第一部分 热力设备与系统绪论

2.能源——能够提供可利用能量的物质叫能源，宇宙的推动力能源是人类社会发展进步的物质基础。能源、信息、材料一起构成了现代文明的三大支柱。每一种新能源的开发利用和能源利用方式的变革，总是极大地促进下生产力的发展，并引发社会变革，使人类文明前进一大步。

1.能量——物质相对存在状态间相互作用的某种量度

能量的六大性质：状态性、可加性、转换性、作功性、贬值性、传递性能量的两个传递方式：作功——容积功、转动轴功、流动功传热——热传导、热对流、热辐射

能量转换器

可以把能从一种形式转化成另一种形式。1.形态上的转换2.空间上的转移：能量的输运3.时间上的转移：能量的存储能的转换能量转换的基本原理能量守恒与转换定理-----热力学第一定律

自然界的一切物质都具有能量，能量既不能创造也不能消灭，而只能从一种形式转换成另一种形式，从一个物体传递到另一个物体，在能量转换和传递过程中能量的总量恒定不变应用这一定律来考察并研究一个系统的能量收入支出在数量上的平衡关系能量贬值原理能量不仅有量的多少，还有质的高低能量转换具有方向性热力学第二定律：①热不可能自发地、不付代价地从低温物体传到高温物体。(不可能使热量由低温物体传递到高温物体,而不引起其他变化,这是按照热传导的方向来表述的)②不可能从单一热源取热，把它全部变为功而不产生其他任何影响化学能转换成光能的效率能源转换效率:电厂发电效率=输出电力/输入燃料

~35%各种形态的能量既存在数量上的差别，又有质量上的不同。为了使能量得到充分、合理地利用，不仅要尽量减少能量在总量上的损失，而且要按质用能，使各种能量各尽其用。（能量利用系统优化）你所了解的能源有哪些？传统能源：煤、石油、天然气、热力、电力等新能源：太阳能、核能、风能、生物质能、地热能、海洋能、氢能、天然气水合物等能源来自地球外天体的能源：地球本身蕴藏的能量：地球与其他天体相互作用产生的能源：生物能化石燃料水能、风能地热能核能潮汐能能源的分类按地球上能源的成因来分：能源的分类按被利用程度分按获得方法分按能否可再生分常规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为燃料分按能源本身性质分按对环境污染情况分燃料能源非燃料能源含能体的能源过程性的能源清洁能源非清洁能源【例题】把下列14种能源按要求分类。

⑴煤⑵石油⑶水力⑷汽油⑸核能⑹太阳能⑺酒精

⑻天然气⑼液化气⑽地热⑾煤气⑿潮汐能⒀风力⒁电

㈠属于一次能源的是：

㈡属于二次能源的是：

㈢属于可再生能源的是：

㈣属于不可再生能源的是：

㈤属于常规能源的是：

㈥属于新能源的是：

㈦属于燃料能源的是：

㈧属于非燃料能源的是：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按使用状况分按性质分按一、二次能源分一次能源二次能源常规能源燃料能源泥煤(化学能)褐(化学能)烟煤(化学能)无烟煤(化学能)石煤(化学能)油页岩(化学能)油砂(化学能)原油(化学能、机械能)天然气(化学能、机械能)生物燃料(化学能)天然水合物(化学能)煤气(化学能)焦炭(化学能)汽油(化学能)煤油(化学能)柴油(化学能)重油(化学能)液化石油气(化学能)丙烷(化学能)甲醇(化学能)酒精(化学能)苯胺(化学能)火药(化学能)非燃料能源水能(机械能)电(电能)蒸汽(热能、机械能)热水(热能)余热(热能、机械能)新能源燃料能源核燃料(核能)沼气(化学能)氢(化学能)非燃料能源太阳能(辐射能)风能(机械能)地热能(热能)潮汐能(机械能)海流、波浪动能(热能、机械)海洋温差能(热能、机械能)激光(光能)人类文明的发展，都和能源的利用息息相关。人类进化过程，是不断向自然界索取能源的历史。人类发现用火以来经历了三代能源文明：1、柴薪——马车农业文明人类第一代主体能源

柴薪。树枝、杂草等作为燃料，用于燃烧煮食和取暖;用草饲养牲畜，靠人力、畜力+利用一些简单机械作动力，从事手工生产和交通运输活动。从远古时代至中世纪，在马车的低吟声中，人类渡过了悠长的农业文明时代。

2、煤炭——蒸汽机工业文明

18世纪西欧产业革命开创的工业文明，逐步扩大了煤炭的利用。煤气灯的使用，照彻人类漫长夜。蒸汽机的发明，使煤炭成为第二代主体能源。以煤炭作燃料的蒸汽机，主要应用于纺织、冶金、采矿、机械加工等工业，使之获得迅速发展。同时，蒸汽机车、轮船的出现

交通运输业得到巨大进步。19世纪以来，电磁感应现象的发现，使得由蒸汽轮机作动力的发电机开始出现，煤炭作为一次能源被转换成更加便于输送和利用的二次能源――电能。3、石油——内燃机现代文明公元前250，中国人首先发现石油是一种可燃液体。

1854年，美国宾夕法尼亚州打出了世界上第一口油井，石油工业由此得到发展。19世纪末，人们发明了以汽油和柴油为燃料的奥托内燃机和狄塞尔内燃机。1908年，福特研制成汽车并量产。此后，汽车、飞机、柴油机轮船、内燃机车、石油发电等，将人类飞速推进到现代文明时代。到20世纪60年代，全球石油的消费量超过煤炭，成为第三代主体能源。随着全球人口的急剧膨胀，能源消费大幅度增长。煤炭、石油均为矿物能源，是古生物在地下历经数亿年沉积变迁而形成的，不可再生，其储量极为有限。按现在的能源消耗，世界上石油、天然气和煤等生物化石能源，将在几十年至200年内逐渐耗尽。另外，大量矿物能源的燃烧，是造成大气污染、“酸雨”和“温室效应”的罪魁祸首。4、第四代绿色能源——H2？探索中

60年代以来，“能源革命”的呼声日渐高涨。“能源革命”的目的，是以绿色能源逐步代替矿物能源。绿色能源:如核能和可再生能源--如水电能、生物质能、太阳能、风能、地热能、海洋能和氢能等。绿色能源有望为21世纪人类社会的发展提供持久的动力。石油能源存在的问题能源利用的主要评价指标：1．能源消耗系数r：定义：指单位国民经济产值所平均消耗的能源数量。设E：能源消耗量，M：同期国民经济生产总值则，公斤/元表明一国家能源利用的水平、和节能潜力。2．单位产品能耗C：定义：每单位产品产量所消耗的能量。设：Ep产品能耗；A：产品产量则式中，Ep为一种能量的消耗量时，C为单耗；

Ep为一次能源、二次能源的总量时，C为综合消耗。综合能耗：包含生产产品时的直接能耗和间接能耗。直接能耗：生产时直接消耗的能量；间接能耗：生产产品时所用原材料在生产过程中消耗的能量

全能耗=直接能耗+间接能耗3．能源利用效率：能量利用率定义：被有效利用的能量与所消耗的能量之比。设Ee：有效利用的能量，Ec：所消耗（投入）的能量，则

表示用能的完善程度。能源利用效率的含义：热效率——热功转换时制冷系数——制冷循环，制冷量/消耗功

制冷量：由低温热源吸取的热量三、Ex()及Ex效率

1．Ex的概念对能量的评价，要考虑被利用的能量的数量和质量。

火用

能量的质量：就是能量的品位，用能转换为机械功的能力来衡量。不同形态的能量，其质量不同；相同能量形式，不同的状态能的质量也不同。某一形态的能量转变为机械能的越多，其质量（品位）就越高。特点：相对环境状态的最大作功能力。即比：Ex就是从能量的数量和质量角度，评价处于某一状态的热力系的作功能力的指标。即能的可用性。定义：处于某一状态的热力系，可逆变化到与环境状态相平衡时，可以转化为有用功的能量，即有效能成为该热力系的Ex

。燃料的：燃料与氧气可逆地进行燃烧反应和变化后，与周围环境达到平衡时，所能提供的最大有用功。也称燃料的化学火用：一般，等于燃料的高热值，即热与工质Ex的区别：是取决于由Q热源放热时的温度T；而工质的Ex是只决定于工质的热力状态。热：设任一热源温度为T，则在其热功转换中，最大的功为卡诺循环功。即实际过程都是不可逆的，所以存在火用损失。设稳定流动系，不可逆过程1→2，忽略动能、位能，工质与环境之间的传热量Q，则2．Ex效率用于评价最大有用功的实际应用的程度。用实际被利用的有效火用和投入的火用之比表示。即a）定义：因不可逆，所以工质的熵变，即熵产：所以，不可逆过程中的功为

即其中，热二定律其中，最大可逆功为

则，不可逆过程的功损失为：可逆时，可利用的能量为工质进出热力系的火用值之差，不可逆过程的Ex损失：，表示作功能力的损失。因实际能量转换过程都是不可逆的，所以必有副产品和废料带走的Ex——如锅炉、内燃机排烟等；向环境散热造成Ex损失。如换热器对流和热辐射。装置内的不可逆过程—如不可逆化学反应，温差传热等；b）产生ExL的原因：来自以下三方面c）效率的实际应用或表达式常用实际获得的收益与投入之比表示。如发动机：进入和离开发动机的工质的有效能分别为，产生的功为W12，则

：包含进入气缸的混合气的流动功和化学能。：废气带走的热量和流动功。不常用。而常用热效率。

锅炉：投入——高温烟气对水蒸气的加热，烟气在平均温度Tm下放热，则投入的有效能为；收益——水蒸气有效能的增加

所以，

只反映烟气温差传热造成的有效能损失。若锅炉消耗燃料的有效能为投入，则可同时反映温差传热、燃烧过程和排烟等不可逆过程造成的有效能损失。间壁式换热器：投入——热流体进出换热器的有效能之差；收益：冷流体进出换热器的有效能差。所以，一般，换热器的冷流体吸收的热量与热流体的放热量不相等,即存在热损失。

动力循环：工质被加热，并输出功的循环。设工质加热量-——Q；平均温度——Tm；输出功——W；环境温度——T0；则

能源的计量单位及其换算能源的实物量单位常用能源实物计量单位及采用情况能源形式

单位使用国家和地区

固体能源、液体能源

吨(t)

世界各地

原油

吨(t)

中国、前独联体、东欧各国

桶(bbl)

西方各国

成品油

公升(L)

中国、前独联体、东欧各国

加仑(gal)

西方各国

气体能源

标准立方米(STm3)

中国、前独联体

标准立方英尺(scf)

西方各国

电力

千瓦时(kW·h) 世界各地

能量单位1.焦耳（J）：

为1牛顿（N）的力作用于质点，使它沿力的方向移动1米（m）距离所做的功；或者用1安培（A）电流通过1欧姆（Ω）电阻1秒钟（s）所消耗的电能。焦耳是《中华人民共和国法定计量单位》规定的表示能、功和热量的基本单位，用国际制单位表示的关系式为N·m；用国际制基本单位表示的关系式为kg·m2/s2。由于焦耳的数值很小，通常采用焦耳的倍数来表示，如千焦（kJ，103J），兆焦耳（MJ，106J），吉焦耳（GJ，109J）或太焦耳（TJ，1012J）。2.千瓦小时（kW·h）千瓦小时是电量的计算单位，与焦耳的换算关系为：1kW·h=3.6×106J由于千瓦小时单位较小，通常采用兆瓦小时（MW·h），万千瓦时（104kW·h）、吉瓦小时（GW·h）、亿千瓦时（108kW·h）、10亿千小瓦时（TW·h）。3）卡（cal）：

卡是热量单位，定义为1克（g）纯水在标准气压下，温度升高1摄氏度（℃）所需的热量。我国现行热量单位卡有20℃卡、国际蒸汽表卡及热化学卡。20℃卡（cal20）是指1g纯水温度从19.5℃升高至20.5℃所需要的热量，与焦耳的换算关系为：1cal20=4.1816焦耳1calIT=4.1868焦耳1calTh=4.1840焦耳燃料热值定义：燃料燃烧会释放出一定数量的热量，单位质量（指固体或液体）或单位体积（指气体）的燃料完全燃烧，燃烧产物冷却到燃烧前的温度（一般为环境温度）时所释放出来的热量就是燃料热值，也叫燃料发热量高位热值是指燃料完全燃烧，且燃烧产物中的水蒸气凝结成水时的发热量，其数值由测量获得。低位热值是指燃料完全燃烧，燃烧产物中的水蒸气仍以气态存