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1、火用分析基础第1页，此课件共75页哦基本概念基本概念何谓火用何谓火用？周围环境条件周围环境条件下，任一形式下，任一形式的能量中的能量中理论上理论上能够能够转变转变为为有用功有用功的那部分能量，称为的那部分能量，称为该能量的火用。该能量的火用。第2页，此课件共75页哦自然环境和环境状态自然环境和环境状态自然环境自然环境：在热力学的研究中，将自然环境抽象为一个具有不变压力p0、不变温度t0和不变化学组成的庞大而静止的系统，当它与任何系统发生能量和物质交换时，其压力、温度和化学组成仍保持不变，实际工程中任何热力过程不会影响它的状态参数。第3页，此课件共75页哦环境状态：环境状态：任何一个系统与环境处
2、于热力学平衡状态称为环境状态。热力学平衡包括？热力学平衡包括？不完全热力学平衡不完全热力学平衡完全热力学平衡完全热力学平衡不完全环境状态不完全环境状态完全环境状态完全环境状态第4页，此课件共75页哦物理火用和化学火用物理火用和化学火用以以不不完完全全平平衡衡环环境境状状态态为为基基准准时时，系系统统所所 具具 有有 的的火火 用用称称 为为 能能 量量 的的 物物 理理火火 用用。以完全平衡环境状态为基准时，系统以完全平衡环境状态为基准时，系统所具有的所具有的火用火用称为能量的化学称为能量的化学火用火用。第5页，此课件共75页哦几种物理火用 第6页，此课件共75页哦机械火用1.机械能火用：2.
3、机械功火用：轴功、技术功和循环净功是否为火用？第7页，此课件共75页哦热量火用热量火用定义：热量相对于环境所具有的最大作功能力，称为定义：热量相对于环境所具有的最大作功能力，称为热量火热量火用用。可逆热机第8页，此课件共75页哦定义：冷量是系统温度低于环境温度下通过边界所传递的定义：冷量是系统温度低于环境温度下通过边界所传递的热量。冷量热量。冷量火用火用也就是低于环境温度的热量也就是低于环境温度的热量火用火用。冷量火用冷量火用可逆机第9页，此课件共75页哦第10页，此课件共75页哦第11页，此课件共75页哦闭口系统的闭口系统的火用火用内能内能火用火用定义：任意闭口系统从给定状态可逆变化到环境状
4、态，并只与环境交换热量时所做的最大有用功。第12页，此课件共75页哦内能火用在内能火用在p-v图上的表示图上的表示第13页，此课件共75页哦内能火用是不是状态参数？内能火用的正负号如何？第14页，此课件共75页哦第15页，此课件共75页哦第16页，此课件共75页哦1Op0snOT0vm第17页，此课件共75页哦稳定流动系统工质的稳定流动系统工质的火用火用焓焓火用火用定义：稳定物流从任意给定状态经开口系统以可逆方式变化到环境状态，并只与环境交换热量时所能做的最大有用功。第18页，此课件共75页哦稳流工质所做的最大有用功：第19页，此课件共75页哦焓火用在焓火用在p-v图上的表示图上的表示第20页
5、，此课件共75页哦焓火用在焓火用在T-s图上的表示图上的表示第21页，此课件共75页哦理想气体的焓火用理想气体的焓火用温度火用和压力火用温度火用和压力火用第22页，此课件共75页哦1.可逆定压的过程2.定温或初、终态温度相同的过程第23页，此课件共75页哦可以解释理想气体在透平中做可逆等温膨胀第24页，此课件共75页哦化学火用 第25页，此课件共75页哦化学火用与基准物系化学火用与基准物系化学不平衡包括组分不平衡和浓度的不平衡。基准物系中对基准物的要求基准物系中对基准物的要求1、每种元素都有相应的基准物，基准物系包括研究物质中所有元素的基、每种元素都有相应的基准物，基准物系包括研究物质中所有元
6、素的基准物；准物；2、基准物的火用值、基准物的火用值 为零；为零；3、各种基准物均是环境中可能存在的物质，且在不耗功条件下由环境不、各种基准物均是环境中可能存在的物质，且在不耗功条件下由环境不断供应；断供应；第26页，此课件共75页哦4、不能从基准物的任何结合中获得自由功，即各种基准物之间不会自发、不能从基准物的任何结合中获得自由功，即各种基准物之间不会自发进行化学反应并做有用功。进行化学反应并做有用功。5、当有两种以上的物质可取做基准物时，应优先选取自然界中相对丰、当有两种以上的物质可取做基准物时，应优先选取自然界中相对丰富和经济的物质，即以价廉易得者为宜。富和经济的物质，即以价廉易得者为宜
7、。斯查尔古特体系龟山-吉田体系第27页，此课件共75页哦龟山-吉田体系（1）环境温度T0=298.15K，环境压力P0=1atm；（2）空气中含有的各元素以空气相应的组成气体为基准物，以饱和湿空气的摩尔成分为基准物的成分；（3）其他元素则以含该元素最稳定的纯物质作为基准物。第28页，此课件共75页哦组分N2O2H2OCO2ArHeNe摩尔分数0.7560.20340.03120.00030.00910.00000520.000018分压力（atm）0.7560.20340.03120.00030.00910.00000520.000018扩散火用（kJ/mol）0.69173.95288.59
8、5320.10811.67730.1627.082参考山内樊，化学热力学绪论。化学工业，1981.第29页，此课件共75页哦斯查尔古特体系（1）环境温度T0=298.15K，环境压力P0=1atm；（2）无论是空气中含有的各元素，还是其他元素，其对应的基准物全部采用天然物质；（3）基准物的成分（浓度）采用它在自然界中的平均成分（浓度）。第30页，此课件共75页哦化学反应的最大有用功及其计算化学反应的最大有用功及其计算For example如果在定温条件下进行化学反应如果在定温条件下进行化学反应第31页，此课件共75页哦化学标准状态：环境温度化学标准状态：环境温度Tn=298.15K，环境压力，
9、环境压力Pn=1atm第32页，此课件共75页哦气体的扩散火用气体的扩散火用定义：处于p0、T0下的环境空气中含有的任何一种气体可逆定温地变化到它在环境空气中的分压力pi0时，所能作出的最大有用功。第33页，此课件共75页哦化学化学火用火用第34页，此课件共75页哦第35页，此课件共75页哦第36页，此课件共75页哦燃料的化学燃料的化学火用火用燃料燃料化学火用：化学标准状态下，燃料与氧气一起稳定流经化化学火用：化学标准状态下，燃料与氧气一起稳定流经化学反应系统时，以可逆的方式转变到完全平衡的环境状态所能学反应系统时，以可逆的方式转变到完全平衡的环境状态所能作出的最大有用功称为燃料的化学火用，简
10、称燃料火用。作出的最大有用功称为燃料的化学火用，简称燃料火用。第37页，此课件共75页哦近似公式介绍近似公式介绍煤、石油煤、石油气体燃料（气体燃料（2个碳原子以上的）个碳原子以上的）第38页，此课件共75页哦液体燃料（液体燃料（2个碳原子以上的）个碳原子以上的）固体燃料（固体燃料（2个碳原子以上的）个碳原子以上的）即使已知燃料元素成分即使已知燃料元素成分,也可用下面的近似式也可用下面的近似式第39页，此课件共75页哦(1)(1)对环境空气中各组成气体扩散火用的修正对环境空气中各组成气体扩散火用的修正温度变化，环境空气中饱和水蒸汽的分压力也随之而变，因而温度变化，环境空气中饱和水蒸汽的分压力也随
11、之而变，因而其摩尔组成是改变的，因此要重新计算摩尔组成。其摩尔组成是改变的，因此要重新计算摩尔组成。(2)(2)反应火用的修正反应火用的修正第40页，此课件共75页哦试求 燃料在t=0，p0=1.01325X105Pa状态下的化学火用在t=0时水蒸汽的饱和压力为ps(T0)=0.000611MPa=0.00603atm第41页，此课件共75页哦第42页，此课件共75页哦第43页，此课件共75页哦元素和化合物的化学元素和化合物的化学火用火用利用基准反应：利用基准反应：一种非基准物质（包括元素、单质和一种非基准物质（包括元素、单质和化合物）与一种或几种基准物在化合物）与一种或几种基准物在p0、T0
12、下发生化学反应，下发生化学反应，而反应物和生成物均为而反应物和生成物均为p0、T0下的纯物质（基准物）。下的纯物质（基准物）。元素基准反应基准物基准物浓度C0.2034，0.003H20.2034，1Fe0.2034，1Si0.2034，1Ti0.2034，1Ca0.2034,0.003,1第44页，此课件共75页哦利用生成反应系统求取化合物的标准化学火用利用生成反应系统求取化合物的标准化学火用第45页，此课件共75页哦环境温度修正：任意元素化学火用的环境温度系数：利用元素与大气环境中的单质或基准物的反应来求取其温度系数。第46页，此课件共75页哦当元素化学火用的环境温度系数为已知，则化合物化
13、学火用的环境温度系数：第47页，此课件共75页哦混合气体的火用混合气体的火用第48页，此课件共75页哦相对于完全平衡状态，混合气体的火用是物理火用和化学火用之和相对于完全平衡状态，混合气体的火用是物理火用和化学火用之和第49页，此课件共75页哦燃气的火用燃气的火用燃气是燃气是CO2、O2、N2和和H2组成。燃气的火用由物理组成。燃气的火用由物理火用和化学火用组成。其化学火用按照混合气体的火用和化学火用组成。其化学火用按照混合气体的化学火用进行计算：化学火用进行计算：环境饱和湿空气中各组分的摩尔分数第50页，此课件共75页哦第51页，此课件共75页哦火用方程和火用损失火用方程和火用损失闭口系统火
14、用方程闭口系统火用方程第52页，此课件共75页哦开口系统火用方程开口系统火用方程第53页，此课件共75页哦循环系统的火用方程和火用损失分析循环系统的火用方程和火用损失分析第54页，此课件共75页哦几种典型的火用损失几种典型的火用损失1、有限温差传热、有限温差传热第55页，此课件共75页哦第56页，此课件共75页哦2、绝热节流过程引起火用损失、绝热节流过程引起火用损失第57页，此课件共75页哦3、气体混合过程火用损失、气体混合过程火用损失4、燃烧过程火用损失、燃烧过程火用损失第58页，此课件共75页哦第59页，此课件共75页哦例题：进入锅炉的气体燃料由H2、CH4、N2和NH3组成，设燃料各组分
15、i的摩尔热容随温度的变化关系可用表示。各组分的ai、bi和摩尔分数xi列于下表。H2N2CH4NH3xi0.6600.210.0900.040aiJ/(mol.K)29.08728.88219.87427.55biJ/(mol.K)-0.1918-0.15705.02422.5644燃气各组分的摩尔热容随温度的变化关系可用表示。燃气的组分、各组分的摩尔分数ai、bi、ci、xi列于下表：第60页，此课件共75页哦N2H2O(g)O2CO2xi0.7180.210.0510.021aiJ/(mol.K)27.85529.99929.95944.141biJ/(mol.K)4.267710.711
16、4.1849.037ciJ/(mol.K)00.3347-1.6736-8.535空气15气体燃料200燃气绝热燃烧温度T=1959K空气流量为360N.m3/h，燃料流量为100N.m3/h，燃气流量为428N.m3/h第61页，此课件共75页哦气体燃料各组成的标准化学火用和温度修正系数见下表H2N2CH4NH3 235.220.67830.15336.69-169.742.340-201.96-154.22气体燃料的化学火用第62页，此课件共75页哦混合气体的比热气体燃料的物理火用第63页，此课件共75页哦气体燃料的摩尔火用气体燃料的总火用燃气各组分的标准化学火用和温度修正系数见下表O2N
17、2CO2H2O(g)3.9330.6720.118.61913.2212.34067.44-118.78第64页，此课件共75页哦燃气在T0下的摩尔化学火用混合气体的比热第65页，此课件共75页哦燃气在绝热燃烧温度下的物理火用燃气在绝热燃烧温度下的摩尔火用燃气总火用值第66页，此课件共75页哦第67页，此课件共75页哦火用效率火用效率火用效率：在系统或设备的能量传递和转换过程火用效率：在系统或设备的能量传递和转换过程中，将被利用或收益的火用与支付或耗费的火用中，将被利用或收益的火用与支付或耗费的火用代价的比值定义为系统或设备的火用效率。代价的比值定义为系统或设备的火用效率。第68页，此课件共7
18、5页哦建立火用效率公式的原则建立火用效率公式的原则第69页，此课件共75页哦建立火用效率公式的模型和建立火用效率公式的模型和火用效率的形式火用效率的形式“火用火用”源源A A稳定流动稳定流动系统系统“火用火用”的副的副收益户收益户C C“火用火用”的主的主收益户收益户B B第70页，此课件共75页哦常用热工装置的耗费火用、收益火用常用热工装置的耗费火用、收益火用和火用效率和火用效率热工设备耗费火用收益火用火用效率锅炉燃烧室透平压缩机或泵节流阀闭口蒸汽动力循环燃气轮机装置第71页，此课件共75页哦火用分析的基本模型火用分析的基本模型1、黑箱模型：由不透明的边界所包围的体系。2、白箱模型：由透明的边界所包围的体系。第72页，此课件共75页哦3、灰箱模型：将系统中的设备均看成是黑箱模型。3.1：简单串联系统：3.2：复杂串联系统：第73页，此课件共75页哦3.3：并联网络模型：燃气轮机装置的火用分析3压气机压气机燃烧室燃烧室燃气轮机燃气轮机124第74页，此课件共75页哦acba、压缩机；b、燃烧室；c、燃气轮机1234第75页，此课件共75页哦