節(jié)能原理與技術(shù)-第3章教材課件

1、第3章 能量平衡3.1 概述熱平衡的基礎(chǔ)：熱力學(xué)第一定律。即： 輸入能量=有效利用能量+損失能量能量的數(shù)量平衡式為：3.1.2 平衡3.1.1 能量平衡 能量平衡首先研究是熱平衡。能效率 ：就是收益能與代價(jià)能之比，即：系統(tǒng)的平衡方程為： 第3章 能量平衡3.1 概述熱平衡的基礎(chǔ)：熱力學(xué)第一定律。效率：收益與代價(jià)之比。 平衡兩種方法：（1）以熱力學(xué)第一定律為基礎(chǔ)的能量數(shù)量平衡法；（2）以熱力學(xué)第二定律為基礎(chǔ)的能量質(zhì)量平衡法 。E1、E2：工質(zhì)帶入和帶出的 ，W為系統(tǒng)對(duì)外做功，WQ表示系統(tǒng)向環(huán)境的散熱，它退化為，是由各項(xiàng)不可逆過程造成的損失。3.2 熱平衡3.2.1 基本概念1、分類： 1）設(shè)備熱

2、平衡：是以一臺(tái)設(shè)備或裝置為對(duì)象的熱平衡。 2）企業(yè)熱平衡：是以車間、企業(yè)為對(duì)象的熱平衡。第3章 能量平衡效率：收益與代價(jià)之比。 平衡兩種方法：（1）以熱力學(xué)第3章 能量平衡2、燃料的發(fā)熱量及熱值：燃料的發(fā)熱量：燃料在完全燃燒的條件下發(fā)出的熱量。燃料的熱值：單位燃料的發(fā)熱量。 熱值法定單位為：kJ/kg，或“公斤標(biāo)準(zhǔn)煤”。轉(zhuǎn)換關(guān)系為：1kg標(biāo)準(zhǔn)煤=29270kJ/kg。 高熱值：單位燃料完全燃燒且燃燒產(chǎn)物中的水蒸氣凝結(jié)為水時(shí)放出的熱量。低熱值：不計(jì)入燃燒產(chǎn)物中水蒸氣凝結(jié)放熱。3、等價(jià)熱量和當(dāng)量熱量：1）等價(jià)熱量：在進(jìn)行能量平衡計(jì)算中，一次能源直接用熱值帶入，二次能源及耗能工質(zhì)都必須折合為它們所消

3、耗的一次能源計(jì)算，其折算系數(shù)就稱之為等價(jià)熱值。第3章 能量平衡2、燃料的發(fā)熱量及熱值：3、等價(jià)熱量和當(dāng)量熱第3章 能量平衡計(jì)算公式為：例如：如果焦炭的轉(zhuǎn)換效率為0.85，而焦炭的熱值是28890kJ/kg，則焦炭的等價(jià)熱值為：即：1kJ焦炭的熱值相當(dāng)于10.850.987=1.161Kg標(biāo)準(zhǔn)煤發(fā)出的熱量。名稱低位發(fā)熱量(kJ/Kg)折合標(biāo)煤(Kg)名稱低位發(fā)熱量(kJ/Kg)折合標(biāo)煤(Kg)標(biāo)準(zhǔn)煤292701.000煤油430701.471原油209100.714柴油387301.333焦炭288900.987天然氣397701.359汽油430701.471液化氣501801.714第3章

4、能量平衡計(jì)算公式為：例如：如果焦炭的轉(zhuǎn)換效率為0.8第3章 能量平衡2）當(dāng)量熱量：用能過程中所使用的二次能源在工藝過程中實(shí)際完全轉(zhuǎn)換成的能量。例如：1kW.h的電完全轉(zhuǎn)換為熱時(shí)產(chǎn)生110003600=3600000(J)=3600(kJ) 。熱平衡計(jì)算時(shí)等價(jià)熱量：計(jì)算系統(tǒng)二次能源輸入熱量時(shí)。當(dāng)量熱量：計(jì)算實(shí)際放出的熱量時(shí)。3.2.2 熱平衡技術(shù)指標(biāo)熱平衡技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行熱平衡計(jì)算的尺度 1、用能系統(tǒng)熱量的分類：有效利用熱：加入系統(tǒng)的被利用的那部分能量。損失熱：加入系統(tǒng)的未被利用的那部分能量。第3章 能量平衡2）當(dāng)量熱量：用能過程中所使用的二次能源在工第3章 能量平衡回收熱(余熱)：損失熱中可回收利

5、用那部分能量。2、熱平衡技術(shù)指標(biāo)：1）能耗：單耗：單位產(chǎn)量或單位產(chǎn)值所消耗的某種能量折算為標(biāo)準(zhǔn)煤的數(shù)量。 綜合能耗：企業(yè)消耗的各種能源的總耗量。2）能量利用效率：設(shè)備熱效率：反映設(shè)備的能量利用程度。表示為： 裝置能量利用率：表示為： 第3章 能量平衡回收熱(余熱)：損失熱中可回收利用那部分能量第3章 能量平衡企業(yè)能源利用率：用于考察整個(gè)企業(yè)用能水平的指標(biāo)，表示為： 3）回收率：反映企業(yè)由于余熱回收所帶來的節(jié)能效益指標(biāo)。表示為：3.2.3 熱平衡模型及類型1、熱平衡模型：回收熱Qhs排出熱Qp外界供給熱Qgg物料帶入熱Qr回收熱Qhs工質(zhì)帶出熱Qc根據(jù)熱力學(xué)第一定律，有：第3章 能量平衡企業(yè)能源

6、利用率：用于考察整個(gè)企業(yè)用能水平的第3章 能量平衡2、熱平衡類型：供入熱平衡、全入熱平衡、凈入熱平衡三類。1)供入熱平衡：以供給體系的熱為基礎(chǔ)的熱平衡。表示為： 2)全入熱平衡：以進(jìn)入系統(tǒng)的全部熱量為基礎(chǔ)的熱平衡。 3)凈入熱平衡：實(shí)際加給體系的熱量為基礎(chǔ)的熱平衡。 3.2.4 熱平衡時(shí)各種熱量的計(jì)算 1、供入熱計(jì)算：供入熱量包括下列各項(xiàng)中的一項(xiàng)或數(shù)項(xiàng) ：（1）燃料燃燒時(shí)供給的熱量。（2）外界供給系統(tǒng)的電量P和功量W。 第3章 能量平衡2、熱平衡類型：供入熱平衡、全入熱平衡、凈入第3章 能量平衡（3）外界向系統(tǒng)的傳熱量 。（4）載熱體帶入系統(tǒng)的熱量 。2、有效能概念及計(jì)算 有效能：已經(jīng)被利用的

7、能量。 有效能包括下列諸項(xiàng)中的一項(xiàng)或數(shù)項(xiàng)：（1）一般加熱工藝。（2）有化學(xué)反應(yīng)的工藝。（3）在蒸汽、干燥工藝中。（4）產(chǎn)品中包含部分燃料時(shí)。（5）系統(tǒng)向外界輸出電、功時(shí)。（6）未包括在以上各項(xiàng)中的其他有效能。3、損失能量：系統(tǒng)的供給熱量中未被利用的部分。主要為散發(fā)于環(huán)境中的熱量。第3章 能量平衡（3）外界向系統(tǒng)的傳熱量 。第3章 能量平衡3.3 設(shè)備熱平衡3.3.1 鍋爐熱平衡方程鍋爐熱平衡方程式為： 式中：Qr為燃料供給熱；Q1Q6分別為有效利用熱、排煙損失熱、化學(xué)不完全燃燒損失熱、機(jī)械不完全燃燒損失熱、為散熱損失、灰渣物理損失；單位：kJ/kg。3.3.2 鍋爐熱效率 1）正平衡熱效率：通

8、過鍋爐試驗(yàn)求得Qr、Q1所得的熱效率。它反映了有效熱占鍋爐總吸熱量的百分比。1）反平衡熱效率：反平衡熱效率計(jì)算公式為：第3章 能量平衡3.3 設(shè)備熱平衡鍋爐熱平衡方程式為： 式第3章 能量平衡3）燃燒效率：實(shí)際生成熱與低位發(fā)熱量之比。即： 4）毛效率與凈效率：毛效率：扣除設(shè)備自用的能量損耗。凈效率：將鍋爐自用能量作為損失計(jì)入得到的效率。 即：3.3.3 鍋爐各項(xiàng)熱損失的確定1、機(jī)械不完全燃燒熱損失：1）燃煤鍋爐機(jī)械不完全燃燒熱損失：1kg燃料的機(jī)械不完全燃燒熱損失： 第3章 能量平衡3）燃燒效率：實(shí)際生成熱與低位發(fā)熱量之比。即第3章 能量平衡例1：某鍋爐所用燃料的Ay=21.3%,其中ahz=

9、15%，afz=2%，alm=4.37%，Chz=10%，Cfh=8%，Clm=91%，求q4。解：根據(jù)： 代入公式(3.33)：2）燃油鍋爐機(jī)械不完全燃燒熱損失用公式計(jì)算： 例2：已知某燃油鍋爐的干煙氣容積為Vgy=11.5Nm3，測得煙氣中的碳黑濃度Mth=1477mg/Nm3，燃油的熱值Qr=41474kJ/kg，求其機(jī)械不完全燃燒缺失。第3章 能量平衡例1：某鍋爐所用燃料的Ay=21.3%,其中第3章 能量平衡解：根據(jù)公式：代入：2、化學(xué)不完全燃燒熱損失：1）燃煤、燃油鍋爐的化學(xué)不完全燃燒熱損失：可簡化為：2）燃?xì)忮仩t的化學(xué)不完全燃燒熱損失：第3章 能量平衡解：根據(jù)公式：2、化學(xué)不完全

10、燃燒熱損失：第3章 能量平衡例3：設(shè)某燃油鍋爐的排煙中CO=0.28%，H2=0.002%，排煙處空氣過剩系數(shù)為1.05，干煙氣容積Vgy=11.5Nm/kg，求q3。解：由例2計(jì)算結(jié)果q4=1.3%，而CH2=0，代入公式(3.38) ：2）燃?xì)忮仩t的化學(xué)不完全燃燒熱損失：在沒有元素分析儀時(shí)，用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：代入公式(3.40)：第3章 能量平衡例3：設(shè)某燃油鍋爐的排煙中CO=0.28%，第3章 能量平衡3、排煙與散熱損失：1）排煙熱損失：燃油、燃燒鍋爐排煙熱損失計(jì)算式為： 燃?xì)忮仩t排煙熱損失計(jì)算公式：例4：設(shè)燃燒1kg油的排煙量Vpy=12.1Nm3，空氣入爐溫度T0=20，排煙溫度Tpy

11、=180 ，煙氣比熱Cpy=1.4(kJ/Nm3. )，求排煙損失。解：由公式(3.42)：第3章 能量平衡3、排煙與散熱損失：燃油、燃燒鍋爐排煙熱損第3章 能量平衡2）散熱損失 ：按經(jīng)驗(yàn)選取。 借用例2計(jì)算結(jié)果q4=1.3%，代入：滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí) ，按表3.3查出。4、燃燒爐灰渣物理熱損失：灰渣物理損失值計(jì)算公式：其近似計(jì)算公式：系數(shù)K取134。非滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，按下式計(jì)算： 蒸發(fā)量(t/h)461015203560無尾部受熱面2.11.5有尾部受熱面2.92.41.71.51.31.00.8第3章 能量平衡2）散熱損失 ：按經(jīng)驗(yàn)選取。 借用例2計(jì)算結(jié)第3章 能量平衡3.4 平衡3.4.1 的分

12、類表達(dá)了能量轉(zhuǎn)化過程中能的可用性，余熱回收的可能性，以及過程中能的貶值性。所以進(jìn)行平衡，可幫助評(píng)價(jià)的合理程度。1）系統(tǒng)與環(huán)境之間的平衡可以分為：物理和化學(xué)。2）根據(jù)能量可分為：熱量 、冷量和機(jī)械能。3）按工藝過程可分為：輸入 、輸出 、燃料和排煙。3.4.2 的計(jì)算1、熱量 ：熱量由和組成。從熱源吸取的熱量可能作的最大有用功 ，用微元過程表示為：卡諾循環(huán)效率第3章 能量平衡3.4 平衡3.4.1 的分類表達(dá)第3章 能量平衡對(duì)一般的熱力過程，熱量為：系統(tǒng)為：熱量Q的能質(zhì)系數(shù)為：熱量和熱量的T-s圖為 ：06AE12S1S2534sT0TT2、冷量 ：仍由和組成。冷量是溫度低于環(huán)境溫度時(shí)的熱量。對(duì)

13、于可逆卡諾循環(huán)有:第3章 能量平衡對(duì)一般的熱力過程，熱量為：系統(tǒng)為：熱量Q第3章 能量平衡消耗外界的有用功就是冷量，即 :冷量可表示為：則冷量的能質(zhì)系數(shù)為： 系統(tǒng)冷量和冷量的T-s圖為： 06QE12s1s2534sTT3、穩(wěn)定流動(dòng)開口系統(tǒng)工質(zhì)的:單位工質(zhì)流入系統(tǒng)的能量由工質(zhì)焓、動(dòng)能和位能三部分組成。根據(jù)能量守恒方程可得：第3章 能量平衡消耗外界的有用功就是冷量，即 :冷量可表第3章 能量平衡在可逆過程中因 ，故： 穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)，因 ，故： 略去工質(zhì)的動(dòng)能和位能，則系統(tǒng)單位工質(zhì)的為： 常用水和蒸汽為工質(zhì)，且在定壓下工質(zhì)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式： 或4、封閉系統(tǒng)的：任一封閉系統(tǒng)從給定狀態(tài)可逆的轉(zhuǎn)變到環(huán)境狀態(tài)

14、，并只與環(huán)境交換熱量時(shí)所作的最大功。第3章 能量平衡在可逆過程中因 第3章 能量平衡可逆的轉(zhuǎn)換過程能量方程為： 給定狀態(tài)到環(huán)境狀態(tài)時(shí)系統(tǒng)的為：相應(yīng)的為：5、理想氣體的：由溫度和壓力兩部分組成。 溫度為： 壓力為： 因此，理想氣體的表示為：6、燃料：主要是化學(xué)和物理 。第3章 能量平衡可逆的轉(zhuǎn)換過程能量方程為： 給定狀態(tài)到第3章 能量平衡1）燃料的物理顯：1）燃料的化學(xué)：近似公式計(jì)算。固體燃料的化學(xué)-信澤式計(jì)算：液體燃料的化學(xué)-信澤式計(jì)算：-朗特式計(jì)算：-朗特式計(jì)算：液體燃料的化學(xué)已知?dú)怏w燃料組分時(shí)：第3章 能量平衡1）燃料的物理顯：1）燃料的化學(xué)：近似公第3章 能量平衡其近似計(jì)算公式：7、燃料

15、產(chǎn)物：在理論燃燒溫度下，燃料生成燃料產(chǎn)物為： 8、空氣和煙氣的 ：按理想氣體的值計(jì)算式(3.69)計(jì)算。 3.4.3 損及損率損率：各項(xiàng)損失與總供給的比值。1、燃燒過程的損：燃燒過程的損等于燃料與燃燒產(chǎn)物之差。即： 對(duì)于熱水鍋爐和原油加熱爐，可用下式計(jì)算損： 第3章 能量平衡其近似計(jì)算公式：7、燃料產(chǎn)物：在理論燃燒溫第3章 能量平衡2、傳熱過程的損：在完全燃燒的情況下，傳熱損計(jì)算公式為 ： 3、散熱損：計(jì)算式為: 4、排煙損：因排煙高溫，帶走了 ，而造成排煙損失。計(jì)算式為: 5、換熱過程損：冷、熱兩種流體進(jìn)行非接觸熱交換時(shí)(如換熱器)，造成損失。計(jì)算式為: 6、化學(xué)反應(yīng)： 在工業(yè)窯爐中，一些物

16、質(zhì)被加熱而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)前后具有的化學(xué)之間存在的差值，稱為反應(yīng)。第3章 能量平衡2、傳熱過程的損：在完全燃燒的情況下，傳熱第3章 能量平衡 在穩(wěn)定狀態(tài)下，系統(tǒng)的收入與支出應(yīng)平衡。3.4.4 平衡與效率1、平衡：以供給為基礎(chǔ)的平衡方程式為：以全入為基礎(chǔ)的平衡方程式為：2、效率： 系統(tǒng)實(shí)際得到的有效與供給之比?？捎梅雌胶夥ū硎荆簩?duì)于整個(gè)企業(yè)，用能效率表示為：對(duì)于石油、化工裝置，全入效率為：的回收率為：第3章 能量平衡 在穩(wěn)定第3章 能量平衡3.4.5 平衡應(yīng)用舉例某單級(jí)汽輪機(jī)，進(jìn)氣壓力p1=10MPa，溫度t1=540，排氣壓力p2=0.005MPa，相對(duì)內(nèi)效率ri=0.81，設(shè)環(huán)境溫度20

17、。求該機(jī)的絕對(duì)內(nèi)效率、目的效率、熱損失、損失。解：查表得狀態(tài)參數(shù)： h1=3477kJ/kg，e1=1637kJ/kg，h2=2337kJ/kg，e2=241kJ/kg，h20=2052kJ/kg絕對(duì)內(nèi)效率：目的效率：損失：第3章 能量平衡3.4.5 平衡應(yīng)用舉例某單級(jí)汽輪機(jī)，進(jìn)氣第3章 能量平衡損失：總結(jié)：汽輪機(jī)的熱效率及效率均較高，且數(shù)值接近。絕對(duì)內(nèi)效率的熱損失比例很大，但乏汽溫度因接近環(huán)境溫度，所以值很低，比例很少。因汽輪機(jī)內(nèi)部的不可逆過程，而造成的損失和熱損失。3. 5 熱平衡及平衡結(jié)果的表示方法3.5.1 熱流圖和流圖 1、熱流圖：是將設(shè)備根據(jù)熱平衡計(jì)算的結(jié)果，在圖上按一定比例畫出來

18、的示意圖。分為簡單熱流圖和分區(qū)熱流圖兩種。 簡單熱流圖特點(diǎn)：簡單、清楚；只能大致表明流動(dòng)方向。分區(qū)熱流圖特點(diǎn)：熱量流向與設(shè)備結(jié)構(gòu)關(guān)系清楚；較復(fù)雜。第3章 能量平衡損失：總結(jié)：汽輪機(jī)的熱效率及效率均較第3章 能量平衡 鍋爐的簡單熱流圖 凝汽式電廠的簡單流圖2、流圖：設(shè)備在進(jìn)行平衡后得出的供給、工質(zhì)帶入、產(chǎn)出及各種損后，以圖示的方式表示。3.5.2 表格表示法 特點(diǎn)：詳細(xì)給出計(jì)算結(jié)果，一目了然；從中可得到啟發(fā)，找出節(jié)能關(guān)鍵，指導(dǎo)節(jié)能。第3章 能量平衡 鍋爐的簡單熱流圖 第3章 能量平衡3.6 提高能源利用率的途徑3.6.1 提高鍋爐熱效率的途徑 1、降低排煙溫度減小q2 ：尾部煙道加設(shè)空氣預(yù)熱器和省煤器。2、采用合理的空氣過量系數(shù)減小q2 ：調(diào)節(jié)好風(fēng)煤比，盡量減少爐膛及煙道漏風(fēng)。3、提高運(yùn)行水平降低