4第四章-能源系统火用分析方法-毕月虹

热一律
三、能量系统的火用效率
（一）火用效率的一般定义
1. 火用效率
耗费火用的 利用份额
2. 火用损系数
（二）火用效率的不同形式
耗费火用的 损失份额
（三）常用热工设备或装置的火用效率
四、不可避免的火用损失
（一）概述
火用损失
可避免 火用损失
不可避免 火用损失
实用 火用效率
实用 火用损失系数
Hale Waihona Puke Baidu
特点：将系统中所有设备均视为黑箱。黑箱黑 箱之间以火用流线连接起来形成网络。因此灰箱 模型实际上是一种黑箱网络模型 。
1. 简单灰箱模型
①黑箱串联网络模型（串联模型）：系统中的所有设备都 是由主火用流线或主物流线串联起来的。系统中供给火用 的加入方式有两种，一种是供给火用仅从始端加入的系统 ，称为简单串联系统；另一种是供给火用由多个单元同时 加入的系统，称为复杂串联系统。 ②黑箱并联网络模型（并联模型）：一个由多台设备组成 的系统，各台设备的主物流线或主火用流线都是互相平行 而不相交，且各台设备的输出有效火用最终又汇集一起后 再向外输出的系统。当将系统内所有设备都视为黑箱，组 成灰箱模型时，就构成黑箱并联网络模型。工程上并联系 统比较普遍，例，由多台锅炉向一条蒸汽母管输汽的供热 系统。
2. 复杂灰箱模型
①规则并、串组合模型 ：一种先并联成组，再各组串联 的分析模型。同时还符合两个条件：a.各并联组的串联线 就是系统的主物流线或主火用流线；b.供给能仅由系统的 始端并联组一次加入，外界不再给中间并联组加进供给火 用。
②规则串、并组合模型 ：串、并组合模型是一种先串联 成组，再各组并联而成的分析模型。如果这种组合模型中 的各串联组都是简单串联模型，称之为规则串、并组合模 型。 ③不规则混联模型：一种是供给能加入部位不规则，不是 像规则混联那样只是在系统的始端加入，而是在系统的中 间部位（并联组成或串联设备）也加入；另一种是连接方 式不规则，既非并、串组合，也非串、并组合，而是一种 无规则的混乱连接。
根据热一律 类似闭口系统内能火用的推导， 据热二律，可逆时有
稳定物流的火用： 焓火用： 焓火无：
s1 2
2
1
2 c p dT dq 2 c p dT vdp dp R 1 T 1 T p T
c p ln
T0 p R ln 0 T1 p1
（三）物理火用和化学火用
环境是火用的自然零点，通常将环境状态作为火用的基准状态。 1. 物理火用：系统不涉及化学反应和扩散的简单可压缩系统， 选环境状态作基准，系统能量所具有的火用； 2. 化学火用：系统涉及化学反应和扩散时，选环境状态作基 准，系统能量所具有的火用是物理火用和化学火用之和， 其中化学火用是系统因化学不平衡所具有的火用。
2.蒸汽压缩制冷循环的不可避免火用损失
火用损失率
不可避免火用损失率
可避免火用损失率
五、能量系统的火用分析模型
（一）火用分析的目的
（二） 黑箱分析模型
借助输入、输出子系统的能流信息来研究子系统内部 用能过程宏观特性的一种方法。 把子系统看作是由不“透明 ”的边界所包围的体系，并以实 线表示边界，以带箭头的能量流 线表示输入、输出的能流，以虚 线箭头表示子系统内所有不可逆 过程集合的总能损，并在各能量 流线上标出能流符号。
只要借助于输入、输出子系统的火用流信息，而不必 剖析子系统内部过程，即可获得反映子系统用能过程 的宏观特性，这是黑箱模型的一个突出优点。
火用流分类
①供给火用（Exsup）：由火用源或具有火用源作用的物质供给 体系的火用，如燃料火用、蒸汽火用、电火用等；
②带入火用（Exbr）：除火用源以外的物质带入体系的火用， 如送入炉内助燃的空气火用、生产子系统的原料火用； ③有效火用（Exeft）：被子系统有效利用或由子系统输出可有 效利用的火用。对于动力装置即为输出的机械能，对于工艺子系 统即为达到工艺要求的产品离开体系所具有的火用，如锅炉生产 的蒸汽火用，等。 ④无效火用（Exinef=Exlout）：体系输出的总火用中除有效火 用以外的部分，通常即为外部火用损。 ⑤耗散火用（Exlin）：由体系内的不可逆过程所引起的能量耗 散，即内部火用损。
冷量火用和热量火用的计算式完全一样，但实际上可 逆机要消耗功，系统从冷物体吸收冷量时放出了火用， 而放出冷量时却得到了火用，即冷量火用流和冷量流 的方向是相反的。（冷量火用和冷量符号相反） 卡诺系数是一负值，冷量火用与冷量符号相反， 吸取冷量时的温度越低，环境温度越高，卡诺系 数或冷量火用的绝对值就越大，其绝对值可以小 于、等于或大于1。
1956年Rant采用了希腊字“ergy”（意为功或力）加上前缀“ex” （意为从其中，外部）来命名可以转换部分的能为“Exergy”,而把 不可转换的部分叫“Anergy”。Rant提出的这个术语可以满足国际间 关于术语所有的要求，能反应所代表的概念，而且形式上也非常接 近同类术语能（Energy）、熵（Entropy）和焓（Enthalpy）等。
子系统的通用火用平衡方程
子系统的火用效率
子系统的火用损失系数
（三）白箱分析模型
将分析对象看作是由“透明”的边界所包围的系统，从 而可对系统内的各个用能过程逐个进行解剖，计算出各过 程的耗散火用。
以虚线表示体系的边界，以 带箭头的火用流线表示输入、输 出的火用流，对其中属于外部的 火用损，在火用流线上标以黑点 ，对体系内的不可逆过程，在火 用流线上标圆圈；子系统内、外 各过程的相互关系，以火用流线 的串、并联表示；在各相应的部 位标出火用流和火用损符号。
即
机械 功 火用 火用 损失 焓 火用 增量 动能 火用 势能 火用
热量 火用
机械功火用
能量守恒
热量火用
焓火用增量
火用损失
（七）循环系统的火用平衡方程式与火用损失分析
1. 动力循环
火用 损失
放到周围环 境的热量
吸热量 火无
2. 制冷循环
火用 损失
放给环境 的热量
冷量火无
（八）换热器的火用平衡方程式与火用损失分析
第四章
能源系统火用分析方法
一、火用的基本知识 二、火用损失和火用平衡方程式 三、能量系统的火用效率 四、不可避免的火用损失 五、能量系统的火用分析模型 六、能量系统火用分析的实际应用举例 七、能级分析方法简介
一、火用的基本知识
（一）能量与火用
1. 热一律确立各种形式能量在传递和转换过程中“量”守恒 2. 热二律指出能量在传递和转换过程中的方向性和不可逆性， 不同形式能量间的转换能力可能是不同的。 理论与实践证明：机械能能够全部转变为任意形式的能量， 能量的转换能力为转换为功的能力或做功能力 火用(有效能):在周围环境条件下，不同形式的能量中理论上 能转变为有用功的那部分能量。 火无(无效能):能量中不能转变为有用功的那部分能量。 能量=火用 + 火无
实线箭头表示的火用流值，是可以通过仪表直接测出的数 据计算出来的，而虚线箭头表示的火用损值，则是依据上述 的火用流值计算间接得来的。若各股输入火用流值之和为 E x,in ， 各股输出火用流值之和为 E x ,out ，子系统中的总火用损值为：
E xlin E x,in E x,out
根据热一律 考虑包括系统和环境在内的孤立系， 据热二律，在可逆条件下有
内能火用： 内能火无：
闭口系统火用的特征：恒为正
只要闭口系统和环境间存在压差、温差，均可对外界做有用功
（七）稳定流动系统工质的火用 ——焓火用
1.稳流系统工质的火用：稳定物流从任意一给定状态流经开口系
2.计算式推导：
统以可逆方式转变到环境状态，并且只与环境交换热量时所能做的 最大有用功。
例
1
吸热为“+” 放热为“-”
s
1 2
Q
T

1
2
c p dT T
c p ln
T2 T1
e xq
2 q T0 ) q T0 1 1 T T q T （ 0 s2 - s1 )

2
q(1
例2
（六）闭口系统工质的火用——热力学能（内能）火用
1.闭口系统工质的火用：已知宏观动能和位能全是火用，在 不加说明时，闭口系统的火用就指的是闭口系统的热力学能 （内能）火用, 任意闭口系统从给定状态以可逆方式转变到环 境状态，并只与环境交换热量时所做的最大有用功。 2.计算式：闭口系统在状态变化过程中与环境有功量交换， 根据有用功是技术上能利用的可输给外界的功的定义，可将 闭口系统及其环境组成一个复合系统，通过复合系统边界做 的功就是有用功，即闭口系统工质的火用。
闭口系统的体积变化功
体积变化功中的火无为： （2）轴功火用：稳流系统，轴功全为火用，即 （3）净功火用：任何循环，输入或输出的净功全为火用，即
（五）热量火用和冷量火用
1.热量火用：热量传递中，随热量转移，相应火用也转移。
热量传递的方向是由高温物体到低温物体，热量火用的传递也 是由高温物体到低温物体，二者的流向一致。
六、能量系统火用分析的实际应用举例(灰箱）
（一）循环系统火用效率计算
（二）各单元设备的火用效率及火用损失系数
七、能级分析方法简介
（一）概述
（二）大系统的能级分析法
上两式相除 ，得
例9
三种供热方式：
电供热
地暖
热泵
（二）不可避免的火用损失举例 ——制冷循环为例
1. 内可逆逆卡诺循环的不可避免火用损失
内可逆循环：仅考虑工质和热源间传热不可逆 性（即热阻损失）。设高、低温热源TH和TL， 工质与热源间存在温差ΔT1 和ΔT2 , 据传热方程：
不可避免的火用损失是在一定制冷率条件下的最小损失.即对应热源 和工质间的最小传热温差ΔT1和ΔT2，相当于求解额定制冷率条件 下使损失达最小时的x和y，利用拉格朗日条件极值原理可求解。
热量一定的条件下，热量火用与热量的温 度和环境温度有关，即与卡诺系数有关。 热量火用和卡诺系数随to的降低而升高， 随t的升高而增大，而且其值永远小于1。
2. 冷量火用：冷量是系统在低于环境温度下通过边界所传递 的热量，冷量火用是低于环境温度的热量火用。
设想将冷量加给工作在To和T间的可逆机，冷量火用：
T0 p0 T1 s1 s0 - Δs - c p ln R ln c p ln R ln T1 p1 T0


p1 p0
二、火用损失和火用平衡方程式
（一）不可逆过程与火用损失
（二）火用平衡方程
（三）几种典型过程的不可逆火用损失
1. 有限温差传热
（四）机械火用
1. 机械能火用：动能和位能都是机械能，能全部转变为火用；
2. 机械功火用：通过系统边界以功的形式转移的能量是机械形 式的能量，并非所有形式的机械功都是火用，只有在环境 条件下的有用功才是火用。
（1）体积变化功火用：闭口系统的体积变化功W中，一部分是反抗 环境压力p0所做的功，系统通过边界所做的功火用为： 若系统进行的是可逆过程，则功火用为：
2. 有摩阻耗散的火用损失
3. 绝热节流过程引起的火用损失
（四）闭口系统的火用平衡方程与火用损失
1. 能量守恒 2. 热力学模型和火用平衡方程式
或
热量火用 机械功火用 内能火用增量 火用损失
热量火用
机械功火用
内能火用增量
能量守恒
火用损失
（五）稳定流动系统的火用平衡方程与火用损失
热力学模型和火用平衡方程式
（二）自然环境和环境状态
某些形式的能量转换要受到周围环境条件的限制，环境性质 会影响能量火用值的大小。
1. 自然环境：抽象成压力，温度及化学组成不变的庞大而静 止的系统，实际工程中任何的热力过程都不会影响其状态 参数； 2. 环境状态：系统与环境处于热力学平衡的状态。 3. 热力学平衡：热平衡，力平衡和化学平衡
白箱分析除了可以获得黑箱分析的全部结果外，还可以 计算出体系内各过程的火用损系数。据此即可揭示出体系 内用能不合理的“薄弱环节”，白箱分析是一种精细的火 用分析。
子系统的通用火用平衡方程
子系统的火用效率
子系统内不可逆过程i的火用损系数
子系统外部物流或能流排放过程i的火用损系数
（四）灰箱分析模型 用于对系统整体用能状况的评价及对系统中薄 弱环节（设备）的判别。