热力系统火用分析及其在压缩式热泵中的应用

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1、0引言“(火用)”，作为一种评价能量价值的参数，从“量”和“质”两个方面规定了能量的“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的问题，改变了人们对能的性质、能的损失和能的转换效率等问题的传统看法，提供了热工分析的科学基础。同时，它还深刻揭示了能量在转换过程中变质退化的本质，为合理用能指明了方向。　　热泵的作用是从周围环境中吸取热量，并把它传递给加热的对象(温度较高的物体)。目前国外热泵技术已得到了广泛的应用，并且仍在不断发展。随着国家对节能和环境保护工作的重视，我国热泵的研制和推广工作也得到了迅速发展。在我们暖通空调领域，热泵尤其是压缩式热泵有着

2、非常广泛的应用前景。本文从“(火用)”这个角度出发，对压缩式热泵在采暖系统中的应用进行了(火用)分析。　　1(火用)与能量以前很长一段时间，人们习惯于从能量的数量来量度能的价值，却不管所消耗的是什么样的能量。众所周知，各种不同形态的能量，其动力利用的价值并不相同。即使是同一形态的能量，在不同条件下也具有不同的作功能力。“焓”与“内能”虽具有“能”的含义和量纲，但它们并不能反映出能的质量。而“熵”与能的“质”有密切关系，但却不能反映能的“量”，也没有直接规定能的“质”。为了合理用能，就需要采用一个既能反映数量又能反映各种能量之间“质”的差异的同一尺度。“(火用)”正是这

3、样一个可以科学评价能量价值的热力学物理量。　　1.1(火用)和(火无)的概念　　各种形态的能量，转换为“高级能量”的能力并不相同。如果以这种转换能力为尺度，就能评价出各种形态能量的优劣。但是转换能力的大小与环境条件有关，还与转换过程的不可逆程度有关。因此，实际上采用在给定的环境条件下，理论上最大可能的转换能力作为量度能量品味高低的尺度，这种尺度称之为(火用)(Exergy)。它的定义如下：　　当系统由一任意状态可逆地变化到与给定环境相平衡的状态时，理论上可以无限转换为任何其他能量形式的那部分能量，称之为(火用)[1]。　　因为只有可逆过程才有可能进行最完全的转换，所以

4、可以认为(火用)是在给定的环境条件下，在可逆过程中，理论上所能作出的最大有用功或消耗的最小有用功。　　与此相对应，一切不能转换为(火用)的能量，称之为(火无)(Anergy)。　　任何能量E均由(火用)(Ex)和(火无)(An)两部分所组成，即　　E=Ex+An　　1.2能量的转换规律　　从(火用)和(火无)的观点来看，能量的转换规律可归纳为以下几点：　　(1)(火用)与(火无)的总量保持守恒，即我们常说的能量守恒原理。　　(2)(火无)再也不能转换为(火用)，否则将违反热力学第二定律。　　(3)可逆过程不出现能的贬值变质，所以(火用)的总量守恒。　　(4)在一切实际

5、不可逆过程中，不可避免地发生能的贬值，(火用)将部分地“退化”为(火无)，成为(火用)损失。因为这种退化是无法补偿的，所以(火用)损失才是能量转换中的真正损失。　　(5)孤立系统的(火用)值不会增加，只会减少，至多维持不变，此即孤立系统(火用)减原理。所以(火用)与熵一样，可用作自然过程方向性的判据。　　1.3热量(火用)　　若某系统的温度高于环境温度，当系统由任意状态可逆地变化到与环境状态相平衡的状态(又称“死态”)时，放出热量Q，与此同时对外界作出最大有用功。这种最大有用功称为热量(火用)ExQ。如果从热力学温度为T的恒温热源取得热量Q，当环境温度为T0时，由热量

6、可能得到的最大功Wmax，即热量(火用)ExQ为　　ExQ=Wmax==Q　　热量(火用)具有下列性质：　　(1)热量(火用)是系统放出的热量中所能转换的最大有用功。　　(2)热量(火用)的大小不仅与Q的大小有关，而且还与系统的温度T和环境温度T0有关。　　(3)相同数量的Q，不同温度T下具有不同的热量(火用)，当环境温度确定以后，T越高，(火用)越大。　　(4)热量(火用)与热量一样是过程量，不是状态量。　　2(火用)平衡与(火用)分析在我们对热力系统进行能量分析时，希望通过对能量形态的变化过程分析，定量计算能量有效利用及损失等情况，弄清造成损失的部位和原因，以便提

7、出改进措施，并预测改善后的效果。我们通常采用的能量平衡分析分为热平衡(焓平衡)分析及(火用)平衡分析两种。　　2.1(火用)平衡与(火用)损失　　能量守恒是一个普遍的定律，能量的收支应保持平衡。但是，(火用)只是能量中的可用能部分，它的收支一般是不平衡的，在实际的转换过程中，一部分可用能将转变成不可用能，(火用)将减少，称之为(火用)损失。这并不违反能量守恒定律，(火用)平衡是(火用)与(火用)损失(不可用能)之和保持平衡。　　设穿过体系边界的输入(火用)为Exin，输出(火用)为Exout，系统各项内部(火用)损失为Ii，外界作功为W，则它们的平衡