（工程热物理专业论文）电厂锅炉的热力学分析.pdf

； j _ _ _ _ _ 一 一、弘，。 ad i s s e r t a t i o ni n e n t r o p y a n b yz h a n g m i a o s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rw a n gc h e n g y a n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y f e b2 0 0 8 一、l 卜a 一 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写 过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示 谢意。 学位论文作者签名： 日期： 学位论文版权使用授权书 乏参赢 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 ，、 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 7 ；7 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 、i 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：签字日期： 掌 f h 东北大学硕士学位论丈 摘要 电厂锅炉的热力学分析 摘要 本文运用熵的理论对锅炉运行过程进行了分析，熵的概念出自物理学，但是随着科 学技术的飞速发展，它的定义及应用已经超出了物理学的范畴。熵的性质，功能和作用， 以及在其他学科的应用为讨论工业生产问题提供了理论的支撑。 众所周知，能源问题已是当今世界瞩目的重要课题，能源的短缺促使人们的节能意 识迅速提高，除了认真研究和大力开发各种新的能源资料外，还把合理用能即节能工作 放在了重要的地位，而做好耗能设备的节能工作显然是非常重要的。电站锅炉是火力发 电厂的主要耗能设备，因此，对电站锅炉进行节能分析，具有十分重要的意义。 目前，热平衡方法被广泛应用于电站锅炉，但它只能从能量的数量方面分析能量的 利用情况，熵分析法可以从能量的量和质两个方面分析能量的利用情况。与热平衡分析 方法相比较，熵分析方法不但能反映电站锅炉的外部损失如排烟、散热等损失，而且能 揭示能量转换利用过程的内部损失，即不可逆过程损失。此外，熵分析法还可以较为完 善的分析电站锅炉中各受热面的能量利用情况。因此，采用熵分析方法可以更完善、更 具体的衡量电站锅炉的热力学完善程度，准确的揭示系统中损失最大的环节或过程，为 节约能源提供目标及对策。 本文运用热力学的相关理论，将具体工业生产系统( 电站锅炉) 作为对象，以工业生 产产生的熵增为研究手段，揭示工业生产的能量利用情况，并对各种情况进行了比较， 以熵增最少为目的，即提高能量的利用率，减少浪费和污染。并将工业生产系统与自然 生态系统作为一个统一体系进行研究，以熵作为研究工业生产对环境产生的综合影响的 评价指标和手段。 关键词：熵增；熵分析；电站锅炉；热力计算；换热器； i i 婶j 0挂l a bs t r a c t t h et h e s i sh a sa n a l y s e dt h ep r o c e s so fi n d u s t r i a l p r o d u c t i o nb yu s i n gt h et h e o r yo f e n t r o p y ，t h ec o n c e p to fe n t r o p yc o m e sf r o mp h y s i c s ，b u tw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，t h ed e f i n i t i o no fe n t r o p yw a sb e y o n dt h es c o p eo fp h y s i c s t h e p r o p e r t y ，f u n c t i o na n de f f e c to fe n t r o p y ，a sw e l la si t su s e si no t h e rs u b j e c t sh a sp r o v i d e dt h e t h e o r e t i cs u p p o r tf o rd i s c u s s i n gt h ep r o b l e mo fi n d u s t r i a lp r o d u c t i o n a si ti sw e l lk n o w nt ou s ，t h eq u e s t i o no fe n e r g ys o u r c e si sas i g n i f i c a n tq u e s t i o nf o r d i s c u s s i o nt h a tp e o p l ea l la l o n gf o c u sa t t e n t i o nu p o n ，a n de n e r g yc r i s i se n h a n c e sp e o p l e s e n e r g y s a v i n gc o n s c i o u s n e s s w em u s tp u tt h er e a s o n a b l eu s eo fe n e r g yo na ni m p o r t a n t s t a t i o n ，e x c e p tt os t u d ya n do p e n u pa l l k i n d so fn e we n e r g y i ti s h i g h l yi m p o r t a n td o e n e r g y s a v i n gw o r ko fe n e r g y c o n s u m i n ge q u i p m e n t b o i l e ri sap r i m a r ye n e r g y - c o n s u m i n g e q u i p m e n ti np o w e rp l a n t t h e r e f o r e ，e x e r g ya n a l y s i so fb o i l e ri np o w e rp l a n th a sas i g n i f i c a n t m e a n i n g p r e s e n t l y , t h em e t h o do fh e a tb a l a n c ei sw i d e l yu s e di nb o i l e ri np o w e rp l a n t ，b u ti t c a no n l ya n a l y s e st h es t a t u so fu s i n ge n e r g yf r o mt h eq u a n t i t yo fe n e r g y t h em e t h o do f e n t r o p ya n a l y s i st oe x a c t l yo p e no u tt h eh e a t - u s i n gs t a t u so fb o i l e rc o m e si n t ou s e ，a n di t a n a l y s e st h es t a t u so fu s i n ge n e r g yf r o mt h eq u a n t i t ya n dq u a l i t yo fe n e r g y c o m p a r e dw i t h t h em e t h o do fh e a tb a l a n c e ，t h em e t h o do fe x e r g ya n a l y s i sn o to n l yr e f l e c t se x t e r n a ll o s s e so f b o i l e ri np o w e rp l a n t ，f o re x a m p l e ，w a s t eh e a tl o s sa n de x t e r n a lh e a tl o s s e s ，b u ta l s oo p e n so u t i n n e rl o s s e si nt h ec o u r s eo fe n e r g yc o n v e r s i o n ，f o ri n s t a n c e ，n o n r e v e r s i b l el o s s e s f u r t h e r m o r et h em e t h o do fe n t r o p ya n a l y s i sm a yp e r f e c t l ya n a l y s et h es t a t u so fu s i n ge n e r g y o fa l lk i n d so fb o i l e rs u r f a c e a c c o r d i n g l y , t h em e t h o do fe x e r g y a n a l y s i sm a yp e r f e c t l y a n d c o n c r e t e l yw e i g hp e r f e c tt h e r m o d y n a m i cd e g r e e ，a n de x a c t l yo p e no u tt h et a c h ea n d p r o c e s so fm a x i m a ll o s s e s ，a n do f f e rt h eo b j e c ta n dc o u n t e r m e a s u r ef o rs a v i n ge n e r g y t h i st h e s i su s e dt h et h e r m o d y n a m i ct h e o r i e s ，a n a l y s et h ee n t r o p yi n c r e a s eo f i n d u s t r y 1 i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t s y s t e m ( t h eb o i l e ri np o w e rp l a n t ) ，r e v e a l e dt h es t a t eo fe n e r g yu s ei ni n d u s t r yp r o d u c t i o n ， a sw e l la sc o m p a r e dt h ed i f f e r e n ts t a t i o n s ，t h i sw a sa i m e da t m a k i n ge n t r o p yi n c r e a e m i n i m u m ，s ot h a t ，t h eu t i l i z a t i o nr a t ew o u l db er a s e d ，a n dw a s t ea n dp o l l u t i o nw o u l db e d e c r e a s e d b e s i d e s ，t h i sp a p e rm a d eas t u d yo nt h ee n t r o p yi n d e xo ft h es y n t h e t i c a le f f e c to f i n d u s t r i a lp r o d u c t i o ns y s t e m k e y w o r d s ：e n t r o p yi n c r e a s e ；e n t r o p ya n a l y s i s ；p o w e rp l a n tb o i l e r ； t h e r m o d y n a m i cc a l c u l a t i o n ；h e a te x c h a n g e r ； 第一章前言l 1 1 研究背景及意义1 1 2 国内外研究综述。2 1 2 1熵的应用2 1 2 2 熵在工业生产过程中应用的研究现状4 1 2 3 熵与环境问题的研究现状6 1 3 本论文研究的内容和步骤8 第二章传热与流体流动过程中熵分析1 1 2 1 换热管的熵分析1 1 2 1 1 管内流动熵产分析1 1 2 1 2 管外流动的熵产分析1 3 2 1 3 熵产比较分析。1 4 2 2 换热器的熵增1 5 第三章锅炉运行过程的熵分析2 1 3 1电厂锅炉简介2 1 3 2 锅炉生产过程宏观的熵分析2 3 3 3 锅炉生产过程微观的熵分析2 7 3 3 1 燃料燃烧化学能变成烟气的熵增。2 7 3 3 2 热损失熵增2 8 3 3 3 换热设备的熵增2 9 3 3 3 1锅炉蒸发设备的熵增2 9 3 3 3 2 省煤器3 1 3 3 3 3包墙过热器3 4 3 3 3 4i 级过热器3 6 3 3 3 5i i 级屏式过热器3 6 3 4计算结果分析与讨论3 7 v 目录 ijlllii 东北大学硕士学位论文 电站锅炉是火力电站的三大主机设备之一。目前，我国的火力电站锅炉以亚临界和 超临界大容量锅炉为主，由于设备本身及操作管理等方面的原因，性能指标与发达国家 相比有较大的差距。与发达国家相比，据推算，全国一年发电就要消耗标准煤约1 2 亿 吨，多花费购煤款1 0 0 多亿元。因此，提高燃煤电站锅炉的热经济性，节约有限的煤炭 资源，同时降低燃煤过程产生的环境污染，是我国能源实现可持续发展的当务之急，也 是电力科技工作者的攻关课题。 1 1 研究背景及意义 锅炉被普遍应用于各行各业，尤其是电力行业，和城市供热行业，锅炉运行的总能耗 占整个国内能源消费总量的一半以上，其污染排放也在排放总量中占有重要比重，对这样 一种设备的生产过程进行熵产及其对环境影响的分析研究，在一定程度上可以定量地认 识该设备的环境综合影响情况，也为开展其他设备的熵产分析探索途径，进而可以开展工 序、流程的熵产分析。 在以往对发电厂的热经济性的评价通常采用效率分析法，该方法的实质是能量的数 值平衡。它的不足在于只是从量上计算能量的损失，其实质是能量的数值平衡。对发电。 厂的热经济性进行全面和正确的评价，是建立在热力学第一定律和热力学第二定律的基 箩 础上的，并应用朗肯循环和卡诺循环的研究成果。效率分析法仅仅根据能量的多少，忽 略的能量品质的高低。而熵分析恰恰考虑了能量的品质，实际的热力学过程都是不可逆 过程，都会使系统的熵增大，引起能量贬值和功的耗散。因此，可以通过计算熵产来确 定作功能力损失的大小，并以此作为评价电厂热力设备热经济性的指标。但是由于它的 复杂，至今没有成型的计算模型。而对熵进行深入的分析、研究对于评价发电厂的经济 性和提高电厂的效率、减少环境污染具有重要的现实行意义和理论意义。 关于熵的研究，目前国际国内学术界一直把注意力放在单体传热设备的熵平衡，而且 是工程背景很弱的纯学术研究上，至于把熵和自然生态系统进化联系起来且落实到工业 过程的环境综合效应评价的研究思路，还有待开拓。 工业生产的环境影响研究是工业可持续发展的重要内容n 1 。现有的许多环境污染的 评价指标，大多是对某一污染物质的数量进行单项的比较，可供整体评价的定量指标较 少。上世纪8 0 年代后，人们已广泛的使用熵的概念对各类系统的功能进行分析，熵这 东北大学硕士学位论文第一章前言 一概念虽发端与热力学，但一是它以最明确的概念表达了环境污染现象的本质。与热力 学第一定律的工业代谢方法不同， 业生产坏境影响的熵分析方法从热力学第二定律出 发，通过对整个生产及周围生态环境的熵变分析，揭示了工业生产对环境影响的本质和 规律。不断增大的熵已为我们指明了生态系统变化的方向。熵定律虽然向我们展示了这 个方向，但确没有说明它的速度。因而，人类可以运用自己的意志来决定熵的过程的发 展速度，可以通过自身的生活与行为方式的选择，来决定地球上有效能量的耗散速度。 在工业生产中经常采用各种能源利用技术，以提高能源使用效率和能源利用的速 度。例如各行各业普遍采用的强化传热技术，通常采取增加传热温差、扩大传热面积、 增大流体流速、促进流体扰动等方法，同时也会造成相对增加的流动阻力。于是在获得 较大程度的传热收益的同时，要付出工质压力下降、输送功率增加的代价，即增加了不 可逆损失和动力损失。所以，对传热设备以及各种能源利用设备的设计，不应仅仅限于 传热效能等指标的提高，而必须将减少不可逆损失提到重要地位。熵产是不可逆损失的 标志，对工业生产活动进行熵分析并进行熵产最小化的理论、方法和技术的研究，是能 源利用技术发展的现实需要和技术水平提升的具体体现。 1 2国内外研究综述 1 2 1 熵的应用 “熵”的释义有两个：一是物理学中热力学体系的概念，二是科学技术上泛指某些物质 系统状态的一种量度或者某些物质系统状态可能出现的程度，概括为热力学熵和广义熵。 熵是克劳修斯于1 8 6 5 年定义并命名的一个热力学系统的状态函数熵的定义为： d s d q t ( 1 - 1 ) 其中d o 是与外界交换的热量，是广延量；t 是系统的温度，是强度量，是广延量。熵 还可以表示为如下形式： m d s d i 删( 1 2 ) 式中u 、s 、t 分别为系统的内能、熵和温度，d w 表示系统对外所作的功。上式表 明，内能的消耗包括两部分，一部分对外做功，而另一部分能量t d s 则不可利用。因此，熵增 加时，不可用能的量值也随之增加。 从分子运动论的角度来考虑，采用统计物理学的方法可得： s = k l n c w ) ( 1 3 ) 东北大学硕士学位论文 第一章前言 称为玻耳兹曼式，式中w 为系统的微观态数，又称热力学概率。上式表明，熵是系统微观粒 子无序量大小的度量，它把宏观量熵与微观状态数w 联系起来，从而以概率的形式表述了 熵及热力学第二定律的重要物理意义，对信息科学、生命科学乃至社会科学的发展都起了 十分重要的推动作用。 信息论的创始人申农利用概率统计理论来定义具有一定概率分御的信号源的平均 不确定性的测度： n h = 一cv pl n ( 1 4 ) 鱼 式中n 为信号源的信号种数，p i 为第i 种信号出现的概率利用等概率原理可以证明，h 和s 的统计表现形式可以相互转换，所以称h 为信息熵。上式表明，熵不仅不必一定要与 热力学过程相联系，而且不必与微观分子的运动相联系。在自然科学和社会科学的各个领 域中，存在着大量不同层次、不同类别的随机事件，每一种随机事件的集合都具有相应的 不确定性和无序度，所有这些不确定性或无序度都可以用信息熵这个概念来描述。信息熵 ? ： 也称为广义熵。 据不完全统计，目前约有7 0 8 0 种熵，应用于自然! 生命思维及社会等各个领域( 宏观 巨系统) ，如模糊熵、拓朴熵、基因熵、气象熵、条件熵、社会熵、经济熵等，用来描述不 确定性或混合度或无序度。同时熵概念引发出许多新的交叉科学，如生物热力学、生物信 息论、熵经济学、环境经济学和资源物理学等。对这样一些非热力学系统，由于其差异性 嫩 和复杂性，尚没有统一的理论。目前，广义熵的建立方法有类热力学和类统计方法。 人类社会的存在有赖于它所处的环境，需要不断地从周围环境摄取能量【2 】，自然界有 能力清除生态环境和其它自然过程中的积熵。根据熵原理的应用，使人类意识到，自然界 有其自身的限界，它不能为人类提供取之不尽的资源和无限大的生存空间，而另一方面，人 类社会以及科学技术的发展又导致了熵的快速增长因此，应建立一个对于人类和自然界 都合理、合适的最佳生存模式，即建立一个“负熵社会。以尽可能少的能耗，求得社会生 产力的发展，抑制并降低熵增长。 地球的排熵能力是有限的。地球的“负熵”从其本源来说是来自于太阳。地球作为 处在高温热源( 太阳) 和低温热库( 太空) 之间的一个开放系统【3 1 它在单位时间里能引入的 负熵或者说它排熵能力的上限为4 4 7 1 0 4 w k 。全人类食物所需求的负熵流为1 1 3 1 0 8 帆而辐照在地球上的太阳能，真正被绿色植物用来光合作用的仅有0 0 2 ，约8 9 4 1 0 1 帆其绝对值只比食物的负熵流大几百倍自然界系统中的食物链有许多营养级， 东北大学硕士学位论文第一章前言 能量的转化平均为1 0 1 5 ，而且j “阔森林中进行的光合作用大部分不为人类生产食品 所以人类要保护地球植被，爱护森林，杜绝沙漠化没有植被的地面对光除了反射一部分外， 大部分直接转化为低品质的热能植被利用光合作用蓄积的能量和有序，是推动地球各条 生态链运动的能量和负熵输入的惟一方式，而且光合作用能产生d ，吸收c d ，从而清 洁地球。 就人类的消费而占，高消费似乎是人类天生的欲望，而每个人的高消费必然促成社会 的高生产，低效率的高生产必然带来高污染。再拿热机废气污染来说，热机在给人类带来 便利的同时，它又是一个破坏人类生存环境、侵蚀地球生命支撑结构的污染源。例如，一 切热动力机械都属于能源的低效率使用设备，因为不管什么热机，都是先把高品质的化学 能或核能转化为低品质的热能，最后才转化为电能或其它形式的能量。目前最先进的热电 厂仅利用热能的4 0 ，核电厂则为3 0 这种落后的转换模式带来一系列环境污染，如“无 色杀手 a d 和温室气体c d 2 含量的增高；空中死神酸雨大面积的降落；城市中光化 学烟雾的出现；铅污染、电磁污染等。正如阿尔温夫勒所言：“我们急于向技术索取眼前 的经济利益的过程中我们已经把环境变成自然和社会的易燃品 。 人类要想继续在太阳系中惟一能提供生存环境的地球上生活，要创造新的技术形式， 开发新的能源和生态技术，在发挥科学技术积极作用的同时，消除科学技术发展的消极影 响，从根本上改变人与科技、人与自然的不和谐关系，把耗散过程中产生的多余熵排出去 或减少熵的增加，引入负熵，进化出一个全新的世界，实现人天的统一l 引。 1 2 2 熵在工业生产过程中应用的研究现状 熵产分析作为热力学第二定律的分析方法，在不可逆现象比较集中的传热与流动系 统得到了广泛深入的研究。熵产分析可以得到不可逆损失的量，弄清热力系统各部分的 不可逆损失分布情况，从而以熵产最小为目标，从设计和运行角度进行优化。从2 0 世 纪8 0 年代起，国内外众多学者广泛开展了传热和流体流动过程中熵产的分析研究工作， a b e j a n 较早地开展了这项研究【5 】。他的研究成果对我国工程热物理界的影响很大，国 内1 9 8 0 s 年代开始的、第一批有关传热与流体流动过程中熵产生的研究成果大都建立在 b e j a n 的基础之上。 一切实际过程与现象都是不可逆的，实际过程与现象的多样性造成了构成不可逆熵 增的因素的多样性。根据熵产的可加性，可以利用熵增对系统加以逐层次分析，即： m i n i m i z a t i o n ，e g m ) 本质上熵产分析和火用分析作为热力学第二定律分析方法是一致的， 都用来评价热力系统的完善程度，都有别于基于能量守恒的热力学第一定律分析。熵产 分析是在熵产生概念的基础上对实际系统的实际过程，依据传热学和流体力学的知识， 计算出熵产分布。在这个意义上讲，熵产分析属于热力学、传热学和流体力学的交叉范 畴，它不仅要发展自身的分析方法和评价指标，扩大分析对象，而且要吸收利用传热学 与流体力学的研究成果与研究方法。熵产分析是个十分开放的研究领域。 对流换热流场中，b e j a na 取流场中微元体分析，得到了对二维和三维流场都适用 的熵产率方程的表达式。李大鹏等( 1 9 9 6 ) 讨论了涡流流场中的熵产分布规律。b e j a n a ( 1 9 7 9 ) 就强迫流动的四种形式一管内流动、流经平板、横掠圆柱和流经方形管道入口穆 o 罾 段进行了熵产分析，得到了熵产随流道几何参数的变化规律和熵产分布曲线。m u k h e r j e e 。 p ，b i s w a s ( 1 9 8 7 ) 研究了流经圆柱的对流流场中熵产生的解析式。s a nj y ，w o r e kw m ， l a v a nz ( 1 9 8 7 ) 研究了在层流和湍流流形时，定热流密度和定壁面温度下对流换热熵 产生和绝热对流传质熵产生。j ys a n ，w m w o r e k ，z l a v a n ( 1 9 8 7 ) 研究了二维流场 中复合传热传质过程的熵产生，得到了熵产分布剖面。c a r r i n g t o nc g ( 1 9 9 1 ) 研究了 多组分流体在传热传质耦合效应作用下熵产生，指出只有在考虑了热扩散和扩散热效 应后耦合效应才对熵产生有影响。对一种双组分理想流体在扩散流方向上不考虑较小的 压力梯度作用时进行了熵产分析。文献对多组分流体，在考虑了粘性耗散、导热、辐射、 质量扩散、化学反应等效应作用进行了熵产分析。s u nle ，c a r r i n g t o nc g ( 1 9 9 1 ) 将 不可逆过程热力学的概念和研究方法引入了熵产分析。将不可逆过程热力学或非平衡过 程热力学的研究方法应用于熵产分析，目前仅停留于理论分析阶段。由于传热传质过程 的复杂性，联立方程多，一般不能得到熵产生的解析解。应用传热学和流体力学的研究 方法，对流场进行数值模拟，得到流场中熵产生分布，从这方面讲，对流传热传质熵产 分析对传热学和流体力学有着强烈的依赖性。 对基本流动传热过程的熵产分析，所做的研究工作主要包括：定壁温边界条件下管 东北大学硕士学位论丈 第一章前言 内流动的优化，定热流边界条件下管内流动的优化，定热流和定壁温边界条件下管内流 动热进口段的熵产分析和评价。该工作对于过程上常见的短管换热器的研究有一定意 义。应用湍流三层结构模型对管内流动熵产生与流动雷诺数的关系研究，管内流动在熵 产最小是最佳流动雷诺数的研究，强迫流动条件下以熵产最小为目标的肋片几何尺寸优 化、掠圆柱的熵产分析、流经平板的熵产分析、流经球体的熵产分析流体交混的熵产分 析、两相流动的熵产分析、粗糙表面管内流动的熵产分析使用扰流技术流场熵产分析等。 对于基本流动传热过程熵产分析，一般只考虑温差传热和摩擦两个主要的不可逆损失。 熵产分析作为热力学第二定律的分析方法，在能源问题日益紧迫的今天愈来愈得到 人们的重视，新的研究成果不断涌现。由以上综述可以看出：传热与流动系统的熵产分 析研究向着以下几个方向发展：拓宽研究领域。发展更科学合理的评价方法和指标。 与传热学和流体力学更加紧密地结合，实现熵产生准确计算。在今后研究课题中，熵 产分析将在能源问题的解决上发挥重要的作用 1 2 3 熵与环境问题的研究现状 美国经济学家k e b a u l d i n g 最早用熵理论研究了经济过程。在超越经济学 ( 1 9 6 0 ) 一书中，他指出：“生产确实要付出在别的地方产生出具有高熵的废物这样的 代价，分离熵，创造出具有高度秩序的低熵产品。”经济学家g e o r g e s c u r o e g e n ，在他所 著的熵定律与经济过程( 1 9 7 1 ) 一书中，也探讨了熵与生产的关系，取得了引人注 目的成果。他认为，经济过程是熵过程，财富是一种开发系统，它是在以低熵资源为消 费开端，并以向环境排出等量的高熵废物为终点的流通过程中产生出来的。先驱的开拓 性工作，使熵进入了经济学，本世纪7 0 年代中期，日本理化研究所研究员深入研究了 k b o u l d i n g 等人的熵经济学思想，指出：确定熵为资源或能量的价值标准，不仅是因为 熵很好的表征了对人类的价值变化，而且从资源的消费过程中得出的自然规律，表明价 值的消费过程就是熵产生的过程。社会经济系统需要从环境中输入低熵资源，利用其物 理价值进行活动，同时，还需要把生产消费过程中产生的大量熵废弃到系统外。杰里米 罩夫金( 1 9 8 7 ) 在熵：一种新的世界观论著中，提出了熵是一种新的世界观，第一 次将人类面临的危机与熵联系了起来，指出历史变更的原因是能源的耗尽而不是财富的 积累，即历史是热力学第二定律的反映。当熵的不断增加引起了某一能源的质变时，历 史就达到了一个危机的分界线。丁任重( 2 0 0 4 ) 等提出了能源与资源危机总是人类必 须面对的严峻挑战，改变旧的经济增长模式，探索新的经济增长模式是可持续发展的核 6 东北大学硕士学位论文 第一章前言 心内容。 应用熵以及热力学原理对环境问题的研究主要分为三个方面： ( 1 ) 热力学与环境的关系1 7 1 。f r i t zs o l l n e r ( 1 9 9 7 ) 指出热力学在环境经济学中扮演 了重要的角色，他认为，第一，热力学具有启发式的功能，弥补了非古典环境经济学缺 陷；第二，有助于证明可持续发展能力，将权力和义务纳入经济分析；第三，热力学有 分析功能，例如对宏观环境经济政策。y u r i 和a s v i r e j e v a h o p k i n s ( 1 9 9 8 ) 用热力学的观 点，分析了增长的极限，可持续发展的限制。r o b e f tu a y r e s ( 1 9 9 8 ) 讨论了熵和热力学第 二定律与经济影响，以及其对经济的影响。d o u g l a sb r e y n o l d s ( 1 9 9 9 ) 从替代物弹性减小 的熵理论解释方面，分析了熵与可持续发展的关系。t o m a s ( 2 0 0 1 ) 等从熵的角度探讨了 热力学与经济的关系，指出一个适合知道工业社会发展的经济理论决不能轻视热力学理 论。肖忠东等人( 2 0 0 3 ) 对经济系统与自然生态系统进行了比较研究，提出了通过改变 衡量标准和确定熵的物质载体方式来用物理价值的熵取代经济价值标准作为经济系统 核心的观点，( i b r a h i md i n c e r , m a r c a r o s e n ，2 0 0 5 ) 提出可持续发展问题的热力学方法， 指出热力学理论有助于对环境影响的理解和对可持续发展问题的认识。 ( 2 ) 应用熵方法对生态系统、生态资源的研究。w o l k e n s t e i n ( 1 9 9 0 ) 侧重研究了熵增茹： 的补偿方式，指出补偿系统内部产生的熵增的方式是输入低熵物质，也就是开发更多的。 资源。开放系统的热力学平衡条件是：系统的总熵增必须等于零。j o r g e n s e n ( 1 9 9 2 ) 一 w e b e r ( 1 9 9 8 ) 等将热力学第一定律、第二定律和耗散结构理论引入生态学。s c h n e i d e r ( 1 9 9 4 ) 指出环境质量下降是补偿过量熵增的唯一方式，熵可以由自然方式和人工方式转移，如 风、河流等，将不同的污染元素向周围扩散，或通过人工将工业废物输出到其他地区， 或者从别的地区输入低熵物质如石油等。李得虎( 1 9 9 4 ) 认为生产是以消费资源的扩散 能力为代价的。生产过程多种多样，但都朝扩散能力减小的方向进行，资源的扩散能力 可表示为废弃时的熵和导入时系统的熵之差。于伟佳( 1 9 9 5 ) 提出了工业时代以来，由 于石油的大量使用，使自然界的熵流畅行。资源问题与环境问题所以成为全球性问题， 原因正在于此。李崇阳( 1 9 9 7 ) 提出：熵定律是客观存在的，应该把经济、社会、资源 和环境作为有机整体来考虑，发展绿色科技、绿色农业、绿色工业和绿色市场，促使资 源可持续利用，生态环境良性循环，才能走向可持续发展的道路。李慧明( 1 9 9 9 ) 指出 资源的合理开发利用途径是通过提高系统的可逆循环程度减少熵增及通过人类有目的 的能量供给和能量转化，用正反馈机制增加系统中的负熵流。y u r i ( 2 0 0 0 ) 提出熵泵模型， 计算了德国北部的农业生态系统的熵增，指出减少人工能量的投入，可以减少熵增，提 东北大学硕士学位论丈第一章前言 高可持续发展能力。薛固良( 2 0 0 2 ) 从资源的物理学的角度 j j 发，提出应该从熵理论的 角度讨论环境资源问题，j 能抓住问题的本质。 ( 3 ) 熵方法在工业环境保护方面的研究。k l i p p e l ，o b r i e n ( 1 9 9 7 ) 等进行了辐射流熵 值的近似计算。刘培哲( 2 0 0 1 ) 等通过概念模型的解析结识了可持续发展的空间范畴经 济社会自然三维结构复合( 简称e s n ) 系统的循环理论之后，明确指出e s n 系统服从 大自然的热力学第二定律。循环经济是可持续性很强的污染预防技术，清洁生产技术和 废弃物最小量化技术等，都具有向系统输入负熵流，从而提高系统自组织能力的功能。 r e c h e r g e r , g r a e d e l ( 2 0 0 2 ) 对欧洲铜金属的循环做了统计熵分析。s i e n i u t y c z ，s t a n i s l a w , ( 2 0 0 3 ) 对机械能的产生或消费与工业系统的热力学有限性等问题进行了探索。 a f r i c k e r ( 2 0 0 3 ) 从熵的角度研究了减少废物与提高效率的关系。在能源管理的可持续发 展研究中，v a s i l el a v r i c ( 2 0 0 3 ) 等提出了基于热力学第一和第二定律，通过热交换网络减 少熵增的p i n c ha n a l y s i s ( p a ) 方法。w o l f g a n gf r a t z s c h e r ( 2 0 0 3 ) 通过减少技术系统内部和外 部的不可逆过程以减少熵产生的方法，研究了废弃能源的利用问题。 与此同时，熵及熵增理论、耗散结构理论在我国开展系统科学和系统工程的研究和 应用方面，也取得可丰硕成果和经验，如熵及其应用( 杨爱去1 9 9 5 ) 、熵学及其近代应 用( 2 0 0 2 ) 。在管理科学领域，一些学者如任佩瑜( 2 0 0 0 ) 提出用管理熵研究企业文化 运动的规律，宋华岭( 2 0 0 2 ) 提出可广义和狭义管理上理论体系，李景平( 2 0 0 2 ) 用系 统熵研究企业危机问题，曹仓( 2 0 0 0 ) 用熵定律揭示组织管理问题，梁枫英( 1 9 9 8 ) 研 究了管理系统中的熵值效应问题，阎植林( 1 9 9 7 ) 管理系统有序度的熵模型等。 熵理论发展到今天，已经有了很大的发展，从一个单纯的描述微观世界的热力学物 理概念，发展到一个自然与社会统一的概念。今年来随着系统理论的发展，人们对于复 杂系统及其演化规律的研究，需要不确定性的度量，复杂度的度量等，熵理论的概念被 推广到几乎所有的科学研究理论中。 1 3 本论文研究的内容和步骤 本论文研究的内容包括： ( 1 ) 计算电厂锅炉的及其设备的熵增，从宏观和微观方面进行分析，提出计算熵增 的方法，从而能更好的了解锅炉熵增情况，能够更加细化每个过程的熵增，比如省煤器， 及过热器在传热过程的熵增，对如何提高锅炉的热经济性有指导作用。 ( 2 ) 本论文在借鉴几种前人的熵增计算方法的基础上，提出了一些新的观点和方法及 谭 东北大学硕士学位论文第一章前言 考虑了污垢时锅炉传热设备的热力性质的影响。 ( 3 ) 将工业生产系统置于其所处的自然环境中，从工业生产与自然环境的相互关系出 发，从分析工业生产引起的工业环境系统的熵变着手，揭示工业生产对环境造成的影 响的实质，进而对工业生产的环境影响问题展开讨论。对如何进行可持续性发展，减少 对环境的污染进行了讨论，提出了一定的借鉴。 研究步骤： 东北大学硕士学位论丈第二章传动与；充动过程中熵分析 第二章传热与流体流动过程中熵分析 解决能源问题的途径一般有两条，即减少耗能及更有效地利用能源。后一种途径是 世界上广泛研究的重点。熵产分析即是属于这一类的研究方法。作为第二定律研究方法 的熵产分析，通过对实际装置中代表不可逆损失的熵产计算，以确定损失分布情况并致力 于熵产最小化。因此熵产分析作为如何更有效利用能源的方法得到人们广泛的注意。 2 1 换热管的熵分析 2 1 1 管内流动熵产分析 换热管是换热器的特殊形式，它广泛应用于能源、动力以及其它工程领域的换热设 备中，它是在有温差下的传热和有压力损失的流体流动过程中的综合，因而是一个典型 的不可逆过程，必然引起系统的熵产。在这里，利用所学知识，参照文献，根据热力学 第一、二定律，对换热管由管外到管内传热过程，结果和方法对进一步完善基本对流换 热过程的热力学评价具有一定的意义，通过分析这个传热过程的熵产就能对其热量传递 和流体流动的性能进行综合和定量的评价。 改进传热性能的研究称为“传热强化”。普通换热器的性能可以用许多强化措施而 得到大幅度的提高【8 1 。大量的研究致力于开发新的强化手段。其中管内传热强化与管外 传热强化为最常见的情况。而扩展表面作为被动传热强化方法的一种得到了极为广泛的 应用。对传热强化效果的评价往往从换热系数、流动阻力、体积、质量及费用等角度进 行。换热器中不可逆损失主要由传热和流动摩擦引起，这两者之间又存在着竞争效应，即 增大一个方面往往会引起另一个方面的减小，如增大r c f 数往往会加大换热系数从而减 少传热不可逆损失，而r e f 数增大导致的摩擦阻力增大却增大了流动摩擦不可逆损失。 下面对于管内和管外进行强化后总的熵产生变化及传热熵产生与流动摩擦熵产生在总 的熵产生中分配情况的变化进行研究。 如图所示的管内流动。取微分熵产率为 豳二= m 。d s 一羔 ( 2 - 1 ) 式中q 管壁线加热率，g ，华 第二章传动与流动过程中熵分析 j + d s q ( p a t ) 一1 c p g ( 2 2 ) s = r e ；1 弓，g = 筹，厂= 丢笋( 一警) ，r e ，= 了g d a 为管截面积，。为管内 径，p 为湿周周长，代入上式整理得到： s 二= 去+ 篇 协3 ， 可明显看出s 刍由传热和流动摩擦造成的两项熵产组成，即 礤= 鑫凹+ 毫胪 c 2 舢 其中s o ；赢，踞矿而2 m 订。f 。 用l 天i 子西表符传热熵产和流动麈槟熵产的相对大小： 1 2 - 东北大 忙若0 = 而8 f m 。厮2 t c p s ts k 虹p 二q d 二 有 5 品= ( 1 + 西) s 二心 2 1 2 管外流动的熵产分析 如图所示管外流动。 u 。l 熵产率可直接写出： 分鼍产+ 警， 式中u 。来流的速度； 疋来流的温度； 流动的阻力； q ；传热率； 并有： 瓦管壁温度。 图2 2 管外流动 f i g2 2 f l o wo u t s i d ed u c t s 暑e n2s ：e n t + s 暑e n 。p 西= 器= 莉f o v r b 1 3 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 东北大学硕士学位论文 第二章传动与流动过程中熵分析 s 函= ( 1 + 中) s 知心 其峨盯= 产，s 舭。廿_ _ 一百f d u = ，又有流绷力关弑 r ；芝1c 。4 几u ：，q ；= 砌，( t b - l ) ，酊= 瓮 代入得 当2 n , , f 笨a 筹t b 岛 ，a 。(一l ) 2 式中心阻挡面积； 厅平均换热系数； 4 换热面积； 九来流流体导热系数。 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 2 1 3 熵产比较分析 下面进行传热强化后的熵产生及构成变化的研究，我们用相对熵产生数c 、 n c r 、n c p 及相对构成比来表示，分别定义如下： 耻鲁僧掀珈或鞋僧外潮) ，一毪漕黼珈 或羞懒) 咖；瓦s ；n a a p 或拦o 嘞懒，。 巾= 岳。 以上各式中下标“a ”代表强化后参数，下标“0 ”代表未强化参数。对管内强化与 管外强化，认为来流参数在强化前后不变( u 。、t 、疋、c p 、m 。、p 、p 。等) ， 并近似认为强化前后流通截面积、定性尺寸、传热面积近似相等。 对管内流动：n c a t = 州n 吮u f 。， ( 2 - 1 1 ) 1 4 东北大学硕士学位论丈第二章传动与流动过程中熵分析 m 矿吣c 矿鼍( 2 - 1 2 ) “= 甏 亿 c 一罟等c a r西。= 厂口& ( 石8