火用(exergy)及火用分析

境无关
关
与环境平衡时值不为零（爱因斯坦 和环境完全平衡时（处于死态）值
质能关系指出E=mc2）
为零
根据热力学第一定律所有过程等守 根据热力学第二定律可逆过程守恒，
恒
实际过程不守恒（由于不可逆部分
或全部贬值）
既不能自行产生也不能自行消失
在可逆过程中既可以产生也可以消 失，但是在不可以过程中只能被消
耗
有多种形式（动能、势能、热等）， 有多种形式（动能火用、势能火用、
各种形式都可以测量
热能火用等）只能基于功或做功的
能力来测量
只是量的测量
量和质的统一
火用
• 自然环境，环境状态
• 抽化象学成组一成个具有不变压力p0，不变温度T0，和不变 • 热力学平衡：热平衡、力平衡和化学平衡
– 不完全热力学平衡 – 完全热力学平衡
• 物理火用和化学火用
• 选取不完全平衡环境状态作为基准状态—物理火用 • 选取平衡环境状态作为基准状态 • 对于完全平衡环境状态因化学变化不平衡所具有的

s0
)

V2 2r

gz

(
P

P0
)v

(u

Pv) (u0

P0v0 )
T0 (s r

s0 )

V2 2

gz

(h

h0 )
T0 (s

s0 )

V2 2

gz
状态量 可正可负
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。
25º
75º 1000kg
25º
Ha Hb micp Ta Tb 250,800kJ
Hd Hc A 209, 000kJ
Hd Hc B 209, 000kJ
A Hd Hc A 0.833
Ha Hb
B 0.833
QA Ha Hb Hd Hc A 41,800kJ
火用—化学火用
火用
• 对于能量来说存在两种情况： 以状态量形式表现的能量（状态量） 以传递形式表现的能量（过程量）
机械火用
• 机械能火用
机械火用
• 机械功火用
– 封闭系统 X=W-p0(V2-V1)
– 稳定流动系统、任何循环 系统、固定边界系统 X=W
热量火用
f
X (1T0 / T XH


Q
1

T0 TH


XL


Q
1


T0 TL

TH>TL TH
δQ
TL
I

XH

XL

T0
Q

1 TL

1 TH

几个火用损的例子
有摩阻耗散的火用损失
I
Q
X


Q


Q

1

T0 T

Q
T0 T
换热器的火用损失
I

T0
Q

1 TL
1
TH


T0
Q
TH TL THTL
火用平衡
• 能量与质量
• 入—出=增量
•熵
• 流入系统的熵+系统产生的熵-流出系统的熵=系统熵 的增加
• 火用
• 流入系统的火用-流出系统的火用-火用损=系统火用 的增量
行计算 • 根据计算结果，找到系统内部和外部的可逆和不
可逆的火用损失，揭示用能过程的薄弱环节，进 行改进。
能效率和火用效率的比较
85º 1000kg
25º
Charging
Disharging after1 day( case A) Disharging after100 day( case B)
35º 5000kg
i
1 T0 / T
X 1T0 / T Q Q
T0
闭口系统工质的火用（热力学能）
Wtotal useful (U0 U ) P0 (V0 V ) T0 (S0 S ) (U U0 ) P0 (V V0 ) T0 (S S0 ) r V2
• 每种能量都是由火用和火无两部分做成，不可能 使火无转变成火用而不引起其他变化
• 一切可逆过程不出现火用的贬值变质，火用的总 量保持守恒不变
• 一切不可逆过程不可避免地发生能的贬值变质， 火用减火无增——火用损失
• 判断系统自发过程的方向性和稳定平衡性
能
火用
与物质特性和能流特性有关，与环 与物质、能流特性和环境特性都有
• I=ToΠ
能效率和火用效率
• 一般定义
Enout 1 Enloss
Enin
Enin
X out 1 X loss X consum
X in
X in
火用效率的不同形式
• 分清系统中的火用代 11 价和火用收益
Wsh
X1 X 2
Wsh X 2
X1
Wsh 22
燃气轮机示意图
能和火用分析的方法
• 根据需要将总能量系统分成尽可能多的子系统 • 列出各子系统能量和质量的平衡式，确定基本量
（如功，热等）和特征（如温度，压强等） • 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 • 根据参考环境模型计算能和火用的值 • 列出火用平衡关系式，其中包括火用损 • 根据预期的目的和要求选择合适火用效率公式进
火用（exergy）及火用分析
能
• 机械能，电能，热能，化学能等 • 热力学第一定律（量） • 转换性 • 热力学第二定律（方向）
能
• 1.可无限转换的能量
电能，机械能（水能、风能）——质与量统一
• 2.可有限转换的能量
热能——质与量不统一
• 3.不可转换的能量
环境介质内能
火用
• 在周围环境条件下任一形式的能量中理论 上能够转化为有用功（可无限转换能量） 的那部分能量称为该能量的火用（exergy） 或有效能。
X (U U0 ) P0 (V V0 ) T0 (S S0 ) m 2 mgz
状态量 恒为正
稳定流动系统工质的火用（焓火用）
x x x flowing fluid
nonflowing fluid flow exergy
r

(u

u0
)

P0
(v

v0
)

T0
(s
• 能量中不能够转变为有用功的那部分能量 称为火无（anergy）
火用
• 火用表征能量转变为功的能力和技术上的 有用程度，可以用火用来评价能量的品质 或级位
• 能量=火用+火无 • 机械能、电能、有用功——高品质能 • 热能、热量——低品质能
火用
• 在任何能量的转换过程中火用和火无的总和保持 不变。