能量转换基础课件.ppt

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1、第二章第二章 能量转换基础能量转换基础2.1 能量转换能量转换2.2 能量平衡能量平衡2.3 exergy（可用能）（可用能）2.4 exergy 的计算的计算2.5 exergy 平衡平衡2.6 exergy 损失计算损失计算2.7 exergy分析与分析与exergy效率效率2.8 exergy 分析举例分析举例2.9 exergy 分析的意义分析的意义本章知识点本章知识点1.理解能量转换与平衡；2.理解exergy的概念、熟练掌握exergy的计算，exergy的平衡、掌握exergy损失计算；3.学会exergy分析方法。2.1 能量转换能量转换 钢铁企业中涉及到的主要能的形式有：热能

2、、机械钢铁企业中涉及到的主要能的形式有：热能、机械能、电能、化学能。能、电能、化学能。在这四种工业生产中所利用的主要能量形式之间，在这四种工业生产中所利用的主要能量形式之间，相互转换的关系如下：相互转换的关系如下：在实现能量转换时，对转换装置基本要求：1）转换效率要高。2）转换速度要快。3）具有良好的负荷调节性能。4）满足环境的要求和经济上的合理能量守恒定律：输入能量-输出能量=储存能量的变化对于封闭系统，热力学第一定律的表达式为 Q=E+W E储存能量的变化 Q输入的能量 W输出的功稳定流动系统的能量平衡关系 2.2 能量平衡能量平衡（Hi+Qi+Wi）（He+Qe+We）=0 Q=Qi Q

3、e 表示净输入的热量 W=We Wi 表示净输出的热量则：Q=（He Hi）+W；对单纯的热设备，W=0 注：焓的绝对值是不能求得的。在计算各项焓值时，实际上是指该状态的焓值与基准状态下的焓的差值，并取基准状态下的焓值为0。1kcal=4186J；1kWh=860kcal=3600kJ2.3 Exergy（可用能）（可用能）根据能量可转换性的不同，把能量分为三类：（1）高级能：可以不受限制地完全转换的能量；（2）中级能：具有部分转换能力的能量；（3）低级能：完全没有转换能力的能量。热能属于第二类能量：它具有的可用能取决于它的状态参数（温度、压力等），同时与环境状态有关。当参数与环境相同，即与环

4、境处于平衡状态时，其exergy值为零。但是，只要与环境处于不平衡状态，它就具有一定的exergy值。Exergy是指能量中的可用能那部分。即能量可分成“可用能”和“不可用能”两部分，将可用能称为exergy；不可用能称为Anergy。2.3.1热量热量exergy系统所传递的热量在给定环境条件下，用可逆方式所能作出的最大功为该热量的exergy。通过可逆热机它能转换的最大功比例是取决于卡诺热机的效率：Exergy：在一定环境条件下，通过一系列的变化（可逆过程），最终达到与环境处于平衡时，所能做出的最大功。用Ex表示。由热量得到的最大功Wmax 为热量为热量exergy和热量anergy之和热

5、容量有限，热源属于变温热源，则：整个放热过程Q，则热量exergy：热源放出热量，焓减小：热源放出热量Q，温度从T降至T0时热量exergy为：2.3.2 能级能级 能量中exergy所占的比例称为能级，也称为有效度。对于恒温热源2.3.3 开口体系工质的开口体系工质的exergy 对于流动状态工质，设状态参数分别为压力P，温度T，焓H，熵S，经过一系列可逆过程达到与环境平衡的状态。根据能量平衡：H=H0+Q0+W1+W2 exergy值 Ex=Wmax=W1+W2=H H0 Q0可逆过程总熵变为零，总熵变为P,TH,SW1P0,T0H0,S0Q1Q0W2T0带入前式 开口体系，在不考虑宏观运

6、动的动能和位能时，工质具有的总能即为焓，与环境状态相比，所具有能量为：2.4 exergy 的计算的计算2.4.1 温度温度exergy 当工质的温度（T）与环境温度（T0）不同，压力与环境相同时，它所具有的exergy 值叫温度exergy。工质无相变，并已知其比热容时，由于 高温物质的高温物质的exergy 当物质的温度高于环境温度时，由于温度的不平衡所具有的可用能即为温度exergy。当定压比热容近似地视为常数时，则能级为 比热容 cp随温度变化时，一般把比热容与温度的关系表示成幂函数的关系：在低于环境温度T0的条件下，系统（TT0）吸入的热量中可转换为有用功的最大值。在环境热源和系统冷

7、源之间，设有一可逆卡诺机，从环境吸热q1，向冷源放热q2。做出的最大值。能量平衡低温物质的低温物质的exergy低温物质的低温物质的exergy2.4.2 潜热潜热exergy 物质发生融化或气化等相变时，需要吸收热量，但温度保持不变。单位质量的物质相变所需的热量r叫“相变潜热”。潜热exergy是指单位物质从相变开始至相变结束，吸收相变（融化或气化）潜热所产生exergy的变化。因此，潜热exergy是指物质在相变前后exergy的变化。潜热exergy的计算公式为2.4.3水及水蒸气的水及水蒸气的exergyhhAhBh0APTBOs0s0P0T0B水蒸气水蒸气exergy的图解法的图解法

8、2.4.4 压力压力exergy温度与环境温度相同，压力与环境压力不同温度与环境温度相同，压力与环境压力不同dT=0，开口体系工质压力，开口体系工质压力exergy封闭体系工质压力封闭体系工质压力exergy压力压力exergy 2.4.5 混合气体的混合气体的exergy气体的混合过程是不同分子相互扩散的过程，它是一个气体的混合过程是不同分子相互扩散的过程，它是一个不可逆过程，体系的总熵将增加，可用能将减少。设不可逆过程，体系的总熵将增加，可用能将减少。设混合前两种气体具有相同的温度混合前两种气体具有相同的温度T和压力和压力p,分别有分别有n1和和n2。混合前的。混合前的exergy 分别为

9、分别为 混合后的温度和总压力保持不变，分压力分别为混合后的温度和总压力保持不变，分压力分别为p1和和p2,则混合物的则混合物的exergy 为为)lnln(lnln221102120210122112211xnxnRTenppRTnppRTnenenenenExxiixxxxm+=+=+=式中式中1mol混合气体混合气体 各组分的摩尔成分各组分的摩尔成分xi1，lnxi0，式中的第二项为负值。，式中的第二项为负值。因此，混合物的因此，混合物的exergy值小于组成混合气体的各组分的值小于组成混合气体的各组分的exergy值之和。值之和。混合过程温度不变（混合过程温度不变（T1=T2=T），熵的

10、变化为），熵的变化为 成分和组成与环境不同而具有成分和组成与环境不同而具有exergy值称为扩散值称为扩散exergy。标准空气标准空气exergy为零为零各组分（纯各组分（纯气体）标准气体）标准exergy为为 由各纯组分的标准由各纯组分的标准exergy值，则混合气体的值，则混合气体的exergy值为值为混合气体混合气体exergy为为 2.4.6 化学化学exergy 由于与环境的温度、压力不同时属于物理不平衡，由于与环境的温度、压力不同时属于物理不平衡，因而具有的因而具有的exergy叫物理叫物理exergy。即使在环境温度即使在环境温度T0和压力和压力p0下，如果与环境存在化下，如果

11、与环境存在化学不平衡，则仍可能具有可用能。这种由于化学不平学不平衡，则仍可能具有可用能。这种由于化学不平衡具有的衡具有的exergy称为化学称为化学exergy。（1）化学反应的反应）化学反应的反应exergy 由热力学可知，在可逆等温反应过程中，稳定流动系由热力学可知，在可逆等温反应过程中，稳定流动系统做出的最大有用功等于系统自由焓的减少。统做出的最大有用功等于系统自由焓的减少。G 自由焓，自由焓，G=H-TSH2-H1 反应焓；反应焓；S2-S1 反应熵。反应熵。（2）元素化学）元素化学exergy的计算的计算 对于存在于大气中的各元素，根据已计算出分子标对于存在于大气中的各元素，根据已计

12、算出分子标准准exergy，则其元素的标准化学，则其元素的标准化学exergy为：为：（3）化合物的标准）化合物的标准exergy的计算的计算 则化合物的标准则化合物的标准exergy为：为：（4）燃料的化学）燃料的化学exergy 在基准状态在基准状态p0、T0下，燃料与氧气一起稳定地流经化学下，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可用功。它包括氧化反应的反应能做出的最大可用功。它包括氧化反应的反应exergy以以及燃烧产物在标准空气中的扩散及燃烧产物在标准空气中的扩散exergy。由于燃烧产

13、物。由于燃烧产物的扩散的扩散exergy难以被利用，习惯上暂不考虑扩散难以被利用，习惯上暂不考虑扩散exergy。燃料的基准化学燃料的基准化学exergy为为:式中式中 Qdw 燃料的低位发热值；燃料的低位发热值；s 反应熵，生成系熵的反应熵，生成系熵的H2O按气态计算。按气态计算。气体燃料气体燃料 =0.95Qgw 液体燃料液体燃料 =0.975Qgw 固体燃料固体燃料 =Qdw+2438w 2.5 exergy平衡平衡 能量守恒是一个普通的定律，能量的收支应保持平能量守恒是一个普通的定律，能量的收支应保持平衡。衡。exergy只是能量中的可用能部分，在转换过程中，只是能量中的可用能部分，在

14、转换过程中，一部分可用能将转变为不可用能，一部分可用能将转变为不可用能，exergy 将减少。这并将减少。这并不违反能量守恒定律，不违反能量守恒定律，exergy平衡是平衡是exergy与与exergy损损失之和保持平衡。失之和保持平衡。设穿过体系边界的输入设穿过体系边界的输入exergy为为Exin，输出，输出exergy为为Exout，内部，内部exergy损失为损失为Iint，体系内部积存量为，体系内部积存量为 ，则平衡关系为则平衡关系为 对稳定流动体系，内部对稳定流动体系，内部exergy的积累量为零。对多的积累量为零。对多股流体，对照能量方程式：股流体，对照能量方程式：exergy平

15、衡方程式为平衡方程式为 脚标脚标1流入的各股流体携带的能量；流入的各股流体携带的能量；脚标脚标2流出的各股流体携带的能量。流出的各股流体携带的能量。体系体系exergy分为支付分为支付exergy（Exp）,收益收益exergy（Exg）以及未被利用以及未被利用exergy（Ex1），），也称外部也称外部exergy损失，用损失，用Iext表示。表示。exergy 平衡关系可表示为平衡关系可表示为IExgIintEx1ExgExp+=+=2.5.1 流动过程的流动过程的exergy平衡平衡（1）节流过程）节流过程 通过阀门的流动过程是最简单的过程，如下图所示。通过阀门的流动过程是最简单的过程，

16、如下图所示。流经阀门时压力降低，可看成是绝热节流过程。流经阀门时压力降低，可看成是绝热节流过程。能量平衡关系能量平衡关系H1=H2exergy平衡关系平衡关系内部内部exergy损失损失（2）输出功的过程）输出功的过程 工质流经汽轮机膨胀对外做功时，可看成是绝热膨工质流经汽轮机膨胀对外做功时，可看成是绝热膨胀输出功的过程。胀输出功的过程。能量平衡关系能量平衡关系H1=H2+Wexergy平衡关系平衡关系Ex1=Ex2+W+Iintexergy收入为收入为Exin=Ex1。exergy支出为支出为Exout=Ex2+W,内部内部exergy损失为损失为Iint=Exin Exout=Ex1 Ex

17、2 W（3）输入功的过程）输入功的过程 工质流经压缩机、风机和泵的时候，可看成是绝热工质流经压缩机、风机和泵的时候，可看成是绝热压缩的过程，需要消耗外功来提高其压力。压缩的过程，需要消耗外功来提高其压力。能量平衡关系能量平衡关系H1+W=H2exergy平衡关系平衡关系内部内部exergy损失损失Ex1+W=Ex2+IintIint=Exin Exout=Ex1 Ex2+W 2.5.2 混合过程混合过程 混合过程是不可逆过程。实际的混合过程常会产生混合过程是不可逆过程。实际的混合过程常会产生热。混合器分绝热混合器和有冷却的混合两种。热。混合器分绝热混合器和有冷却的混合两种。（1）绝热混合）绝热

18、混合 能量平衡能量平衡H1+H2=H3exergy平衡平衡Ex1+Ex2=Ex3+Iint内部内部exergy损失损失Iint=Ex1+Ex2 Ex3绝热混合过程绝热混合过程（2）放热混合）放热混合 如果混合器外有冷却水套，将混合热传给冷却水。如果混合器外有冷却水套，将混合热传给冷却水。放热混合过程放热混合过程能量平衡能量平衡H1+H2=H3+Qexergy平衡平衡Ex1+Ex2=Ex3+ExQ+Iint内部内部exergy损失损失Iint=Ex1+Ex2 Ex3 ExQ2.5.3 分离过程分离过程 根据能量形式不同，分为受热分离和受功分离。根据能量形式不同，分为受热分离和受功分离。（1）受热

19、分离）受热分离 蒸馏釜中实现的分离过程属于受热分离。蒸馏釜中实现的分离过程属于受热分离。能量平衡能量平衡H1+Q=H2+H3exergy平衡平衡Ex1+ExQ=Ex3+Ex2+Iint内部内部exergy损失损失Iint=Ex1+ExQEx2 Ex3受热分离受热分离（2）受功分离受功分离 制氧机实现的空气分离过程就属于受功分离，消耗压制氧机实现的空气分离过程就属于受功分离，消耗压缩空气所需的功。缩空气所需的功。受功分离受功分离能量平衡能量平衡H1+W=H2+H3exergy平衡平衡Ex1+W=Ex3+Ex2+Iint内部内部exergy损失损失Iint=Ex1+WEx2 Ex32.6 exer

20、gy 损失计算损失计算2.6.1 燃烧燃烧exergy损失损失分析燃烧器的能量平衡和分析燃烧器的能量平衡和exergy平衡，求得内部平衡，求得内部exergy损损失就是燃烧不可逆失就是燃烧不可逆exergy损失。损失。燃烧燃烧exergy损失损失能量平衡能量平衡Hf+Ha=Hg燃料与空气未预热，以环境温度进入系统，燃料与空气未预热，以环境温度进入系统，tf=ta=t0，则，则燃烧器的燃烧器的exergy平衡为平衡为 燃料和空气未预热燃料和空气未预热 燃烧燃烧exergy损失率损失率 是燃烧是燃烧exergy损失与供给的损失与供给的exergy之比。即之比。即2.6.2 传热传热exergy损失

21、损失 物质实际的加热或冷却过程，是在有限温差下进行物质实际的加热或冷却过程，是在有限温差下进行的传热过程。有温差的传热是不可逆过程，即使没有的传热过程。有温差的传热是不可逆过程，即使没有热量损失，也必然会产生热量损失，也必然会产生exergy损失。损失。在无散热损失时，能量平衡关系为在无散热损失时，能量平衡关系为低温物体得到的热量低温物体得到的热量exergy为为高温物体失去的热量高温物体失去的热量exergy为为传热传热exergy损失为损失为如果考虑向外界散热如果考虑向外界散热Q,传热传热exergy损失为损失为（1）恒温热源间的传热）恒温热源间的传热传热传热exergy损失为损失为（2）

22、有限热源间的传热）有限热源间的传热高温热源温度从高温热源温度从TH1降至降至TH2，低温热源从，低温热源从TL1升至升至TL2。传热总传热总exergy损失为损失为比热容不为常数或传热过程发生相变，转移的热量可按比热容不为常数或传热过程发生相变，转移的热量可按焓的变化计算焓的变化计算传热传热exergy损失为损失为（3）换热器中的传热）换热器中的传热换热器中的传热换热器中的传热不考虑向外界散热，则热平衡关系为不考虑向外界散热，则热平衡关系为热流体的热流体的exergy减少和冷流体的减少和冷流体的exergy增加分别为增加分别为传热传热exergy损失为损失为当不计换热器内的流动阻力，流体进出口

23、焓当不计换热器内的流动阻力，流体进出口焓exergy的变的变化可以用温度化可以用温度exergy表示。表示。当不计流体内部的摩擦等不可逆因素时，流体当不计流体内部的摩擦等不可逆因素时，流体exergy的的变化应等于它的热量变化应等于它的热量exergy传热传热exergy损失为损失为2.6.3 散热散热exergy损失损失 在加热炉等设备中，通过边界向外散热的损失包在加热炉等设备中，通过边界向外散热的损失包括：括：1）通过炉壁向外散失的热；）通过炉壁向外散失的热；2）通过炉门孔处向）通过炉门孔处向外辐射的热损失；外辐射的热损失；3）被冷却水带走的热；）被冷却水带走的热；4）由炉内）由炉内辅助设

24、备，如链条带走的热。因此，成为辅助设备，如链条带走的热。因此，成为exergy损失损失的一部分，称为外部的一部分，称为外部exergy损失。损失。（1）炉壁散热）炉壁散热exergy损失损失 散热散热exergy损失损失Isr为为（2）炉门辐射）炉门辐射exergy损失损失 通过炉门的辐射热损失通过炉门的辐射热损失Qfs:系统黑度，炉门孔的辐射系统黑度，炉门孔的辐射 =1;辐射系数，辐射系数，5.67W/(m2K4);炉门孔面积，炉门孔面积，m2 炉膛内温度，炉膛内温度，K。辐射热损失造成辐射热损失造成的的exergyexergy损失损失I Ifsfs为为（3）冷却）冷却exergy损失损失

25、为了保护金属，通常通水冷却，冷却水带走热也引为了保护金属，通常通水冷却，冷却水带走热也引起起exergy损失。损失。冷却水流量为冷却水流量为mls，进口水温为，进口水温为ts1，焓值为，焓值为hs1，出口，出口水温为水温为ts2，焓值为焓值为hs2，热损失，热损失Qls为：为：冷却冷却exergy损失损失Ils为为采用汽化冷却，出口为温度较高的蒸汽，具有能级采用汽化冷却，出口为温度较高的蒸汽，具有能级q汽化冷却产生的蒸汽汽化冷却产生的蒸汽exergy为为实际的冷却实际的冷却exergy损失为损失为2.7 exergy分析与分析与exergy效率效率 （1）分析目的）分析目的（2）分析方法）分析

26、方法 统计方法；统计方法；动态模拟方法；动态模拟方法；稳态方法；稳态方法；周期方法。周期方法。（3）分析步骤）分析步骤 1）确定体系；确定体系；2）分析体系与外界质量交换；）分析体系与外界质量交换；3）分析体系与外界能量交换；）分析体系与外界能量交换；4）计算各项的数值；）计算各项的数值；5）分析能量平衡和）分析能量平衡和exergy平衡；平衡；6）计算）计算exergy效率；效率；7）评价与分析结果。）评价与分析结果。2.7.1 exergy分析分析2.7.2 exergy效率的定义效率的定义 exergy效率：转换装置取得的有效能与供给装置耗费的效率：转换装置取得的有效能与供给装置耗费的能

27、之比。能之比。热效率可表示为热效率可表示为2.7.3 热工设备的热工设备的exergy效率效率 （1）热交换器的）热交换器的exergy效率。效率。Exin1Exout1Exin2Exout2IsrIcexergy平衡方程平衡方程 一般一般exergy效率效率exergy效率效率exergy平衡方程平衡方程 目的目的exergy效率效率exergy效率效率exergy平衡方程平衡方程 传递传递exergy效率效率exergy效率效率()()()()tgfdwsqsqxsxqfdwfxsxqegBQhhDhheeeQBeeeDhlhqq1=-=-=ql（2）锅炉的）锅炉的exergy效率效率 锅炉燃料消耗量锅炉燃料消耗量Bkg/h，发热值为，发热值为Qdw，产生蒸汽量，产生蒸汽量为为Dkg/h，蒸汽焓为，蒸汽焓为hq，给水焓，给水焓hs，则热效率，则热效率 为为 支付燃料支付燃料exergy为为Exp=B 。蒸汽。蒸汽exergy 为为exq ，给水的，给水的exergy为为exs ，Exg =D(exqexs )。锅炉。锅炉exergy效率效率2.8 exergy 分析举例分析举例2.9 exergy 分析的意义分析的意义