探討熱力學(xué)參數(shù)及其在熱能動力工程中的應(yīng)用

鄧光偉

【摘要】對于熱能與動力工程來說，怎樣從能源中獲取最大的用功，是現(xiàn)階段我國熱力徐研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題、難點(diǎn)問題?，F(xiàn)階段，通常采用熱效率來衡量熱力系統(tǒng)或者熱工設(shè)備的熱力性能，但是這個評價指標(biāo)僅僅能反應(yīng)能量的在數(shù)量上的應(yīng)用比例，而不能反映其在品質(zhì)方法的利用程度。在本文中，筆者即探討熱力學(xué)參數(shù)及其在熱能與動力工程中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】熱力學(xué)參數(shù)；熱能；動力工程

當(dāng)前，隨著我國能源供應(yīng)的日益緊張，我國能源利用效率問題倍受關(guān)注。眾所周知，我國的能源利用效率，相比西方發(fā)達(dá)國家，還有一定的差距。而在反映能源利用品質(zhì)的研究方面，與西方國家的差距也比較大。如果反映能源利用的品質(zhì)問題，成為當(dāng)前業(yè)內(nèi)研究的熱點(diǎn)問題。在本文中，筆者結(jié)合自身的理論知識和工作實(shí)際，探討了熱力學(xué)參數(shù)在熱能與動力工程中的實(shí)際應(yīng)用。

一、熱力學(xué)參數(shù)的概念

熱力學(xué)的相關(guān)理論認(rèn)為，熱力系統(tǒng)中的各種工質(zhì)，只要狀態(tài)和環(huán)境這兩方面的差別很小，哪怕很小的差別，那么對環(huán)境也是做功的，可以產(chǎn)生一定的做功能力。不過從一個已知的熱力系統(tǒng)的狀態(tài)，從可逆條件過渡到環(huán)境平衡狀態(tài)，在這個過渡過程中，熱力系統(tǒng)對環(huán)境做功率會達(dá)到最大。熱力系統(tǒng)在此狀態(tài)下，用一個專門的術(shù)語概括便叫熵。。

這個概念的提出，醉倒可最追溯到十九世紀(jì)4年代卡諾的著作，也就是其著名的卡諾原理。根據(jù)卡諾的卡諾原理，熱能可劃分為兩個部分，一是無用部分，一是可用部分，把熱能的可用部分引入到工程熱力學(xué)當(dāng)中。但是由于當(dāng)時技術(shù)條件的限制，技術(shù)水平有限，這一概念并沒有引起人們的重視，指導(dǎo)是上世紀(jì)三四十年代，才把這一概念應(yīng)用到熱能與動力工程的研究當(dāng)中。

而在上世紀(jì)50年代中，這一概念的名稱還是存在爭議的，主要包括“做功本領(lǐng)”“做功能力”“可用性”等等，為了統(tǒng)一名稱，郎特做了大量的研究工作，最后得以統(tǒng)一，我國把這一概念譯作用熵。

在熱能與動力工程當(dāng)中，一般情況下，穩(wěn)定流動的情況經(jīng)常出現(xiàn)，在熱力設(shè)備的穩(wěn)定流動狀態(tài)作用下，工質(zhì)便會進(jìn)入熱力系統(tǒng)中，熱力系統(tǒng)中的流入能量與流出的能量是一樣的。但是，如果忽略系統(tǒng)出口處、進(jìn)口處的工質(zhì)的位能差別與動能差別，則能夠改變能量方程式。而如果能量流動過程可逆，則系統(tǒng)就不會出現(xiàn)熵增的狀況，在這種情況下，我們便可以得到熵的方程式。

二、熱力學(xué)參數(shù)熵的類型

熱力學(xué)參數(shù)的工質(zhì)所具有的能量中，較為理想的情況時在技術(shù)上可以完全使用，可產(chǎn)生最高額，也就是在“能級”或者“最大可利用度”的情況下。在這種情況下，熱力學(xué)參數(shù)可應(yīng)用于自然界中所有的能量形式。所以，熱力學(xué)參數(shù)可以分為熱量熵、機(jī)械功熵、電能熵和化學(xué)等不同的類型。

（一）機(jī)械功熵

在熱能與動力工程中，機(jī)械功熵，一般情況下，是指工質(zhì)與外界之間的相互作用。筆者將通過例子來說明，比如能量的品質(zhì)，機(jī)械功與工質(zhì)機(jī)械能處于同樣的能級，這兩者不像熱量那樣，比較容易受到熱力學(xué)條件的限制，因此，二者最大可利用度搞到10.12%，或能級為1。因此，機(jī)械功炯，從數(shù)值方面來看，和機(jī)械功是相等的。

在熱能與動力工程中，一般情況下，以效率高低評價能量轉(zhuǎn)換裝置的優(yōu)劣：裝置轉(zhuǎn)換或輸出能量與輸入能量的比值。

在衡量熱功轉(zhuǎn)換的各種指標(biāo)，熱效率是一個關(guān)鍵指標(biāo)之一，同時，其也是衡量熱能與動力工程能源利用效率的常用指標(biāo)之一，它能夠從數(shù)量方面，在一定程度上揭示熱能動力工程在循環(huán)過程中的能源利用程度。實(shí)踐表明，衡量熱功轉(zhuǎn)化，只用熱效率這一個指標(biāo)評價是不科學(xué)的、不合理的，比較片面。這主要是因?yàn)椋到y(tǒng)裝置轉(zhuǎn)化效率的高低，不可以完全說明系統(tǒng)裝置轉(zhuǎn)換性能與理想的效果之間，與理想裝置之間的差距。所以，僅用熱效率也就無法準(zhǔn)判斷裝置轉(zhuǎn)化效率的合理性。

不過，從節(jié)能環(huán)保的角度看，找出熱效率與理想裝置之間差距，并分析熱效率與理想裝置之間差距的成因，尋找縮小差距的途徑，是熱能與動力工程的關(guān)鍵所在。正是因?yàn)檫@個原因，以熱力學(xué)第二定律的基本前提的效率定義的確定過程，同時也是選擇和比較各種形態(tài)能量指標(biāo)的一個過程。

事實(shí)上，實(shí)際所消耗的能量炯，與實(shí)際得到能量煙和所消耗的能量的煙，并不能簡單判定，而需要由各類熱工裝置的功能來確定。由上文中的分析可以得知，任何熱力系統(tǒng)或者熱工設(shè)備其炯效都比1要小，在理想條件下效率值才是1。

由此可以看出，上文中的兩種分析熱能動力循環(huán)過程方法，角度地不同的。熱效率法是從能量數(shù)量上來分析，按照熱力學(xué)的相關(guān)定律，從輸入、損失和有效轉(zhuǎn)換能量的角度分析，建立相應(yīng)的循環(huán)、裝置和設(shè)備熱效率概念，分析各種系統(tǒng)和裝置的效率。這種分析方法僅涉及能量轉(zhuǎn)換中數(shù)量關(guān)系，本質(zhì)以能量守恒定律為基礎(chǔ)的能量數(shù)量平衡。

但熵效率法則考慮到熱力學(xué)的所有定律，從做功能力變化角度分析。我們知道，做功能力概念包括能的質(zhì)、量，即熵效率分析中，考慮能的數(shù)量，同時考慮能的質(zhì)、量，分析指標(biāo)做功能力損失數(shù)值；該方法實(shí)質(zhì)是以熱力學(xué)第二定律為基礎(chǔ)的熵平衡。

（二）分析比較

熱效率分析法、做功能力損失分析法是不同的。由于這兩種分析法分析角度不同，因此結(jié)論差別較大。比如鍋爐效率大于90%時，熱效率法分析法認(rèn)為，鍋爐效率較好。但用熵分析法認(rèn)為，鍋爐生產(chǎn)效率有待提高。

在冷凝器中，熱效率法從能量平衡入手，排熱多、損失大，而熵分析方法熱為，排熱量雖多，但由于溫度低，所以做功能力損不大。通過以上分析，筆者歸納出熱效率法與煙效率法的應(yīng)用原則：

熱效率法可計算熱能與動力工程裝置循環(huán)、各部件或各環(huán)節(jié)中能量利用率、損失部分?jǐn)?shù)量等，比同等條件下循環(huán)、熱力設(shè)備分析效果好。尤其是分析結(jié)果，不管是循環(huán)熱效率，還是熱能與動力工程裝置總效率，分析的結(jié)果均可靠，相關(guān)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)能說明能量能源的利用情況。因此，在過去，這是唯一循環(huán)分析法。截止到目前，該分析方法在熱能與動力工程仍然在使用，而且使用的范圍還比較廣。

由于熱效率法無法計算出，比如鍋爐中溫差傳熱等，這些具有不可逆性特征產(chǎn)生的做功能力損失，所以，其適用條件也有所限制的。但是從度量熱工設(shè)備熱力學(xué)理論來分析，尤其從節(jié)能環(huán)保的角度來考慮，計算該部分損失，可以說是具有重要意義的。同時，這也是熱效率分析法特點(diǎn)之一。

從質(zhì)量方面看，熱效率分析法的結(jié)果，可準(zhǔn)確找到效率比較低的環(huán)節(jié)、設(shè)備和部件等，包括準(zhǔn)確找出效率低下的原因。同時，這是熱效率分析法的主要優(yōu)點(diǎn)。所以，熱效率分析法各種熱工設(shè)備、系統(tǒng)、制冷裝置中，熱效率法的應(yīng)用可以說比較廣泛。

三、熵在熱能與動力工程中的實(shí)際應(yīng)用

目前，熵在熱能與動力工程中主要應(yīng)用在以下方面：

第一，熱能與動力工程循環(huán)系統(tǒng)熱能利用設(shè)備的熵?fù)p失、熱能分配情況的計算；

第二，比熱能與動力工程電氣設(shè)備的熱力性能的比較；

第三，余熱利用資源的統(tǒng)計；

第四，熱能與動力系統(tǒng)的最優(yōu)分析評定。

現(xiàn)階段，眾所周知，我國的供暖方式分為兩種，一種是集中式供暖，一種是分散使供暖，但無論哪種供暖方式，主要利用的是鍋爐產(chǎn)生蒸汽或熱水。從現(xiàn)階段的鍋爐生產(chǎn)實(shí)際狀況看，鍋爐效率平均沒有超過60%，不會超過這個數(shù)值。另外，如果考慮熱網(wǎng)中的損失、散熱設(shè)備熱能利用率等因素，則我國整個供熱采暖系統(tǒng)的熱效率數(shù)值可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于60%。

結(jié)語：

當(dāng)前，我國能源供應(yīng)的局面比較緊張，所在探討能源的利用效率和節(jié)能技術(shù)也就有了重要的意義。在本文中，筆者結(jié)合自身的工作實(shí)際和所掌握的理論知識，從熱力學(xué)參數(shù)的概念出發(fā)，分析了熱力學(xué)參數(shù)在熱能動力工程中的應(yīng)用。