第二章 能量轉化基礎課件

1、聯(lián)系電話：聯(lián)系電話：3600305（程）（程）Email: 辦公室：力學辦公室：力學1樓樓515 我國能源現(xiàn)狀 國民經(jīng)濟高速增長 2005年，一次性能源總產(chǎn)量20.6億噸標煤，消費總量22.5億噸標煤，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，尤其是我國的能源利用率要比先進國家低得多 開源： 開發(fā)和利用新能源 需要資金、技術和時間 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)能問題至關重要。說節(jié)能問題至關重要。 新技術、新方法 改進、研制新的能量傳遞和轉換裝置及系統(tǒng)，減少轉換的次數(shù)和傳送的距離，如改進熱力發(fā)動機的結構，設

2、計新的熱力循環(huán) 大力開發(fā)節(jié)能新技術，如高效率燃燒技術、熱管技術、熱泵技術等 開發(fā)和推廣能源利用的運行控制新技術，以實現(xiàn)能量利用的最經(jīng)濟運行，如空調裝置的變頻運行、供熱系統(tǒng)的用戶供熱獨立調節(jié)等。 開發(fā)、利用和提高大陽能、地熱能、海洋能等新能源利用技術。 科學用能 從能量的數(shù)量和質量兩方面分析、計算能量的需求和評價能源使用方案，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使用。 以總能系統(tǒng)的概念，對整個企業(yè)或地區(qū)用能系統(tǒng)進行全面規(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。 能量轉化及利用的基本規(guī)律 能源的有效利用問題及

3、其評價指標PVPV 熱力學第一定律 穩(wěn)定流動系統(tǒng)EQWQEW 進入系統(tǒng)的能量離開系統(tǒng)的能量系統(tǒng)中儲存能量的增加進入系統(tǒng)的能量離開系統(tǒng)的能量系統(tǒng)中儲存能量的增加HQWtHWQt 熱力學第二定律 克勞修斯描述：傳熱 開爾文描述：熱機 實質：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)：某一年或某一個時期，實現(xiàn)單位國民經(jīng)濟產(chǎn)值所平均消耗的能源數(shù)量，這是一個反映能源消耗量與國民經(jīng)濟產(chǎn)值相對關系的指標/rE ME：能源消耗量，：能源消耗量，kg（標煤）（標煤）M：同期國民經(jīng)濟生產(chǎn)總值，元：同期國民經(jīng)

4、濟生產(chǎn)總值，元2005年每萬元年每萬元GDP：1.22噸標煤，相當于噸標煤，相當于8.2￥/kg標煤，大約標煤，大約1$/kg標煤標煤目標：目標：2010年，年，0.98噸標煤噸標煤/萬元，相當于萬元，相當于10.2 ￥/kg標煤標煤 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 當當Ep指某種能的消耗量時，指某種能的消耗量時，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； 當當Ep指生產(chǎn)某種產(chǎn)品時，各種一次能源、指生產(chǎn)某種產(chǎn)品時，各種一次能源、二次能源的總消耗量時，則二次能源的總消耗量時，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兩部分，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)品時直接消耗生產(chǎn)該產(chǎn)品時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)出來時所消耗的能量料在被生產(chǎn)出來時所消耗的能量 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一臺設備、一個工序、一個車間、一個部門甚至全國

6、來計算。由于能量傳遞、轉換與利用的設備的多樣性及其應用范圍的不同，因而常用不同的術語來表達能源利用效率的含義。例如，電廠動力循環(huán)，熱效率制冷裝置的制冷循環(huán)，制冷系數(shù)能效標識是附在產(chǎn)品或產(chǎn)品最小包裝物上的一種信息標簽，用于表示用能能效標識是附在產(chǎn)品或產(chǎn)品最小包裝物上的一種信息標簽，用于表示用能產(chǎn)品的能源效率等級、能源消耗量等指標。共產(chǎn)品的能源效率等級、能源消耗量等指標。共5個等級：個等級：等級等級1表示產(chǎn)品達到國際先進水平，最節(jié)電，即耗能最低；表示產(chǎn)品達到國際先進水平，最節(jié)電，即耗能最低；等級等級2表示比較節(jié)電；表示比較節(jié)電；等級等級3表示產(chǎn)品的能源效率為我國市場的平均水平；表示產(chǎn)品的能源效率為

7、我國市場的平均水平；等級等級4表示產(chǎn)品能源效率低于市場平均水平；表示產(chǎn)品能源效率低于市場平均水平；等級等級5是市場準入指標，低于該等級要求的產(chǎn)品不允許生產(chǎn)和銷售。是市場準入指標，低于該等級要求的產(chǎn)品不允許生產(chǎn)和銷售。能效指數(shù)：實測耗電量能效指數(shù)：實測耗電量/耗電量限定值耗電量限定值100% 能量評價數(shù)量質量 能量轉化的方向性 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。 當能量不能轉化為其它形式的能量時，就失去了利用價值 高級能：可不受限制，完全轉化的能量。本質：完全有序運動的能量 低級能：可部分轉化的能量 受環(huán)境所限，完全沒有轉換能力的能量 什么是（火用）（可用能、Exer

8、gy）？ 熱力學中將處于一定環(huán)境中的系統(tǒng)所能做的最大功稱為可用能，簡稱（火用） （火無）（不可用能，Anergy）xnEEA 熱量（火用）與能級 恒溫熱源 有限熱容 能級（有效度）：能量中（火用）所占的比率 各種能源的能級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000()()xEHHT S S0001xESTH HH H （火用）效率：在能量轉化過程中，被利用的（火用）與所支出的（火

9、用）之比。也叫有效能效率，或熱力學第二定律效率 （火用）損： 副產(chǎn)品和廢料帶走的（火用） 散熱 內部不可逆損失ge xE xE x 幾個常用熱力設備的（火用）效率 熱力發(fā)動機 壓氣機 間壁式換熱器 鍋爐 動力循環(huán)12exWE xE x21exE xE xW excchhE xE xE xE x21exfExExEx01exmWQT T某汽輪機的進汽參數(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口狀態(tài)時的比焓和比熵為(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)中所設置的唯一的能源供給，按照能量品位的高低進行梯級利用總的安排好功、熱(

11、冷)與物料熱力學能等各種能量之間的配合關系與轉換使用，以取得更有利的能源利用的總效果?？偰芟到y(tǒng)實例聯(lián)合循環(huán) 它是把以輸出功為目的的不同熱機循環(huán)按照梯級利用的概念聯(lián)合在一起 如：燃氣輪機蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)，能達到約50%的熱效率要比單循環(huán)所達到的熱效串(40)高很多聯(lián)供系統(tǒng) 利用一個經(jīng)過完善組合的系統(tǒng)，使一種能源根據(jù)用戶的需要轉換成不同形式的能量。由于這樣的系統(tǒng)同時考慮到能量的形式及能量的品性，也考慮到不同季節(jié)對負荷需求的差別，所以可達到較高的能源利用本及機組利用率。 例如：熱電聯(lián)產(chǎn)，由汽輪一發(fā)電機組同時供給用電和用汽(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行組合的原則，因地制宜地合理利用，則將會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，遠低于燃料燃燒可以達到的溫度，而又缺乏與熱用戶需要的溫度相配的熱源。在這種情況下，可以按照溫度對口、梯級利用的原則，在為熱用戶供熱能時，合理地利用較高溫

13、度區(qū)域的熱能。由于高溫熱能的品位高，更宜用于作功，故在條件許可情況下，可采用高溫燃氣輪機等先熱利用方案。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)實例 能量工廠（能量大系統(tǒng)） 這是把總能系統(tǒng)的概念擴大到包含若干個不同的生產(chǎn)領域，甚至還可以擴

14、大到一個區(qū)域或一個城市，其目的是提高整個范圍內的能源利用效率。 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，除按品位梯級利用外，還存在著如何很好地相互配合與利用的問題?？偰芟到y(tǒng)提出的意義促使熱力循環(huán)研究思路發(fā)生質變，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)有機結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)高度來認識熱機的發(fā)展應用，即在系統(tǒng)的高度上綜合考慮能量轉換過程中能的梯級利用，不同品位和形式的能的合理安排以及各系統(tǒng)構成的優(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。如以燃氣輪機為核心的總能系統(tǒng)，既能充分

15、發(fā)揮燃氣輪機的高溫加熱優(yōu)勢，又能避免簡單循環(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用?？偰芟到y(tǒng)的思想是建立在合理用能的基礎上的，但用能的合理不一定就等于有最好的經(jīng)濟效果，因為要同時考慮到設備的投資、不同種類能量的價格不同等多種因素。所以，如何合理地對總能系統(tǒng)進行評價是一個比較復雜的問題，日前尚無定論。 總能系統(tǒng)的評價 熱力學第一定律： 評價指標：能量利用效率、總能利用系數(shù)、熱效率 缺點： 從量的角度衡量，適用范圍較窄，對應用于含有不同品位能量的系統(tǒng)，則失去其價值 總能系

16、統(tǒng)的評價 熱力學第二定律： 評價指標：（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（火用）效率：式中：W為做功；Q為供熱；R為供熱售價與供電售價之比；B為燃料消耗量；QL為燃料的低位熱值 缺點：沒有考慮不同燃料的價格不同 考慮燃料價格的影響，加入因子：單位能量功與單位能源價格之比,ex eLWRQBQ,ex gLwFWRQBQZZ 動力機械： 動力機械是指將自然界能源直接轉換為機械能并推動其他機械進行工作的機械，所以又稱原動機或發(fā)動機。 動力機械是完成動力的產(chǎn)生、傳遞和輸出的動力系統(tǒng)中最主要設備。 分類： 工質： 蒸汽動力機（汽輪機、蒸汽機等） 燃氣動力機（燃氣輪機、噴氣式

17、發(fā)動機、柴油機、內燃機等） 水動力機（水輪機） 加熱方式： 內燃動力機 外燃動力機 水動力機（無加熱） 熱能利用和動力技術應用的日益廣泛，對全球經(jīng)濟的發(fā)展、科學校術的進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、轉換和利用都直接或間接地改變著地球上的物質平衡、能量平衡和生態(tài)平衡。 從能源的開采到轉換成各種形式的能量利用的過程中，伴隨著光、熱、燃燒、化學反應、聲、排放等多種物理與化學過程，對環(huán)境及生態(tài)系統(tǒng)會產(chǎn)生各種不良影響，危及人類生活和生命及各種動植物的生存，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的重點關注，在能源利用中(熱能與動力技術占主體)，應以往主要考

18、慮能量的發(fā)生和使用(消資)轉變?yōu)橐阅芰康南M結果和環(huán)境效益來審查或評定能源利用的設計或使用結果的合理性，為全球社會達到可持續(xù)發(fā)展的目標而努力 環(huán)境污染 熱污染 空氣污染 CO2：溫室氣體 NOx： 破壞臭氧層 汽車排出的碳氫化合物和一氧化氮在太陽光的作用下發(fā)生化學反應，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煙霧，大氣能見度降低，直接影響交通安全。煙霧的化學成分還刺激人眼和粘膜部位、會使人頭痛、嘔吐、發(fā)生呼吸障礙，使植物枯死，特別嚴重時會導致人的死亡。 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：滯留時間長，燃煤電站80km內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