第二章 能量轉(zhuǎn)化基礎(chǔ)課件

1、聯(lián)系電話：聯(lián)系電話：3600305（程）（程）Email: 辦公室：力學(xué)辦公室：力學(xué)1樓樓515 我國(guó)能源現(xiàn)狀 國(guó)民經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng) 2005年，一次性能源總產(chǎn)量20.6億噸標(biāo)煤，消費(fèi)總量22.5億噸標(biāo)煤，分別占世界13.7%和14.8%。世界第二 能源資源有限 能源利用率，尤其是我國(guó)的能源利用率要比先進(jìn)國(guó)家低得多 開源： 開發(fā)和利用新能源 需要資金、技術(shù)和時(shí)間 節(jié)流：節(jié)流： 合理地使用能源及提高能源利用率，或者合理地使用能源及提高能源利用率，或者說節(jié)能問題至關(guān)重要。說節(jié)能問題至關(guān)重要。 新技術(shù)、新方法 改進(jìn)、研制新的能量傳遞和轉(zhuǎn)換裝置及系統(tǒng)，減少轉(zhuǎn)換的次數(shù)和傳送的距離，如改進(jìn)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)，設(shè)

2、計(jì)新的熱力循環(huán) 大力開發(fā)節(jié)能新技術(shù)，如高效率燃燒技術(shù)、熱管技術(shù)、熱泵技術(shù)等 開發(fā)和推廣能源利用的運(yùn)行控制新技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)能量利用的最經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，如空調(diào)裝置的變頻運(yùn)行、供熱系統(tǒng)的用戶供熱獨(dú)立調(diào)節(jié)等。 開發(fā)、利用和提高大陽能、地?zé)崮堋⒑Ｑ竽艿刃履茉蠢眉夹g(shù)。 科學(xué)用能 從能量的數(shù)量和質(zhì)量?jī)煞矫娣治?、?jì)算能量的需求和評(píng)價(jià)能源使用方案，按能量的品性合理使用能源，盡可能防止高品位能量的降級(jí)使用。 以總能系統(tǒng)的概念，對(duì)整個(gè)企業(yè)或地區(qū)用能系統(tǒng)進(jìn)行全面規(guī)劃和優(yōu)化組合，使一次能源、二次能源及余熱、余壓均得到充分利用，提高總能系統(tǒng)的能源利用率，加熱電聯(lián)產(chǎn)、熱電冷聯(lián)產(chǎn)等。 能量轉(zhuǎn)化及利用的基本規(guī)律 能源的有效利用問題及

3、其評(píng)價(jià)指標(biāo)PVPV 熱力學(xué)第一定律 穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)EQWQEW 進(jìn)入系統(tǒng)的能量離開系統(tǒng)的能量系統(tǒng)中儲(chǔ)存能量的增加進(jìn)入系統(tǒng)的能量離開系統(tǒng)的能量系統(tǒng)中儲(chǔ)存能量的增加HQWtHWQt 熱力學(xué)第二定律 克勞修斯描述：傳熱 開爾文描述：熱機(jī) 實(shí)質(zhì)：自發(fā)過程不可逆 卡諾定理及卡諾效率 克勞修斯不等式 熵、熵增、熵流與熵產(chǎn) 孤立系統(tǒng)的熵增原理121TTR0rTQgfSSdS 能量消耗系數(shù)能量消耗系數(shù)：某一年或某一個(gè)時(shí)期，實(shí)現(xiàn)單位國(guó)民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值所平均消耗的能源數(shù)量，這是一個(gè)反映能源消耗量與國(guó)民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值相對(duì)關(guān)系的指標(biāo)/rE ME：能源消耗量，：能源消耗量，kg（標(biāo)煤）（標(biāo)煤）M：同期國(guó)民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)總值，元：同期國(guó)民經(jīng)

4、濟(jì)生產(chǎn)總值，元2005年每萬元年每萬元GDP：1.22噸標(biāo)煤，相當(dāng)于噸標(biāo)煤，相當(dāng)于8.2￥/kg標(biāo)煤，大約標(biāo)煤，大約1$/kg標(biāo)煤標(biāo)煤目標(biāo)：目標(biāo)：2010年，年，0.98噸標(biāo)煤噸標(biāo)煤/萬元，相當(dāng)于萬元，相當(dāng)于10.2 ￥/kg標(biāo)煤標(biāo)煤 單位產(chǎn)值能耗： 是指每單位產(chǎn)品產(chǎn)量所消耗的能量它又分為單耗和綜合能耗兩種pECAA：產(chǎn)品產(chǎn)量：產(chǎn)品產(chǎn)量Ep：產(chǎn)品能耗：產(chǎn)品能耗 當(dāng)當(dāng)Ep指某種能的消耗量時(shí)，指某種能的消耗量時(shí)，C為單耗，為單耗，如生產(chǎn)如生產(chǎn)1度電的煤耗；度電的煤耗； 當(dāng)當(dāng)Ep指生產(chǎn)某種產(chǎn)品時(shí)，各種一次能源、指生產(chǎn)某種產(chǎn)品時(shí)，各種一次能源、二次能源的總消耗量時(shí)，則二次能源的總消耗量時(shí)，則C為綜合能

5、耗。為綜合能耗。綜合能耗包括了綜合能耗包括了直接能耗直接能耗與與間接能耗間接能耗兩部?jī)刹糠?，兩者之和稱也為分，兩者之和稱也為全能耗全能耗直接能耗直接能耗：生產(chǎn)該產(chǎn)品時(shí)直接消耗生產(chǎn)該產(chǎn)品時(shí)直接消耗的能量的能量間接能耗間接能耗：該產(chǎn)品所用的各種原材該產(chǎn)品所用的各種原材料在被生產(chǎn)出來時(shí)所消耗的能量料在被生產(chǎn)出來時(shí)所消耗的能量 能源利用效率：能源利用效率也稱能量利用率。它為被有效利用的能量(或獲得的能量)與消耗的能量或投入的能量之比。它被用來表示用能的完善程度。ecEEEe：有效利用的能量：有效利用的能量Ec：消耗的能量：消耗的能量能源利用效率可以分別針對(duì)一臺(tái)設(shè)備、一個(gè)工序、一個(gè)車間、一個(gè)部門甚至全國(guó)

6、來計(jì)算。由于能量傳遞、轉(zhuǎn)換與利用的設(shè)備的多樣性及其應(yīng)用范圍的不同，因而常用不同的術(shù)語來表達(dá)能源利用效率的含義。例如，電廠動(dòng)力循環(huán)，熱效率制冷裝置的制冷循環(huán)，制冷系數(shù)能效標(biāo)識(shí)是附在產(chǎn)品或產(chǎn)品最小包裝物上的一種信息標(biāo)簽，用于表示用能能效標(biāo)識(shí)是附在產(chǎn)品或產(chǎn)品最小包裝物上的一種信息標(biāo)簽，用于表示用能產(chǎn)品的能源效率等級(jí)、能源消耗量等指標(biāo)。共產(chǎn)品的能源效率等級(jí)、能源消耗量等指標(biāo)。共5個(gè)等級(jí)：個(gè)等級(jí)：等級(jí)等級(jí)1表示產(chǎn)品達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，最節(jié)電，即耗能最低；表示產(chǎn)品達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，最節(jié)電，即耗能最低；等級(jí)等級(jí)2表示比較節(jié)電；表示比較節(jié)電；等級(jí)等級(jí)3表示產(chǎn)品的能源效率為我國(guó)市場(chǎng)的平均水平；表示產(chǎn)品的能源效率為

7、我國(guó)市場(chǎng)的平均水平；等級(jí)等級(jí)4表示產(chǎn)品能源效率低于市場(chǎng)平均水平；表示產(chǎn)品能源效率低于市場(chǎng)平均水平；等級(jí)等級(jí)5是市場(chǎng)準(zhǔn)入指標(biāo)，低于該等級(jí)要求的產(chǎn)品不允許生產(chǎn)和銷售。是市場(chǎng)準(zhǔn)入指標(biāo)，低于該等級(jí)要求的產(chǎn)品不允許生產(chǎn)和銷售。能效指數(shù)：實(shí)測(cè)耗電量能效指數(shù)：實(shí)測(cè)耗電量/耗電量限定值耗電量限定值100% 能量評(píng)價(jià)數(shù)量質(zhì)量 能量轉(zhuǎn)化的方向性 自然界的一切自發(fā)變化過程都是從不平衡態(tài)趨于平衡態(tài)，而不是相反。 當(dāng)能量不能轉(zhuǎn)化為其它形式的能量時(shí)，就失去了利用價(jià)值 高級(jí)能：可不受限制，完全轉(zhuǎn)化的能量。本質(zhì)：完全有序運(yùn)動(dòng)的能量 低級(jí)能：可部分轉(zhuǎn)化的能量 受環(huán)境所限，完全沒有轉(zhuǎn)換能力的能量 什么是（火用）（可用能、Exer

8、gy）？ 熱力學(xué)中將處于一定環(huán)境中的系統(tǒng)所能做的最大功稱為可用能，簡(jiǎn)稱（火用） （火無）（不可用能，Anergy）xnEEA 熱量（火用）與能級(jí) 恒溫?zé)嵩?有限熱容 能級(jí)（有效度）：能量中（火用）所占的比率 各種能源的能級(jí)max01WQT T0000011lnxpTTTEQmcTTTTTTxEE 冷量（火用） 有限熱容 恒溫冷源 冷量（火用）更珍貴，超低溫物體具有很大的做功能量110210TTQQTTEx2102101TTQTQTQEx 開口系統(tǒng)的（火用） 開口系統(tǒng)的能級(jí)000()()xEHHT S S0001xESTH HH H （火用）效率：在能量轉(zhuǎn)化過程中，被利用的（火用）與所支出的（火

9、用）之比。也叫有效能效率，或熱力學(xué)第二定律效率 （火用）損： 副產(chǎn)品和廢料帶走的（火用） 散熱 內(nèi)部不可逆損失ge xE xE x 幾個(gè)常用熱力設(shè)備的（火用）效率 熱力發(fā)動(dòng)機(jī) 壓氣機(jī) 間壁式換熱器 鍋爐 動(dòng)力循環(huán)12exWE xE x21exE xE xW excchhE xE xE xE x21exfExExEx01exmWQT T某汽輪機(jī)的進(jìn)汽參數(shù)為3.5MPa、435，背壓為0.0087MPa，排汽干度為93.5，求其（火用）效率。解：由水蒸氣的焓熵圖查得水蒸氣在進(jìn)口狀態(tài)時(shí)的比焓和比熵為(假定環(huán)境溫度為20 ）h1=3304kJ/kg.K; s1=6.96kJ/kg.K; h2=2424

10、kJ/kg.K; s2=7.707kJ/kg.K;h0=83.95kJ/kg.K; s0=0.2963kJ/kg.K;計(jì)算（火用）： ex1=(h1-h0)-T0 (s1-s0)=3220.1-1952.5=1267.9kJ/kg ex2=(h2-h0)-T0 (s2-s0)=2340.1-2171.3=168.8kJ/kg（火用）效率： 121212()()330424241267.9 168.80.80exw exexhhexex 總能系統(tǒng)的概念（20世紀(jì)7080年代） 所謂總能系統(tǒng)是指某系統(tǒng)所需的能量幾乎都由該系統(tǒng)中所設(shè)置的唯一的能源供給，按照能量品位的高低進(jìn)行梯級(jí)利用總的安排好功、熱(

11、冷)與物料熱力學(xué)能等各種能量之間的配合關(guān)系與轉(zhuǎn)換使用，以取得更有利的能源利用的總效果?？偰芟到y(tǒng)實(shí)例聯(lián)合循環(huán) 它是把以輸出功為目的的不同熱機(jī)循環(huán)按照梯級(jí)利用的概念聯(lián)合在一起 如：燃?xì)廨啓C(jī)蒸汽輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)，能達(dá)到約50%的熱效率要比單循環(huán)所達(dá)到的熱效串(40)高很多聯(lián)供系統(tǒng) 利用一個(gè)經(jīng)過完善組合的系統(tǒng)，使一種能源根據(jù)用戶的需要轉(zhuǎn)換成不同形式的能量。由于這樣的系統(tǒng)同時(shí)考慮到能量的形式及能量的品性，也考慮到不同季節(jié)對(duì)負(fù)荷需求的差別，所以可達(dá)到較高的能源利用本及機(jī)組利用率。 例如：熱電聯(lián)產(chǎn)，由汽輪一發(fā)電機(jī)組同時(shí)供給用電和用汽(或用熱)，減少冷凝器中的熱損失，使熱效率提高到80左右。此外，熱電冷聯(lián)產(chǎn)、煤氣

12、熱電三聯(lián)產(chǎn)等，均屬于這類聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供形式。DCACPPSOFCBH1TSGCFEF1F2H2C1C2P1P2442211335566A7891011113112 總能系統(tǒng)實(shí)例 余熱利用 工業(yè)企業(yè)有大量余熱資源，根據(jù)企業(yè)的具體狀況，考慮到按品位高低進(jìn)行組合的原則，因地制宜地合理利用，則將會(huì)顯著地提高能源利用率。 目前已用的系統(tǒng)有余熱發(fā)電、余熱供暖、余熱助燃等，將原來遺棄的熱量加以利用，節(jié)能效果當(dāng)然是不言而喻的。 先熱利用 很多熱用戶需要的溫度并不高，遠(yuǎn)低于燃料燃燒可以達(dá)到的溫度，而又缺乏與熱用戶需要的溫度相配的熱源。在這種情況下，可以按照溫度對(duì)口、梯級(jí)利用的原則，在為熱用戶供熱能時(shí)，合理地利用較高溫

13、度區(qū)域的熱能。由于高溫?zé)崮艿钠肺桓?，更宜用于作功，故在條件許可情況下，可采用高溫燃?xì)廨啓C(jī)等先熱利用方案。130014001500160017001800102030405060Efficiency of Energy System (%)Temperature at Inlet of Gas Turbine (K) Zero Emission System with LNG Zero Emission System without LNG Conventional Energy System 總能系統(tǒng)實(shí)例 能量工廠（能量大系統(tǒng)） 這是把總能系統(tǒng)的概念擴(kuò)大到包含若干個(gè)不同的生產(chǎn)領(lǐng)域，甚至還可以擴(kuò)

14、大到一個(gè)區(qū)域或一個(gè)城市，其目的是提高整個(gè)范圍內(nèi)的能源利用效率。 例如，坑口能源聯(lián)合體，使煤炭產(chǎn)地既產(chǎn)電，又產(chǎn)熱(冷)，還產(chǎn)各種化工原料，可稱之為多聯(lián)產(chǎn)。 在這樣的系統(tǒng)中，除按品位梯級(jí)利用外，還存在著如何很好地相互配合與利用的問題。總能系統(tǒng)提出的意義促使熱力循環(huán)研究思路發(fā)生質(zhì)變，人們不再囿于單一循環(huán)的優(yōu)劣，而更著重于把不同循環(huán)有機(jī)結(jié)合起來的各種高性能聯(lián)合循環(huán)，并且把能源利用提高到系統(tǒng)高度來認(rèn)識(shí)熱機(jī)的發(fā)展應(yīng)用，即在系統(tǒng)的高度上綜合考慮能量轉(zhuǎn)換過程中能的梯級(jí)利用，不同品位和形式的能的合理安排以及各系統(tǒng)構(gòu)成的優(yōu)化匹配，總體合理利用不同品位能，以獲得最好的整體效果。如以燃?xì)廨啓C(jī)為核心的總能系統(tǒng)，既能充分

15、發(fā)揮燃?xì)廨啓C(jī)的高溫加熱優(yōu)勢(shì)，又能避免簡(jiǎn)單循環(huán)排熱溫度高、排煙損失大的缺陷，顯示出極好的總體性能，因而受到電力、石化、冶金等部門的青睞，以聯(lián)合循環(huán)、功熱并供、三聯(lián)供、多聯(lián)產(chǎn)以及總能工廠等多種形式得到廣泛的推廣應(yīng)用?？偰芟到y(tǒng)的思想是建立在合理用能的基礎(chǔ)上的，但用能的合理不一定就等于有最好的經(jīng)濟(jì)效果，因?yàn)橐瑫r(shí)考慮到設(shè)備的投資、不同種類能量的價(jià)格不同等多種因素。所以，如何合理地對(duì)總能系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)是一個(gè)比較復(fù)雜的問題，日前尚無定論。 總能系統(tǒng)的評(píng)價(jià) 熱力學(xué)第一定律： 評(píng)價(jià)指標(biāo)：能量利用效率、總能利用系數(shù)、熱效率 缺點(diǎn)： 從量的角度衡量，適用范圍較窄，對(duì)應(yīng)用于含有不同品位能量的系統(tǒng)，則失去其價(jià)值 總能系

16、統(tǒng)的評(píng)價(jià) 熱力學(xué)第二定律： 評(píng)價(jià)指標(biāo)：（火用）效率、有效能效率 近年來，產(chǎn)生廣義（火用）效率，稱為經(jīng)濟(jì)（火用）效率：式中：W為做功；Q為供熱；R為供熱售價(jià)與供電售價(jià)之比；B為燃料消耗量；QL為燃料的低位熱值 缺點(diǎn)：沒有考慮不同燃料的價(jià)格不同 考慮燃料價(jià)格的影響，加入因子：?jiǎn)挝荒芰抗εc單位能源價(jià)格之比,ex eLWRQBQ,ex gLwFWRQBQZZ 動(dòng)力機(jī)械： 動(dòng)力機(jī)械是指將自然界能源直接轉(zhuǎn)換為機(jī)械能并推動(dòng)其他機(jī)械進(jìn)行工作的機(jī)械，所以又稱原動(dòng)機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)。 動(dòng)力機(jī)械是完成動(dòng)力的產(chǎn)生、傳遞和輸出的動(dòng)力系統(tǒng)中最主要設(shè)備。 分類： 工質(zhì)： 蒸汽動(dòng)力機(jī)（汽輪機(jī)、蒸汽機(jī)等） 燃?xì)鈩?dòng)力機(jī)（燃?xì)廨啓C(jī)、噴氣式

17、發(fā)動(dòng)機(jī)、柴油機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等） 水動(dòng)力機(jī)（水輪機(jī)） 加熱方式： 內(nèi)燃動(dòng)力機(jī) 外燃動(dòng)力機(jī) 水動(dòng)力機(jī)（無加熱） 熱能利用和動(dòng)力技術(shù)應(yīng)用的日益廣泛，對(duì)全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、科學(xué)校術(shù)的進(jìn)步和人民生活水平的提高起到了重大的作用。 但是能源的開采、輸送、轉(zhuǎn)換和利用都直接或間接地改變著地球上的物質(zhì)平衡、能量平衡和生態(tài)平衡。 從能源的開采到轉(zhuǎn)換成各種形式的能量利用的過程中，伴隨著光、熱、燃燒、化學(xué)反應(yīng)、聲、排放等多種物理與化學(xué)過程，對(duì)環(huán)境及生態(tài)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生各種不良影響，危及人類生活和生命及各種動(dòng)植物的生存，即形成所謂環(huán)境污染。 能源與環(huán)境問題已日益受到全球社會(huì)的重點(diǎn)關(guān)注，在能源利用中(熱能與動(dòng)力技術(shù)占主體)，應(yīng)以往主要考

18、慮能量的發(fā)生和使用(消資)轉(zhuǎn)變?yōu)橐阅芰康南M(fèi)結(jié)果和環(huán)境效益來審查或評(píng)定能源利用的設(shè)計(jì)或使用結(jié)果的合理性，為全球社會(huì)達(dá)到可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)而努力 環(huán)境污染 熱污染 空氣污染 CO2：溫室氣體 NOx： 破壞臭氧層 汽車排出的碳?xì)浠衔锖鸵谎趸谔柟獾淖饔孟掳l(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生由臭氧、氧化氮、甲醛、乙醛及其他氧化劑組成的光化學(xué)煙霧，大氣能見度降低，直接影響交通安全。煙霧的化學(xué)成分還刺激人眼和粘膜部位、會(huì)使人頭痛、嘔吐、發(fā)生呼吸障礙，使植物枯死，特別嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致人的死亡。 硫化物（SOx，H2S）：（煤）有毒，酸雨、酸霧 環(huán)境污染 噪音污染 放射性污染 核電站 燃煤電站排煙：滯留時(shí)間長(zhǎng)，燃煤電站80km內(nèi)的居民所受到的放射性劑量要比核電站高50以上。 其它污染 熱電廠的粉塵(包括炭黑和飛灰