第二講熱能與動力工程概說

1-1能源概論1-2熱能利用與動力工程1-3熱能動力設(shè)備的評價指標(biāo)1-4熱能利用與環(huán)境保護(hù)第一章能源利用與動力工程概述11.1.1能源分類1.1.2一次能源簡介1.1.3人類需要的能源形式1.1.4我國能源建設(shè)的形勢1-1能源概論2能源能量是物質(zhì)運動的一種量度。任何物質(zhì)都離不開運動，相應(yīng)地有各種能量存在，能夠產(chǎn)生能量的資源稱為能源。1.1.1能源分類3

按能源的形成條件、可否再生、利用歷史狀況與技術(shù)水平以及對環(huán)境的污染程度將其分為以下幾種：1.一次能源與二次能源2.可再生能源與非再生能源3.常規(guī)能源與新能源4.清潔能源與非清潔能源1.1.1能源分類4一次能源：自然界中存在的天然能源?；剂稀⒑巳剂?、太陽能、水力、風(fēng)能、地?zé)?、海洋能、生物質(zhì)能等1.一次能源與二次能源5二次能源：由一次能源直接或間接加工轉(zhuǎn)換而成的人工能源。如電能、熱水、蒸汽、壓縮氣、石油制品、煤制品、酒精、氫氣、沼氣、合成燃料、激光等。1.一次能源與二次能源62.可再生能源與非再生能源

可重復(fù)再生的一次能源稱為可再生能源。如太陽能、水力、風(fēng)能、海洋能、生物質(zhì)能等。不能重復(fù)產(chǎn)生的自然能源稱為非再生能源。如化石燃料、核燃料、地?zé)帷?3.常規(guī)能源與新能源常規(guī)能源與新能源

常規(guī)能源是指技術(shù)上已經(jīng)成熟、已經(jīng)大量生產(chǎn)并廣泛利用的能源，如化石燃料、水力等。新能源是指技術(shù)上正在開發(fā)、尚未大量生產(chǎn)和廣泛利用的能源，如太陽能、風(fēng)能、海洋能、生物質(zhì)能等。84.清潔能源與非清潔能源在開發(fā)和利用中對環(huán)境無污染或者污染程度很輕的能源叫做清潔能源，否那么稱為非清潔能源。清潔能源主要有太陽能、風(fēng)能、海洋能等。氣體燃料中氫是一種清潔能源。9一次能源簡介1.化石燃料古代埋藏于地下的動植物在一定地質(zhì)條件下形成的，是不能再生的燃料資源?；剂现邪绰癫啬芰康亩嗌夙樞蛴忻?、石油、油頁巖、天然氣和油砂。10煤炭埋藏于地下的植物受高壓和地?zé)嶙饔?，?jīng)幾千年乃至幾千萬年的碳化過程，釋放出水分、二氧化碳、甲烷等氣體后，含氧量減少而形成的。世界已探明的可采儲量約為1012t(1萬億噸〕，儲采比約為220年，我國已探明的可采儲量占世界的11%，儲采比約80多年。一次能源簡介11石油水中堆積的有機物殘骸，在地下高壓作用下形成的碳?xì)浠衔?。石油在地球上的分布極度不平衡，世界剩余石油探明儲量的一半以上在中東，我國僅占2.4%。按地球上通行的能源預(yù)測，地球上的石油將在40年內(nèi)枯竭，而我國的石油僅可開采20年。一次能源簡介12一次能源簡介天然氣天然氣含甲烷為主，是蘊藏量最豐富、最清潔而便利的優(yōu)質(zhì)能源。中東、俄羅斯和歐洲儲量之和約占世界儲量的70%。天然氣大約開可以用60年。13一次能源簡介油頁巖和油砂油頁巖是水藻碳化后形成的，含灰份過多，一般不能自燃。油砂是含重油4-20%的沙子。油頁巖和油砂在美洲大陸較多。化石燃料目前仍然是世界一次能源的主要組成局部，其生產(chǎn)消費量都很大，因而對環(huán)境的影響也格外引人注意。142.核燃料核燃料是原子核反響所產(chǎn)生的能量。一種是重原子核的裂變釋放出的能量。一種是輕原子核的核聚變釋放的能量。20世紀(jì)80年代以來，中國核工業(yè)的工作重點轉(zhuǎn)向為經(jīng)濟建設(shè)和人民生活效勞，形成了以核電為龍頭，核電、核燃料、民用產(chǎn)品多種經(jīng)營為三大經(jīng)濟支柱的新型核工業(yè)基地。一次能源簡介153.太陽能太陽是一個熾熱的氣態(tài)氣球，其內(nèi)部連續(xù)進(jìn)行著氫聚合成氦的聚變反響，不斷地釋放出巨大的能量。太陽每秒鐘照到地球上能量相當(dāng)于5.82×106t煤。一次能源簡介164.水力水資源所具有的位能。水力本身是機械能，無需進(jìn)行轉(zhuǎn)換便可利用。過去水力用于提水、碾米、磨面，當(dāng)今的水力發(fā)電。水能實際上來自于太陽：地面水吸收太陽輻射熱蒸發(fā)而產(chǎn)生云，再在空中凝聚成雨，不斷地降水使水力資源得到補給。不管是水能資源的蘊藏量，還是可能開發(fā)的水能資源，中國在世界各國中均居第一位。一次能源簡介17181920212223242526272829305.風(fēng)能太陽輻射照到地球外表，地球外表各處受熱不同產(chǎn)生溫差，從而引起大氣的對流運動。風(fēng)能作為一種高效清潔的新能源，越來越受到重視。一次能源簡介316.地?zé)?/p>

地球上火山噴出的熔巖溫度高達(dá)1200℃～1300℃，天然溫泉的溫度大多在60℃以上，有的甚至高達(dá)100℃～140℃。這說明地球是一個龐大的熱庫，蘊藏著巨大的熱能。地?zé)崾莾Υ嬖诘厍騼?nèi)部的熱量，它起源于地球的熔融巖漿和放射性的物質(zhì)的衰變。地下水的深處循環(huán)和來自極深處的巖漿進(jìn)入到地殼后，把熱量從地下深處帶至近表層。在有些地方，熱能隨自然涌出的熱蒸汽和水而到達(dá)地面，自史前起它們就已被用于洗浴和蒸煮。對近地表層的地?zé)崮?，可通過鉆井將熱能從地下的儲層引入水池、房間、溫室和發(fā)電站。地?zé)崮艿膬α肯喈?dāng)大，每年從地球內(nèi)部傳道地面的熱能相當(dāng)于1011MW。一次能源簡介327.海洋能

依附在海水中的可再生能源。通常意義上的海洋能包括潮汐能、波浪能、海洋溫差能、海洋鹽差能和海流能等。技術(shù)上可利用的海洋能在6.4×106

MW

因月球引力的變化引起潮汐現(xiàn)象，潮汐導(dǎo)致海水平面周期性地升降，因海水漲落及潮水流動所產(chǎn)生的能量成為潮汐能。潮汐能的利用方式主要是發(fā)電。潮汐發(fā)電是利用海灣、河口等有利地形，建筑水堤，形成水庫，以便于大量蓄積海水，并在壩中或壩旁建造水利發(fā)電廠房，通過水輪發(fā)電機組進(jìn)行發(fā)電。一次能源簡介338.生物質(zhì)能

生物質(zhì)是由于光合作用熱產(chǎn)生的有機體。生物質(zhì)能是太陽能以化學(xué)能的形式儲存在生物中的一種能量形式，一種以生物質(zhì)為載體的能量，它直接或間接的來源于植物的光合作用。生物質(zhì)能可以轉(zhuǎn)換成常規(guī)的固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)燃料。每年通過光合作用儲存在植物的枝、莖、葉中的太陽能，相當(dāng)于全世界每年耗能量的10倍。一次能源簡介34現(xiàn)代社會人類需要的能源形式主要有電能、熱〔冷〕能、機械能等。1.熱能熱能是能量的一種根本形式。分子運動學(xué)認(rèn)為，熱能是物體大量分子等微粒雜亂運動的動能。人們從自然界中獲得能源的主要形式是熱能。熱能的取得方式主要有太陽能、地?zé)?、燃料燃燒放熱、核裂變或核聚變放熱，熱能還可由電能轉(zhuǎn)換而來，或由機械能通過摩擦而得到。熱能是一種品位較低的能量，其品位直接與溫度有關(guān)。熱能和功的轉(zhuǎn)變存在著方向和限度。人類需要的能源形式352.機械能物體宏觀運動所具有的能量稱為機械能。熱能是一種更為理想的能量形式，它能以100%的效率轉(zhuǎn)化為熱能，也能以非常高的效率轉(zhuǎn)化為電能。人本日常生活及生產(chǎn)中需要的動力都來自機械能。機械能除少局部是來自一次能源中的水利、風(fēng)能和海流、潮汐能和波浪能外，根本上都是通過某種類型的熱機〔如內(nèi)燃機、燃?xì)廨啓C、蒸汽機等〕從熱能轉(zhuǎn)換而得到，或通過電動機由電能轉(zhuǎn)換而來。人類需要的能源形式363.電能是電荷的流動或聚集而具有的作功能力。電能的生產(chǎn)有直接生產(chǎn)和間接能量轉(zhuǎn)換之分。直接生產(chǎn)電能的方式主要有：化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的各類電池或燃料電池發(fā)電，電磁能直接轉(zhuǎn)換為電能的太陽能電池等。間接能量轉(zhuǎn)換是目前電能生產(chǎn)的主要方式，它是通過交流發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)換為電能的。到目前為止，直接能量轉(zhuǎn)換生產(chǎn)的電能還不到整個電能生產(chǎn)的1%，而用于電能生產(chǎn)的機械能70%以上是通過某種類型的熱機從熱能轉(zhuǎn)換而得到。人類需要的能源形式37能源建設(shè)是一項非常重要的工作。黨的十七大報告指出到2021年人均國民生產(chǎn)總值比2000年翻兩番的目標(biāo)，必須有可靠的能源供給作根底。我國能源建設(shè)之形勢38我國能源建設(shè)之形勢搞好能源建設(shè)首先要抓好能源開展的戰(zhàn)略重點。我國能源資源的特點是以煤為主，抓好煤炭資源的勘探和煤礦的建設(shè)是我國能源開展最重要的戰(zhàn)略重點，必須持之以恒地高度重視煤炭問題。石油目前是最重要的能源資源，由于我國石油資源相對短缺，今后大規(guī)模增加石油產(chǎn)量比較困難，石油的需求量仍將高速增長，解決國內(nèi)石油供給缺乏問題也是我國能源開展的戰(zhàn)略重點。39我國能源建設(shè)之形勢天然氣是一種清潔和使用方便的能源，具有廣闊的應(yīng)用前景。加強天然氣勘探開發(fā)，大力開拓天然氣市場,提高天然氣在能源消費中的比重是能源開展的戰(zhàn)略重點。40我國能源建設(shè)之形勢我國西部地區(qū)的塔里木、柴達(dá)木、陜甘寧和四川盆地蘊藏著26萬億立方米的天然氣資源，約占全國陸上天然氣資源的87%。特別是新疆塔里木盆地，天然氣資源量有8萬多億立方米，占全國天然氣資源總量的22%。塔里木北部的庫車地區(qū)的天然氣資源量有2萬多億立方米，是塔里木盆地中天然氣資源最富集的地區(qū)，具有形成世界級大氣區(qū)的開發(fā)潛力。塔里木盆地天然氣的發(fā)現(xiàn)，使我國成為繼俄羅斯、卡塔爾、沙特阿拉伯等國之后的天然氣大國。2000年2月國務(wù)院第一次會議批準(zhǔn)啟動“西氣東輸〞工程，這是僅次于長江三峽工程的又一重大投資工程，是拉開西部大開發(fā)序幕的標(biāo)志性建設(shè)工程。41“西氣東輸〞管道工程，采取干支結(jié)合、配套建設(shè)方式進(jìn)行，管道輸氣規(guī)模設(shè)計為每年120億立方米。工程第一期投資預(yù)測為1200億元，上游氣田開發(fā)、主干管道鋪設(shè)和城市管網(wǎng)總投資超過3000億元。工程在2000-2001年內(nèi)先后開工，將于2007年全部建成。東西橫貫甘肅、寧夏、陜西、山西、河南、安徽、江蘇等7個省區(qū)，全長4200千米。4243西氣東輸二線干線管道設(shè)計輸氣規(guī)模300億立方米／年，方案2021年全線開工，2021年建成通氣。據(jù)中國石油規(guī)劃方案部有關(guān)負(fù)責(zé)人介紹，西氣東輸二線管道西起新疆的霍爾果斯，經(jīng)西安、南昌，南下廣州，東至上海，途經(jīng)新疆、甘肅、寧夏、陜西、河南、安徽、湖北、湖南、江西、廣西、廣東、浙江和上海13個省、自治區(qū)、直轄市。干線全長4859千米，加上假設(shè)干條支線，管道總長度超過7000千米。西氣東輸二線管道主供氣源為引進(jìn)土庫曼斯坦、哈薩克斯坦等中亞國家的天然氣，國內(nèi)氣源作為備用和補充氣源。44實施西氣東輸工程，有利于促進(jìn)我國能源結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，帶動?xùn)|、西部地區(qū)經(jīng)濟共同開展，改善長江三角洲及管道沿線地區(qū)人民生活質(zhì)量，有效治理大氣污染。這一工程的實施，為西部大開發(fā)、將西部地區(qū)的資源優(yōu)勢變?yōu)榻?jīng)濟優(yōu)勢創(chuàng)造了條件，對推動和加快新疆及西部地區(qū)的經(jīng)濟開展具有重大的戰(zhàn)略意義。45我國能源建設(shè)之形勢電力是由一次能源轉(zhuǎn)換而來的二次能源，也是使用最方便和應(yīng)用范圍最廣的能源形式，特別是隨著經(jīng)濟的開展，電力需求的增長比一次能源的增長會大得多，將來作為能源的煤炭將主要通過轉(zhuǎn)換為電力而使用，做好電力建設(shè)是能源建設(shè)的重中之重。46我國能源建設(shè)之形勢其次高度重視新能源和可再生能源的開發(fā)和利用。

中國新能源和可再生能源資源非常豐富。我國陸上風(fēng)能儲量約為2.53×105

MW，淺海海域風(fēng)能儲量約為7.5×105

MW。太陽能是一種取之不盡用之不竭的清潔能源，全國面積三分之二以上地區(qū)年日照時數(shù)大于2000小時，具有太陽能利用的極好條件。生物質(zhì)能是儲存在生物質(zhì)中的能量，主要是農(nóng)作物的秸稈和薪柴，目前我國農(nóng)村地區(qū)50%以上的生活能源是由秸稈和薪柴等生物質(zhì)能提供的，每年約折合標(biāo)準(zhǔn)煤2.5億噸。471.2.1熱能轉(zhuǎn)變成機械能的途徑1.熱能動力裝置燃燒設(shè)備、熱能動力機以及它們的輔助設(shè)備。熱動力裝置主要有兩大類：一種是以燃燒產(chǎn)生的燃?xì)庵苯舆M(jìn)入發(fā)動機進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，如內(nèi)燃機和燃?xì)廨啓C等；另一種那么首先將燃料燃燒產(chǎn)生的熱能傳遞給某種液體使其汽化，然后將蒸汽導(dǎo)入發(fā)動機進(jìn)行熱功轉(zhuǎn)換，如蒸汽機和汽輪機等。1-2熱能利用與動力工程481.2.1熱能轉(zhuǎn)變成機械能的途徑

2.工質(zhì)

實現(xiàn)熱能和機械能相互轉(zhuǎn)化的媒介物質(zhì)稱為工質(zhì)。工質(zhì)是完成熱功轉(zhuǎn)換所必需的載體。內(nèi)燃機及燃?xì)廨啓C裝置中的工質(zhì)為空氣和燃?xì)猓徽羝麢C和汽輪機裝置中的工質(zhì)為水蒸汽。491.2.2熱能動力設(shè)備的分類1.按能量轉(zhuǎn)換方向分類(1)原動機——將燃料的化學(xué)能、原子能和生物質(zhì)能等所產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)換為機械能的動力設(shè)備。蒸汽機、蒸汽輪機、燃?xì)廨啓C、汽油機、柴油機等。50(2)工作機——通過消耗機械能而使流體獲得能量或使系統(tǒng)形成真空的動力設(shè)備。離心泵、真空泵、柱塞泵、螺桿泵、風(fēng)機、壓縮機等1.2.2熱能動力設(shè)備的分類512.按機械運動方式分類(1)回轉(zhuǎn)式——轉(zhuǎn)子(葉輪)在缸內(nèi)作回轉(zhuǎn)運動以實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。蒸汽輪機、燃機輪機、離心泵、真空泵、螺桿泵、風(fēng)機等。(2)往復(fù)式——活塞在氣缸內(nèi)作往復(fù)運動 而實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。蒸汽機、汽油機、柴油機、柱塞泵、往復(fù)壓縮機等。1.2.2熱能動力設(shè)備的分類523.按工質(zhì)流動方式分類對葉輪機械，按流體在機器中的主要運動方向可分為：(1)軸流式——流體的主要運動方向與旋轉(zhuǎn)軸平行。 蒸汽輪機、燃機輪機、軸流式壓氣機等。(2)徑流式——流體的主要運動方向為沿著旋轉(zhuǎn)軸的直徑方向。如離心泵、離心式壓縮機、向心透平等。(3)混流式——流體的主要運動方向與旋轉(zhuǎn)軸成某一銳角。如混流式壓縮機、混流式透平等。1.2.2熱能動力設(shè)備的分類531.2.2熱能動力設(shè)備的分類4.按用途分發(fā)動機、泵、風(fēng)機、壓縮機等541-3熱能動力設(shè)備的評價指標(biāo)1.3.1熱經(jīng)濟性循環(huán)的熱經(jīng)濟指標(biāo)熱經(jīng)濟性是評價熱能動力設(shè)備性能優(yōu)劣的一個重要指標(biāo)。熱經(jīng)濟性可用下式表示：551.3.1熱經(jīng)濟性循環(huán)的熱經(jīng)濟指標(biāo)(1)熱動力循環(huán)最常用的表示熱動力循環(huán)(正向循環(huán))熱經(jīng)濟性的指標(biāo)為熱效率ηt

。熱效率ηt

等于循環(huán)功與吸熱量的比值。即

561.3.1熱經(jīng)濟性循環(huán)的熱經(jīng)濟指標(biāo)(2)制冷循環(huán)制冷循環(huán)的熱經(jīng)濟性以制冷系數(shù)ε表示。制冷循環(huán)所付出的代價為循環(huán)耗功w0

，得到的收獲為從低溫?zé)嵩磶ё叩臒崃縬2

。因此：571.3.1熱經(jīng)濟性循環(huán)的熱經(jīng)濟指標(biāo)(3)熱泵循環(huán)熱泵循環(huán)的熱經(jīng)濟性以供熱系數(shù)ε表示。熱泵循環(huán)所花費的代價仍為循環(huán)耗功w0

，但得到的收獲為向高溫?zé)嵩捶懦龅臒崃縬1。因此：

581.3.2功率功率是作功快慢程度的量度，通常用單位時間內(nèi)所作的功或消耗的功來表示。單位有瓦特(W)，千瓦(kW)，馬力等。

591.3.2功率額定功率——原動機長期連續(xù)運行中所能保持的最大功率。額定功率也稱銘牌功率，有時也稱為容量。目前汽輪機的單機容量可達(dá)1300MW，燃?xì)廨啓C的最大容量達(dá)226MW，最大內(nèi)燃機功率為40MW.經(jīng)濟功率——設(shè)計機器時作為熱力計算依據(jù)的功率。發(fā)電廠用大功率機組運行時承擔(dān)根本負(fù)荷，經(jīng)濟功率通常取為額定功率。601.3.3體積重量體積和重量也是熱能動力設(shè)備的一項重要評價指標(biāo)。設(shè)備的體積和重量不僅直接影響設(shè)備的使用場合，還直接影響材料的消耗量和制造工作量。對同一類設(shè)備，容量越大，單位功率重量越小，機組的制造本錢也就越低。一般情況下，機組容量每增大一倍，可使單位造價相對降低約12%~15%。611-4熱能利用與環(huán)境保護(hù)我國一次能源的生產(chǎn)和消費總量中，化石燃料約占94%?；剂系拈_采和燃燒是破壞生態(tài)平衡和污染環(huán)境的主要根源。對環(huán)境生態(tài)的破壞主要表現(xiàn)在水土流失、植被破壞、產(chǎn)生泥石流及大量煤矸石及煤渣等，環(huán)境污染那么主要是能源利用引起的熱污染、水污染、大氣污染、噪聲污染、以及放射性污染等。621-4熱能利用與環(huán)境保護(hù)1.4.1熱能動力設(shè)備對環(huán)境的影響1.

熱污染及水污染2.大氣污染3.噪聲污染4.熱能利用中的其他污染631.4.1熱能動力設(shè)備對環(huán)境的影響1.熱污染及水污染由于人類的活動引起環(huán)境的增溫，以致危害人體的健康和生物的生存，這種危害稱之為熱污染。任何熱動力裝置在進(jìn)行熱功轉(zhuǎn)換時，都不可防止地伴隨著各種能量損失，而這些損失最終都是以廢熱的形式向環(huán)境排放，引起環(huán)境增溫。各種工作機(泵、風(fēng)機、壓縮機、空調(diào)、電冰箱等等)在運行中也或多或少地向環(huán)境排放著熱量。641.4.1熱能動力設(shè)備對環(huán)境的影響2.大氣污染人類生產(chǎn)和生活活動向環(huán)境排放的廢氣、廢料，以及廢物在大氣中燃燒等對大氣所造成的污染成為大氣污染。污染大氣的主要物質(zhì)有CO2、NOx、SO2、CO、碳?xì)浠衔铩⑹蛽]發(fā)物、煙塵、鉛、金屬氧化物等。

651.4.1熱能動力設(shè)備對環(huán)境的影響3.噪聲污染各種動力設(shè)備運行時，都會產(chǎn)生較嚴(yán)重的噪音，許多大型動力機械周圍的噪聲可達(dá)90dB以上。動力設(shè)備噪音的主要來源為：機械振動、工質(zhì)的高速流動、燃料或其他介質(zhì)的噴射霧化、各種壓力涉及磨擦聲、煤的破碎等等。噪聲對人的心理、生理、聽力、工作和睡眠都會造成不利影響。長期在90dB以上的環(huán)境中工作，人的心情會非常煩躁，并以促成或誘發(fā)多種疾病。661.4.1熱能動力設(shè)備對環(huán)境的影響4.熱能利用中的其他污染核燃料有強烈的放射性，如果管理和使用不當(dāng)，那么會對環(huán)境造成嚴(yán)重的放射性污染。動力設(shè)備的排煙，火電廠中的灰渣粉塵，油、汽、水輸送過程中的跑冒滴漏等都在