第二章能量的轉換與利用

第二章能量的轉換與利用第一節(jié)能量轉換的基本原理第二節(jié)化學能轉換為熱能第三節(jié)熱能轉換為機械能或電能第四節(jié)能量的傳輸?shù)谖骞?jié)能量的儲存第一節(jié)能量轉換的基本原理概述從熱力學的角度看，能量是物質運動的度量，運動是物質的存在的方式，因此一切物質都有能量。能量守恒與轉換定律能量守恒和轉換定律指出：“自然界的一切物質都具有能量；能量既不能創(chuàng)造，也不能消滅，而只能從一種形式轉換成另一種形式，從一個物體傳遞到另一個物體；在能量轉換與傳遞過程中，能量的總量恒定不變?！?/p>

能量相互轉換熱力學第一定律：能量守恒系統(tǒng)的內能=系統(tǒng)吸收的熱量+對系統(tǒng)做功JamesPrescottJoule(1818—1889)任何處于平衡態(tài)的熱力學系統(tǒng)都有一個狀態(tài)參數(shù)U（內能）。系統(tǒng)從一個平衡態(tài)變化到另一個平衡態(tài)時，內能等于系統(tǒng)吸收的熱量和系統(tǒng)對外做功之和。熱力學第一定律能量貶值原理能量不僅有量的多少，還有質的高低。熱力學第一定律只說明了能量在量上要守恒，并沒有說明能量在“質”方面的高低。自然界進行的能量轉換過程是有方向性的。不需要外界幫助就能自動進行的過程稱為自發(fā)過程，反之為非自發(fā)過程。自發(fā)過程都有一定的方向。水總是從高處向低處流動氣體總是從高壓向低壓膨脹熱量總是從高溫物體向低溫物體傳遞熱量傳遞有方向性熱力學第二定律的克勞修斯說法不可能把熱量從低溫物體傳到高溫物體而不引起其他變化。ColdHot熱力學第二定律的克勞修斯說法為了將熱量從冷態(tài)輸送到熱態(tài)，您需要一個裝置，例如熱泵或冰箱，持續(xù)做功。熱力學第二定律的

開爾文–

普朗克說法不可能從單一熱源吸取熱量使之完全轉變成功而不產(chǎn)生其他影響。熱力學第二定律的實質就是能量貶值原理。熱力學第二定律深刻地指明了能量轉換過程的方向、條件及限度。能量轉換的效率根據(jù)能量貶值原理，不是每一種能量都可以連續(xù)地、完全地轉換為任何一種其他形式的能量。各種不同形式的能量，按其轉換能力可分為三大類：（1）無限轉換能（全部轉換能），如電能、機械能、水能、風能、燃料儲存的化學能等；（2）有限轉換能（部分轉換能），如熱能、流動體系的總能；（3）非轉換能（廢能）。在能量利用中熱效率和經(jīng)濟性是非常重要的兩個指標。由于存在著耗散作用、不可逆過程以及可用能損失，在能量轉換和傳遞過程中，各種熱力循環(huán)、熱力設備和能量利用裝置的效率都不可能達到100%。

一些常用能量轉換裝置的能量轉換效率火電站的能量轉換效率是多少？MechanicalenergyInturbineChemicalenergyIncoalThermalenergyinsteamelectricitycombustion88%Steamturbine88%46%98%總效率:88%×46%×98%=40%第二節(jié)化學能轉換為熱能概述燃料燃燒是化學能轉換為熱能的最主要方式。能在空氣中燃燒的物質稱為可燃物，但不能把所有的可燃物都稱為燃料（如米和砂糖之類的食品）。所謂燃料，就是能在空氣中容易燃燒并釋放出大量熱能的氣體、液體或固體物質，是能在經(jīng)濟上值得利用其發(fā)熱量的物質的總稱。燃料通常按形態(tài)分為固體燃料、液體燃料和氣體燃料。天然的固體燃料有煤炭和木材；人工的固體燃料有焦炭、型煤、木炭等。其中煤炭應用最為普遍，是我國最基本的能源。天然的液體燃料有石油（原油）；人工的液體燃料有汽油、煤油、柴油、重油等。天然的氣體燃料有天然氣，人工的氣體燃料則有焦爐煤氣、高爐煤氣、水煤氣和液化石油氣等。固體燃料液體燃料氣體燃料燃料燃燒必須具備的條件必須有可能燃燒的可燃物（燃料）；必須有使可燃物著火的能量（或稱熱源），即使可燃物的溫度達到著火溫度以上；必須供給足夠的氧氣或空氣（因為空氣中也含有助燃的氧氣）。

通過燃料燃燒將化學能轉換為熱能的裝置稱為燃燒設備鍋爐不同燃料的燃燒特點煤的燃燒油的燃燒氣體燃料的燃燒煤的燃燒煤的燃燒基本上有兩種：第一種是煤粉懸浮在空間燃燒，稱為室燃或粉狀燃燒；第二種就是煤塊在爐排上燃燒，稱為層燃或層狀燃燒。煤的燃燒技術目前煤的燃燒方式主要是煤粉燃燒和流化床燃燒。我國大型鍋爐和工業(yè)窯爐大多采用煤粉燃燒。為了提高煤炭燃燒的效率和減少污染，發(fā)展了許多先進的燃燒技術，如煤粉燃燒穩(wěn)定技術，包括各種新型的燃燒器，煤粉低氮氧化物燃燒技術，高濃度煤粉燃燒技術，流化床燃燒技術等。油的燃燒油的燃燒方法有內燃和外燃兩種方式。所謂內燃，是在發(fā)動機氣缸內部極為有限的空間進行高壓燃燒，是一種瞬間的燃燒過程。所謂外燃，就是不在機器內部燃燒，而在燃燒室內燃燒，并直接利用燃燒發(fā)出的熱量，如鍋爐、窯爐內進行的燃燒。油燃燒的全過程包含著傳熱過程、物質擴散過程和化學反應過程。油的燃燒技術油是最常用的液體燃料。油的燃燒實際上包含了油加熱蒸發(fā)、油蒸氣和助燃空氣的混合以及著火燃燒三個過程。為了實現(xiàn)油的高效低污染燃燒，應從以下來兩方面著手：（1）提高燃油的霧化質量；（2）實現(xiàn)良好的配風。氣體燃料的燃燒氣體燃料的燃燒可以分為容器內燃燒和燃燒器燃燒，它們和油的兩種燃燒方式相近。氣體燃料的燃燒過程包括三個階段，即混合、著火和正常燃燒。氣體燃料的燃燒技術

氣體燃料燃燒的效率主要取決于氣體燃料燃燒器。對氣體燃燒器的基本要求是：不完全燃燒損失小，燃燒效率高；燃燒速率高，燃燒強烈，燃燒熱負荷高；著火容易，火焰穩(wěn)定性好，既不回火，又不脫火；燃燒產(chǎn)物有害物質少，對大氣污染??；操作方便，調節(jié)靈活，壽命長，能充分利用爐膛空間。常用的氣體燃燒器有擴散式燃燒器；另一種是預混式燃燒器；此外還有一種部分預混式燃燒器，第三節(jié)熱能轉換為機械能或電能概述將熱能轉換為機械能是目前獲得機械能的最主要的方式。熱能轉換成機械能的裝置稱為熱機。因為熱機能為各種機械提供動力，故通常又將其稱為動力機械。應用最廣泛的熱機有內燃機、蒸汽輪機、燃氣輪機等。蒸汽輪機蒸汽輪機，簡稱汽輪機，是將蒸汽的熱能轉換為機械功的熱機。汽輪機單機功率大、效率高、運行平穩(wěn)，在現(xiàn)代火力發(fā)電廠和核電站中都用它驅動發(fā)電機。汽輪發(fā)電機組所發(fā)的電量占總發(fā)電量的80%以上。此外汽輪機還用來驅動大型鼓風機、水泵和氣體壓縮機，也用作艦船的動力。

汽輪機發(fā)電過程汽輪機示意圖汽輪機如何工作A228MWaxialflowturbineAxialflowofsteamChangeofradialmomentumdrivesrotorroundMiniaturelab.turbineRotormotionGasflowthroughtheturbineThediameterofthecompressorstagesgetsprogressivelysmallerasthegaspressurerises.Conversely,theturbinestagesgetprogressivelybiggerasthehotgasexpands,transferringmomentumtotheturbinebladesandpushingthemround.燃氣輪機燃汽輪機和蒸汽輪機最大的不同是，它不是以水蒸氣作工質而是以氣體作工質。燃料燃燒時所產(chǎn)生的高溫氣體直接推動燃汽輪機的葉輪對外做功，因此以燃汽輪機作為熱機的火力發(fā)電廠不需要鍋爐。它包括三個主要部件：壓氣機、燃燒室和燃氣輪機。壓縮機燃燒室透平輻流式燃氣輪機定子盤和轉子盤軸流式燃氣輪機小型燃氣輪機CompressorandDiffuserCompressorandDiffuserTurbineWheels燃氣輪機具有以下優(yōu)點：

(1)質量輕、體積小、投資省。

(2)啟動快、操作方便。

(3)水、電、潤滑油消耗少，只需少量的冷卻水或不用水，因此可以在缺水的地區(qū)運行；輔助設備用電少，潤滑油消耗少，通常只占燃料費的1%左右，而汽輪機要占6%左右。內燃機內燃機包括汽油機和柴油機，是應用最廣泛的熱機。大多數(shù)內燃機是往復式，有氣缸和活塞。內燃機有很多分類方法，但常用的是根據(jù)點火順序分類或根據(jù)氣缸排列方式分類。按點火或著火順序可將內燃機分成四沖程發(fā)動機和二沖程發(fā)動機。應用廣泛四沖程發(fā)動機完成一個循環(huán)要求有四個完全的活塞沖程：

(1)進氣沖程；

(2)壓縮沖程；

(3)膨脹沖程（即下行沖程）；

(4)排氣沖程。四沖程發(fā)動機二沖程發(fā)動機是將四沖程發(fā)動機完成一個工作循環(huán)所需要的四個沖程納入兩個沖程中完成。

二沖程發(fā)動機二沖程發(fā)動機

二沖程發(fā)動機四沖程發(fā)動機和二沖程發(fā)動機相比，經(jīng)濟性好，滑潤條件好，易于冷卻；但二沖程發(fā)動機運動部件少，質量輕，發(fā)動機運動較平穩(wěn)。火力發(fā)電廠發(fā)電機

(1)將蒸汽輪機或燃氣輪機的機械能轉換成電能是通過同步發(fā)電機。

(2)同步發(fā)電機由定子（鐵心和繞組）、轉子（鋼心和繞組）、機座等組成。

火力發(fā)電廠的熱力系統(tǒng)火力發(fā)電廠有兩種類型：只承擔電能生產(chǎn)任務的凝汽式電廠和既能生產(chǎn)電能又提供熱能的熱電廠。從能源利用的角度講，熱電聯(lián)產(chǎn)是公認的節(jié)能手段。火電站火電站熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)熱電分產(chǎn)系統(tǒng)第四節(jié)能量的傳輸概述能量的傳輸實質上是能量在空間的轉移過程。廣義上的能量傳輸通常有兩種含義：一種含義是指能量本身的傳遞，即能量從某一處傳至另一處。另一種含義是指能源的輸運，即含能體如煤、石油、天然氣等從生產(chǎn)地向用能處輸送。能源輸送是能源利用中的一個重要環(huán)節(jié)。能源輸送方式很多，通常有鐵路、水路、公路、管道、輸電線路等多種方式。不同的輸送方式有不同的特點和適用范圍。受資源分布、能源消費多寡、交通運輸格局等諸多因素的影響，能源輸送工作是一項十分復雜的系統(tǒng)工程。電能的輸送電能的特點是發(fā)電、傳輸、用電都是同時發(fā)生。采用大機組發(fā)電，建設大電網(wǎng)，提高輸電電壓成為電力工業(yè)發(fā)展的趨勢。1.

電力產(chǎn)生；2.

通過升壓變電站電壓升高；3.

電能傳送；4.

通過降壓變電所降低電壓；5.分配電力；6.到達需要電力的地點電能的輸送電能的輸送升壓和降壓變壓器我國電能輸送存在的問題電壓等級偏低，電壓層次過多，造成重復容量多，線路長、線損高，事故多，調度不靈。輸電方式單一，缺乏超高壓直流輸電。電網(wǎng)容量小，聯(lián)網(wǎng)發(fā)展緩慢，影響了電網(wǎng)整體效益的發(fā)揮。變配電設備陳舊老化，難以適應電力輸送發(fā)展的需要。煤炭的鐵路運輸我國煤炭輸送主要是以山西、陜西和內蒙西部（所謂“三西”）為中心向全國缺煤省市輸送。

煤炭的水路運輸海運是北煤南運的主通道，華北煤炭供應華東和華南地區(qū)，海運約占55%，鐵路直達運輸約占43%。除了海運外，長江和大運河北段也是煤炭的主要水運通道。煤炭的公路運輸公路主要承擔短距離的煤炭運輸，特別是鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦生產(chǎn)規(guī)模小，布點分散，大量煤炭靠汽車集運到鐵路車站。由于鐵路運力不足，公路運輸作為輔助運輸手段，對煤炭的運輸也起到了重要作用。石油和天然氣的運輸我國原油產(chǎn)地主要在長江以北，其中大慶、勝利和遼河油田的原油產(chǎn)量約占全國的60%，而對煉油能力而言，遼寧、吉林、黑龍江約占30%，京、津、冀占11%，山東占8%，蘇、浙、滬占19%，長江中游11%，廣東9%，西北11%，西南地區(qū)則沒有大、中型煉油廠，成品油基本上以煉油廠為中心就地供應，但也有相當數(shù)量的長距離跨省區(qū)輸送。我國原油的輸送主要是通過管道、水運和鐵路，其中管道是主力。天然氣則幾乎全部采用管道送輸。石油輸送原油輸送以管道輸送為主，通常陸上油田向煉油廠輸送原油的方式有三種：通過管道直接輸送到煉油廠；原油經(jīng)管道輸送再轉海運或江運至煉油廠；原油管道運輸轉鐵路送至煉油廠。石油輸送天然氣的輸送天然氣主要是靠管道輸送，目前我國天然氣管道總長達11629km。主要的天然氣管網(wǎng)有川渝天然氣管網(wǎng)、陜甘寧輸氣管道、青海輸氣管道、新疆輸氣管道等。最大的天然氣輸送工程是“西氣東輸”工程，它是我國西部大開發(fā)的重要組成部分之一，其目的是把西部地區(qū)豐富的天然氣資源通過長距離的輸氣管道送至東部長江三角洲地區(qū)。天然氣的輸送

第五節(jié)能量的儲存能量的儲存機械能——以動能、勢能形式儲存。熱能——以潛熱、顯熱形式儲存。電能——感應場能或靜電場能。化學能、核能——自身即為儲能形式。機械能的儲存以動能形式儲存飛輪以勢能形式儲存（1）彈簧、扭力桿