[火用]的计算及应用

(火用)效率在电站锅炉方面的分析作者：刘世宏学号：0804110017指导老师：徐桂转院系：机电学院热动一班关键词：电站锅炉；（火用）损失；（火用）效率；热量平衡析。

摘要：通过对电站锅炉进行（火用）分析，得出了锅炉的（火用）效率及其各部位、各过程的（火用）损失大小，并把所得到的结果与锅炉热量平衡分析得到的结果进行了对比，发现锅炉的（火用）损失主要包括燃烧过程的（火用）损失和传热过程的损失，这就为进一步提高锅炉的效率指明了方向，即主要从燃烧、传热过程人手，通过富氧燃烧、提高蒸汽初参数等方法来减小锅炉的煤耗。

正文前言众所周知，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，它从能量的数量方面分析能量的利用情况。

随着科学技术的发展，一种更准确揭示锅炉热利用的方法一一（火用）分析方法开始应用于电站锅炉。

它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，（火用）平衡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，（火用）平衡分析法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（火用）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。

1 电厂锅炉（火用）效率的计算方法在用（火用）方法分析锅炉效率时把锅炉的（火用）损失分为外部（火用）损失和内部（火用）损失，其中外部（火用）损失是指系统工质排离系统时所损失的（火用），包括：排烟（火用）损失1I 、化学未完全燃烧（火用）损失3I 、物理不完全燃烧（火用）损失4I 、散热（火用）损失5I 和灰渣（火用）损失6I ；内部（火用）损失是指由于系统内部各过程不可逆所造成的（火用）损失，主要包括：燃烧过程的（火用）损失7I 、传热过程的（火用）损失8I 。

㶲及其应用漫谈摘要㶲是寂态热力学一个有特殊意义及学术价值的热力学参数。

迄今，由于㶲的表达式及其算法通常多按研究对象类别的不同，采用不同的热力学模型分别给出，导致㶲表达式多样化，这给学术研究和应用都会带来一些麻烦。

寻求普适统一的㶲表达式一直是热物理学者追求的目标，这不仅有利于深入认识㶲的性质，给计算带来方便，对目前正在兴起的㶲传递研究也有重要意义。

早在上一世纪80年代初，就有㶲的统一表达式发表。

近年来基于对㶲概念的深入探讨，特别是㶲传递研究的进展，又不断推出一些新成果。

本文主要介绍㶲及其广泛应用。

关键词：㶲；热力学；分析Talking about Exergy and its ApplicationsExergy is a lonely thermodynamic which have special meaning and academic value of the thermodynamic parameters.So far,due to the exergy expressions and algorithms are usually much different categories according to the study,using different thermodynamic models given,resulting exergy diverse expressions,which will bring some trouble to academic research and application.Seek universal unity exergy expression has been hot physicist goal,which is not only conducive to in-depth understanding of the nature of exergy, bring convenience to computing, is currently on the rise of exergy transfer research is also important.Back in the early 80s of the last century,there is a unified expression exergy published.In recent years, based on the depth of the exergy concept,especially exergy transfer progress of the study, has introduced some new results.This paper mainly describes the exergy and its widely used.Key words:exergy；thermodynamics；analysis1 评价能量价值的物理量——㶲1.1 能的评价能源的利用主要是通过能量的转换实现的，因此，研究能源利用效率的主要对象也应该是能量的转换。

热力系统火用分析在压缩式热泵中的应用(一)引言“（火用）”，作为一种评价能量价值参数，从“量”和“质”两个方面规定了能量“价值”，解决了热力学中长期以来没有一个参数可以单独评价能量价值问题，改变了人们对能性质、能损失和能转换效率等问题传统看法，提供了热工分析科学基础。

同时，它还深刻揭示了能量转换过程中变质退化本质，为合理用能指明了方向。

热泵作用是从周围环境中吸取热量，并把它传递给加热对象（温度较高物体）。

目前国外热泵技术已到了广泛应用，仍不断发展。

国家对节能和环境保护工作重视，我国热泵研制和推广工作也到了迅速发展。

我们暖通空调领域，热泵尤其是压缩式热泵有着非常广泛应用前景。

本文从“（火用）”这个角度出发，对压缩式热泵采暖系统中应用进行了（火用）分析。

1（火用）与能量以前很长一段时间，人们习惯于从能量数量来量度能价值，却所消耗是什么样能量。

众所周知，各种不同形态能量，其动力利用价值并不相同。

是同一形态能量，不同条件下也具有不同作功能力。

“焓”与“内能”虽具有“能”含义和量纲，但它们并不能反映出能质量。

而“熵”与能“质”有密切关系，但却不能反映能“量”，也没有直接规定能“质”。

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”差异同一尺度。

“（火用）”正是这样一个可以科学评价能量价值热力学物理量。

1.1（火用）和（火无）概念各种形态能量，转换为“高级能量”能力并不相同。

以这种转换能力为尺度，就能评价出各种形态能量优劣。

转换能力大小与环境条件有关，还与转换过程不可逆程度有关。

，实际上采用给定环境条件下，理论上最大可能转换能力作为量度能量品味高低尺度，这种尺度称之为（火用）（Exergy）。

它定义如下：当系统由一任意状态可逆变化到与给定环境相平衡状态时，理论上可以无限转换为任何其他能量形式那部分能量，称之为（火用）1]。

可逆过程才有可能进行最完全转换，可以认为（火用）是给定环境条件下，可逆过程中，理论上所能作出最大有用功或消耗最小有用功。

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 。

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。

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。

[㶲]分析方法及其应用摘要：本文从㶲的定义出发，给出了㶲的定义以及分析的意义。

㶲传递研究㶲的传递和转换规律，系经典热力学在从热静力学向热动力学过渡的过程中产生的研究新领域。

阐述了静态的㶲分析方法的特点，分析了㶲传递的产生与发展现状，指出㶲传递的学科属性及其应用。

关键词：热力学；㶲；㶲分析；㶲传递1 引言热力学第一定律“能量守恒定律”只是从数量上说明了能量在转化过程中的总量守恒关系，它可以发现装置或循环中哪些设备、部位能量损失大，但未顾及到能量质量的变化，不能发现耗能的真正原因。

而热力学第二定律阐述了孤立系统熵增原理，从能的本性的高度，规定过程发生的方向性与限制，特别是指出了能量转化的条件和限制，指出能量在转移过程中具有部分地乃至全部地失去其使用价值的客观规律。

为提高火电机组的发电效率，减少在电力生产过程中排放物对环境的影响，人们对火电机组的热力系统性能开展了大量的理论与试验研究。

从热力学观点，所从事的这些研究大体可分为能量分析与㶲分析两类方法。

传统的研究主要基于热力学第一定律的能量分析，它们从能的“量”方面评价热力设备和系统，而近年来广泛开展的㶲分析法则是基于热力学第二定律，它们从能的“量”与“质”2个方面进行评价。

后者既能辨别㶲损的性质，即内部不可逆性与外部排放性，也能揭示㶲损的分布规律，从而能很好地指明系统性能改进方向。

2 㶲的概念及其定义表征物质所含热量多少的状态参数之一的焓，只表达了单位质量物质所含热量的多少，但并未表明热量质量的优劣。

能源是有级别的，相同的热能量，其有效作功的能力并不相同。

最能说明这一问题的是：稍高于环境温度的锅炉排出的烟气，尽管其量很大，但其热量很难加以利用。

热力学中用物质的另一个状态参数“㶲”来表示单位质量物质所含热量的可用性，可以定义为：在无其它(除环境介质外)热源的条件下，稳定流动的工质从初始状态经可逆过程变化到与环境介质处于热平衡时所能作的最大有用功，称为工质在该初始状态的热力㶲。

浅析热力学表征能质的两大参数熵与火用摘要：众所周知，能量具有数量和质量双重属性。

热力学中有两大参数来表示能量的品质，即熵和有效能。

熵又是一个扩展了的概念，已经超出了物理学范畴延伸到哲学范畴。

本文先介绍了热力学中熵的概念，讨论了对热力学中熵概念的理解，然后通过熵与能量、时间和环境的关系说明熵的意义。

然后介绍了火用的概念及有关理论，举例说明火用分析法在节能应用中的优势。

然后将热力学中表示能量的品质两大参数熵和火用做了简单的对比分析。

关键字：热力学；熵；熵与环境；火用理论；节能引 言众所周知，能量具有数量和质量双重属性。

热力学中有两大参数来表示能量的品质，即熵和有效能。

熵是物理学中一个非常重要的概念，它是用来描述和研究自然界中广泛存在的运动形式转化的不可逆性。

自引进了热力学熵以来，熵的内涵不断发展已经逐渐成为一种世界观。

熵定律已经不仅仅是在热力学范围内应用，它与能量、时间和环境的关系给人启示，为人类社会的和谐与可持续发展提供科学的依据。

热力学另一个表示能量品质的参数火用，则给节能理论提供了依据，相比较平衡热量法分析能耗，火用分析给我们的指导意义更大。

1 熵1.1熵的基本概念熵是克劳修斯于1865年定义并命名的一个热力学系统的状态函数，它严格应用于系统的热运动，故又称“热力学熵”。

熵的英文为“entropy ”。

热力学第二定律指出:一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。

其物理意义是一个孤立系统的自发过程总是朝着熵增加的方向进行，即从有序走向无序。

我们来看中间有隔板的密闭容器中气体的真空膨胀。

在未膨胀前，分子集中在一半的空间内作杂乱无章的运动。

虽然这种运动是无序的，但分子却不能出现在另一半空间内。

这从分子的空间位置分布看，是一种有序的表现。

然而，当抽去隔板让气体扩散到另一半空间并重新达到热平衡后，这种有序就消失了。

即气体分子从扩散前的无序状态过渡到了扩散后的更加无序的状态。

无序和有序程度的增加是与分子的热力学几率和热力学几率的增加相对应的。