火用分析基础分析解析
4第四章-能源系统火用分析方法-毕月虹
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：
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。
（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：
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。
（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。
工程热力学第5章 火用分析基础
(4) 不同形态的能量或物质，处于不同状态时， An 和 Ex 比例不同
(5) 引入 火用 参数的意义：
☆ 为评价能量的 “量” 和 “质” 提供了一个统一尺度；
☆ 形成了热系统火用平衡分析法，比能量平衡法更科学、更合理
§5.2 火用 值的计算
§5.2.2 热量 火用 和冷量 火用 1、热量 火用
§5.3 火用效率
1、定义：
ex
实际利用火用 的值 所能提供火用 的值
2、与热效率的关系：
热力循环： exQ
W E xQ
Q Q
W Q
热效率：
T
W Q
热量火用： ExQ(1TT0)Q
1
E xQ
exQ
Q
ExQ Q
(1T0 T
)
c
t c
作业
P131：思考题 1~5 P131：习题：1、2
习题3： P39 第11题 求同时存在温差和摩擦情况下的： （1）各温度下热量的火用值； （2）各不可逆过程的熵产和火用损失； （3）总熵产和总火用损失。
S
பைடு நூலகம்
（1）热量 火用取决于： Q 、T、T0
S
（2）热量 火用 为过程量
（3）热量 火无 除与环境温度有关外，还与S有关。
（4）热量 火用的正、负号与Q相同：吸热，系统获得了火用
例1 热量火用 值计算
空气冷却器将200℃的空气定压冷却到40℃，问：每 kg空气放出的热量最多能做多少功？（环境温度为 25℃, 空气Cp=1.004kJ/kg K为定值，）
第五章 分析基础
§5.1
热一律：揭示能量转换中的数量守恒关系
热二律：各种能量不但有“量”的差别，还有“质”的差别.
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 。
火电厂集控运行专业《知识点2 火用分析法》
火用损失
可以理解为损失掉的可被利用的能量。
火用分析法
利用火用效率（可用能利用率）和火用损（做功能力 损失）来评价电厂能量的质量利用情况。
一、火用的一般概述
1 . 热量（热流）火用
如图，1kg工质在变温情况下沿1-2过程吸热，吸热
量为q12。取一微元吸热过程的吸热量为dq，工质熵
的变化为ds，吸热温度为T，则dq=Tds，根据热力学
全厂的“火用”平衡式为 进入锅炉 火用eq=发电机输出的电能Pe+ 发电厂的总火用 损 △ecp
汽轮机入口蒸汽的 火用eo = 汽轮机排汽的 火用ec + 工质膨胀所做的内功 wi +膨胀引起的 火用 损 △et
e0 wi ec et
汽轮机内部的 火用 损 △et
et e0 wi ec
4.凝汽设备的火用损失
汽轮机排汽的 火用ec = 凝结水的火用 热引起的 火用 损 △ec
ec ec' ec
理论上机械能和电能都可以全部转变为功，所以：
机械能的火用
机械能的
固体燃料的化学火用
固体燃料的低位发热量
4. 火用损失、火用平衡、火用效率
火用损失
各种热力过程的不可逆因素都将会有熵增，熵增 将带来做功能力的损失即火用损失，使一部分可
用能变成无用能。
对任何实际热力过程来说，热力系统输出各种火用
为了合理用能，就需要采用一个既能反映数量又能反映各 种能量之间“质”的差异的同一尺度。——火用
01
分析 02
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他 能量形式的那部分能量，称之为火用。
因为只有可逆过程才有可能进行最完全的转换，所 以可以认为（㶲）是在给定的环境条件下，在可逆 过程中，理论上所能作出的最大有用功或消耗的最 小有用功。
火用分析基础
p
m T0 O s p0 n O’ v 1
p c 1 2 p0 d a 0 fh e b 3 O v
g
O
v
稳定流动系统工质的火用 稳定流动系统工质的火用——焓火用 火用 焓
定义：稳定物流从任意给定状态经开口系统以可 逆方式变化到环境状态，并只与环境交换热量时 所能做的最大有用功。
δQ = dH + mdc 2 + mgdz + δWA
1 2
δQ = T0 dS
1 T0 dS = dH + mdc 2 + mgdz + δWA p, T , c 2 H
p0 , T0 , c0 H0
δWU ,max
δQ0
δWA = T0 dS − dH − mdc 2 − mgdz
1 2
1 WA,max = H − H 0 − T0 ( S − S 0 ) + mc 2 + mgz 2
环境状态： 环境状态：任何一个系统与环境处于 热力学平衡状态称为环境状态。
热力学平衡包括？ 热力学平衡包括？
不完全热力学平衡 完全热力学平衡 不完全环境状态 完全环境状态
物理火用和化学火用
以不完全平衡环境状态为基准时， 以不完全平衡环境状态为基准时，系统 所具有的火用称为能量的物理火用 火用称为能量的物理火用。 所具有的火用称为能量的物理火用。 以完全平衡环境状态为基准时， 以完全平衡环境状态为基准时，系统 所具有的火用称为能量的化学火用 火用称为能量的化学火用。 所具有的火用称为能量的化学火用。
He
Ne
摩尔分数
0.756
0.2034
0.0312
火用分析
目前的资源综合利用分析与评价主要是基于统计数据的指标评价。
较早出现并具有影响力的评价指标有联合国可持续发展委员会建立的可持续发展指标，蔡邦成等基于生态环境和经济可持续发展理念建立了区域可持续发展评价指标。
但是，指标评价存在数据统计工作繁多、指标计算过程复杂、不能给出量化的评价结果等问题。
在能源利用效率研究中，一直困扰人们的也是如何将非同质的能源投入要素、不同产出进行加总和成本分摊等问题，火用概念的提出解决了这个问题。
火用指能量、物质系统在只有环境作用的条件下，经历可逆过程达到与周围环境状态平衡时能产生的最大可用功。
火用为正确评价不同形态的能量、不同状态的物质的价值提供了统一的标尺[1]。
火用分析是根据进出系统火用的不平衡发现不可逆火用损失，对系统物质、能量利用状况给出全面评价的分析方法。
火用分析不仅已被广泛应用于冶金、电力、水泥等高耗能生产过程和设备的能量系统的分析和评价,火用理论也成为了评价地球和国家资源环境状况的重要工具。
建设资源节约、环境友好两型社会要求的是节约原材料、能源、资金、劳动力以及环境资源等的广义节能。
广义节能必须要有新的科学有效的分析和评价方法对经济系统进行评价和监督。
将火用理论与微观经济学结合，形成了交叉学科—火用(热)经济学。
火用(热)经济学在生产系统的综合经济性分析方面得到了应用。
张超等在单位火用成本基础上，分析了电厂热力系统在设计工况以及变工况下火用成本的分布规律，并且定量研究了各种运行参数对设备火用成本的影响。
而运用火用(热)经济学对运行机组各设备的火用成本变化进行在线监督，已经是热力系统故障诊断的主要方法之一。
但是，火用经济学分析中总是存在热力学参数火用与经济学量货币资金的分别衡算问题，衡算方程多，计算过程复杂。
目前，火用经济学分析的应用研究主要集中在只有单一火用流输入的火电厂或者供热系统的火用成本分析、经济性优化和故障诊断等方面。
生产资料(土地、原材料和能源等)、资金和劳动力是生产系统的3 个要素资源，随着环境恶化，生产的环境成本越来越高，环境资源也成为了生产要素资源之一。
最新火用分析基础
p
p a1
T1 T0 1
s=常数
b
m T=常数
c
p
0
0
o
v
焓火用在T-s图上的表示
T
T1
h1 1 p1
h0
p0
T0
0
T
T1
h1 1 p1
h0 T0
p0 0
b s s0
s
b s0 s
s
理想气体的焓火用
e X ,H w A ,m ah x h 0 T 0 (s s 0 )
T
c p dT
T0
T
T0
eX,T
T (1T0 )dQ
T0
T
2.定温或初、终态温度相同的过程
eX,T 0
ex,p
RgT0
ln
p2 p1
可以解释理想气体在透平中做可逆等温膨胀
wA q0 -RgT0lnpp12 ab(sex,p)RgT0lnpp12
化学火用
化学火用与基准物系
化学不平衡包括组分不平衡和浓度的不平衡。
Ne
摩尔分数
0.756 0.2034 0.0312
0.0003
0.0091 0.0000052 0.000018
分压力（atm） 0.756 0.2034 0.0312
0.0003
扩散火用 （kJ/mol）
0.6917 3.9528
8.5953
20.108
0.0091 0.0000052 0.000018
化学反应的最大有用功及其计算
QHWA
For example 2CO O22C2O H 2 H C 2- O (H 2 C O H O 2)
斯查尔古特体系
能量系统的火用分析
2 能量系统的火用分析火用，exergy ，可以定义为热力系统在只与环境（自然界）发生作用而不受外界其它影响的前提下，可逆地变化到环境状态时所能作出的最大有用功。
火用表征了热力系统所具有的能量转变为机械能的能力，因此可以用来评价能量的质量、或品位、能级。
数量相同而形式不同的能量，火用大者其能的品位高或能质高；火用少的能的品位低或能质差。
机械能、电能的能质高，而热能则是低品质的能量，热能之中，温度高的热能比温度低的热能品位高。
根据热力学第二定律，高品质的能量总是能够自发地转变为低品质的能量，而低品质的能量永远不可能转变成为高品质的能量。
因此按品位用能是进行能量系统的火用分析所得到的第一个结论，也是能源工作者的基本守则之一。
在动力系统中（动力与动力系统，这里是指power 和power system ，而不是dynamics 和dynamic system ），火用分析正确地给出了可用能损失情况，为人们正确地改进动力循环，提高其热效率指明了途径。
在仅考虑热能直接利用的情况下，虽然不存在热能与机械能转换的问题，但火用分析仍然具有重要的意义，它可以指明如何充分地利用热能，典型的例子就是燃煤供热系统的火用分析结果：如果采用“热电联产+热泵系统”来代替燃煤直接供热的话，理论上可以获得比煤的热值多0.5~1倍的供热量，甚至更多（图2.1）。
但是火用分析忽视了火无的使用。
火无虽然不能用来作功以获得动力，却可以用来加热、取暖，而在火用分析中不能得到所供应能量中的火无有多少得到了利用的信息。
[1]对于复杂系统进行火用分析，可能得到重要的、不寻常的结论。
借鉴中国工程院院士陆钟武教授所提出的系统节能和载能体[2]的概念，对全工序、全流程、全行业或全地区进行比较仔细的火用分析，可能在能源利用方面提出新的见解1。
能源的利用与环境污染是密不可分的，系统节能理论也好，能源技术经济学也好，都提倡从全系统的角度综合评价能源的利用，而从经济性角度考虑，节能的经济性不一定好（实际上大部分都不好），如果把能源利用对环境造成的污染也折算成经济性指标与节能一同考虑，结论一定会大相径庭。
火用分析资料重点
2. 状态公理 （1）表述：对于组成一定的物质系统，若系统与外 界有n种功量的传递，那么确定该系统平衡的状态 参数有n+1个。 （2）加1是考虑了系统与外界的热量交换。 （3）根据“状态公理”:
独立状态参数数目= 功的模式（n） + 1
对于简单可压缩系统: 只有一种模式,即容积功. 这样:
独立状态参数数目= 1+1=2 所以:
A
压力可用绝对压力、表压力或真空度三种
形式表示。
① 绝对压力P： 工质的真实压力，为状态参数
② 表压力Pg： 绝对压力高出当地大气压的数值
Pg P Pb 或
P Pg Pb
Pb ——大气压力（不恒定）
压力测量仪表
常用单位
压力表
MPa
U型管测压计
Pa或mmH2O或mmHg
③ 真空度P：绝对压力低于当地大气压的数值 。
② T代表状态
100
212
3）比容和密度（、）
V m3/kg
m
1 m kg/m3 V
0
32
4）强度量和广延量
强度量（压力、温度和比容）与物质的量无关,
广延量正比于物质的量（如V ）
1-3 平衡状态 状态公理 状态方程
1. 平衡状态 （1） 定义: 系统中温度和压力处处相等，且不随时 间发生变化，称热力平衡状态 （所谓力平衡和热平 衡）。 （2）保持平衡状态条件: 系统内部以及系统与外界之 间不存在任何不平衡势差（系统与外界处于热力平 衡）。 （3）意义: 在热力学中,只有平衡状态才能由一组具 有确定数值的状态参数进行描述。又称静热力学。
P
P1
1
图中:
点--- 状态
P2
2
第五章—火用分析基础
wmax ex1 ex 2 u1 u2 T0 s1 s2 p0 v1 v2
●开系工质物理火用（焓火用）
对稳流系统，仍取系统和环境组成孤立系 统，则系统由初始状态可逆过渡到环境状态所完 成的最大技术功（轴功），即为开系工质的物理 火用，也称为焓火用。
（Ex） 理论上可以完全转换为功的能量——高级能量 如：机械能、电能、水能、风能 （An） 2、不能转换的能量 理论上不能转换为功的能量——无效能 如：环境（大气、海洋） （Ex+An） 3、可有限转换的能量 理论上不能完全转换为功的能量——低级能量 如：热能、焓、内能
●
火用和火无的概念
1、在环境条件下，任一形式的能量中理论上能够 转变为有用功的那部分能量，称为该能量的 火用，用Ex表示，单位: J、kJ；
T0 Q T
● ExQ’与Q’、T、T0有关，T0=const，ExQ’/Q’是T
的单值函数。
T↓→ ExQ’ ↑ T →0 ， ExQ’ → ∞
T↑→ ExQ’ ↓
对外界作功；
T →T0 ，ExQ’ → 0
◆ 系统吸热，放出冷量火用，δQ’>0， ExQ’ >0 ，系统
◆ 系统放热，吸入冷量火用，δQ’<0， ExQ’ <0 ，外界
T const
ExQ T0 Q 1 T
T0 AnQ Q T0 S T
● ExQ取决于Q、T和T0
◆ 当T0＝Const，单位热量火用（ExQ/Q）只是
T的单值函数
◆ 高温热源较低温热源具有更大的可用性
● AnQ与T0、△S有关
● Q<0，ExQ<0，系统放热，系统也放出了火用，
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
《火用分析基础》课件
结论
1 重要意义
火用分析对火灾调查和预 防具有重要意义。
2 技术要求
3 学科发展
火用分析要求技术水平高、 知识面广。
火用分析是一个不断发展 的学科，新的技术和方法 不断涌现。
撰写火灾调查报告
撰写火灾调查报告，提供防控策略建议。
火用分析工具
数值模拟
通过计算机建立数学模型，模拟火灾场景，预测火 场发展趋势。
实验室测试技术
通过对火场残留物的化学分析，确定火场发生的燃 烧反应种类、温度区间、燃烧持续时间等参数。
火点检测仪
可用于检测火场温度分布、烟气成分、烟气流速等 参数。
火灾模拟软件
火用分析基础知识
点燃温度
指燃料开始燃烧的最低温度。
燃料种类
常见燃料有固体、液体、气体等，不同种类的燃 料在燃烧性质方面也有所不同。
燃烧反应
燃料与氧发生化学反应产生的热、光和气体等现 象的总称。
氧浓度和温度影响
不同氧浓度和温度的条件下，燃烧的反应速度和 热量释放量也有所不同。
火用分析的操作流程
1
建立火灾调查模型
2
建立火灾调查的数学模型和物理模型。
3
确定火灾发确定火灾发生的位置、起
因和传播特点。
5
模型验证
6
验证火灾模型的合理性和可靠性。
7
收集现场信息
收集和记录火灾现场的各类信息。
确定火场容积和温度分布
测算火场容积以及温度分布情况。
建立火灾模型的物理过程
建立火灾模型的物理过程，求解火场发 展的规律。
模拟火场的发展和热力参数的变化，通过综合分析 数据来确定火灾发生原因。
火用分析案例分析
火灾原因分析
第三章 火用 分析法
第三章分析法建立在热力学第一定律基础上的能量平衡法只能确定能量数量的损失和能量利用率。
因此它不能反映出过程在能量质量上的损失，当然也不能解释能量消耗的真正原因，不能全面评价过程能量利用情况。
因此，还必须联合应用热力学第一、二定律，建立新的热力学分析法──分析法。
本章根据热力学第一、二定律阐述的定义、分类、数学表达式及计算方法，并讲述分析的基本方法和在化工过程中的应用。
3.1 的定义及其构成3.1.1 的定义在第一章中已简略说明了的物理意义，现首先对物系的给出准确定义。
物系处于一定的热力学状态下，当其在一定的自然环境状态下，经历完全可逆过程，最终与（自然）环境建立完全的热力学平衡。
此时物系总能量中理论上可作出的最大有用功，称为该物系在所处状态下具有的。
在一些文献中，又称可用能、有效能、有用能等。
与的定义相对应，物系从给定状态完全可逆地变化到基准状态（寂态）时，其总能量中理论上不能转化为有用功的部分，称为，也称寂态能、无效能。
为了将此定义中（自然）环境与热力学中泛指的环境相区别，以后将其称为周境。
上述定义中所谓完全热力学平衡，系指：（1）热平衡：即物系的温度变化到与周境的温度完全相同，无温差；（2）力平衡：即物系的压力变化到与周境的压力完全相同，无压差；（3）相平衡：即物系的相态变化到与周境的相态完全相同；（4）化学平衡：即物系的化学物质和组成变化到与周境的化学物质和组成完全相同。
这里还需注意：（1）所谓完全可逆，指物系经历的一切变化，包括内部变化以及和周境间发生的变化都必须可逆；（2）是指总能量中理论上所能作出的最大有用功，这就要求物系从给定的状态变化到周境状态时，一切过程均须可逆，从而使得在一定周境状态下，物系的为唯一确定值；（3）是物系的热力学性质，是状态函数，但与U、H、S等不尽相同。
除取决于物系本身的状态外，还与规定的周境状态有关，所以是一个复合状态函数。
3.1.2 物系的基准状态和周境由的定义得出，当物系与周境建立了完全的热力学平衡时，其为零。
火用分析基础
T 时， EQ Q 1 T 0时， EQ Q
闭口系统的火用——内能火用
定义：任意闭口系统从给定状态可逆 变化到环境状态，并只与环境交换热 量时所做的最大有用功。
EU WU ,max (U U0 ) p0 (V V0 ) T0 (S S0 ) EU12 WU ,max (U1 U2 ) p0 (V1 V2 ) T0 (S1 S2 )
E X ,H WA,max H H 0 T0 (S S0 )
稳流工质所做的最大有用功：
(WA,12 )max H1 H 2 T0 (S1 S2 )
(WA,12 ) max H1 H 0 T0 (S1 S0 ) [H 2 T0 (S 2 S0 )]
cp T
dT c p (1
Q dH mdc 2 mgdz WA
1 2
Q T0 dS
1 T0 dS dH mdc 2 mgdz WA p, T , c 2 H
p0 , T0 , c0 H0
WU ,max
Q0
WA T0 dS dH mdc 2 mgdz
1 2
1 WA,max H H 0 T0 ( S S 0 ) mc 2 mgz 2
基本概念
何谓火用？
周围环境条件下，任一形式 的能量中理论上能够转变为 有用功的那部分能量，称为 该能量的火用。
自然环境和环境状态
自然环境：在热力学的研究中，将自然环境抽象 为一个具有不变压力p0、不变温度t0和不变化学 组成的庞大而静止的系统，当它与任何系统发生 能量和物质交换时，其压力、温度和化学组成 仍保持不变，实际工程中任何热力过程不会 影响它的状态参数。
工程热力学课件第5章火用分析基础
在工程热力学中，热力学第一定律用于分析热力系统中的能量转换和平衡，是火用分析的基础。
火用与热量转换
火用的定义
火用是指一种能量的度量单位，表示能量中可用于有用功的部分。
热量转换与火用的关系
热量转换过程中，火用的变化量等于系统能量的变化量。因此，通过分析热量转换过程中火用的变化 ，可以了解能量的利用效率和损失情况。
通过火用分析，我们可以评估循环的热效率和火用效率，从 而找出提高循环效率的途径。例如，通过改进循环结构、优 化操作参数等方式，可以提高循环的火用效率，从而实现能 源的高效利用和减少能源浪费。
04
火用分析与热力学系统
热力学系统的分类
开口系统
与外界有物质交换的热力学系 统，包括质量流和能量流。
闭口系统
工程热力学课件第5章火用 分析基础
contents
目录
• 火用分析概述 • 火用与热力学第一定律 • 火用与热力学第二定律 • 火用分析与热力学系统 • 火用分析与热力学过程
01
火用分析概述
火用的定义
火用
表示能量品质的一种度量，是能量的 可用部分，是能量中能够转化为有用 功的部分。
火用值
衡量能量品质高低的物理量，其值越 高，能量的品质越高，反之则越低。
提高火用效率的方法
通过改进设备、优化工艺参数、采用先进的热力学循环等方式可以提高火用效率，降低 能量损失，提高能源利用效率。
火用效率与环境温度的关系
环境温度对火用效率有一定影响，不同环境温度下理想过程火用不同，因此需要根据实 际情况进行火用效率的计算和评估。
感谢您的观看
THANKS
节能减排
通过火用分析，可以发现能源利 用中的浪费和排放问题，提出相 应的节能减排措施。
火用 分 析
Eth
1
T0 T
Q
(kJ/kg)
热量火用 Eh Q T0S 冷量火用 Ec T0S Q
系统 T Q
W R
Q W
环境 T0
Exergy的形式
流动火用（焓火用） 化学火用
火用值计算
例1：饱和蒸汽的火用值：
120℃的饱和蒸汽，速度30m/s， 高度6m。计算其比火用。 环境温度298K，压力1 atm， 重力加速度9.8m/s。
化学平衡
化学火用：
对于已经与环境处于热平衡和力平衡的系统
当系统变化到与环境达化学平衡时所得最大功
化学火用
Exergy是系统与环境 共同决定的性质： 环境
理想气体混合物 温度T0，压力p0 气体分压 ， ，
系统
温度T0，压力p0 进入燃料状态： T0, p0 进入氧气状态： T0, 流出产物状态：T0,
火用损失： 熵平衡：
封闭系统火用分析例2
火用平衡表
输入火用：
…………..
…..…….. 0 输出火用：
.………….. …..…………..
火用损失： .……………………..
开口系统火用分析
焓火用(流动火用, Flow exergy)
伴随物质流入流出的可用能
焓火用 = 伴随物质流的火用 + 伴随流动功的火用 伴随物质流的火用
火用 分 析
火用的提出
Rant， 1956： exergy
词干erg在希腊文中是“功”的意思 前缀ex表示“取出” 与energy(能)既类似又不同 不能转变为有用功的那部分称为anergy(火无) 能量E由火用（Ex）和火无（An）两部分所组
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T0 T0 1 1 El ( )Q T0 ( )Q TB TA TB TA
S g
El T0S g
TA Q ExQA
R
Q TB Q
R
T
1 1′
2 2′ 3 3′
Q0
ExQB
Q0′
T0
4
S g S3 S3
环境T0
S
7.3.2 摩擦引起的火用损失 Q1 Q2
假定 Q1=Q1’ ， W > W ’
q
ws ’
ws’’
q T0 s0 s1
exh ws '' h1 h0 T0 s1 s0
q'
T0
稳定流动工质的焓Ex与An的说明
exh h1 h0 T0 s1 s0
1）稳流工质的焓h1-h0，只有一部分是exh anh= h1-h0 - exh =T0(s1-s0) 2）当环境p0, T0一定，exh是状态参数
i i
7.3.3 能级与能量贬值原理
能级
能量火用值 能量数量
机械能和电能的能级为1.
对热量:
ExQ Q
1
T0 1 T
能级越高,能量的可利用程度越大. 能量贬值原理 : 在不可逆过程中,虽然能量的数 量不变,但火用减少了,能级降低了,即能量的品 质下降了.
7.4 火用方程
1.开口系统的火用平衡方程
ds dsf dsg
ds f
q
T
T0
q
T
T0 ds T0 ds g ①
q dh wt
②
②- ①，得
T0 (1 )q dh T0 ds wt T0 ds g T
exq
dexh
el
exq dexh wt el
exq dexh wt el
z级压缩
p终 1 ( )z p初
wt zwt1
与单级压缩相比多级压缩有下列优点：
• ① 排气温度低。 • ② 多级压缩较单级省功。 • ③多级压缩由于每一级压力比小，因而每一
级的容积效率比单级压缩为高，即气缸行程 容积的有效利用率高。 • ④多级压缩活塞上所受的最大气体力较小， 这是由于高压级的气缸直径可以做得较小的 缘故。
能差和位能差，此时稳流工质的作功 能力称为物流火用，物流火用与焓火用 相差工质的动能差和位能差。
7.3 火用损失(作功能力损失)
• 火用的基本含义是以环境为基准时系统的
理论做功能力,它不是实际过程中系统作出 的最大功,也不是系统由初态变化到与环境 平衡状态实际完成的有用功,即火用与实际 过程功无关.
T1
T0
作功能力损失
Tg0 Siso T S El W W W Q Q 2 02 g
T1
Q 1’ Q1
Siso ST1 ST0 SIR SR
W’ W Q1 ' Q1 Q2 ' Q2 IR R T1 T1 T0 T0 ’ Q2 Q Q1 Q2 ' Q1 Q2 Q2 Q2 ' 2 T1 T0 T1 T0 T0 T0 T0 T0 Q2 t t,C 1 1E l Q 2 ' Q2 Q1 T1 T0 T0
T0
w’
闭口系统内能的Ex与An的说明 exu u1 u0 T0 s1 s0 p0 v1 v0
1）闭口系的内能u1-u0，只有一部分是exu anu= u1-u0 - exu =T0(s1-s0)-p0(v1-v0) 2）当环境p0, T0一定，exu是状态参数
w '' u1 u0 T0 s1 s0
内能ex：(有用功)
u1, s1, T1, p1, v1
p0 w
exu w p0 v0 v1
''
q
克服环境压力
w ’’
exu u1 u0 T0 s1 s0 p0 v1 v0q '
3）当工质状态与环境相平衡，焓exh=0
4）由初态1 最大功
终态2的可逆过程，工质作的
wmax exh1 exh2 h1 h2 T0 s1 s2
若工质宏观运动动能及位能的变化较大不 可忽略，稳流工质的作功能力与焓火用有 什么差异？
• 稳流工质的作功能力应计入工质的动
u1, s1, T1, p1, v1 初态
u0, s0, T0, p0, v0 终态
热一律：
q u0 u1 w ''
热二律：
w
q siso s0 s1 0 T0
q
q'
T0
束缚能
w ’ w ’’
q T0 s0 s1 w '' u1 u0 T0 s1 s0
p2 p0 exu2 RT0 ln 1 226kJ / kg p0 p2
wmax exu1 exu2 18kJ/kg
稳定流动工质的焓Ex举例
燃烧室
压气机 t1=900℃ p1=8.5bar 燃气轮机
t0=25℃ p0=1.0bar
R=0.287kJ/kg.K 求: exh1, exh2
ws
q
q'
T0 ws ’
流量1kg的工质，初状态为 h1, s1, c1, z1 h1 经稳定流动，与环境达到 平衡，状态为h0, s0, c0, z0， 过程中放热为 q ,对外作 功为ws 假定 q 通过可逆热机作功ws’ 1
exh=?
ws
q
h0
ws’’
exh= ws ’’= ws+ ws ’
第七章 小 结
• 火用值计算
• 火用损失 • 火用方程 • 火用效率
重点 了解
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
wm级压缩
1 p p p终 1 2 终 2 p4 2 ) ( ) ( p1初 p2 p初 p
n 1 n 1 n 2n p 2 n 2 n wt 2wt1 RT1 1 RT1 1 p1 n 1 n 1
exu1 u1 u0 T0 s1 s0 ex up 3）环境的内能很大，但内能 =0 0 v1 v0 exu 2 u21 u0 T0 s2 s0 p0 v2 v0 4）闭口系由 2 的可逆过程，工质作的 最大功
②
实际利用的火用值之和 ( Ex) a ex 提供的火用值之和 ( Ex)th
热力循环的热量火用效率为
W t Q
W exQ ExQ
Wmax ExQ c Q Q
t exQ c
火用效率是一种相对效率，它反映了实际过 程偏离理想可逆过程的程度。
7.6 热经济学
El T0S g
T
1 2
T0
4
3
3′ El
S
注意！
El T0S g
• 工质因过程不可逆引起的作功能力的损
失是过程熵产与环境介质温度的乘积。 不论什么工质，不论何种不可逆过程， 也不论工质温度是高于还是低于环境温 度，工质的作功能力的损失均可用此式 计算。
El Eli T0 S gi T0 S g
积分得
exq exh wt el
exq (exh1 exh2 ) wt el
若有多股流体进出，则
(Ex ) [((Ex
Q i
h1 i
) (Exh2 )i )] Wt El
火用方程表明，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与火用损 失之和。
同理，闭口系统的火用平衡方程为：
exq (exu1 exu 2 ) wu el
wu w p0 (v2 v1 )
7.5 火用效率与热效率
效率 收益量 支出量 火用收益量 火用支出量 火用效率
① 热力系统
( Ex) in ( Ex) out El
El 离开系统的各火用值之 和 ( Ex)out ex 1 进入系统的各火用值之 和 ( Ex)in ( Ex)in
20世纪60年代以来，在节能领域产生了将 火用分析法与经济因素及优化理论有机结合的 热经济学，即除了研究体系与自然环境之间的 相互作用外，还要研究一个体系内部的经济参 量与环境经济参量之间的相互作用。 一般来说，第一定律和第二定律分析法， 在方案比较中仅能给出一个参考方向，而不能 得出具体结论。而热经济学分析法可以直接给 出结果，这种方法特别适用于解决大型、复杂 的能量系统分析、设计和优化。
exu1 u1 u0 T0 s1 s0 p0 v1 v0
RT1 RT0 T1 p1 T0 cp ln R ln p0 T0 p0 p0 p1 p1 p0 RT0 ln 1 244kJ / kg p0 p1
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
p1 p0 exu1 RT0 ln 1 244kJ / kg p0 p1
wmax exu1 exu2 u1 u2 T0 s1 s2 p0 v1 v2