火用分析方法及其应用

[㶲]分析方法及其应用

摘要：本文从㶲的定义出发，给出了㶲的定义以及分析的意义。㶲传递研究㶲的传递和转换规律，系经典热力学在从热静力学向热动力学过渡的过程中产生的研究新领域。阐述了静态的㶲分析方法的特点，分析了㶲传递的产生与发展现状，指出㶲传递的学科属性及其应用。

关键词：热力学；㶲；㶲分析；㶲传递

1 引言

热力学第一定律“能量守恒定律”只是从数量上说明了能量在转化过程中的总量守恒关系，它可以发现装置或循环中哪些设备、部位能量损失大，但未顾及到能量质量的变化，不能发现耗能的真正原因。而热力学第二定律阐述了孤立系统熵增原理，从能的本性的高度，规定过程发生的方向性与限制，特别是指出了能量转化的条件和限制，指出能量在转移过程中具有部分地乃至全部地失去其使用价值的客观规律。为提高火电机组的发电效率，减少在电力生产过程中排放物对环境的影响，人们对火电机组的热力系统性能开展了大量的理论与试验研究。从热力学观点，所从事的这些研究大体可分为能量分析与㶲分析两类方法。传统的研究主要基于热力学第一定律的能量分析，它们从能的“量”方面评价热力设备和系统，而近年来广泛开展的㶲分析法则是基于热力学第二定律，它们从能的“量”与“质”2个方面进行评价。后者既能辨别㶲损的性质，即内部不可逆性与外部排放性，也能揭示㶲损的分布规律，从而能很好地指明系统性能改进方向。

2 㶲的概念及其定义

表征物质所含热量多少的状态参数之一的焓，只表达了单位质量物质所含热量的多少，但并未表明热量质量的优劣。能源是有级别的，相同的热能量，其有效作功的能力并不相同。最能说明这一问题的是：稍高于环境温度的锅炉排出的烟气，尽管其量很大，但其热量很难加以利用。

热力学中用物质的另一个状态参数“㶲”来表示单位质量物质所含热量的可用性，可以定义为：在无其它(除环境介质外)热源的条件下，稳定流动的工质从初始状态经可逆过程变化到与环境介质处于热平衡时所能作的最大有用功，称为工质在该初始状态的热力㶲。热力㶲和压力、温度、焓、熵一样，是工质状态参数之一，它对应于某一温度的值是单一的．热力㶲区别于热量㶲(热量作功的能力)和机械㶲(机械作功的能力)，热量㶲和机械㶲都不是物质的状态参数。众所周知，在实际热力过程中，系统物质的熵的总和是增加的，但是系统物质的㶲的总和则是减少的。将㶲分析应用于锅炉设计的目的在于发现锅炉设计方面在能源利用中存在的问题，从而采取措施提高能源的利用效率，这是国家节能政策的需要。

㶲分析方法是建立在热力学第一定律的平衡思想和第二定律的㶲概念的基础上的，它以㶲平衡为工具，通过研究循环中能量转换与利用的效果，分析其影响因素，揭示产生㶲损失的部位、分布与大小，找出薄弱环节，探讨提高能量转换与利用效果的途径。

2.1 㶲平衡与㶲损失

能量守恒是一个普遍定律，能量收支应保持平衡。㶲能量中可用能部分，它收支一般是不平衡，实际转换过程中，一部分可用能将转变成不可用能，㶲将减少，称之为㶲损失。这并不违反能量守恒定律，㶲平衡是㶲与㶲损失（不可用能）之和保持平衡。

㶲平衡考虑了能量数量，还顾及了能量质量。考虑㶲平衡时，关键是需要记入各项㶲损失才能保持平衡。其中，内部不可逆㶲损失项热平衡中并无反映。两种分析方法有着质区别。两者相互之间又存着内联系，㶲平衡是建立热平衡基础之上。

2.2 㶲分析与㶲效率

通常热量平衡和能量转换效率并不能反映出㶲利用程度，我们引入了㶲效率概念。㶲效率与能量转换效率由类似定义，所不同是，㶲效率是收益㶲与支付㶲比值。

有了㶲效率概念，我们就可以针对某个热力系统建立㶲平衡关系式，并对其进行㶲分析，达到以下目：

（1）定量计算能量㶲各项收支、利用及损失情况。收支保持平衡是基

础，能流去向中包括收益项和各种损失项，各项分配比例可以分清其主次。

（2）计算效率，确定能量转换效果和有效利用程度。

（3）分析能量利用合理性，分析各种损失大小和影响因素，提出改进可能性及改进途径，并预测改进后节能效果。

3 㶲传递理论分析在我国的发展状况

㶲传递理论作为一种新兴的理论国内外的学者对其进行的研究相对较少，大多数研究集中在于对㶲传递理论本身的研究，而对此理论在工程上的应用研究相对较少，而对于此理论在电力系统的应用则更是少之又少。但是我国的一些学者还是在这方面做出了一些有益的尝试。1997年，吴双应通过阐述㶲效率法在余热回收换热器的热力学性能分析中的局限性。提出了一个新的评价换热器性能的概念一㶲传递有效度，得到了一般计算式。讨论了传热单元数，冷热流体热容量比和流型对换热器㶲传递有效度的影响。这可以说是开了㶲传递理论在电力系统中应用的先河。2007年，张友利从热力学第一二定律出发，基于非平衡热力学和㶲平衡理论，对外部流动强制对流换热过程的㶲传递基本特性进行研究，探讨实用而完整的外部流动对流换热的㶲传递方程和㶲传递规律，导出外部流动强制对流换热㶲传递系数传㶲Nusselt数等新的表达式并进行数值计算。这对㶲传递在在对流换热中研究具有一定的指导意义。2007年，项新耀基于对燃烧系统㶲转换元和输㶲元组成及传递结构的分析，建立燃烧系统通用烟传递模型。2008年，张友利通过导出结垢前后换热器传热单元数之间的关系，并引人传㶲有效度的概念，对考虑污垢时的换热器㶲传递性能进行了分析，讨论了洁净状态下的传热单元数和冷热流体热容量比对结垢前后换热器的㶲传递性能的影响。最后得出了污垢对逆流影响最大，其次是交叉流，对顺流的影响最小的结论。2008年，华北电力大学的陈海平教授建立了电站锅炉㶲传递分析模型。参照工程㶲传递评价准则，提出了㶲传递过程，㶲流密度，㶲阻等评价指标，并且定义了㶲传递系数，完成了对IOOMW机组锅炉的㶲传递分析。通过与常规的传热及㶲分析比较，认为㶲传递分析可以提供新的技术评价信息，从而对能量传递过程有更完整和全面的动态分析。2009年，陈海平教授又通过对热㶲传递规律的研究，获得了对流受热面的热㶲传递规律，提出了㶲流密度、娴密度降低率、㶲损率等评价原则且定义了无因次热流密度、无因次㶲流密度的概念，并以IOOMW机组锅炉的后