（轮机工程专业论文）柴油机主推进动力装置船舶余热利用系统优化设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 在柴油机主推进动力装置船舶上，推进的主柴油机( 主机) 的排气、冷却主 副机的缸套冷却水，都含有可进一步利用的热量，这些热量就是本文所指的柴 油机主推进动力装置船舶的余热。柴油机主推进动力装置船舶的余热也是一种 可以利用的热能，充分和合理利用余热是提高热利用率和节约能源的一个重要 措施。在全球能源日益紧张的今天，挖掘船舶余热的潜力以达到船舶节能目的 的研究，意义重大。 如今，多种多样的余热利用系统已在柴油机主推进动力装置船舶上得到广泛 的应用，但并非所有的已应用的余热利用系统都充分地利用了余热所含热量的 潜能。早期的通过能量研究分析以研究节能潜力和方向及评价能量的有效利用 的方法采用的是热平衡的分折方法，这种方法实际上不够全面，容易使人们产 生误解：如今人们更多采用的能量分析方法是火用分析法，只有火甩分析法才能揭 示过程的不足之处，才能从能的品质方面反映出什么地方产生损失和损失多少， 哪些余热可回收以及可用怎样的方式回收，这样一来，就为提高循环的经济性 和合理利用余热指明了方向。 本文以火用分析法，阐述了能量的品质概念，并对热力系统的过程、柴油机船 舶余热回收发电系统进行了火用分折；通过对柴油机主推进动力装置船舶余热利 f = j 系统全面的介绍，分析比较了五种典型的余热发电回收系统的热线图，进而 阐明了对船舶余热利用系统进行模拟分析和优化分析的基本方法。柴油机主推 进动力装置船舶的余热利用系统的各组成部件中，余热锅炉的火用损失所占比例 最大，所以本文最后对实船的余热回收系统的余热锅炉，以最大火用效率为目标函 数进行了优化计算、分析。 本文研究的结论表明，对柴油机主推进动力装置船舶余热系统进行优化设计 是必要的，只有通过优化设计，才能获得更经济性的余热利用效果。同时还表 明：对不同的目标函数进行优化，得到的效果是不一样的。可以对整个余热利用 系统的火用效率及发电量优化，还可对整个余热利用系统以经济性为目标优化 虽然得到的效果不同，但方法类同，都可以达到一定的效益。 关键词：余热火用分析模拟优化f j 标雨数 武汉理一大学硕士学位论文 a b s t r a c t o nt h ed i e s e le n g i n em a i np r o p u l s i o np o w e ri n s t a l l a t i o nv e s s e l ，t h ee x h a u s to f m a i np r o p u l s i o nd i e s e le n g i n e ( m a i ne n g i n e ) a n dt h ec y l i n d e rc o o l i n gw a t e ro ft h e m a i ne n g i n ea n dt h ea u x i l i a r ym a c h i n e r y , a l lc o n t a i n i n gt h eh e a tt h a tc a nb eu s e d 摊b e t h e s eh e a t si st h ew a s t eh e a to fd i e s e l e n g i n e m a i np r o p u l s i o n p o w e r i n s t a l l a t i o nt h a tt h i sp a p e ri n d i c a t e s t h ew a s t eh e a to fd i e s e le n g i n em a i np r o p u l s i o n p o w e r i n s t a l l a t i o nv e s s e li sa l s ob e e nak i n do fh e a te n e r g yt h a tc a nb e u s e d ，u t i l i z i n g w a s t eh e a tf u l l ya n dr e a s o n a b l yi sai m p o r t a n ts t e p r a i s i n gh o tu t i l i z a t i o nr a t ea n d s a v i n ge n e r g ys o u r c e 。i n c r e a s i n 露y t e n s e t o d a y i n e n e r g ys o u r c e e x c a v a t et h e p o t e n t i a lo fs h i pw a s t e h e a tt oa c h i e v et h er e s e a r c h o fp u r p o s eo fs h i ps a v i n g e n e r g y ， s i g n i f i c a n c ei sg r e a t n o w , t h ev a r i e ds y s t e mo fu t i l i z a t i o n o fw a s t eh e a th a s g o t t e n e x t e n s i v e a p p l i c a t i o no n d i e s e le n g i n em a i np r o p u l s i o np o w e ri n s t a l l a t i o nv e s s e l ，b u t ，i ti sn o t a l lt h e s y s t e mo fu t i l i z a t i o no fw a s t eh e a tt h a ta l r e a d ya p p l i e s u t i l i z e s f u l l y t h e p o t e n t i a le n e r g yc a r r i e d i nw a s t eh e a t e a r l ym e t h o dt h a t s t u d ya n dr e s e a r c ht h e p o t e n t i a lo fs a v i n ge n e r g ya n dd i r e c t i o na n da p p r a i s ee f f i c i e n tu t i l i z a t i o no fe n e r g y t h r o u g hs t u d y i n g a n dr e s e a r c h i n go fe n e r g y a d o p t e dt h ea n a l y s i s m e t h o do fh o t b a l a n c e ，t h i sm e t h o di sn o ta c t u a l l yo v e r a l l ，i tm a k ep e o p l ep r o d u c em i s u n d e r s t a n d i n g e a s i l y ；n o w , t h ee n e r g ya n a l y s i sm e t h o dt h a tp e o p l ea d o p tm o r ei s t h ee x e r g y a n a l y s i sm e t h o d ，o n l yt h i sm e t h o dc a nr e v e a lt h ei n s u f f i c i e n c yo fc o u r s e ，a n dc a n r e f l e c tw h e r e p r o d u c e t h el o s sa n dl o s sa m o u n t w h a tw a s t eh e a tc a nb er e c o v e r e da s w e l la sh o w w a yr e c o v e r y , s o ，s h o wc l e a r l yd i r e c t i o nf o rr a i s i n gc i r c u l a t i n ge c o n o m y a n d u s i n gw a s t eh e a tr e a s o n a b l y t h i sp a p e ru s e st h ee x e r g ya n a l y s i sm e t h o d ，e l a b o r a t et h eq u a l i t yc o n c e p to f e n e r g y , a n da n a l y z e t h ec o u r s eo fh o t p o w e rs y s t e ma n dt h e v e s s e lw a s t eh e a t r e c o v e r yg e n e r a t o rs y s t e m w i t h e x e r g ya n a l y s i sm e t h o d ：t h r o u g h o v e r a l l j n t r o d u c t i o no ft h eu t i l i z a t i o n s y s t e m o fw a s t eh e a to ft h ed i e s e l e n g i n e m a i n p r o p u l s i o np o w e r i n s t a l l a t i o nv e s s e l ，a n a l y z i n ga n d c o m p a r i n g 5k i n d so f t y p i c a lh o t l i n ed r a w i n go ft h ew a s t eh e a tr e c o v e r yg e n e r a t o rs y s t e m ，a n dt h e ne x p o u n d i n gt h e h 武汉理工大学硕士学位论文 b a s i cm e t h o do fs i m u l a t i o n a n a l y s i s a n d o p t i m i z a t i o na n a l y s i s f o r t h ev e s s e l u t i l i z a t i o no fw a s t eh e a ts y s t e m i ne a c hc o m p o s i t i o n p a r t so f t h eu t i l i z a t i o ns y s t e mo f w a s t eh e a to ft h ed i e s e l e n g i n e m a i np r o p u l s i o n p o w e ri n s t a l l a t i o nv e s s e l ，t h e p r o p o r t i o no f t h ee n e r g yl o s so ft h ew a s t eb o i l e ri sb i g g e s t ，s ot h i sp a p e rf i n a ls e l e c t s t h em a x i m u me x e r g ye f f i c i e n c ya so b j e c t i v ef u n c t i o nt o c a r r y o u to p t i m i z a t i o n c a l c u l a t i o na n d a n a l y s i sa g a i n s t t h ew a s t eb o i l e ro fa a c t u a l l ys h i p w a s t eh e a t r e c o v e r ys y s t e m t h ec o n c l u s i o nt h a tt h i s p a p e rs t u d i e s s h o w si ti s n e c e s s a r yf o rw a s t eh e a t s y s t e mt oc a r r yo u to p t i m i z a t i o nd e s i g n ，a n do n l yt h r o u g ho p t i m i z a t i o nd e s i g n ，t h e n c a ng e tt h ee f f e c to fu t i l i z a t i o no fw a s t eh e a to fm o r ee c o n o m y s t i l ls h o w i n ga tt h e s a m et i m e ：c a r r y i n go u to p t i m i z a t i o na g a i n s td i f f e r e n to b j f e c t i v ef u n c t i o n ，t h eg o t t e n e f f e c tw i l lb en o tt h es a m e w ec a no p t i m i z ea g a i n s tt h ee n e r g ye f f i c i e n c ya n dt h e e l e c t r i cp o w e ro ft h ee n t i r es y s t e mo fu t i l i z a t i o no fw a s t eh e a t ，a n da l s oo p t i m i z e a g a i n s tt h ee c o n o m yo ft h ee n t i r es y s t e mo fu t i l i z a t i o no fw a s t eh e a t t h eg o t t e n e f f e c ti sd i f f e r e n t ，b u tm e t h o di ss a m e ，a l lc a nr e a c hc e r t a i nb e n e f i t k e y w o r d s ：w a s t eh e a t ，e x e r g ya n a l y s i s ，s i m u l a t i o n ，o p t i m i z a t i o n ， o b j e c t i v ef u n c t i o n i l l 武汉理。| - 天学骚士学彼论文 1 1 课题研究背景 第 章绪论 众艨属短，黢上除雄遴雳鲍椒城能终还嚣要热戆秘电戆。在卷娥的紫洮极为 主推进动力装置船舶上，船上所需的热能和电能怒依靠辅锅炉和柴油发电机组 供绘，这榉就要糕费燃料，增加蔻运成本。丽柴油机在工作过稳中，主羹的热 损失为排气损失和冷却损失，因此这两种热损失就成为浆油机为主推进动力装 景船舶可以利用的余热。 余热搿品质裔低之分。根据“按质用能，各用蕊所”的原剐，对于有动力莉 用价值的较高品位的余热从节能角度考虑应该作功以回收动力。游单纯用作加 热热源，簸会产生商级能干低级活的不含理现象。反之，若将低鼯位余热用于 作功，则也是一种能质不匹配的得不偿失现象。同时在热能使用过程中，也要 遵循“按矮供能，能度匿鼯”的嘏粼。在生活、杂用和嬲热的耗能中对然源静 质量也有静种不同的要求，例如制淡装置采用低描位的缸套冷却水作热源比用 蒸汽受有利，重壤燃料酒鸯a 热魄一簸热熟狂生活聚疆篙簧温度簧离，觚 i | i 穗应 的饱和蒸汽压力也较高。 这裁毖绥投攒弼蕊薹乏餐稳甏簧按矮掇珙热麓，骰爨热姥珙鬈不援在数量上 棚等，而目在质最一i 二匹配。在需要低品位能的场合，尽量不供给商品位能墩，做 至l “热尽其j 鬟”。除了考纛余热黪鑫嬗毫羝终，在维缀全艇洪筢零【 爨能邀稷中， 还耍考虑余热的数量大小。在大功率船上，数量较大的余热热量如果仅用作船 上鸯鞋热热源，是不黢充分豫回收余热的，多余部份将被撵臻终秀瑟废弃掺。这 时可采用余热发电威转换成机械能输入推进系统。在余热量不大的中、小型船 舶上，利用余热所回收的磁力是鸯限的，龆要设嚣一套余热动力睡牧装鬣，增 加了初投资和维修管理等费用，将导致经济上得不偿失，所以在中、小型船舶 上余热仅传为加热热源使用。 近十几年来，各种动力余热阐收系统获得了广泛的应用。这燧系统的原理 和缀成基本相同，备系统之间的主要区别是工质循环方寨( 即热线图) 不阉，恧 不同的镛琊方案辩应着不嗣的系统，适用于不同的使用范围。所以常规的动力 余热川收系统优化设计的j 出本思跳足；首先，设汁嘏根搬实际情况从众多n 0 热 线圈中选择最优者；其次，设计者必须正确地选择系统工作参数，从而便其设 武汉理工大学硕十学位论文 计达到最优。 本人有多次实船实践的经历，在上述动力余热回收系统优化设计的基本思 路的指导下，结合调研工作中发现的实船动力余热回收所存在的不足，故针对 柴油机主推进动力装置船舶余热利用系统进行了优化设计。 1 2 柴油机主推进动力装置船舶余热利用系统优化设计的 意义 能源问题已成为经济发展中一个头等重要的问题。从船舶来看，海上运输 始终是以降低运输成本，增加盈利为努力目标。自1 9 7 3 年石油危机以来，由于 燃油价格上涨，燃料费用在船舶运输费用中的比例已由1 0 以下上升到4 0 - 5 0 。 这就要求大力开展船舶节能技术的研究以降低船舶营运成本。 在船舶节能中，除了要重视节约直接消耗能源的狭义节能外，更应重视和提 倡间接节省能耗的广义节能，而这方面的节能正是被人们忽视的巨大节能潜力 之所在。 众所周知，燃料在柴油机气缸中燃烧所发出的全部热量，只有一部份转变 为机械功，其余部份则分别通过冷却介质、排气和散热而排入海水和大气中。 除转变为机械功的热量外，其余热量都称为余热( 即废热) 。 在船上，柴油发电机和辅锅炉所消耗的能量是不容忽视的，约占总输入能 的1 0 3 0 。为了减少柴油发电机和辅锅炉的输入能，从而减少它们的燃料消耗， 除了改善这些设备本身的能量转换效率外，另一方面还可以从余热利用的角度 直接利用主柴油机的余热热量为船舶提供所需的部份或全部电能和热能。 如今，多种多样的余热利用系统已在柴油机主推进动力装置船舶上得到广 泛的应用，但并非所有的已应用的余热利用系统都充分地利用了余热所含热量 的潜能。早期的通过能量研究分析以研究节能潜力和方向及评价能量的有效利 用的方法采用的是热平衡的分折方法，这种方法实际上不够全面，容易使人们产 生误解；如今人们更多采川的能量分析方法是火用分析法，只有火用分析法才能揭 示过程的不足之处，才能从能的品质方面反映出什么地方产生损失和损失多少， 哪j 余热可陬收以及可j | 怎样的方式网收，这样一来，就为提高循环的鲐济性 和合耻刹川余热指i ! i _ l 了山阳。 武汉理i 人学硕十学位论文 本文研究的意义，就是利用更合理的火用分析法对柴油机主推进动力装置船舶 的余热利用系统进行优化分析，使优化后的余热利用系统热能的利用更好，进 而为实船的余热利用系统设计提供新的思路，并有一定的理论指导意义，使之 余热利用更为合理。 武汉理l ：天学预士学位论文 第2 章柴油毒a 主推进动力装置船舶热力系统的 组成及主要特点 2 1 柴油机主推进动力装置船舶热力系统的组成 当今麓麓发震褥像瘙海上簸行楚璜代纯蠛市，动力装置楚这痊踱枣翁动 力核心和能源中心，它包禽着数量众多的机械设备及系统。这些机械设备之间 鸯凑密切熬联系纛穗互影豫，梭残了一个复杂豹麓量系绫。柴、淫攫主拦遴动力 装鼹船舶如何从一次能源一一燃料的化学能中取得更为有利的能量利用总效 票，怎样安搀好舷上热列蹋和功剥月之间鸵关系与转换，如鹰总体综合联嗣好 各类能量，以提高能量利用水平和适应船舶各方两的能量蒙求，是本文关心和 讨论的柴浊枫主接进动力装最船舶总能热力系统( 以下麓称船舷总能热力系 统) 。所谓船舶总能热力系统，是指由若干动力机械、热交换设备、连接管网和 其京辅助机械设备及系统缎成，势用于实现能量转换、热燕传递或完成菜些特 殊反应过稷的系统。船舶热力系统各组成部分之间存在着机械、气动、熟力、 传热传质及其它多罩申形式 冷却热同收 罔2 ，l柴油机船热力系统埔小组成 1 柴汕f i j | 2 余热锅炉3 j j 汽1 嫂箍 4 。给泰袋5 i 冷却滚热变换嚣6 鳔藤桨 4 武汉理j ：人学硕士学位论文 罔2 1 给了柴油机j j 推进动力装置船舶的热力系统的基本组成。柴汕机热 力系统中针对柴油机动力系统的能量利用可以进一步挖掘潜力，达到最大限度 地利用余热能量的数量和质量，在满足各种品味热量利用的前提下，如果利用 品位尚较高的排气，把排气通过一个热能利用装置回收机械能或电能，则能量的 质量和数量都得到充分的利用。这种后置的热能利用装置可以采用不同的热机， 但一般多采用按朗肯循环工作的汽轮机装景。 在回收低温热量方面，除了常规的缸套冷却水作真空制淡外，日益发展起 来的热管换热器、高效节能的热泵技术、吸收式制冷装置等均是冷却液余热利 用的有效手段和设备。这样一来，柴油机总能热力系统的能量利用率还将得到提 高。优良的柴油机总能热力系统，其能量利用率可高达7 0 9 争一7 5 ，当然相应的 系统也更加复杂。柴油机余热利用的总能热力系统要结合具体船舶类型、航区 和航运特点、投资费用、折i b 和维修管理费用、润滑油消耗等综合技术经济分 析，并经详细的热力系统分析、优化设计，才能使所采用的系统的热能利用率最 高，经济性最优。 2 2 柴油机主推进动力装置船舶热力系统的主要特点 无论具体柴油机主封i ：进动力装置船舶热力系统如何变化，这些具体系统一 般具有以下几个方i 7 j i 的特 ：【4 l 1 集合性 柴油机船舶热力系统是由许多单元按照一定的方式组合起来的即所谓系 统的“集合性”。例如，其中的余热回收系统是由余热锅炉、各种换热器、热机、 热泵等单元组成的。 2 关联性 柴油机船舶热力系统的各个组成部分之间是相互联系和相互制约的，即所 谓系统的“关联性”。这种关联性是具有定规律的，就是系统中各单元设备不 是随意的组合或无序的堆积，而是按照其性能上的特点和规律匹配联结起来的。 3 目的性 柴油机船舶热力系统总是具有其特定的功能，即所谓系统的“目的性“。按 照功能的不同，可分为热能的产生、转换、输送、利用或回收系统，可以供f 逦生 产和生活所需要的电力、动力、热量、冷量、蒸汽、海水淡化等，也可以回收生 武汉理工大学硕士学位论文 产过程中的余热或工质。因此它们可以是d i 少数几个设备构成的单功能的简单 系统，也可以是由许多单元组成的多功能复杂系统。 4 环境适应性 柴油机船舶热力系统总是存在并活动于一个特定的环境之中，与环境不断 地进行物质和能量的交换，即所谓的“环境适应性”。热力系统都有输入和输出。 外界环境向系统提供物料和能量，这些物料和能量在系统中流动，形成物流和 能流，并不断受到加工、转换、处理或利用。同时，系统也要向环境输出物料和 能量。1 2 3 l 系统和环境不仅有输入和输出的相互作用，而且系统在能量转换的整个 过程中总是受到环境条件的制约。正是由于系统与环境之间的相互作用和制约， 以及系统内部能量的转化和转移过程，才确定了系统的特殊功能。 5 层次性 系统和单元之间具有相对性。一般说来，一个系统总是另一个更大系统的一 部分，或称为大系统的子系统，而子系统又是由更小的子系统所构成的，即所谓 系统的“层次性”。因此，任何一个热力系统都可以看成是由一系列单元热工设 备或单元热力过程按一定的联结方式组成的网络。当然为了完成同样的功能， 系统可以有不同的组成单元和结构。 以上五个特点为一般柴油机主推机动力装置船舶热力系统的公共特征，除 此之外，还可以从系统的静态和动态分析角度考察船舶热力系统的特点。 从静态分析角度可以结为单元过程特点和再循环结构特点：【2 6 】 1 ) 单元过程特点 对于柴油机船舶热力系统，在设备空问中所发生的基本过程，不外乎是物 质的传递、热量的传递、动量的传递、能量的转换及燃烧反应等现象。这些现 象连同设备的结构、进出设备的物料以及所传输的能量一起，就确定了设备空 间中所形成的“状态”和进行的“过程”。我们所期望的，就是通过这些状态和 过程而达到某种特定的目的。按照这些特定的目的，可以将单元过程划分为： 传热过程、流动过程、燃烧过程、热功转换过程等有限的几种。这对于建立单 元过程的数学模型，进而进行船舶热力系统的分析与综合是十分有益的。 2 ) 再循环结构特点 如果系统中没有物流或能流的反馈，这样的系统结构称为“树”结构：如 果系统q 、有物流或能流的反馈，这样的系统结构称为“再循环”结构。树结构 的研究比较容易，而再循环结构则比较复杂。在柴油机船舶热力系统中，随着 武汲瑾l 久学硕士学位论文 鸯效合理媳利用能源越柬趟为人们蹶重视，广泛采用能量回收与练合利用以及 联合循环等技术，使得再循环结构非常普遍。荐循环结构中的反馈对系统的性 能爨有十分有利的影响，在系统设计中经常有意识地运用这种反馕。这就要求 我们在分析、计算具有并循环结构的复杂的热力系统时，必须采用相应的技术 手段来处理。 从动态分祈角度可以归结为阻下几个特点：i 辩j 1 ) 分布参数。柴油机船舶热力系统一般占有很大的空间，其中常常包括处 于不同热力学状态的凡种介质，并且各鲶参数都不相同，也就蔻说绝大部分参 数都是三缎空间的函数，具有明显的分布参数特点。因此，系统的热工状态参 数蘸是对翔静函数，也是察海的爨数。攒述系统状态静控潮方程一觳均幽偏微 分方程组成。 2 ) 王作过程笈杂并稳互影稳。在柒漓税船舶热力系统率包含着各释繁杂豹 物理化学过程，从简单的机械运动，到各种热学现象和能量转移以及复杂的化 学爱应。攒知，凌各静动力装嚣戆l 浇室蠹，目l l 重遴行蓑燃瓣秘燃浇教燕、燃瓣 及燃烧产物的湍流扩散、传热传质及受热面污染等各种复杂的物理化学过程， 曼套穗过纛又朝要潮约、籀互影穗；其中熬诲多_ i 建疆，磐炉淘燃烧懿缳擎动力 学过程及气固多相流动与传热过程的机理尚不甚清楚。 3 ) 系绞的剐髅目题。紫油爨艨齄热力系统中餐耱遂援豹时藏常数霹能楣差 很大。首先系统机械运动过程的惯性一般遮小于系统中热擐迁移过程的惯性。 倒搬，汽轮机转予转速变化的时蚪常数与不稳定热传导过程中转予温度场变化 的时间常数相比几乎可以忽略不计；在拥有换热器的流体通道中，压力及流量 的变动传递褥很快，而温殿( 或烩) 的变化过程却很慢。其次，即使是同一类变化 过程，对于系统中不葡的工作介质而言，其变动速度也可能存在蓿很大麓异。 例如，锅炉烟气侧焓和温度的变化速度要比锅炉汽水侧烩和温度的变化遮度快 得多。执系统动态分析角殿看，这种特点决定了所建立酌柴油枫船舶热力系统 动力学模型必然是一个严格的数学刚性系统。 4 ) 系统的菲线性。攒述装酒税船舶热力系统中工作介质动态过程的联量守 恒方程、能基守恒方程和动景守恒方程都怒非线性微分( 或偏微分) 方程。此外， 与j 二述守戆方程密留裙关酌流体热力学状态方程及传燕方程也都舞有典黧的菲 线1 i 1 。此严格地蜕，紫油机肌舶热力系统的动力学特性在不同的幻始1 ：况 一f 怒夺溷熬，务印誉褥台蕊秘舔理。 7 武汉理l 大学硕士学1 _ i ) = 论文 5 ) 多变量、多回路。大型柴油机船舶热力系统一般都有许多控制量和许多 输出量( 被控量) 。例如，一台锅炉动力系统约有十几个主要输入操作量和几十个 输出量。这些输入量和输出量之问相互联系、相互影响，形成了若干并联、串 联和交叉影响的闭合回路。即使是一些结构上比较简单的热工环节，其被调量 及影响被调量的因素( 控制量) 一般也可能很多。 2 3 本章小结 本章介绍了柴油机主推进动力装置船舶热力系统的组成、各组成之间的相互 联系，提出了热力系统通过优化以提高热利用率和经济性的思想；同时，概括 了热力系统所具有的普遍特点、静态方面所具有的特点及动态方面所具有的特 点，为以后各章节作了最基础的工作。 武汉理大学硕士学侥论文 第3 章柴油枧主推进动力装置船舶 热力系统犬蔫分析 3 1 能量的品质概念 1 8 1 能是物质运动的一般嫩度。物质运动有各种不同的澎式，与此相应，能也 骞嚣秘形态，如极攘能、电能、化学能、热能等。物质蛉鑫秘运动形态可以摆 互转换。因此，能量的转换反映了运动由种形式转变为另一种形式的能力。 热力学第一定律确立了各祧能量可以互槽转换，在转换过猩中总爨保持不变。 热力学第= 定律则说明能鬣转换过程具有方向性域不可逆性，从而指出了并非 任意形式的能量都能全部无条件地转换成任一其他形式的能量，亦即数量相同 而形式不嗣的能量之间豹转换能力可能是不同的，而且它们在技术上的有用程 度也可能慰不同的。 卡诺定理给出两个热源闻热交功的最高限度。所以根据工程热力学知识， 热鼹q 在理论上最多能转变成的功w 为 1 4 ：- - q ( 1 一t o r j ) = q 一s = 妫 ( 3 一i ) 人们用艮来表示qf f j 露用( 有效g 岛，或筵称“火鼹”( e x e r e y ) 。显然，湿 度t 不同则作功本领( 可用能) 也不问。不同温度的一定量热量，虽然它们的数量 相同，但热转变为功的能力( 表示热的质量) 则大不捆同，环境大气、江湖 霹海水 中的热能怒不可能转变为功的。由此可知，热能不仅有数量的大小，而舅有质 量的高低，在定的环境澡度下的热的传递和转换过程中，温度或火甩是评价热 能膳量高低的极重簧指标，温度越商或炯德越大的热能，萁质量城品位也就越 高；反之，则其质量和品位也就愈低。热能中所含裙的火用的比例叫做热能的“品 位”或“麓质”。嘏 综上所述，各种不同形式的能量的转换能力是不同的，或者说他们的转换 为功的戆力是不同瀚。飘熊蘑转换角度，髓量可分为三大黉： 筇一类是不受限制可以豆耷h 转换的能缀，即可以完全转变为功的能劐如 l 毽熊、筏械麓、求麓、涎能等。这类离箍位穗量全部蔗可髑缝f 斓) 。鼠本矮 ：浇， 9 武汉理【：人学硕十学位论文 这类能量是完全有序运动的能量，即有序能，所以可以无限制地相互转换。 第二类是受限制转换的能量，即只可部分转变为功，其余的不能转变，如热 能、化学能、物质的热力学能f 内能) 等。由于这类能量从本质上说只有部分是有 序的，因而只有能够转变为功的那部分才是可用能( 火用) ，其余不能转变为功的部 分，虽然有一定的“量，：但其侦”却为零，称这部分能量为“慨”( a n e r g y ) ， 3 9 i 或无效能，能量中包含能够转变为有用功的那部分越多，则此能量品质越佳， 反之，则能量的品质就越低。【刈 第三类是受自然环境所限不能转变为功的能量，如周围自然环境大气、江湖 河海水中等的内能。尽管大气和海水中的热能具有相当数量，但根据热力学第 二定律，技术上是无法使之转变为功的，所以它们是只有数量而无质量的能量， 即所谓“烁”。l “j 由此可见，任何能量都可看成是由火用( e ) 和炕( 以爿表示) 所组成： 能量= 火用饵) + ，9 即) ( 3 - 2 ) 对于第一类能量：a = o ；对于第三类能量，e = 0 。 火用是表征能量转变为功的能力和技术上的有用程度，因而可用来评价能量 的质量或级位。数量相同而形式不同的能量，火用大的能量称之为能的品位高或 能质高，火用少的能量称之为能的品位低或能质低。因此，机械能、电能的品位 和能质就要较热能高，因j n j 称为高品位能或高质能。温度高的热量比温度低的 热慢具有较高的品级或能质。根据热力学第二定律，高品位能是能够自发转变 为低品位能，而低品位能赴不可能自发转变为高品位能的。能质的降低都意味 着火用的减少。当孤立系统内实施的过程为不可逆过程时，一定产生功的耗散。 这时，虽然能量在数量上保持不变，但作功能力减少，能量贬值，火用值降低，也 就是系统的火用值中有一部分退化为炕。所以引用火用概念可以从能质或品位上来 评价某一能量系统的转换过程。 3 2 火用分析的基本概念及表达式 1 1 j 由于能量形式及所研究的热力系统性质不同，所以能量火用的表达形式也完 仝不同，下而首先分别叙述几平叶t 形式能量的火用。 1 ) 热盟州1 j 与冷量火j j l o 武汉理r 大学硕士学位论文 热量是热力系统在温差作用下通过边界与环境交换能量的形式之一，热量中 包括火用和怃两部分。根据火用的一般定义，将系统所传递的热量在给定环境状态 下用可逆方式所能完成的最大有用功，称为该热量的火用。实际上热量火用就是热 能的可用能，热量的婀就是热能的不可用能。 由于热能是依赖于物质系统热状态而存在的，因此温度不同时，其热能的可 用部分与不可用部分比例也不同。例如，对于相同的环境状态，系统的温度越 高，其热量火用就越大，热量的；扫瞄尤越小，反之亦然。 若在温度l 为定值的环境中，系统从温度为丁的热源吸入有限热量q 时， 根据卡诺循环及卡诺定理可知，其所能完成的最大有用功量即为热量q 的火用， 以符号岛表示。 岛= q ( 1 一z v 乃) ( 3 - 3 ) 不能作功的部分，称为热量的炕，以符号a 。表示。一般表达式为 a q - - q 匹臼= q 列r = 死s ( 3 - 4 ) 如果加热时系统温度是变化的。设初状态参数为( 乃，s 1 ) ，加入热量后系统 经过一系列状态变化至终状态( 乃，s 2 ) 。根据广义的卡诺循环及卡诺定理，可得 相对于温度为的环境的热量火用为1 6 】 或 热量：j 泐 即卜鲁艘 吣i ( t - t o ) 警t ( t 也) d s 却。f 如拈- 兀丛，： ( 3 - 5 ) ( 3 6 ) 所谓冷量，是指系统在低于自然环境温度下通过边界与环境交换的热量。 因此，冷量也是热量，是低于环境温度的热量。冷量中也包括火用和：妩两部分。 冷量火用就是低于环境温度的热量火用。冷量与冷量火用之差就是冷量- 兄既然如此， 冷最火用和热景火用就具有完全相同的计算式。对于温度变化的冷源来说，其；令量 州m 牝j 厶为 1 1 武汉璎+ t 太学硕七学位论文 匈o = f ( 1 一詈翔j ( 3 7 ) 冷量炬烫 却一f 矗孕= f r o a s - 幌 ( 3 _ 8 ) 由式( 3 7 ) 可知，因欺如，故冷量火用为一个负值，这意味着系统从冷物体吸 收冷量对敷窭7 爽黥嚣赦爨冷量戆冷兹髂德到了火臻。 2 ) 封闭系统的热力学能炯 根据热力学第二定律珂知，爨然暴一切龟发避程都蹩使系统由不平餐状态 向平衡状态变化，当达到平衡状态时过程停止。因此，环境中任意一个系统只 要掰处的状态与坯境状态不同，系统就会囊发地由原来熙处舱状态赶环境状态 变化，直到与环境相平衡的状态为止。一般说来，热力系统与外界环境在相互 作髑下从一个状态过渡到男一个状态可以完成功爨。如聚这罩巾过渡是以可逆方 式进行的，刚其所完成的功量最大；如果这种过渡是以不可逆方戏进行的，其 不可逆性越大，则宪成功爨就越小。可见，过渡的方式不同，完成功量的大小 也不裾同。这样，在给定的环境状态( 如= 常数，p 。= 常数) 中，封闭系统从任意 状态可逆地过渡到与环境桐平衡的状态所能完成的最大有用功量，定义为封闭 系统的孀。众所瘸知，任意封闭系统其有豹能簧肖宏观动髓、重力势能和内能。 而宏j i 【i l 动能和重力势能为机械能，根据火用的定义可知它仝为火用。因此，所讨论 鹣封潮系统豹烟燕糖系统静热力学辘( 瘫裁婀，黻符号e 玎表示。 3 ) 稳定流动系统的焓火脬1 8 】 工程上大量静热工设餐或装饕鄹矮予开叠燕力系统。根据兔篱豹一簸意义， 并结合开口系统的固有属性，稳定流动系统的焓火用可以定义为：稳流工质从任 一绘定状态滚经野瑟系绞，鼓霹_ l 骜方式遭渡蘩与环凌平鬣麴状态，并显是与环 境交换热量时所能作出的最大有用功量。 4 ) 鸯倪学反戏蓉绞瓣炙瓣 物理火用指相对于物理平衡环境状态，稳定流动系统由于物理量不完 全乎德赝具有粒失嚣。 化学火用指相对j ：物理和化学完全平衡状态，系统由于化学不斗j 衡所 具有的火耀。f 4 2 l 武汉理工大学硕十学位论文 扩散火用 燃料的火用 指相对于p 0 、死平衡环境状态，系统仅仅由于自身内部的 扩散过程具有的火用。 p 0 、状态下的燃料与氧气一起稳定地流经化学反应系统 时，以可逆方式转变到完全平衡的环境状态所能做出的最 大有用功称为燃料的火用。 3 3 热力系统的过程火用分析 3 3 1 热力过程的火用效率与火用损系数【1 l 1 热力过程的炯效率 对于在给定条件下进行的过程来说，烟损失的大小，表明过程不可逆性的 大小。人们往往用火用损失的大小来衡量过程的热力学完善程度。但是，炯损失 是损失的一个绝对数量，它不能用来比较在不同条件下过程进行的完善程度， 也不能用来评价各类热工设备或装黄过程进行中火用的利用程度。因此，一般用 火用效率来表达热力系统或热力设备中火用的有效利用程度。 在热力设备或热力装封进行的过程中，收益( 被利用) 的火用乓与支付( 消耗) 的火用昂的比值，称为该系统的火用效率，用符号仉表示，即 e r 。= ( 3 - 9 ) c p 因为一切实际过程都是不可逆的，都有火用损失，故火用效率小于1 ，即 ( 仉) i 。 t e 5 - e 6 ：忑 一 火用损失相对于废气从点l 到点2 的最大回收功或锅炉入口烟气火用的汽轮机火 用损失系数 。，或亭0 分别为 ( 3 4 0 ) 高 = 皇， 武汉理i ：人学硕十学位论文 。，e 1 r # 1r 2 m g e l ( 3 - 4 1 ) 图3 5 汽轮机的火用平衡图3 6 冷凝器的火用平衡 3 冷凝器 在图3 3 上过程6 7 是表示从汽轮机排出的乏汽在冷凝器中凝结的过程。图 3 - 6 示出冷凝器的火用平衡。为了简化分析，不考虑冷凝器的散热损失和流体阻力 损失。冷凝器的主要作用是将乏汽凝结造成真空并回收冷凝水。冷却水吸收蒸 汽凝结时放出的热量后仍然排放至环境大气，因此这属于冷凝系统的外部损失。 冷凝器的火用损失应包括流体间传热的内部火用损失和冷却水排放环境大气的外部 火用损失，所以其火用损失e l c 可根据冷凝器的炯平衡方程求得：【2 2 】 e i c - 民一岛 ( 3 - 4 2 ) 刈单位质量工质，则 e l c 一。6 一唧 ( 3 - 4 3 ) 冷凝器的火用效率为 鱼e 7 f3-44)tle , c 。葛- i 。 相对于废气从点1 到点2 的最大回收有用功或锅炉入口烟气火用的冷凝器火用 损失系数分别为 鼻，丽e 1 , c ( , 3 - 4 5 ) 玉。堡 ( 3 4 6 ) 武汉理：人学硕士学位论文 4 给水泵 在图3 - 3 的丁。图上用过程线7 - 8 表示在给水泵中水被压缩而压力升高的过 程。若水泵中的压缩过程为可逆绝对热，则水的终态为8 ，但实际终点为8 。 给水泵的炯平衡方程式为 岛+ 一岛+ 岛， ( 3 - 4 7 ) 式中：睇给水泵所消耗的功。 一( 一h 7 m l w ) 式中：m 舢给水泵的排量； e 给水泵入口凝水的火用； e 。给水泵出口给水的火用； e ，给水泵的火用损失。 给水泵的火用损失。，可写成为 1 p = e 7 一岛+ h ，尸- ( e 7 - g d + ( h 8 - h 7 ) ，l ( 3 - 4 8 ) 或 2 s 一触“7 ) ( 去_ 1 ) 詈( 3 - 4 9 ) 式中：亍s 水在压缩过程中的平均温度，亍s 互兰； _ 。给水泵的相对内效率。 给水泵的火用效率为 。e a 昨- e 7 - 丽e s - e 7 ( 3 5 0 ) 给水泵的火用损失系数为 嚣r 丽e i , p ( 3 - 5 1 ) 卅g 【8 l 0 2 j 一 生晰 岛 武汉理i ：人学硕十学何论文 在余热发f 乜装置中，锅炉的蒸汽压力一般都不高，所以给水泵所消耗的功所 占比例不大。通常可以刁；考虑压缩时的不可逆损失，近似作为可逆的绝对压缩 过程，故给水泵中当作无损失。 5 蒸汽管道 蒸汽流经管道时，由于沿途存在摩擦节流以及散热现象而产生损失，使蒸 汽由状态4 变为5 ( 如图3 3 所示) ，火用损失为 1 - e 4 - e 5 ( 3 - 5 3 ) 蒸汽管道的火用效率为 ”。垒e 一5 ( 3 - 5 4 ) ”。p 口。一e 4 。一e 4 lj 蒸汽管道的火用损失系数分别为 基，一。i l s i ；l , 鬲p i p e ( 3 - 5 5 ) 或 或 矗矿篙 于是按照图3 2 及图3 - - 3 ，整个朗肯末端循环装置的总炯损失为 - e l 矿巨p l 矿局e l ，咖 i ，f - e l e + 日，r + 日，c + e l , p + 与， 余热发电朗肯末端循环的净输出功为 吨( e 1 - e 2 ) 一且，t - m g e l - 整个装置的火用损失系数为 萎一r 榉个动力皴钳的火j 1 | 效： ：为 鲜一邑， ( 3 5 6 ) ( 3 - 5 7 ) ( 3 5 8 ) ( 3 5 9 ) ( 3 6 0 ) ( 3 6 1 ) ( 3 6 2 ) 武汉理一l ：大学硕十学位论文 q 。一1 一y 墓，。 ( 3 6 3 ) 口：。- 1 一y 靠，f ( 3 6 4 ) 最后，根据上面算出的各部分炯损失，以柴油机排气实现部分回收放热循环 所能回收的最大有用功为1 0 0 f i 面绘出炯分布图( 或称火用流图) 。图3 7 示出的 是对某型号柴油机余热发电装置用l k g s 废气流量算出的火用流图。图上是以废 气的最大有用功。一( e 。一e ：) 作为1 0 0 ，其他部分的火用损失是相对于0 ，一e 二) 的 百分率，没有包括废气锅炉的排烟火用损失。如果将锅炉排烟损失作为锅炉火用损 失的一部分，即作为余热锅炉的外部火用损失，那么，这时就应以锅炉入口烟气火用 作为1 0 0 来绘制火用流率。图3 7 所用的计算参数：余热锅炉进口烟气温度 = 3 4