1、2.4 能量的Ex计算,Exergy是一种能量，代表了能量中“量”和“质”相统一的一部分。这样就可以用Exergy来表征能量的质量或品位，来评价和比较各种不同形态的能量。数量相同而形式不同的量， Exergy大的成为品位高或能质高； Exergy少称之为品位低或能质低。根据热力学第二定律，高品位能是能够自发地转换为低品位能，而低品位能不能自发地转换为高品位能，能质的降低意味着Exergy的减少。,环境与物系的基准状态,(1)自然环境是Ex的自然零点（因为当物质处于自然环境当中，并与自然环境间建立了热力学平衡时就不再有任何自发过程发生，因而其Ex值为0），所以为了计算Ex值，首先应对自然环境加以
2、定量表述。 真实的环境是复杂的，其温度、压力、化学组分、浓度等参数大多会因时因地而不同。而且同一元素可组成环境中存在的各种物质，而在Ex计算中所表述的自然环境，是一种概念的环境，有其客观的实在性，又有人为的规定性，这种规定性还根据具体对象不同而不同。,(2)自然环境的两个特点： 是一个范围很大的静止体系，其各部分T、P相等，组分均匀，且不随时间而变化。 是一个庞大而恒定的热源和物质源，不会因为得到或给出热量或物质而改变其自身的T、P或组成发生变化，即任何过程都不会对环境的热力学性质产生影响。,(3)环境模型 规定环境，主要是规定物系的基准状态，目前得广泛承认和应Ex的环境模型主要有两个波兰学者
3、斯蔡古特（J.Szargut）提出的环境模型 日本学者龟上秀雄和吉田郝夫的龟上吉田模型,(4)环境状态 环境状态系统与环境处于热力学平衡时的状态。 此时系统所具有的各种形式能量的Ex值，与环境状态不同的任何系统所具有的能量都含有Ex。 环境状态的规定还要根据所研究的具体对象来决定。,(5)热力学平衡：不完全热力学平衡，即只有热平衡和动平衡。当取不完全平衡环境状态作为基准状态时，一个系统的能量具有的Ex成为该能量的物理Ex。完全热力学平衡，即具有热平衡、力平衡和化学平衡。当取完全平衡环境状态作为基准状态时，一个系统的能量具有的Ex是物理Ex和化学Ex之和。,物理Ex物质仅因为温度和压力与环境的温
4、度和压力的不同所具有的Ex。化工单元操作中的加热、冷却、压缩和膨胀等过程只需考虑物理Ex。化学Ex物质由于组成与环境不同所具有的Ex（书上：因化学不平衡所具有的Ex）。当涉及到几种物质的混合、分离和化学反应等过程要考虑物理Ex和化学Ex。,机械形式能量的Ex,功：轴功、净功 容积变化功（膨胀功、推挤功、流动功）：当系统在环境中做功的同时发生容积变化时，与环境必然有功量交换，系统要反抗环境压力做功，这部分为熓，不可用：,动能、位能：全是Ex动能Ex，位能Ex,流动功Ex为0！ 如果一个系统在热力过程中没有容积功变化或与环境交换的净功量为0，则通过系统过届所做的功全部是有用功，即全部是Ex，其熓为
5、0。,热量Ex/冷量Ex,热量Ex是指系统所传递的热量在给定的环境下用可逆方式所能做出的最大有用功。根据热力学第二定律(或卡诺定理)，在温度T0的环境下从高温T（恒温）热源中取出热量Q的有Ex能，即 热量Ex为：热量熓为：,封闭系统的Ex,定义：任一封闭系统从给定状态以可逆方式转变到环境状态，并只与环境交换热量时所能做出的最大有用功称为给定状态下封闭系统的Ex。 包括：动能Ex位能Ex内能Ex,内能Ex,设封闭系统参数 ，环境状态下系统参数 ，封闭系统由给定状态到环境状态可能做的最大功 ，系统从环境吸热 ，内能变化 ，推挤功 ，则有,而在可逆过程中,所以封闭系统Ex为：,在t0、p0环境中，闭
6、系从状态1过渡状态2所完成的最大有用功为初、终态Ex值之差，即：,经积分可得,Ex,A,稳定流动系统的Ex,定义：稳定物流从任一给定状态开口系统以可逆方式转变到环境状态，并且只是与环境交换热量所能做出的最大有用功。任意开系储有的能量有宏观位能、宏观动能、焓。下面讨论焓Ex。,焓Ex,设开系参数,环境状态参数,忽略宏观动能、位能有：,而在可逆过程中有,所以,在t0、p0环境中，闭系从状态1过渡状态2所完成的最大有用功为初、终态Ex值之差，即：,经积分可得,Ex,A,2.5 Ex损失和Ex衡算方程式,Ex也是一种能量，是能量中使用可逆的方式能够以有用功的形式提供给技术上使用的那部分能量。也即是，可
7、逆循环也只能将其吸入热量中的可用能转变为功。而实际过程和实际循环都不可避免地存在着不可逆性，这将造成能量的贬值，可用能的损失。所以，在任何可逆过程中，不发生Ex向熓的转变，Ex的总量保持不变；在任何不可逆过程中，必然发生Ex向熓的转变，Ex的总量减少。 Ex损失 ：不可逆过程中Ex的减少量称为不可逆过程引起的Ex损失，简称Ex损失。,Ex衡算方程式,为了衡量热力循环的热力学完善程度，需要了解循环中可用能的损失及其分布情况，这也就必须进行Ex的计算。与热力学第一定律能量衡算式和热力学第二定律熵衡算式相类似，针对一个系统，建立Ex的平衡方程式：输入系统的Ex输出系统的ExEx损失系统Ex的变化,封
8、闭系统Ex衡算方程式,所以封闭系统经历12过程所能输出的有用功为：,当闭系进行可逆过程时，Ex损失 ，可得闭系作出的最大有用功：所以，有意义： 对于不可逆过程 ，即不可逆过程作出的实际有用功必小于相同条件（相同的初终态、相同的热源、相同的吸收量）可逆过程的最大有用功； Ex损失是系统由于不可逆性引起的能够作出的最大有用功的减少。,稳定流动系统的Ex衡算方程式,其中，热量Ex 进出口物流焓Ex之差 Ex损失 对于多热源、多股稳定物流出入的开口系：,2.6 装置的Ex效率和Ex损失系数,任何不可逆过程或循环都存在Ex损失。对于给定条件下进行的过程或循环来说，其所包含的不可逆性越大，可用能损失越大，
9、其完成的功量与吸热量之间的差距越大。因此，Ex损失的大小能够用来衡量一个过程或循环的热力学完善程度。但是，Ex是一个绝对量，不能用来比较在不同条件下过程的完善程度，也不能用来评价不同设备或过程中Ex的利用程度。所以，用Ex效率来衡量一个设备、过程或循环，或系统在能量转换上的完善程度。,Ex效率,故,定义：,由Ex守恒可知，不可逆性引起的Ex损失为,Ex损失系数,定义： 则 对于可逆过程，Ex损失 ， ；对于不可逆过程，Ex损失 ， 。,所以Ex效率反映了实际的不可逆过程接近理想可逆过程的程度，即Ex效率可用来衡量实际过程或循环的热力学完善程度，进而指明了改善的方向。,从热力学第一定律得到的热效
10、率，是从能量的数量出发去评价过程的优劣，此时，只要没有散热损失或排放物质的排热损失，能量的利用效率就是1。例如绝热节流过程，因没有能量的散失，其能量利用率为1，过程就算是完善的。但从热力学第二定律的Ex分析出发，绝热节流是不可逆过程，有Ex的损失，其Ex效率小于1，过程是不完善的。所以，Ex效率从能量的质来评价过程的优劣，用热力学上等价的能量进行比较，成为评价各种实际过程热力学完善度的统一标准。,举例,过程的热力学分析法小结,热力学是研究能量转换及其有关规律的科学，因而它也就是研究工艺过程能量利用的最主要的理论基础，也是研究过程或循环节能的理论基础。过程的热力学分析法就是运用热力学基本原理来分
11、析和评价过程。 热力学分析法可以分为热力学第一定律分析法，即能量衡算法，和热力学第二定律分析法，即熵分析法和Ex分析法两种。,能量衡算法,能量衡算法是过程热力学分析的基础。其着眼于能量数量的分析，通过物料与能量衡算，确定过程的排出能量和能量的利用率，说明的是投入装置的总流量被有效利用和损失的情况。 但是，能量有数量，而且有质量。能量衡算式只能反映能量在数量上的损失，不能反映能量在质量上的损失。也就无法反映能量的劣化程度和能量的贬值程度。因而无法反映能量消耗的根本原因。,输入系统的能量-输出系统的能量=系统总储存能量的变化,熵分析法,熵分析法以热力学第一、二定律为基础，通过物料衡算和能量衡算计算
12、理想功和损耗功，求出过程的热力学效率。其着眼于能量耗散，即可用能损失的一面。不足之处在于只能求出体系内部的不可逆Ex损失，而对于开口系统，就无法求出排出体系的物流Ex。,Ex分析法,Ex分析法也以热力学第一、二定律为基础，通过Ex衡算计算过程的Ex损失和Ex效率。其着眼于可用能被有效利用的一面。因此可判断过程中各个单元设备与整个装置的热力学完善程度和节能潜力。,节能=节Ex,所以，节能的真正涵义就是节Ex。研究过程装备的节能问题，就必须对过程进行Ex分析。即应用热力学分析法对过程中能量的转化、传递、使用和损失等情况进行分析，以揭示能量消耗的大小、原因和部位，然后依据科学用能的基本原则，对一些能
13、耗较大的设备或系统进行有效的节能改造指出方向和方法。,2.7 可避免Ex损失与不可避免Ex损失,Ex分析法克服了基于热力学第一定律的能量衡算法和基于热力学第二定律的熵分析法的局限性，能够分析各种过程的热力学不完善性，如绝热燃烧，温差传热，节流等过程引起的能量质的降低。但是，Ex分析法是以无驱动力（温差、压差、化学势）的理想过程为基准来分析实际过程，而实际过程都需要在一定的驱动力来势过程顺利进行，这样的实际过程就必然有Ex的损失。而在工艺上为了加快过程进行的速度，常常加大驱动力，这样造成的Ex损失也就越大。也就是说，要使过程进行，在技术和经济上就不可避免地要有一些Ex损失。例如，锅炉的Ex效率达
14、到66%已属不可能，而蒸汽透平的Ex效率达到80%还有改进的余地。所以，它们与理想过程的差距并不等价于它们的改进余地。,不可避免Ex损失（INE）,INE定义：技术上和经济上不可避免地最小Ex损失所以，Ex损失分为：不可避免Ex损失INE；可避免Ex损失AVO即：Ex损失AVO + INEINE是随着技术的进步和经济环境的改善而逐渐减少的，相应地，AVO增大，改善地潜力增大。在根据技术条件和经济环境确定了INE后，就可以只分析AVO，比较各个设备或者过程地AVO，针对较大地AVO予以改进。,实用Ex效率,实用Ex效率其将实际过程与技术经济上可以达到地最好过程相比较。常规Ex效率将实际过程与理想过程相比较。,举例,
