第一部分 熱力設(shè)備與系統(tǒng)緒論

2.能源——能夠提供可利用能量的物質(zhì)叫能源，宇宙的推動力能源是人類社會發(fā)展進步的物質(zhì)基礎(chǔ)。能源、信息、材料一起構(gòu)成了現(xiàn)代文明的三大支柱。每一種新能源的開發(fā)利用和能源利用方式的變革，總是極大地促進下生產(chǎn)力的發(fā)展，并引發(fā)社會變革，使人類文明前進一大步。

1.能量——物質(zhì)相對存在狀態(tài)間相互作用的某種量度

能量的六大性質(zhì)：狀態(tài)性、可加性、轉(zhuǎn)換性、作功性、貶值性、傳遞性能量的兩個傳遞方式：作功——容積功、轉(zhuǎn)動軸功、流動功傳熱——熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射

能量轉(zhuǎn)換器

可以把能從一種形式轉(zhuǎn)化成另一種形式。1.形態(tài)上的轉(zhuǎn)換2.空間上的轉(zhuǎn)移：能量的輸運3.時間上的轉(zhuǎn)移：能量的存儲能的轉(zhuǎn)換能量轉(zhuǎn)換的基本原理能量守恒與轉(zhuǎn)換定理-----熱力學(xué)第一定律

自然界的一切物質(zhì)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(zhuǎn)換成另一種形式，從一個物體傳遞到另一個物體，在能量轉(zhuǎn)換和傳遞過程中能量的總量恒定不變應(yīng)用這一定律來考察并研究一個系統(tǒng)的能量收入支出在數(shù)量上的平衡關(guān)系能量貶值原理能量不僅有量的多少，還有質(zhì)的高低能量轉(zhuǎn)換具有方向性熱力學(xué)第二定律：①熱不可能自發(fā)地、不付代價地從低溫物體傳到高溫物體。(不可能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體,而不引起其他變化,這是按照熱傳導(dǎo)的方向來表述的)②不可能從單一熱源取熱，把它全部變?yōu)楣Χ划a(chǎn)生其他任何影響化學(xué)能轉(zhuǎn)換成光能的效率能源轉(zhuǎn)換效率:電廠發(fā)電效率=輸出電力/輸入燃料

~35%各種形態(tài)的能量既存在數(shù)量上的差別，又有質(zhì)量上的不同。為了使能量得到充分、合理地利用，不僅要盡量減少能量在總量上的損失，而且要按質(zhì)用能，使各種能量各盡其用。（能量利用系統(tǒng)優(yōu)化）你所了解的能源有哪些？傳統(tǒng)能源：煤、石油、天然氣、熱力、電力等新能源：太陽能、核能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮堋⒑Ｑ竽堋淠?、天然氣水合物等能源來自地球外天體的能源：地球本身蘊藏的能量：地球與其他天體相互作用產(chǎn)生的能源：生物能化石燃料水能、風(fēng)能地?zé)崮芎四艹毕苣茉吹姆诸惏吹厍蛏夏茉吹某梢騺矸郑耗茉吹姆诸惏幢焕贸潭确职传@得方法分按能否可再生分常規(guī)能源新能源一次能源二次能源可再生能源非再生能源按能否作為燃料分按能源本身性質(zhì)分按對環(huán)境污染情況分燃料能源非燃料能源含能體的能源過程性的能源清潔能源非清潔能源【例題】把下列14種能源按要求分類。

⑴煤⑵石油⑶水力⑷汽油⑸核能⑹太陽能⑺酒精

⑻天然氣⑼液化氣⑽地?zé)幄厦簹猗谐毕堍扬L(fēng)力⒁電

㈠屬于一次能源的是：

㈡屬于二次能源的是：

㈢屬于可再生能源的是：

㈣屬于不可再生能源的是：

㈤屬于常規(guī)能源的是：

㈥屬于新能源的是：

㈦屬于燃料能源的是：

㈧屬于非燃料能源的是：⑴、⑵、⑶、⑹、⑻、⑽、⑿、⒀⑷、⑸、⑺、⑼、⑾、⒁⑶、⑿、⒀⑴⑵⑷⑺⑻⑼⑾⒁⑴⑵⑶⑷⑺⑻⑼⑾⒁⑸、⑹、⑽、⑿、⒀⑴⑵⑷⑺⑻⑼⑾⑶、⑸、⑹、⑽、⑿、⒀、⒁按使用狀況分按性質(zhì)分按一、二次能源分一次能源二次能源常規(guī)能源燃料能源泥煤(化學(xué)能)褐(化學(xué)能)煙煤(化學(xué)能)無煙煤(化學(xué)能)石煤(化學(xué)能)油頁巖(化學(xué)能)油砂(化學(xué)能)原油(化學(xué)能、機械能)天然氣(化學(xué)能、機械能)生物燃料(化學(xué)能)天然水合物(化學(xué)能)煤氣(化學(xué)能)焦炭(化學(xué)能)汽油(化學(xué)能)煤油(化學(xué)能)柴油(化學(xué)能)重油(化學(xué)能)液化石油氣(化學(xué)能)丙烷(化學(xué)能)甲醇(化學(xué)能)酒精(化學(xué)能)苯胺(化學(xué)能)火藥(化學(xué)能)非燃料能源水能(機械能)電(電能)蒸汽(熱能、機械能)熱水(熱能)余熱(熱能、機械能)新能源燃料能源核燃料(核能)沼氣(化學(xué)能)氫(化學(xué)能)非燃料能源太陽能(輻射能)風(fēng)能(機械能)地?zé)崮?熱能)潮汐能(機械能)海流、波浪動能(熱能、機械)海洋溫差能(熱能、機械能)激光(光能)人類文明的發(fā)展，都和能源的利用息息相關(guān)。人類進化過程，是不斷向自然界索取能源的歷史。人類發(fā)現(xiàn)用火以來經(jīng)歷了三代能源文明：1、柴薪——馬車農(nóng)業(yè)文明人類第一代主體能源

柴薪。樹枝、雜草等作為燃料，用于燃燒煮食和取暖;用草飼養(yǎng)牲畜，靠人力、畜力+利用一些簡單機械作動力，從事手工生產(chǎn)和交通運輸活動。從遠古時代至中世紀，在馬車的低吟聲中，人類渡過了悠長的農(nóng)業(yè)文明時代。

2、煤炭——蒸汽機工業(yè)文明

18世紀西歐產(chǎn)業(yè)革命開創(chuàng)的工業(yè)文明，逐步擴大了煤炭的利用。煤氣燈的使用，照徹人類漫長夜。蒸汽機的發(fā)明，使煤炭成為第二代主體能源。以煤炭作燃料的蒸汽機，主要應(yīng)用于紡織、冶金、采礦、機械加工等工業(yè)，使之獲得迅速發(fā)展。同時，蒸汽機車、輪船的出現(xiàn)

交通運輸業(yè)得到巨大進步。19世紀以來，電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，使得由蒸汽輪機作動力的發(fā)電機開始出現(xiàn)，煤炭作為一次能源被轉(zhuǎn)換成更加便于輸送和利用的二次能源――電能。3、石油——內(nèi)燃機現(xiàn)代文明公元前250，中國人首先發(fā)現(xiàn)石油是一種可燃液體。

1854年，美國賓夕法尼亞州打出了世界上第一口油井，石油工業(yè)由此得到發(fā)展。19世紀末，人們發(fā)明了以汽油和柴油為燃料的奧托內(nèi)燃機和狄塞爾內(nèi)燃機。1908年，福特研制成汽車并量產(chǎn)。此后，汽車、飛機、柴油機輪船、內(nèi)燃機車、石油發(fā)電等，將人類飛速推進到現(xiàn)代文明時代。到20世紀60年代，全球石油的消費量超過煤炭，成為第三代主體能源。隨著全球人口的急劇膨脹，能源消費大幅度增長。煤炭、石油均為礦物能源，是古生物在地下歷經(jīng)數(shù)億年沉積變遷而形成的，不可再生，其儲量極為有限。按現(xiàn)在的能源消耗，世界上石油、天然氣和煤等生物化石能源，將在幾十年至200年內(nèi)逐漸耗盡。另外，大量礦物能源的燃燒，是造成大氣污染、“酸雨”和“溫室效應(yīng)”的罪魁禍首。4、第四代綠色能源——H2？探索中

60年代以來，“能源革命”的呼聲日漸高漲?！澳茉锤锩钡哪康?，是以綠色能源逐步代替礦物能源。綠色能源:如核能和可再生能源--如水電能、生物質(zhì)能、太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮?、海洋能和氫能等。綠色能源有望為21世紀人類社會的發(fā)展提供持久的動力。石油能源存在的問題能源利用的主要評價指標：1．能源消耗系數(shù)r：定義：指單位國民經(jīng)濟產(chǎn)值所平均消耗的能源數(shù)量。設(shè)E：能源消耗量，M：同期國民經(jīng)濟生產(chǎn)總值則，公斤/元表明一國家能源利用的水平、和節(jié)能潛力。2．單位產(chǎn)品能耗C：定義：每單位產(chǎn)品產(chǎn)量所消耗的能量。設(shè)：Ep產(chǎn)品能耗；A：產(chǎn)品產(chǎn)量則式中，Ep為一種能量的消耗量時，C為單耗；

Ep為一次能源、二次能源的總量時，C為綜合消耗。綜合能耗：包含生產(chǎn)產(chǎn)品時的直接能耗和間接能耗。直接能耗：生產(chǎn)時直接消耗的能量；間接能耗：生產(chǎn)產(chǎn)品時所用原材料在生產(chǎn)過程中消耗的能量

全能耗=直接能耗+間接能耗3．能源利用效率：能量利用率定義：被有效利用的能量與所消耗的能量之比。設(shè)Ee：有效利用的能量，Ec：所消耗（投入）的能量，則

表示用能的完善程度。能源利用效率的含義：熱效率——熱功轉(zhuǎn)換時制冷系數(shù)——制冷循環(huán)，制冷量/消耗功

制冷量：由低溫?zé)嵩次〉臒崃咳?、Ex()及Ex效率

1．Ex的概念對能量的評價，要考慮被利用的能量的數(shù)量和質(zhì)量。

火用

能量的質(zhì)量：就是能量的品位，用能轉(zhuǎn)換為機械功的能力來衡量。不同形態(tài)的能量，其質(zhì)量不同；相同能量形式，不同的狀態(tài)能的質(zhì)量也不同。某一形態(tài)的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的越多，其質(zhì)量（品位）就越高。特點：相對環(huán)境狀態(tài)的最大作功能力。即比：Ex就是從能量的數(shù)量和質(zhì)量角度，評價處于某一狀態(tài)的熱力系的作功能力的指標。即能的可用性。定義：處于某一狀態(tài)的熱力系，可逆變化到與環(huán)境狀態(tài)相平衡時，可以轉(zhuǎn)化為有用功的能量，即有效能成為該熱力系的Ex

。燃料的：燃料與氧氣可逆地進行燃燒反應(yīng)和變化后，與周圍環(huán)境達到平衡時，所能提供的最大有用功。也稱燃料的化學(xué)火用：一般，等于燃料的高熱值，即熱與工質(zhì)Ex的區(qū)別：是取決于由Q熱源放熱時的溫度T；而工質(zhì)的Ex是只決定于工質(zhì)的熱力狀態(tài)。熱：設(shè)任一熱源溫度為T，則在其熱功轉(zhuǎn)換中，最大的功為卡諾循環(huán)功。即實際過程都是不可逆的，所以存在火用損失。設(shè)穩(wěn)定流動系，不可逆過程1→2，忽略動能、位能，工質(zhì)與環(huán)境之間的傳熱量Q，則2．Ex效率用于評價最大有用功的實際應(yīng)用的程度。用實際被利用的有效火用和投入的火用之比表示。即a）定義：因不可逆，所以工質(zhì)的熵變，即熵產(chǎn)：所以，不可逆過程中的功為

即其中，熱二定律其中，最大可逆功為

則，不可逆過程的功損失為：可逆時，可利用的能量為工質(zhì)進出熱力系的火用值之差，不可逆過程的Ex損失：，表示作功能力的損失。因?qū)嶋H能量轉(zhuǎn)換過程都是不可逆的，所以必有副產(chǎn)品和廢料帶走的Ex——如鍋爐、內(nèi)燃機排煙等；向環(huán)境散熱造成Ex損失。如換熱器對流和熱輻射。裝置內(nèi)的不可逆過程—如不可逆化學(xué)反應(yīng)，溫差傳熱等；b）產(chǎn)生ExL的原因：來自以下三方面c）效率的實際應(yīng)用或表達式常用實際獲得的收益與投入之比表示。如發(fā)動機：進入和離開發(fā)動機的工質(zhì)的有效能分別為，產(chǎn)生的功為W12，則

：包含進入氣缸的混合氣的流動功和化學(xué)能。：廢氣帶走的熱量和流動功。不常用。而常用熱效率。

鍋爐：投入——高溫?zé)煔鈱λ魵獾募訜?，煙氣在平均溫度Tm下放熱，則投入的有效能為；收益——水蒸氣有效能的增加

所以，

只反映煙氣溫差傳熱造成的有效能損失。若鍋爐消耗燃料的有效能為投入，則可同時反映溫差傳熱、燃燒過程和排煙等不可逆過程造成的有效能損失。間壁式換熱器：投入——熱流體進出換熱器的有效能之差；收益：冷流體進出換熱器的有效能差。所以，一般，換熱器的冷流體吸收的熱量與熱流體的放熱量不相等,即存在熱損失。

動力循環(huán)：工質(zhì)被加熱，并輸出功的循環(huán)。設(shè)工質(zhì)加熱量-——Q；平均溫度——Tm；輸出功——W；環(huán)境溫度——T0；則

能源的計量單位及其換算能源的實物量單位常用能源實物計量單位及采用情況能源形式

單位使用國家和地區(qū)

固體能源、液體能源

噸(t)

世界各地

原油

噸(t)

中國、前獨聯(lián)體、東歐各國

桶(bbl)

西方各國

成品油

公升(L)

中國、前獨聯(lián)體、東歐各國

加侖(gal)

西方各國

氣體能源

標準立方米(STm3)

中國、前獨聯(lián)體

標準立方英尺(scf)

西方各國

電力

千瓦時(kW·h) 世界各地

能量單位1.焦耳（J）：

為1牛頓（N）的力作用于質(zhì)點，使它沿力的方向移動1米（m）距離所做的功；或者用1安培（A）電流通過1歐姆（Ω）電阻1秒鐘（s）所消耗的電能。焦耳是《中華人民共和國法定計量單位》規(guī)定的表示能、功和熱量的基本單位，用國際制單位表示的關(guān)系式為N·m；用國際制基本單位表示的關(guān)系式為kg·m2/s2。由于焦耳的數(shù)值很小，通常采用焦耳的倍數(shù)來表示，如千焦（kJ，103J），兆焦耳（MJ，106J），吉焦耳（GJ，109J）或太焦耳（TJ，1012J）。2.千瓦小時（kW·h）千瓦小時是電量的計算單位，與焦耳的換算關(guān)系為：1kW·h=3.6×106J由于千瓦小時單位較小，通常采用兆瓦小時（MW·h），萬千瓦時（104kW·h）、吉瓦小時（GW·h）、億千瓦時（108kW·h）、10億千小瓦時（TW·h）。3）卡（cal）：

卡是熱量單位，定義為1克（g）純水在標準氣壓下，溫度升高1攝氏度（℃）所需的熱量。我國現(xiàn)行熱量單位卡有20℃卡、國際蒸汽表卡及熱化學(xué)卡。20℃卡（cal20）是指1g純水溫度從19.5℃升高至20.5℃所需要的熱量，與焦耳的換算關(guān)系為：1cal20=4.1816焦耳1calIT=4.1868焦耳1calTh=4.1840焦耳燃料熱值定義：燃料燃燒會釋放出一定數(shù)量的熱量，單位質(zhì)量（指固體或液體）或單位體積（指氣體）的燃料完全燃燒，燃燒產(chǎn)物冷卻到燃燒前的溫度（一般為環(huán)境溫度）時所釋放出來的熱量就是燃料熱值，也叫燃料發(fā)熱量高位熱值是指燃料完全燃燒，且燃燒產(chǎn)物中的水蒸氣凝結(jié)成水時的發(fā)熱量，其數(shù)值由測量獲得。低位熱值是指燃料完全燃燒，燃燒產(chǎn)物中的水蒸氣仍以氣態(tài)存