高等工程热力学3可用能分析理论.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,H.-C.Zhang(,张昊春）,zhc5,Advanced Engineering Thermodynamics,#,Advanced Thermodynamics,（高等热力学）,Lecturer:Dr.Hao-Chun Zhang,（张昊春）,Phone:[phone],Email:zhc5,S0400001Q,第六章 能量的可用性分析,(Availability,Exergy Analysis),人,类社会的发展与能量的利用密切的关系,。但是,，直到一百年前，人们才系统地掌握了科学利用能量的基本,规律,（核心：热力学,第一、第二,定律）,基于,能量在数量上守恒,的观点，提出评价热工设备的热力性能经济指标为：,同时，能量在转换过程中具有方向性，即不是每一种形式的能量都能全部、无条件地转换为另一种其他形式的能量。,因此，,能量有品位,之分，上述指标反映不出能量的品质问题,6.1,能量的可用性,根据能量转换的强弱，能量分为三类型,：,具有无限转换的能量，如电能、机械能、理论上可以无限制地转化为可资利用的功或者任何其它形式的能量,有限转换的能量，如温度高于环境温度的热能；与环境介质的状态不相平衡的热力系统所具有的能量,不可转换的能量，如环境介质的内能或以热量形式输入环境的能量,1824,年，卡诺提出，工作,在高温,热源,T,1,与,低温,热源,T,2,之间,的任何热机，当从高温热源,吸取,Q,1,能量时，最多可转换为有用功的部分为：,如果,T,2,即,为环境温度,T,0,时：,在热量,Q,1,中，除去可转变为有用机械功的,这,部分外，将有,部分放给周围环境而无法转变为,功,能量的转换性,我们将一种形式的能量转换为任意其它,形式能量的,能力，理解为该,能量转变为有用功的,能力,用,能量中能够转变为有用功部分的多少作为衡量,能量品质,的指标，,将对,能量的,认识更深入,可用能，（火用），,Exergy,Availability,（,火用,）,理论上可以无限转换为任何其它形式,能量 的,那部分能量，,称为,(,火用,),（,E,xergy,）,Ex,（,火无,）,在给定环境下，能量中不可能转换为功的那部分能量，称为能量,的,(,火无,),（,A,nergy,）,An,或：（火用）,在周围环境条件，任一形式的能量中能够,最大限度地转变为有用功,的那部分,能量,火用与火无的定义,可用能理论,（火用）和（火无）的关系：,第一定律：在任何过程中,，,（火用）,和,（火无）,的,总量保持,不变,第二定律：可逆过程,，,（火用）,保持,不变；不可逆过程，,部分,（火用）,转换,为,（火无）,，,（火无）,不能,转换为火用,1.,基准,状态,能量转换过程,通常是在一定的,自然环境,中进行,的；,系统与环境的平衡促使系统发生变化。当系统与环境相平衡时，系统所贮存的能量变完全丧失了转换为有用功的能力，所以通常以周围自然环境作为计算有用功的,基准,状态；,将自然环境,理想化，认为其压力、温度、组成等,不变，,即,基本,的,状态参数,P,0,、,T,0,、,V,0,、,S,0,、,H,0,、,U,0,不变,。,6.2,可用能理论,2.,热,力系具有的可用能,热力系在与外界环境相互作用下，从一个状态过渡到另一个状态,，过程可以,是可逆的，也可以是不可逆的。如果是可逆的，则完成,的功,量最大,。,热力系在与环境相互作用下，从,任意状态,过渡到与,环境相平衡的状态,所能完成的最大功量,称为其可用,能或（火,用,）,a.,闭口系,闭 口系参数,：,V,、,U,、,S,环境参数：,T,0,、,p,0,闭系在此过程中的能量方程为：,气体在膨胀过程中，由于推挤环境介质必须付出的功,可对外界提供的可用功,与环境交换的热量,相互作用,当系统吸热时，,环境放热,，故,。,由于,是可逆过程，系统的熵变与环境熵变之和为零，即,环境的熵变化为：,联合上二式：,从任意状态到环境状态积分，得到,即,在环境,T,0,、,p,0,下，系统可能提供的最大有用功,，,或,（火用）,其中，,称为,封闭系统,的可用能,函数,如果系统只是,从,1,状态,，,过渡,到,2,状态,，则所能完成的最大功为：,b.,开口系,在,p,0,、,T,0,环境,中，,稳态,、稳定流动,系统,一定质量的流体从处于任意状态的进口流到与环境处于平衡状态的出口能够完成的最大功量，叫,开口系,的可用,能,与,闭口系,时一样，利用可逆条件,可,得到,从现在状态到环境状态积分得：,用,Ex,表示,最大有用功，则,（为开系工质的火用）,如果,1,2,状态，完成的最大功，即为两状态,的（火用）差,比火用,：,其中，为了计算上的方便，定义,为,稳定,流动系统的可用能,函数,c,特定过程的可用能（火用,）,（,1,）定,温,定,容系统（,闭口系,）,此时：,T,=,T,0,；,V,=,V,0,令任意状态下：,则：,F,亥,姆霍兹函数或,自由能,（,2,）定温,定压,系统,（,开口系,）,此时：,T,=,T,0,；,P,=,P,0,令,则,自由焓,，或吉布斯（,Gibbs,）,函数,能量耗散（贬值）：,在,实际条件下，在初终状态之间经不可逆过程完成的有用功,W,A,，必小于最大有用功，其,差值为,A,n,，是,由不可逆因素影响造成,的。,在参数,p,0,、,T,0,的环境中，由于能量的耗散（或贬值）引起的可用能（火用）损失恒等于,T,0,d,S,g,为克服环境压力作的功；,为实际有用功,。,以闭系为例：,p,0,、,T,0,环境中,可逆过程完成的功为（火用）：,任意过程（不可逆），,可用能损失：,可用能损失,，,即,(,火用,),损失,含有不同（火用）,/,（火无）的能量形式和能量传递形式,22,（火用）,/,（火无）,分配的示例,能量形式、能量传递形式,（火用）,/,（火无）,注释,机械能,纯（火用）流,电功,纯（火用）流,热流 时发生传递,热流（火用）,热流 ，在 下传递,纯（火无）流,体积功 ，在 时完成,有用功,体积功 ，在 时完成,纯（火无）流,6.3,可用能平衡,计算,假定某一稳定流动系统为,不可逆过程,，为了集中考虑内部的不可逆性的影响，可假定系统与外界的传热为,可逆过程。,系统,与外界的,能量和（火用）平衡关系如图：,火无,An,H,2,S,2,Ex,f2,H,1,S,1,Ex,f1,热 源,T,出口状态,2,进口状态,1,Q,0,Q,（,Ex,Q,）,W,(,Ex,w,),稳定流动系统,内部不可逆过程,理想环境,T,0,，,p,0,（火无）,An,H,2,S,2,Ex,f2,H,1,S,1,Ex,f1,热,源,T,出口状态,2,进口状态,1,Q,0,Q,(,E,x,Q,),W,(,Ex,w,),稳定流动系统,内部不可逆过程,理想环境,T,0,，,p,0,出口状态,2,火无,An,H,2,S,2,Ex,f2,H,1,S,1,Ex,f1,热 源,T,进口状态,1,Q,0,Q,（,Ex,Q,）,W,(,Ex,w,),稳定流动系统,内部不可逆过程,理想环境,T,0,，,p,0,对系统，,能量平衡方程式,为：,熵方程,为,：,或者，,由于,内部过程的不可逆性引起的,熵增,由上式 可得：,根据上式和能量平衡方程式，可得,整理后可得：,上式中各项都有明确的物理意义，即,为热源输送给系统的,热量,(,火用,),为进入系统的物流带入系统,的,(,火用,),为,流出系统的物流带出系统,的,(,火用,),为系统实际输出的有用功，全部,为,(,火用,),为稳定流动系统,的,(,火用,),平衡方程式,因此,由,系统内部过程的不可逆性引起的,（,火用,）,损失，记为：,如系统过程为可逆过程,，则系统对外输出功最大,，等于,：,系统,实际可输出的功为：,由此得出：（,火无）直接表现为由于过程不可逆而引起的有用功减少,在,一些热工设备中，如锅炉的排烟、燃气机的排气、蒸汽轮机冷凝排放的冷却水等，是常见的,外部损失,。当这些排烟、排气、排冷却水离开系统时，虽然都还具有一定,的（火用）值,，但往往难以利用而被排放到环境中损失掉了。人们也比较注意这部分能量的回收,利用,余热、余压利用,系统,内部的不可逆性，如,传热、燃烧和节流等,，会引起,巨大,的（火用）损失,，这个损失直接减少了有用功,输出，,这是,通常没有,注意到的。,实际系统,的（火用）分析,6.4,不可逆过程,与功损,上,节的理论告诉我们，任何系统实际向外输出的有用功都小于它可能输出的最大理论功，原因就是系统在运行时存在各种内部和外部损失。直接的外部损失我们容易判断，由不可逆性引起的内部或外部损失则容易受到,忽视,。,本,节进一步就实际的不可逆过程来分析功的损失，把由于不可逆性产生的功损和熵增联系起来，讨论在各种情况下如何计算功损。,1.,第一,功损法则,这,条法则讨论的,是：在,确定的稳定端态之间的有限过程中，由于不可逆性而引起的输出总功损失（或输入功的增加）。设在两个确定的稳定端态和之间有两个不同的过程，,过程,R,是,可逆的，输出功为,W,R,，向环境放热（,Q,0,）,R,；,过程,I,是不可逆的，输出功为,W,I,，向环境放热（,Q,0,）,I,；如下图所示：,（,Q,0,）,I,（,Q,0,）,R,I,过程,R,过,程,W,I,W,R,确定的状态,确定的状态,理想环境,T,0,（,Q,0,）,I,（,Q,0,）,R,I,过程,R,过,程,W,I,W,R,确定的状态,确定的状态,理想环境,T,0,系统处于理想环境中，根据热力学第一定律，并根据上述两个过程都是在相同的初态,1,和终态,2,之间进行的，因而可以得到下面计算功损的关系式：,为了集中讨论不可逆性对功损的影响，我们对系统的边界做这样的规定：系统与理想环境间的传热的任何不可逆性都发生在系统内部，系统边界处于温度,T,0,条件下。那么，在不可逆过程,I,中进入系统的热熵流为：,在,可逆过程,R,中，系统的全部熵变,等于外界流入的热熵流，即,由于熵是状态参数，不管是可逆还是不可逆过程，熵为一个定值，应该有：,因此，两种过程的功损可以转换为,：,当系统经历不可逆过程,I,从状态变化到状态时，,由于不可逆性引起的熵增（即熵产）,等于总熵增 减去热熵流,，即,上式称为：,第一功损法则的数学表达式。,所以，系统的总功损失为：,从另一角度看，闭系或稳定流动系统在两个确定的状态之间的可逆过程与不可逆过程的总功输出之差，数值上等于输出的轴功之差，也,等于（火用）,之差，即,为由于内部的不可逆性引起的,（,火用,）,损，,或（,火无,）,。,于是可得,：,2.,第二,功损法则,第一功损法则所讨论的仅是两个确定的稳定端态间的单一过程，但复杂的实际装置中往往包含有许多子过程，而这些子过程是在可以辨认的中间状态之间进行的。,第二功损法则：,处于理想环境（,T,0,，,p,0,）的多个过程装置工作于确定的稳定端态间，而它所包含的各个子过程又都处于可以辨认的相应中间状态之间，那么整个装置由于不可逆性引起的输出总功损失（或输入总功增加），等于每个子过程分别引起的各输出总功损失（或输入总功增加）之和，也等于理想环境温度,T,0,与过程总熵增的乘积。总熵增等于各子过程熵增之和。,整个装置由于不可逆性引起的输出总功损失（或输入总功增加），等于每个子过程分别引起的各输出总功损失（或输入总功增加）之和，也等于理想环境温度,T,0,与过程总熵增的乘积。总熵增等于各子过程熵增之和,。,3.,第三,功损法则,这,条法则所要阐明的是，在确定的稳定端态之间进行的微元过程由于不可逆性引起的输出内功损失（或输入功增加,）,这,一法则描述的过程与第一功损法则描述的过程类似，但本法则描述的是初、终态相同的两个微元过程，其中,R,为,内部可逆的微元过程，,I,为,内部不可逆的微元过程。系统的温度为,T,，假定系统传给理想的局部环境的热量是在环境温度,T,0,下进行的。此时，系统的对外输出功仅为,内功,d,W,i,（注意内功,与外功的区别,）,对一微元过程，如果是可逆的，记内功为,；如果是不可逆的，记内功为,；比较两者的大小就可以求得内功损失，经与第一功损法则类似推导，可得,也等于内部的不可逆性造成,的,(,火用,),损。其中,4.,第四,功损法则,这一法则要描述的是，微小的内部不可逆性所引起的输出总功损失与输出内功损失的关系。,对于在确定的端,态,1,和,2,之间,进行的不可逆的有限过程。在这个有限过程中，其内部有某个不可逆性产生于一个微小的过程内。这个子过程是在可以辨认的两个固定的中间状态,A,和,B,之间进行的，其局部温度为,T,L,。除该微小过程外，其他过程是可逆的。则，在,AB,子过程中，由于内部不可逆性所产生的输出总功损失,和输出内功损失,间的关系为：,这是第四功损法则的数学表达式。可做如下推导（也可从第一、第二法则导出）：,环境,dWg,确定状态,确定状态,T,0,1,2,可逆热机,T,L,T,0,dW,e,dQ,0,dQ,L,dW,i,R,B,A,R,温度为,T,L,的微小,的内部不可逆过程,控制体,C,对如图所示过程，由于,A,、,B,两个状态固定不变，在这个子过程中不可逆性引起的内功减少，必然等于放热量的增加，即,由图中的控制体可知，,对于图中的辅助可逆机，有下列关系,由上面三式可得,6.5,可用,能计算及分析举例,例一如图所示的具有微小摩擦压降的绝热稳定流动过程中，试计算不可逆性引起的输出内功损失与输出总功损失。设流体温度为,T,。,解,由可知，,为负值，而 ，故,因为过程绝热，故不可逆过程产生的熵增即熵产为,于是，从第一功损法则可得,输出总功损失,=,热力学,的知识告诉我们，从具有这样大小压力降的一台可逆热机可以得到的轴功为,因而，这就是不可逆性引起的输出内功损失，即,输出内功损失,=,故可得：,输出总功损失,=,输出内功损失,与第四功损法则,一致,Q,i,T,T-,T,(b),具有微小温差的传热过程,例二如图所示的具有微小温差传热过程，试导出由不可逆性引起的输出内功损失与输出总功损失的关系。设两种流体的温度分别为,T,和,T,-,T,。,解,冷流体与热流体的熵变分别为,因换热过程与外界是绝热的，所以不可逆性所产生的熵增为,于是，从第一功损法则可得：,输出总功损失,=,我们知道，从工作在温度,T,和,T,-,T,间的一台可逆热机可以得到净输出功为：,因而这就是不可逆性所产生的输出内功损失，即,输出内功损失,=,进一步可以得出：,输出总功损失,=,输出内功损失,符合第四功损,法则,一切实际的热力设备都不可能达到完全的理想效果。因而，都不可避免地存在能量的损失和可用能的损失,。为了,查明这些损失以利改进装置，必须对装置的工作情况进行热力学分析。现以简单蒸汽动力循环为例，进行热力学两个定律的分析和计算，并对两种分析所得结果加以比较。,例三,.,蒸汽动力装置的可用能分析,简单蒸汽动力装置的设备系统和工质流程如下图所示。设工质的状态参数为：,锅炉出口蒸汽状态,：,=17MPa,，,；,汽轮机进口蒸汽状态,1,：,=16.5MPa,，,；,汽轮机出口蒸汽状态,：,=0.004MPa,。,a.,可逆,朗肯,循环,如不考虑系统的散热损失和其他损失，则工质（蒸汽）在整个循环过程中，状态的变化可示于图,1(b),中。,1-2-3-4-1,即是一般的朗肯循环运行模式。由所给参数，自水蒸汽图表可查得各状态点的焓值如下：,由,，,查得,；,由,，,查得,；,由,，查得饱和水焓,；,由,，,查得：；,汽轮机内水蒸汽定熵膨胀做功为：,水泵内定熵压缩过程消耗的功为,可见水泵耗功与汽轮机作出的功相比甚小（只有,1%,）。为了简化计算，本例中将泵的耗功忽略不计，并取,。,工质在锅炉中吸热量为,冷凝器中工质对冷源的放热量为,循环热效率,汽耗率,b.,实际,不可逆,循环,1,热力学第一定律分析,热力学第一定律分析总是从设备能量衡算入手，然后进行装置的能量衡算。本例中计算的各种能量都是,对应 于,1,蒸汽,的数值。,图,1,中,所示的循环，即是本例所分析的不可逆循环。其中，,是管道散热过程，,是阀门节流过程，,是工质在汽轮机内有,摩阻,的不可逆膨胀过程，为了简化，也忽略水泵的耗功。下面分别对之进行两个定律的分析。,只是产生,1,蒸汽时燃料所提供的热量,中,的有效利用的部分。二者之比,即是锅炉设备的热效率。,（,1,）锅炉的能量衡算,锅炉的热量收、支情况如图所示。由给定的蒸汽出口参数（），在水蒸汽图表中查得,。,1,蒸汽在锅炉内的吸热量为,:,的数值可以对运行的锅炉进行测试得到，在设计计算也可以按锅炉进行制造厂家提供的数值选取。本例选取 。因此燃料供入的热量为,（蒸汽）,锅炉中的能量损失（排烟、散热等）为,（蒸汽）,（,2,）蒸汽管道的能量衡算,通常把工质在锅炉中吸收的热量作为供入蒸汽管道的能量。管道中的能量损失，主要是,管道表面对环境的散热损失,，其值等于管道入口蒸汽焓,与出口蒸汽焓,的差值，即,管道热效率,按下式计算：,（,3,）汽轮机的能量衡算,汽轮机的进口蒸汽焓为,，出口蒸汽焓为,，对外作功为,。忽略表面散热损失，则汽轮机的能量平衡方程式为,考虑内摩阻时汽轮机作出的功,与,相应熵过程完成的功量 的比值称为汽轮机的相对内效率，用,表示，即,的数值可由实验测定或由制造厂家提供，一般在,0.8,0.9,之间。本例取,，则,汽轮机的实际出口焓,（,4,）冷凝器的能量衡算,冷凝器,内工质对冷源的放热量,即循环的冷源损失。它可由工质进出冷凝器的焓差算出，即,（,5,）动力装置的能量衡算,供入装置的能量即燃料的发热量,，装置的有效利用能量为汽轮机完成的功量,，装置的能量损失为,与,的差值，即,装置的能量损失,亦为各设备能量损失之和：,装置的能量利用率,为,蒸汽动力装置的热效率,，与可逆循环热效率,、汽轮机相对内效率,、锅炉效率,、管道效率,有以下关系：,对于本例，有,各设备的能量损失占装置供入能量的份额分别为,锅炉,管道,冷凝器,（,6,）装置能流图：上述对简单蒸汽动力装置热力学第一定律分析的结果，可以形象地用能流图表示出来。上图表示了供入装置的能量,（以它为,100,），在各设备中的利用与损失的情况。,2,热力学第二定律分析,热力学第二定律分析是在第一定律分析的基础上，对各设备和装置进行可用能计算，从而得出供入装置的可用能的有效利用与损失的情况。,在本例的计算中，取环境参数为,根据前面的计算，将循环各点的参数列于表,1,中。,表,1,工质在各状态点的参数,状态点,p,MPa,T,K,h,kJ/kg,s,kJ/(kgK),E,x,kJ/kg,0(,环境,),1,1,2,2,3(4),0.1,17,16.5,0.004,0.004,0.004(17),283,833.15,823.5,302.13,302.13,302.13,42.1,3455.1,3432.6,1946.2,2169.3,121.4,0.1510,6.4770,6.4625,6.4625,7.2002,0.4224,0,1622.7,1604.3,118.0,132.2,2.5,（,1,）锅炉的可用能计算,在锅炉中进行着燃料燃烧、烟气与蒸汽间的温差传热、排烟和散热等不可逆过程。流入和流出锅炉的各项可用能如图所,示。,是,燃料供入的,化学（火用），,它的数值与燃料的发热量,非常接近，本例取,是烟气在最高温度时的,（,火用,）,按照（火用）,的定义,式中：,/,（蒸汽）,为对应于,1,蒸汽,的烟汽质量；,为烟气的定压比热容，为简化计算将,视为常数，,为烟气的最,高温度，这里,、,分别为烟气在,和,时的熵。炉内烟气压力可视为定值，故有,及,由此可得,（蒸汽）,为燃烧过程的可用能损失。显然它应等于,（蒸汽）,是锅炉排烟和散热带出的可用能，并在这些过程中损失于环境，因而它也就是该过程损失的可用能,。,为计算简便，本例取排烟和散热的平均温,度,，则,（蒸汽）,烟气与水蒸气间的温差传热造成的可用能损失,，可按下式计算：,和,分别为锅炉给水和出口蒸汽的火用。代入数值得,（蒸汽）,锅炉中可用能损失总量,为,（蒸汽）,或,（蒸汽）,对于整个锅炉而言，燃料的化学火用 是供入的可用能，蒸汽的火用 增量（,）是其中的有效利用部分，故锅炉的可用能效率,为,（,2,）蒸汽管道的可用能计算,管道内的可用能损失,等于流入与流出蒸汽的火用 差，即,是由管道内的摩阻、阀门节流以及散热等原因引起的。管道的火用 效率按下式计算：,（,3,）汽轮机的可用能计算,汽轮机内工质经历绝热过程（如图），。其可用能平衡方程式为,858,.,0,2,.,132,3,.,1604,4,.,1263,2,1,=,-,=,-,=,x,x,T,T,ex,e,e,w,h,（,4,）冷凝器的可用能计算,尽管在冷凝器中蒸汽对外放出大量的热，但因是排向环境，,，故冷凝器中的可用能损失就等于工质的火用 差，即,是由于乏力汽与环境间的温差传热所造成的可用能损失。,（,5,）装置的可用能计算,供入装置的可用能为燃料的化学火用,（蒸汽）。装置有效利用的可用能为输出功量,。因此，装置可用能损失总量为,或,装置的可用能效率为,各设备中可用能损失占燃料化学火用 的份额为,锅炉：,其中：,燃烧损失：,排烟损失：,传热损失：,管道：,汽轮机：,冷凝器：,（,6,）装置火用 火无 流图,上面以热力学第二定律分析的结果，可以用下图所示的火用 火无 流图来表达。它形象地说明了供入的燃料火用（以它为,100,）在各设备中的利用和损失的情况。,3,热力学第一定律与第二定律分析结果的比较,为方便于比较，将两种分析所得结果列于下表,。,项目,第一定律分析,第二定律分析,能量,kJ/kg,占供入的份额,%,可用能,kJ/kg,占供入的份额,%,供入,3704.1,100,3704.1,100,输出功,1263.4,34.1,1263.4,34.1,损失,锅炉,管道,汽轮机,冷凝器,总计,370.4,22.5,0.0,2047.8,2440.7,10.0,0.6,0.0,55.3,65.9,2083.9,18.4,208.7,129.7,2440.7,56.3,0.5,5.6,3.5,65.9,从以上分析结果可以看出,:,(1),由于两种分析方法都以输出功量作为装置的有效利用部分，并且在本例中取燃料的供入能量和供入的可用能相等（,），因而两种方法得出的装置效率和总损失量是相同的。,（,2,）,对于损失在各设备中的分布，两种分析方法得出完全不同的结果。这是由于在两种分析方法中“损失”的概念有着原则的区别。第一定律分析中的“能量损失”以能量散失到环境为标志，它不区分能量的品位。而第二定律分析中的“可用能损失”，则以过程的不可逆性为标志，它指的是在不可逆过程中可用能转变为火无 的部分。至于产生的火无 是在当时就排向环境，或者暂时仍包含在工质内，而通过后继设备再排向环境，则是无关紧要的。,在锅炉中，能量损失虽不多（只占供入热量的,10,），但由于燃烧、传热过程的严重的不可逆性，可用能损失却很大（占供入可用能的,56.3,）；在冷凝器中，工质对环境放出大量热量，能量损失很大（占供入热量,55.3,），但它放出的热量品位很低，主要是在锅炉、汽轮机等设备中已转变成火无 的能量，冷凝器自身造成的可用能损失却很小（仅占供入可用能的,3.5%,）,83,Clean,safe,and quiet,High energy efficiency,Low emissions,Ease in operating,Types of Fuel Cell,P,roton,E,xchange,M,embrane,(PEMFC,),质子交换膜,Alkaline,碱性燃料电池,P,hosphoric,A,cid,(PAFC,),磷酸电解质,M,olten,C,arbonate (,MCFC,),熔融碳酸盐,S,olid,O,xide,(SOFC,),固体氧化物,Advantage of Fuel,Cells,例四 燃料电池的可用能分析,84,Fuel Cell Comparisons,NATURE,2001,85,考虑 质子交换膜（,P,roton,E,xchange,M,embrane,PEM),燃料电池,（,1,）,氢气通过管道或导气板到达阳极,（,2,）在阳极催化剂的作用下，,1,个氢分子解离为,2,个氢质子，并释放出,2,个电子,（,3,）氧气（或空气）通过管道或导气板到达阴极，在阴极催化剂的作用下，氧分子和氢离子与通过外电路到达阴极的电子发生反应生成水,电子在外电路形成直流电,只要源源不断地向燃料电池阳极和阴极供给氢气和氧气，就可以向外电路的负载连续地输出电能,86,Electrode&Catalyst,Proton conducting membrane,Bipolar plates,Gas diffusion layer,M,embrane,E,lectrode,A,ssembly,Bipolar Plate,H,2,Air,Key,Components,in,PEMFC,PEM Fuel Cell,87,电池,的运行温度,阳极和阴极压力,电流密度,膜厚度,可用能效率的影响因素：,PEM,可用能分析模型,88,基本可用能方程式,Exergy,平衡：,89,电化学平衡：,通过传质、传热和功交换进入,PEM,的可用能,通过传质、传热和功交换离开,PEM,的可用能,不可逆过程损失,展开，得到：,90,通过质量传递进、出入,PEM,的可用能分别为：,摩尔流率,通过功传送的可用能为：,注意：只有有电流通过时才做功，但是由于不可逆损失的存在，实际电池的电动势会小于平衡电动势,燃料电池的不可逆性,极化,电池充放电时，在可逆条件下进行，则电极处于平衡状态，通过电极的电流,i,0,，这时，电极电势为平衡电极电势,E,当有电流通过时，电极过程为不可逆过程，电极电势就会偏离平衡电极电势，且随着电流密度的增大，电极电势偏离的程度也越来越大，这就是极化。,极化,电流通过电极时，电极电势偏离平衡电极电势的现象,91,不可逆损失分析,PEMFC,极化主要包括三类：（,1,）,激活超电势（,act,）；（,2,）欧姆超电势（,ohm,）；（,3,）聚集超电势（,conc,），上述损失减低了燃料电池的可用功,92,其中，,V,(,i,),是电流为,i,时净电动势，,V,rev,是可逆电动势，,T,FC,是电池的反应温度，,t,mem,是膜厚度，,R,是通用气体常数，,F,为法拉第常数，,i,max,是最大电流，,A,和,C,是阳极和阴极的传输系数，,mem,是膜的湿度，,P,H2,和,P,O2,为,H,2,和,O,2,的分压力，,1,和,2,是聚集超电势常数。,93,通过热传送的可用能为：,PEM,运行过程中的热产,PEM,通过辐射和对流的热损失因子，,PEM,燃料电池可用能效率,94,综合上述各个过程，不可逆损失可以写为：,PEMFC,可用能效率,95,展开，即为,计算结果,不同温度、压力条件下的（火用）效率和不可逆损失，其中：图（,a,）膜厚度,0.016 cm,；图（,b,）膜厚度,0.018 cm,；图（,c,）膜厚度,0.020 cm,96,计算结果,不同电流强度、不同膜厚度、不同温度条件下的（火用）效率,97,PEMFC,可用能分析结果,对于,PEMFC,，当压力和温度保持不变时，不可逆损失随膜厚度与电流密度的增加而增大。当膜厚度恒定时，运行温度和压力增加，不可逆损失降低。因此，要提高燃料的效率，必须减小膜厚度，同时燃料电池应当在较高温度和压力下进行。,为了提高,PEMFC,的可用能效率，应当尽可能降低膜的厚度，减低电流密度，提高运行压力（温度尽量保持衡定）,98,本章小结,综合常规发电方式和新能源发电方式的应用能够看出：,可用能分析方法能够反映能量转换的结果，深刻地揭示出在动力装置中能量损失的确切部位、损失的数量和造成损失的原因，为评价装置的完善程度和制定改进措施提供了可靠的依据,谢谢！,