气流量1.2kg/s。空气由燃气加热，燃 气从250℃、 1.3105Pa冷却至98℃。燃气的平均比定 压热容和比定容热容分 别为0.84kJ/(kg· K)和 0.63kJ/(kg· K)。空气的平均比定压热容1.01kJ/(kg· K)。 假如空气和燃气通过换热器的压力和动能变化 忽略不 计，换热器与环境无热量交换。环境状态为1.0105Pa 和20℃。试求：（1 （2）换热 3）如果燃气离开换热器
第六章 热（火用）经济 学基础
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一、 引言
分析与能量有关的现代工程系统方法：
•第一定律分析法—利用系统能量平衡概念分析和完善
所 讨论的系统，用各项技术指标计算并评估它们的完善程 度（又称能平衡法）； 考虑能量的数量概念忽略各种不可逆损失。
•第二定律分析法—利用热力学势可以给出各种形式下功
的数值的概念评估和分析所讨论系统任意点上的物流与能流 的作功性能（包含熵分析法、火用分析法和能级分析 法）。 对系统作性能分析而与系统的形式、结构及复杂程度 无关。70 科— 。
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分析与能量有关的现代工程系统方法的特点:
☻热力学研究注重于对热力过程的描述、热工参数的计算以及 热力系统中能流和物流变化的计算。热力学方案比较使用单纯 的热力学特性量，如效率、有效利用系数、熵增、不可逆性和 ☻经济学分析，使用成本、价格、利润、利息率以及其它经 济信息。
☻热经济学是热力学第二定律分析法发展的一个重要分支。它 是把热力学第二定律分析法与经济优化技术结合起来的产物， 是把技术和经济融合在一起的全新的技术，特别适用于解决大 型的、复杂的生产能量和消耗能量的工程系统的分析、设计和 优化。 ☻热经济学的特点是在热力学参量与经济信息参量之间找到 一个非常适当的结合点，使能以第二定律分析法为基础，最后 得到能直接给出以经济量纲表示的答案。 3
Exin、Expr— Ck—为第k个子系统输出产品的总成本； Ck,k+1—第k个子系统向第k+1
—为系统1向子系统2 Cnk—第k个子系统消耗的非能量费用，如折旧、工资等；
E
" X1
9
对子系统1
C1 E C Cin EXin Cn1
" X 1 12
( A)
子系统1输出产品的总成本 对子系统2
i 1
k
( D)
Ck
Cin E
k i 1
" Xk
i
Cni
i 1
k
i 1
(F )
第i
11
子系统k
" EX , k E Xin i i 1
k
k Ck Cin Cni ck " k " E Xk i 1 E Xk
Cni Cin i 1 E Xin
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3 方法和经济分析方法相结合的关键是 ， 问题的复杂在于每种模式可以有几种形式的价格。
代数定价方法：
外部价格— ， 由市场价格确定
没有利
润
的成本，这种成本沿子系统逐级增值，因此这种 价格也称“传递价格”
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内部价格—
考虑图示各子系统依次排列成链式的能量系统 Cn 1 EX1’ = EXin 1 EX1” EX2’ 2 Cn 2 EX2” EXk’ k Cn k EXk” EXm’ m Cn m Exm” =EXpr
☻热经济学的创始人M .Tribus把一个复杂的能量系统划分成若
干“子系统”，首创通过子系统逐个寻优达到全局最优的目的。 为了使系统各个局部最优即意味着系统全局最优，各个子系统必 须满足热经济孤立化条件。 ☻热经济孤立化是拉格朗日待定乘子法分散优化的发展。它的 基本思想是，热系统的某一部分在热孤立化的情况下，可以从 其它部分中孤立出来，这时，它在经济上的每一种联系可被一 组唯一稳定的拉格朗日乘子所充分描写。热孤立化是一种充分 必要条件，优化子系统自身，不必确定它对系统其它部分的影 响，就能保证全系统寻优。
i 1
k
( D)
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" ' EX E 1 X 1 1 EXin 1
" ' EX E 2 X 2 2
' " EX E 2 X1
'' ' EX E 2 X 1 1 2 EXin 1 2
" EX , k E Xin i k
类推 所以式D
Ck Cin E Xin Cni
• 1932年美国麻省理功学院J.H.Keenan等提出可用能函数表示
能量质概念；
• 20世纪50年代德国学者对能的概念进行系统分析，提出能=
无+ ，明确了
不可 exergie
的部 分， —英文exergy，德文
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2、 热经济学发展轨迹
☻热经济学是热力学分析与经济因素结合的产物，起源于20
世纪50年代末，60年代形成完整的体系。最早的可称为“孤 立化”模式的热经济学。
☻热经济学分析法的任务除了研究体系与自然环境之间的相互 作用外，还要研究体系内部的经济参量与环境的经济参量之间 的相互作用
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二、 热经济学的基础
1. 方法的基本概念 •1868年Tait第一次使用availability的概念；
1871年Ｍaxwell使用 了available energy的名词； 1873年Gibbs和1889年Gouy提出了 封闭系可用能的概念； 1889年Stodola导出稳流系的最大功，并 和Gouy同时但独立地 把可用能损失与熵产联系起来，奠定了第一定律与第二定律 结合的基础