节能原理与技术课件

西安交通大学2011年11月,节能原理与技术,刘继平,研究经历：刘继平，西安交通大学能源与动力工程学院，教授，博士生导师1999-2000香港城市大学，博士后研究员1996.-西安交通大学，教师1986-1996西安交通大学，学生研究领域：热力系统节能理论与技术汽液两相流对流换热及数值传热学,个人简介,绪论节能的基本原理主要节能技术电力生产的节能技术热泵技术余热回收及热管技术结论,目录,绪论：节能的意义及途径,能量及能源No.01/64,一切物运动必然伴随着能量的消耗和转化。所谓能量，就是产生某种效果或变化的能力。机械能，热能，化学能，辐射能，电能，核能能源：提供能量的来源一次能源，二次能源常规能源，替代能源(新能源)合能体能源，过程性能源清洁能源，非清洁能源BP世界能源统计年鉴（2011年6月）：2010年世界能源总消耗量120.024亿吨标油中国24.322，美国22.857，俄罗斯6.909，印度5.242，日本5.009，德国3.195，加拿大3.167石油40.281，煤炭35.558，天然气28.581,中国能源消耗行业分布No.01/64,能源的生产及转换煤炭，石油及天然气的开采，炼焦，煤气等电力生产：所使用的一次能源占总一次能源消耗量的50%，转换效率约为40%，能源消耗约占20%能源的消费工业部门(能源消耗约占30%)：主要耗能大户为钢铁，有色冶金，石油化工，非金属居民生活(能源消耗约占25%)：主要耗能大户为供暖、空调、照明、生活热水等；交通运输(能源消耗约占7%)我国6大高耗能行业：电力50%、钢铁10%、有色冶金5%、石化15%、建筑30%、交通10%,节能的意义及途径No.01/64,节能的意义经济和社会可持续、健康发展节省了煤、石油和天然气等宝贵的化工原料促使技术进步、降低生产成本、提高经济效益减少污染物排放，减轻环境污染，保护环境节能的途径“加大产业结构调整力度，推进技术进步，发挥市场作用，促进提高能源利用效率”结构调整，管理节能，技术节能,节能的基本原理,节能的基本原理No.01/64,节能的目的是提高能量的利用效率热力学第一定律：能量在“数量”上是守恒的，它既不会无故（无中生有）产生，也不会无缘消失；热力学第二定律：能量在“质量”上是有差异的，不同形式能量间的转换存在“不等价”现象；能量合理利用的原则，就是要求能量系统中能量在数量上保持平衡，在质量上合理匹配。,用方框表示热平衡的对象，进出的能量标于四周,带入体系的能量称物料带入热,工质带出的热量画于右面,外界供给的热量画于下面,排出的热量画在方框的上面,回收热用弧线画在方框内，若在体系外循环，则在方框外画一循环线,根据热力学第一定律有：Qr+Qgg=Qp+Qc,热平衡模型No.01/64,热平衡模型No.01/64,以供给体系的热为基础的热平衡称为供入热平衡，主要研究外界供入热的利用情况（锅炉，加热炉，干燥设备等）；以进入系统的全部热量为基础的热平衡称全入热平衡，主要研究系统所有热量的利用情况（化工系统）；以实际加给体系的热量为基础的热平衡，称净入热平衡。主要观察的是加给体系的热量的利用程度（换热器）；具体采用何种热平衡时，按照设备、行业的惯例选取。,Qyx：设备有效利用热Qgg：设备供给热Qss：各项损失热,关于节能潜力的讨论No.01/64,寻找发现节能潜力，是节能的前提。热力学第一定律所定义的热效率在很多情况下并不能作为寻找节能潜力的依据。由热力学第二定律可知不可逆性是产生有效能损失的根源。只要过程不可逆，就存在节能潜力；过程的不可逆性与不平衡性是紧密联系的。不平衡性的存在导致了不可逆性的产生。节能就是通过各种措施减少不平衡，或者利用不平衡性获得收益。机械不平衡；热不平衡；化学不平衡等,主要节能技术,电力生产的节能技术,热能动力系统包括蒸汽动力系统、燃气轮机及内燃机等，作为原动机广泛应用于发电、运输等领域，为工业生产和日常生活提供动力。目前热能动力系统的能源利用效率：现代大型火电机组的热效率约为40%左右，而内燃机和燃气轮机的热效率约为25%-45%，均不超过50%，一半以上的能源在热功转换中被浪费，具有很大的节能潜力。由于现代热能动力系统大多以不可再生的矿物燃料为能源，提高热能动力系统的能源利用率，对缓解能源危机，减少污染，保护环境，提高企业的效率具有重要的意义。,热能动力系统节能No.01/64,虽然热能动力系统种类很多，其工作过程也各不相同，但仍有一些共同之处，归纳如下：,热能动力系统都是将热能转换为机械能，其工作过程属于动力循环，包括工质从高温热源获得热量，从高温高压状态开始膨胀作功，并将循环的废热排出系统；,目前热能动力系统的高温热源大多都来源于矿物燃料的燃烧，通过燃烧将化学能转化为热能,根据热力学第二定律，由于热能不能完全转换为机械能，故系统在输出机械能的同时还要排出废热。,热能动力系统节能No.01/64,热能动力系统中包含化学能转化为热能，热能转化为机械能，废热向环境中排放等过程，其工作过程包括燃烧、温差传热、流动阻力、摩擦等很多不可逆环节，这些环节中均存在着节能潜力。,火力发电厂的节能No.01/64,燃煤电厂各环节的节能潜力分析：,(1)煤炭在锅炉内燃烧，转化为热能。该环节的热损失为化学不完全燃烧损失，包括Q3及Q4。现代大型锅炉中这一环节的热损失很小，只有0.5%-5%左右；该环节的火用损失却最大，高品位的化学能转化为热能，将空气和燃烧产物从较低的温度(不超过100)加热到1200左右，损失为20%左右，是火电厂最大的火用损失；,(2)烟气将热量传递给循环工质。该环节的热损失包括Q2、Q5及Q6。现代大型锅炉中这一环节的热损失也不大，一般为2.0%-6%左右；该环节的佣损失却较大，由于传热温差很大，佣损失为15%左右，在火电厂佣损失中仅次于燃烧过程；,火力发电厂的节能No.01/64,燃煤电厂各环节的节能潜力分析：,(4)乏汽在冷端系统中向环境放热，产生凝结水。从热力学第一定律的角度来看，乏汽的能量全部散失到环境中，该环节的热效率极低，接近0%，所损失的热量约为燃料发热量的50%；从从热力学第二定律的角度来看，由于乏汽能量品位很低，因此其佣损很小，一般只占燃料佣的1%-3%(空冷机组较大)；,(3)水蒸汽在汽轮机中做功，将热能转化为机械能。从热力学第一定律的角度来看，由于汽轮机装置的散热可以被忽略，该环节没有热损失；由于存在流动阻力和其他一些不可逆过程，该环节存在佣损失，一般为发电量的5%-10%，占燃料佣的2%-4%；,(5)其他损失：管道损失：热效率为99%机械及电机损失：效率为98%回热加热器中的散热损失及佣损失，锅炉排污等,火力发电厂的节能No.01/64,根据热能动力系统中的热量及佣损失的分布规律，提高该系统的能源利用效率的主要途径有：,减少燃烧过程的佣损失：提高燃烧产物的温度(受材料和环保要求的限制)取消燃烧过程：燃料电池,减少锅炉中传热过程的佣损失：提高工质的平均吸热温度：提高初温初压，回热，再热取消传热过程：联合循环,减少向冷端系统放热：提高系统效率废热利用：热电联产，多联产,其他措施：提高子过程及设备的效率，优化设计，优化运行,燃料电池No.01/64,燃料电池通过电化学反应将化学能转化为电能。以质子交换膜燃料电池(PEMFC)为例，由阳极、阴极和电解质(全氟磺酸膜，Nafion，美国杜邦)构成，电解质中的导电离子是H+：两极区的化学反应为：阳极H22H+4e-阴极O2+4H+4e-2H2O整个电池:O2+2H22H2O+电能+热能。为获得高电压,需将若干个单电池串联构成电堆。,燃料电池No.01/64,联合循环No.01/64,燃气轮机平均吸热温度较高(发电用大型地面燃气轮机已达1150左右，采用气冷和水冷技术，可使燃气轮机初温提高到13701500），但燃气轮机的排气温度较高，约450600甚至更高，大量的热能随着高温燃气排入大气，限制了其热效率。,蒸汽动力循环循环放热平均温度又很低(一般为3038)，但受受材料耐温、耐压程度的限制，汽轮机进汽温度不高(一般为540560)，限制了其热效率。,利用燃气轮机循环吸热平均温度高和蒸汽轮机循环放热平均温度低的特点，把这两种循环联合起来组成燃气一蒸汽联合循环，此循环具有较高的吸热平均温度和较低的放热平均温度，循环热效率必将大大提高。,不补燃的余热锅炉型燃气-蒸汽联合循环No.01/64,由燃气轮机排气的热能被用来驱动蒸汽动力循环。由于燃气轮机排气热量有限，该系统中蒸汽初温受到限制，蒸汽轮机的功率大约是燃气轮机功率的50左右。该循环的供电效率可以达到50以上。基本投资费用低结构简单，锅炉和厂房都很小。,有补燃的余热锅炉型燃气-蒸汽联合循环No.01/64,除燃气轮机的排气引入锅炉之外，还可以补充部分燃料(可在燃气轮机的排气通道中，也可在余热锅炉中)引入燃烧，随着补燃量增加、汽轮机容量的比例随之增大。根据燃气轮机的排气温度，可确定使机组效率最高的最佳补燃量，补燃可用煤或其他廉价燃料。蒸汽参数不受燃气轮机排气温度的限制，可以采用效率较高的蒸汽轮机循环与之匹配，机组的总功率较大。,增压余热锅炉型燃气-蒸汽联合循环No.01/64,燃气轮机的燃烧室是与蒸汽循环的增压锅炉合二为一，压气机送来的温度为的空气首先在增压锅炉中被燃烧加热，进而释放出来热能将给水加热为过热蒸汽，供蒸汽轮机使用。增压锅炉中的燃气在温度降低到后，将被送到燃气轮机中去膨胀作功。燃气轮机的排气在温度下被用来加热给水。增压锅炉造价昂贵，排气换热器的体积庞大，且只能燃烧液体燃料或天然气，而不能直接烧煤，没有竞争优势。,程氏双流体循环No.01/64,燃气轮机后安装余热锅炉，由余热锅炉产生的过热蒸汽供回到燃气轮机燃烧室中去，与压气机供来的空气一起被加热到燃气轮机前的初温，然后共同进到燃气轮机中去进行膨胀作功，即在这种循环方案中燃气与蒸汽是在同一台燃气轮机中膨胀作功的。该循环设备简单，效率高，但耗水量大。,整体Texaco煤气化联合循环发电系统（PMPa；净功1156.2MW，净效率38.68%）-设计中,煤的贮运、预处理、制备和供给系统,煤的气化系统,粗煤气的除灰系统,粗煤气的脱硫系统,粗煤气显热的利用系统,燃气透平系统,蒸汽透平系统,空分制氧系统,煤渣的处理系统以及废水的处理系统,余热锅炉系统,整体煤气化联合循环(IGCC)No.01/64,洁净煤技术是指从煤炭采掘到利用全过程中，旨在减少污染排放和提高利用效率的煤炭洗选与加工、转化、燃烧发电、污染物控制及煤系固体废弃物利用等一系列技术的总称。,我国发电基本以煤为主。作为一种先进的洁净煤发电技术，必须解决以下四方面问题：(1)具有足够高的供电效率，希望它能超过目前常规的燃煤机组中超临界参数机组的水平（4042）；(2)运行可靠性好，具有较高的可用率；(3)彻底地解决燃煤时发生的污染排放问题；(4)低的建厂投资费和发电成本，至少能与有尾气脱硫装置（FGD）的常规燃煤电站相媲美。,洁净煤燃烧技术No.01/64,洁净煤燃烧发电技术主要有：整体煤气化联合循环(IGCC)流化床燃煤联合循环(PFBC-CC和AFBC-CC)外燃式燃煤联合循环(IFC)，直接烧煤粉(或水煤浆)联合循环等配备污染物排放技术的超超临界燃煤发电技术,目前，比较成熟的洁净煤燃烧发电技术主要有配备污染物排放技术的超超临界燃煤发电技术、IGCC、CFBC及PFBC-CC技术等，其技术对比如下：,比较结果：综合各方面的情况可以看出，配备污染物排放技术的超超临界燃煤发电技术，除了污染物排放方面不如IGCC以外，其他各方面均优于其他技术，是未来20年内洁净煤发展技术的主流。,洁净煤燃烧技术No.01/64,不同参数火电机组的热效率和供电煤耗：,洁净煤燃烧技术No.01/64,热泵技术,热泵原理No.01/64,从能量利用的角度来看，热泵的基本原理是实现供给能量与需求能量之间的能量品位匹配。,能量由火用及火无两部分组成，火用所占比例越高，则其品位也越高。在能源的利用中，供给能量与需求能量的品位不匹配，就需对要供给能量进行转换，以满足合理用能的原则。,如果供给能量的品位高于需求能量，直接利用时会出现能量品位贬值，造成火用损失。采用热泵技术，可将高品位供给能量与环境热量(火无)进行混合，与需求能量的品位相等。所获得的火无即为节约的能量。,如供给能量的品位低于需求能量，则无法直接利用而排放到环境中，造成能量损失。采用热泵技术，可将低品位的供给热能中的部分火无排放到环境中，使能量的品位升高，达到用户的要求，从而避免采用更高品位的能量，节约能源。,采用电能(机械能)驱动的热泵，其实际循环主要有以下几种：蒸汽压缩式(逆朗肯循环)，气体压缩式(逆布雷顿循环，逆Stirling循环)及热电制冷。,实际绝大部分热泵是按照蒸汽压缩式热泵循环工作，基本系统包括压缩机、冷凝器、节流装置和蒸发器四个部件，循环由两个等压过程、一个等熵过程和一个绝热节流过程组成。,热泵原理No.01/64,采用热能驱动的热泵，其工作过程是由一个动力循环和一个消耗机械能的热泵循环，由动力循环向热泵循环提供动力，热泵循环通过工质从环境吸收热量，产生供给热量。其动力循环可通过热力压缩的方式实现。,吸收式热泵是典型的由热力压缩式热泵。如果供给热量的温度高于需求温度，则该类热泵的供热系数总是大于1，称为第一类吸收式热泵；如果供给热量的温度小于需求温度，则该类热泵的供热系数总是小于1，称为第二类吸收式热泵。,吸收式热泵是利用溶液在一定条件下能析出低沸点组分的蒸气，在另一条件下又能强烈吸收低沸点组分的蒸气这一特性完成热泵循环的。第一类吸收式热泵系统主要包括发生器、吸收器、冷凝器、蒸发器、节流阀、溶液泵等部件。,热泵原理No.01/64,第一类吸收式热泵与第二类吸收式热泵的最大区别在于：由于系统流程不同，驱动第一类吸收式热泵的热源温度必须高于用热对象的温度，而驱动第二类吸收式热泵的热源温度则低于用热对象的温度。,热泵原理No.01/64,蒸汽喷射式热泵是另一种典型的热力压缩式热泵，热泵由锅炉、喷射器、冷凝器、蒸发器、节流元件和水泵等部件组成。,喷射器是热力压缩式热泵的核心部件，其性能用喷射系数表示：,蒸气喷射式热泵单位工质的制热量及耗热量分别为：,蒸气压缩式热泵的性能系数为：,热泵原理No.01/64,热泵在建筑供暖中的应用No.01/64,风冷热泵冷热水机组：用空气作为热源的风冷热泵冷热水机组，在为用户冬季供热水、夏季供冷水的时候，不但利用热泵技术节约了能源，而且省去了锅炉加热供暖系统和复杂的冷却水系统。,商用分体热泵机组是指大型的单元式的空调机组，多使用于公共场所，都是分体式的。根据室内机组的结构型式，商用热泵机组分为立柜式、天花板嵌入式、天花板悬吊式和屋顶式等多种型式。,空气源热泵以自然界空气为低温热源。由于空气无处不在，使用方便，可提供足够的热量；但热力状态随季节、地域、昼夜等发生明显变化比热容小，换热性能差，含有水蒸气，换热器有凝露结霜问题。,热泵型分体式空调器是最常见的空气源热泵，由室内机组和室外机组两部分组成。这种空调同时具有制冷和制热功能，通过换向阀进行切换，从而实现了一机两用。压缩机置于室外，减少了装置的噪音。,热泵在建筑供暖中的应用No.01/64,地源热泵技术是一种利用浅层常温土壤或地下水中的能量作为能源的新型热泵技术。该技术可同时供暖和制冷，并能够提供生活热水。利用水与地能（地下水、土壤或地表水）进行冷热交换来作为水源热泵的冷热源，冬季把地能中的热量“取”出来，供给室内采暖，此时地能为“热源”；夏季把室内热量取出来，释放到地下水、土壤或地表水中，此时地能为“冷源”。,地源热泵系统冬季代替锅炉从土壤中取出热量向建筑物供暖，夏季代替普通空调向土壤排热给建筑物制冷。地源热泵技术节能效果显著，且不向外界排放任何废气、废水、废渣，是一种的理想的“绿色技术”。,地源热泵在国内也被称为地热泵。根据利用地热源的种类和方式不同可以分为以下3类：(1)土壤源热泵或称土壤耦合热泵（GCHP）(2)地下水热泵（GWHP）(3)地表水热泵（SWHP）,水源热泵的低温热源来自地球表面或浅层底下水，或人工再生热水，具体包括：地下水，地表水(江河湖海及人工水域)，城市污水，工业温水等。,以地下水及地表水为热源的热泵一般划入地源热泵。地表水源(江河湖海)水量丰富，与大气相比温度相对稳定，但一年内温度变化较大、没有蓄热蓄冷的效果；以地表水源作为低温热源不会引起地面下沉等地质问题，但使用不当会引起环境污染；地表水源受到水资源分布的限制，由于水质情况复杂，可能会带来材料的腐蚀和磨损问题。,城市污水存储着大量低品位热能,以1万立方米/日计算,冬季从污水中提取温差7的热量,可为约8.37万平方米的建筑供暖；夏季向污水中释放温差12的能量，可为约6.5万平方米的建筑供冷。城市污水具有冬暖夏凉、水温变化幅度小、水量稳定等优点,是很好的低温热源。,工业生产中产生很多低温热水，如电力，石化，冶金及钢铁等行业的冷却水，其温度一般比环境温度高出20以上，且流量稳定，是极好的低温热源资源。但工业温水资源有分布的限制，且水质一般较差，也存在材料的腐蚀和磨损问题。,热泵在建筑供暖中的应用No.01/64,热泵技术用于建筑供暖，可提高能源利用效率，节约大量的能源，减少环境污染，对当前的节能减排工作具有重要的意义，具有广阔的应用前景。,当前热泵技术用于建筑供暖的主要问题是低温热源的来源问题。选择合适的低温热源，可提高系统的效率及可靠性，降低投资。,在各种热泵中，以水作为低温热源的热泵系统性能较高，投资也较小，但受到资源分布、环境污染及地质条件的限制；土壤热源投资较大，换热特性不佳；而以空气作为热源的热泵系统可靠性较差。发展热泵供暖技术，应根据当地的条件，合理利用各种低温热源，并充分考虑经济性因素。,热泵在建筑供暖中的应用No.01/64,在工业生产中，所加入的能量经过一系列工艺流程后其品位降低，造成能量的贬值，最终成为废热排入环境。,热泵技术在工业生产中的应用非常广泛，某些生产流程实际上就是典型的热泵过程(如蒸汽压缩海水淡化)。这里只对一些典型的过程进行分析。,如果在某一适当的环节引入热泵技术，通过消耗一定的高品位能量或采用第二类吸收式热泵，可使其能量品位上升，达到某一工艺环节的用能要求；在某些工艺流程中采用热泵技术，还可提高产品质量。,在工业生产过程中根据其工艺特点推广热泵技术，对节约能源、降低生产成本、提高产品的竞争力有重要意义。,热泵在工业生产中的应用No.01/64,干燥过程广泛应用于食品、石油、化工等各个行业。在干燥过程使用热泵技术，可降低能量消耗，提高产品质量。,传统的热风干燥工艺，能耗大，且对热敏性原料的品质影响较大。热泵干燥是利用压缩式热泵将干燥的尾气在蒸发器中降温除湿，然后在冷凝器中加热成为高温低湿的干燥空气又进入干燥室，如此反复循环使物料干燥。热泵干燥在食品加工领域具有明显技术优势。美国在80年代就广泛使用热泵干燥粮食，比传统的热风干燥节能40%以上；我国在80年代开始研究利用热泵干燥茶叶，并用于生产，所产茶叶质量优良、能耗降低。利用热泵干燥加工食品，得到的干制品色泽鲜艳，营养含量高。,热泵在工业生产中的应用No.01/64,蒸馏过程广泛应用于食品、石油、化工等各个行业。该过程不但耗费大量的热能使溶液中的低沸点成分蒸发，还需要大量的冷凝水使已蒸发的蒸汽凝结为液体。采用热泵技术，可降低能量消耗。,在蒸馏过程中，挥发成分的蒸发所消耗的热量与凝结所放出的热量近似相等，但凝结所放出的热量品位低于蒸发所需的热量。采用热泵技术，利用压缩机将凝结热量的品位提升，从而可实现热量的循环使用，压缩机所消耗的电能用于补偿组分分离所需的有用功及不可逆过程的火用损。,图1的热泵蒸馏流程实际上是一个典型的热泵过程。这种技术广泛用于食品加工、石油、化工及制药等行业。热泵蒸馏用于海水淡化，就是所谓的蒸汽压缩海水淡化，被小型海水淡化装置广泛采用。,热泵在工业生产中的应用No.01/64,某合成橡胶厂合成橡胶、合成热塑性弹性体等生产装置中，对胶液的凝聚过程通常采用经典的釜式凝聚方法，将聚合生成的聚合物胶液喷入热水，通过水蒸气加使溶液状的橡胶凝聚成颗粒状，并回收溶剂和未反应完全的单体，将聚合过程中的残余催化剂洗净、脱除。该工艺分为两个过程，即水蒸气蒸馏和扩散过程。评价凝聚操作的指标主要是蒸汽消耗量和胶中含油量。,热泵在工业生产中的应用No.01/64,从流程图可以看出