《工程热力学》(第四版)教学课件：06热能的可用性及火用分析

1、2022年7月17日第六章 热能的可用性及火用分析1第六章 热能的可用性及 分析6-1 热能的可用性及 的基本概念6-2 值的计算6-3 热力过程的 分析6-4 效率2022年7月17日第六章 热能的可用性及火用分析2热能可用性的讨论及 分析的意义 用来描述能量可用性的热力学参数为 ，它表示各种形态的能量中所包含的可以转换为功的能量的多少。 利用 的概念来分析热力学问题，可以说明能量转换和传递过程中其数量和质量的变化关系。 热力学第二定律说明了能量转换的条件、方向和限度，揭示了在转换为功的能力上或者说在能量的质量上，热能和其他形式的能相比其品位较低，即热能不可能连续地全部转换为功，且温度越低的

2、热能其能够转变为功的能量就越少，即其可用性较差，这正是热能和其他形式的能所不同的特殊属性。2022年7月17日第六章 热能的可用性及火用分析36-1 热能的可用性及 的基本概念 热量转变为功的能力： 在两热源间工作的热机，其循环热效率的最大值等于卡诺循环的热效率。在一定的环境中，低温热源可达到的最低温度为环境温度T0，因此当供热热源温度为Tr，从该热源吸热的热机循环的最高热效率为 当吸热量为 时，通过热机循环而转换为功的最大限额，即热量转变为功的能力为 2022年7月17日第六章 热能的可用性及火用分析4 可用能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。Ex/J能量中可以连续地

3、全部转变为有用功的部分能量；An/J能量中不可能转变为有用功的那部分能量。 有用功功量中能够被有效利用的部分； 无用功由于系统容积变化而对周围环境支付的功，这部分功量消耗于环境中而不能被利用。 按能量转变为有用功的可能性，将能量分为： 按是否可以被有效利用，功量被分为： 按照转变为功的可能性，可以把能分为：2022年7月17日第六章 热能的可用性及火用分析5 系统中的能量E 可分为 和 两部分： 对于确定的热力学系统，系统中能量的 就是系统由该状态可逆地变化到与给定环境状态相平衡时所作的最大有用功。 为了确定不同形式、不同状态能量的作功能力，即确定能量的 值，需要明确基准状态。 一般以环境状态

4、为基准状态，在该状态下 值为零。 同样，系统中单位质量的能量e 可表示为其中，ex为单位工质的 ，称为比 (J/kg)；an为单位工质的 ，称为比 (J/kg) 。2022年7月17日第六章 热能的可用性及火用分析66-2 值的计算一、热量 在环境温度T0确定的条件下，热量Q中最大可能转变为有用功的部分称为热量 ，以Ex,Q 表示。 假设温度为T的热源，向温度为T0的环境传递热量Q，则该热量的 值等于在热源温度T与环境温度T0之间工作的可逆热机所能作出的最大有用功（循环净功），即 热量的 可表示为2022年7月17日第六章 热能的可用性及火用分析7 由上述讨论可见： 热量 是热量Q所能转换的最

5、大有用功，其值取决于热量的大小、热源温度和环境温度。 环境温度确定时，单位质量工质的热量的 值就仅仅是热源温度T的单值函数。 T越高， 值就越大，T越低， 值就越小；当T=T0时， 值等于零。 可见，高温下的热能具有更大的可用性，具有更大的转变为有用功的能力。 与热量一样，热量的 和 的大小可以在T-s图上以相应的面积来表示。 2022年7月17日第六章 热能的可用性及火用分析8二、闭口系统工质的 任意状态1的闭口系统中工质的作功能力，即可逆功为 在闭口系统和环境组成的孤立系统中，闭口系统内的工质由所处状态可逆变化到环境状态所能作出的最大有用功称为该工质的 。 可逆绝热过程1-a中，工质所作的

6、可逆功为 可逆定温过程a-0中，工质所作的可逆功为其中即2022年7月17日第六章 热能的可用性及火用分析9 综合上述各式，可得任意状态的闭口系统中工质的作功能力，即可逆功为 由于系统总是处于一定的周围环境中，当闭口系统体积膨胀对外作功时，必因推动压力为p0的周围物质发生位移，而消耗功p0(V0-V1)，故实际上可利用的有效作功能力为 这是在一定环境条件下，给定状态时系统作出有效功的最大能力，称为最大有用功。则2022年7月17日第六章 热能的可用性及火用分析10参数 可见，周围环境确定时，最大有用功数值仅决定于工质的初始状态，即在确定的周围环境条件下，最大有用功相当于一个状态参数，称为闭口系

7、统工质的 参数(热力学 )，用Ex,U表示，有 当系统由状态1变化到状态2时，系统容积变化作出有用功的能力可表示为 参数的关系： 它的含义为：在确定的环境条件下，给定状态的闭口系统通过容积变化作出有用功的最大能力，故也称为最大有用功参数。闭口系统中1kg工质的 称为比热力学 ： 2022年7月17日第六章 热能的可用性及火用分析11三、稳定流动工质的 任意状态1的工质在稳定流动条件下的最大有用功可表示为 在开口系统和环境组成的孤立系统中，系统内稳定流动的工质由所处状态可逆变化到环境状态所能作出的最大有用功称为该工质的 。 可逆绝热过程1-a中和可逆定温过程a-0中，工质的可逆功分别为 结合上式

8、，即可得到开口系统稳定流动工质的可逆功，即工质可能作出的最大有用功为2022年7月17日第六章 热能的可用性及火用分析12 环境条件确定时，稳定流动开口系统的最大作功能力，相当于系统进口热力学状态的一个状态参数，称为稳定流动开口系统工质的 参数，也称为焓 ，用Ex,H表示，因此有 其含义为：在确定的环境条件下，给定进口状态的稳定流动开口系统通过轴功形式作出有用功的最大能力。单位质量流动工质具有的 称为比焓 ：2022年7月17日第六章 热能的可用性及火用分析13 由于工质的流动动能及重力位能都是可直接转变为有用功的机械能，因此在考虑工质的流动动能及重力位能情况下，可直接将焓 的表达式改写为 当

9、稳定流动开口系统的进口及出口状态给定时，系统的作功能力也可表示为 参数的关系： 闭口系统经历一个微元不可逆热力过程，由于从高温热源吸热，系统得到热量 ，向环境放热对外输出热量 ，对外作功而输出功量 。同时，由于过程中系统内部的不可逆因素而产生的 损失为 。则系统内部 值的变化为 2022年7月17日第六章 热能的可用性及火用分析146-3 热力过程的 分析 一、闭口系统的 方程和 损失式中，系统向环境放热而输出的热量系统向温度为T0的环境放热而向外输出的热量 可看作为 损失的一部分，即可将上式改写为 此式称为闭口系统 平衡方程式。 2022年7月17日第六章 热能的可用性及火用分析15闭口系统

10、的 损失 系统从高温热源得到热量 ：系统向外输出的功量 ：系统内 值的变化： 将其均带入 平衡方程式，可得 因 所以闭口系统的 损失为 又 则有，2022年7月17日第六章 热能的可用性及火用分析16 可见，系统的 损失本质上就是系统作功能力的损失 ，因此，闭口系统热力过程中由于不可逆因素所造成的系统作功能力的损失可表示为 2022年7月17日第六章 热能的可用性及火用分析17 开口系统其经历一个微元不可逆热力过程后，其内部的 值变化为 由温度为T的系统向温度T0的环境放出热量而向外输出的热量 实际上是系统 损失的一部分，因此上式可写为 二、稳定流动开口系统的 方程和 损失此式即为开口系统 平衡方程一般表达式。 2022年7月17日第六章 热能的可用性及火用分析18忽略系统进出口宏观动能和宏观位能变化时，有系统内部的 值是不变的，即开口系统进出口焓 的变化： 由于功量交换而引起开口系统内部 值的发化，等于系统所作出的技术功，即系统从高温热源得到热量 ：则开口系统 平衡方程式可表示为2022年7月17日第六章 热能的可用性及火用分析19开口系统的 损失 对于开口系统，有 将其带入开口系统 平衡方程，有 又因 所以有同样，不可逆因素所造成的系统作功能力的损失可表示为 及，2022年7月17日第六章