节能原理与技术讲义

精选文档子模块一、节能减排1.1节能减排改革开放以来，中国经济维持了高速增长。但进入新世纪后，随着经济的发展，环境污染问题也越来越突出，突出体现在废水、废气和固体废物等对河流、空气和土壤的污染，这些污染已经严重影响到人们的生活，也影响到中国的可持续发展能力。环境承载力已经成为中国经济持续发展的瓶颈，因此，尽最大可能降低能源消耗、减少污染物排放是中国经济发展的内在要求，也是建设和谐社会的内在要求。节能减排是贯彻落实科学发展观、构建社会主义和谐社会的重大举措；是建设资源节约型、环境友好型社会的必然选择；对于调整经济结构、转变增长方式、提高人民生活质量、维护中华民族长远利益，具有极其重要而深远的意义；也是我国对国际社会应该承担的责任。我们要充分认识节能减排工作的重要性和紧迫性。1.2节能减排的意义我国经济快速增长，各项建设取得巨大成就，但也付出了巨大的资源和环境代价，经济发展与资源环境的矛盾日趋尖锐，群众对环境污染问题反应强烈。这种状况与经济结构不合理、增长方式粗放直接相关。不加快调整经济结构、转变增长方式，资源支撑不住，环境容纳不下，社会承受不起，经济发展难以为继。只有坚持节约发展、清洁发展、安全发展，才能实现经济又好又快发展。同时，温室气体排放引起全球气候变暖，备受国际社会广泛关注。进一步加强节能减排工作，也是应对全球气候变化的迫切需要，是我们应该承担的责任。(一)节能减排是中国可持续发展的必然选择关于中国的能源家底，有一种说法是中国富煤、贫油、少气。节能减排完全没有必要，而实际上，煤炭资源虽然绝对数量庞大，但1800亿吨左右的可采储量，只要除以13亿这个庞大的人口基数，人均资源占有量就会少得可怜。石油，我国去年消费原油3.2亿吨，当中1.5亿吨来自进口。这就显示，节能减排的重要性，即使将新发现的渤海湾大油田10亿吨储存全部开采。也仅够我国用三年。目前我国探明石油储量约60亿吨，仅够开采20年，刚好是世界平均40年的一半。我国节能减排的压力比世界上任何一个国家都要大，特别是，我国还是世界上能源浪费较为严重的国家之一。我国应该节能减排不能像美国那样消耗能源，现在我国平均每人每年消耗石油200公斤，美国每人每年消耗3吨。2020年，中国15亿人口，我们如果像美国一样每人消耗3吨，每年就需要45亿吨，去年世界石油产量只有40亿吨， 40亿吨石油贸易量只有16亿吨，加上成品油20亿吨贸易量，全部贸易量给中国都不够。我们必须走一条节能减排新兴工业化道路，建设资源节约型、环境友好型社会。”（二）节能减排是遵循人类社会发展规律和顺应当今世界发展潮流的战略举措节能减排的重要性，工业革命以来，世界各国尤其是西方国家经济的飞速发展是以大量消 耗能源资源为代价的，并且造成了生态环境的日益恶化。有关研究表明，过去50年全球平均气温上升的原因，90%以上与人类使用石油等燃料产生的温室气体增加有关，由此引发了一系列生态危机。节约能源资源，保护生态环境，已成为世界人民的广泛共识。保护生态环境，发达国家应该承担更多的责任。发展中国家也要发挥后发优势，避免走发达国家“先污染、后治理”的老路。对于我国来讲，进一步加强节能减排工作，既是对人类社会发展规律认识的不断深化，也是积极应对全球气候变化的迫切需要，节能减排是树立负责任的大国形象、走新型工业化道路的战略选择。（三）节能减排是应对资源稀缺与环境承载能力有限的挑战的必然选择近年来，我国资源环境问题日益突出，节能减排形势十分严峻。我国人均水资源占有量仅为世界平均水平的1/4，到2030年将成为世界上严重缺水的国家。我国的石油、天然气人均占有储量只有世界平均水平的11%和4.5%，45种矿产资源人均占有量不到世界平均水平的一半。我国人均耕地面积不足1.5 亩，不到世界平均水平的1/2。目前，我国能源利用效率比国际先进水平低10个百分点左右，单位GDP能耗是世界平均水平的3倍左右。环境形势更加严峻，主要污染物排放量超过环境承载能力，流经城市的河段普遍受到污染，土壤污染面积扩大，水土流失严重，生态环境总体恶化的趋势仍未得到根本扭转。发达国家上百年分阶段出现的环境问题，近20多年来在我国集中出现。由于我国已经进入工业化和城镇化加速期，重化工业较快增长还会持续一段较长时间，这一过程中能源资源消耗和污染排放与经济增长一般呈现正向关联。因此，在资源稀缺与环境承载能力有限的情况下，传统的高投入、高消耗、高排放、低效率的增长方式已经走到了尽头。不加快转变经济发展方式，资源难以支撑，环境难以容纳，社会难以承受，科学发展难以实现。因此，为了我们的国家，为了我们了社会，为了更好的生存我们必须贯彻实施节能减排计划。1.3节能减排的措施为了降低能耗和污染物的排放量，中国政府积极推进产业结构调整，转变经济增长方式，落实科学发展观。政府采取了各种优惠措施，加快发展服务业，推进工业结构优化升级。中国政府还坚决关停小火电、小水泥厂等高污染、低能效的落后产能。此外，中国也在努力与国际社会合作研究清洁煤技术，这将为中国清洁利用丰富的煤炭资源提供可行的技术条件。不仅如此，中国也在通过各种措施提高人们在生产、生活中的节能意识。节能减排关系社会可持续发展，关系广大人民群众切身利益，但目前节能减排工作任务相当艰巨，必须下最大的决心，用最大的力气，采取各种有效措施，并需要全民动员，从现在做起，从点滴做起。（一）要加快产业结构调整要大力发展第三产业，以专业化分工和提高社会效率为重点，积极发展生产性服务业；以满足人们需求和方便群众生活为中心，提升发展生活性服务业；要大力发展高技术产业，坚持走新型工业化道路，促进传统产业升级，提高高技术产业在工业中的比重。要积极实施“腾笼换鸟”战略，加快淘汰落后生产能力、工艺、技术和设备；对不按期淘汰的企业，要依法责令其停产或予以关闭。 （二）要大力发展循环经济要按照循环经济理念，加快园区生态化改造，推进生态农业园区建设，构建跨产业生态链，推进行业间废物循环。要推进企业清洁生产，从源头减少废物的产生，实现由末端治理向污染预防和生产全过程控制转变，促进企业能源消费、工业固体废弃物、包装废弃物的减量化与资源化利用，控制和减少污染物排放，提高资源利用效率。 （三）要强化技术创新要组织培育科技创新型企业，提高区域自主创新能力。加强与科研院校合作，构建技术研发服务平台，着力抓好技术标准示范企业建设。要围绕资源高效循环利用，积极开展替代技术、减量技术、再利用技术、资源化技术、系统化技术等关键技术研究，突破制约循环经济发展的技术瓶颈。 （四）要加强组织领导，健全考核机制要成立发展循环经济建设节约型社会工作机构，研究制定发展循环经济建设节约型社会的各项政策措施。要设立发展循环经济建设节约型社会专项资金，重点扶持循环经济发展项目、节能降耗活动、减量减排技术创新补助等。要把万元生产总值、化学需氧量和二氧化硫排放总量纳入国民经济和社会发展年度计划；要建立健全能源节约和环境保护的保障机制，将降耗减排指标纳入政府目标责任和干部考核体系。为了我们的国家，为了我们的社会，为了更好的生存，我们必须牢固树立和全面贯彻科学发展观，贯彻实施节能减排计划，积极探索出一条社会经济又好又快发展的途径。子模块二、能量的平衡2.1概述用能设备及企业，要消耗能源以电能、热能、机械能等来生产各种产品。人们关注的主要问题，一是产品的质量，二是能源消耗水平，及能源利用效率的高低。前者涉及生产工艺、生产流程及操作水平，后者涉及用能水平。在能源消耗量日益剧增、世界能源相对紧缺的情况下，提高设备热效率，提高企业的能量利用率，已愈来愈为人们所重视。进行企业或者设备的能量平衡，以评价其能源利用状况，找出能源浪费的环节或部位，优化用能过程，指导节能工作，达到降低成本、提高生产效率的目的。热力学第一定律是热平衡的基础，他是能量转换与守恒定律在伴随着热效应的物理及化学过程的应用，指出各种能量在传递和转换过程中，其总量是守恒的。过程进行中，输入能量一部分被有效利用，或对外做有用功，或引起工质的能量变化，另一部分则被损失掉，即输入能量=有效利用能量+损失能量2.2热平衡由于所有耗能设备总要消耗燃料或其他能源，对输入系统的能量和离开系统的能量进行数量上的平衡，即为热平衡，热平衡在能量系统和节能管理工作中极为重要。一个处于任意平衡状态的系统，在没有宏观功的条件下，靠系统与外界直接相互作用以改变系统状态的方式称热接触（或热交换）。两个热力学系统进行热接触时，系统原来的平衡状态一般都将发生变化；经过足够长的时间之后，系统的状态不再发生变化；这时可以认为两个系统处于热平衡。如果两个系统热接触时，状态没有发生变化，则说明两个系统已是互为热平衡的。可以认为互为热平衡的两个系统的冷热程度相同。热平衡的分类：（1）设备热平衡 以一台设备或装置为对象的热平衡。（2）企业热平衡 以车间、企业为对象的热平衡。企业热平衡建立在设备热平衡的基础上。我国以制定了相应的热平衡国家标准，并已对如锅炉、工业窑炉、用汽设备等设备和如石化厂、发电厂等企业开展了热平衡工作。热平衡方程（热交换定律）温度不同的两个或几个系统之间发生热量的传递，直到系统的温度相等。在热量交换过程中，遵从能的转化和守恒定律。从高温物体向低温物体传递的热量，实际上就是内能的转移，高温物体内能的减少量就等于低温物体内能的增加量。其平衡方程式为：Q放=Q吸(Q表示热量)此方程只适用于绝热系统内的热交换过程，即无热量的损失；在交换过程中无热和功转变问题；而且在初、末状态都必须达到平衡态。系统放热，一般是由于温度降低、凝固、液化及燃料燃烧等过程。而吸热则是由于温度升高，熔解及汽化过程而引起的。2.3设备热平衡设备热平衡是企业热平衡的基础，只有设备用能合理，才能使企业用能合理。在我国，无论是工业生产还是家庭用户，大量使用锅炉。发电厂所用的电站锅炉，每年约消耗我国煤产量的三分之一。工业锅炉及家庭用煤又消耗约三分之一。而锅炉尤其是工业锅炉的热效率较低，做好锅炉热平衡，提高其运行效率，对节能具有重大意义。锅炉是将煤的化学能转变为蒸汽或水的热能的设备。由于各种原因，燃料在锅炉中不会完全燃烧，燃烧放出的热量也只有一部分被工质所吸收，还有一部分随炉渣烟气排放到环境中。尽量减少损失热是提高锅炉效率的有效措施。2.4锅炉热平衡一、锅炉热平衡的概念在稳定工况下，输入锅炉的热量应与输出锅炉的热量相平衡，锅炉的这种热量收、支平衡关系，就叫锅炉热平衡。输入锅炉的热量是指伴随燃料送入锅炉的热量；锅炉输出的热量可以分为两部分，一部分为有效利用热量，另一部分为各项热损失。锅炉热平衡是按1kg固体或液体燃料（对气体燃料则是1Nm3标准）为基础进行计算的。在稳定工况下，锅炉热平衡方程式可写为： kJ/kg (31)以百分数表示的热平衡方程式，即 % (32)二、锅炉热平衡的意义研究锅炉热平衡的意义，就在于弄清燃料中的热量有多少被有效利用，有多少变成热损失，以及热损失分别表现在哪些方面和大小如何，以便判断锅炉设计和运行水平，进而寻求提高锅炉经济性的有效途径。锅炉设备在运行中应定期进行热平衡试验（通常称热效率试验），以查明影响锅炉效率的主要因素，作为改进锅炉的依据。锅炉输入热量和有效利用热量一、锅炉输入热量对应于1kg固体或液体燃料输入锅炉的热量包括燃料收到基低位发热量、燃料的物理显热、外来热源加热空气时带入的热量和雾化燃油所用蒸汽带入热量，即=+ (33)燃料的物理显热为： (34)对于燃煤锅炉，如燃煤和空气都未利用外部热源进行预热，且燃煤水分0存在端差出水温度降低加热不足运行中加热器端差增大的原因：（1）加热器壳侧不凝结气体增加（2）加热器管侧表面脏污和沉积（3）疏水异常受热面减少或过负荷工作端差对经济性的影响、端差的存在和增大表现为（1）给水吸热在相邻加热器间转移（2）高压级抽汽增加替代低压级抽汽放热（3）造成回热作功比下降影响回热的效果不同的系统连接方式端差的影响不同疏水冷却器疏水冷却器DC的热力过程疏水自流指由pj压力下的饱和水自流至pj-1压力加热器（左图）在hs图上表示为沿a-b的等焓节流过程，虽然焓不变但有熵增使用DC后疏水由pj压力饱和水a沿等压 (饱和水)线冷却至a1降温后的疏水自流至pj-1压力加热器表现为沿a1-b1的等焓节流使用DC后的节流熵增s1明显小于无DC时的节流过程熵增s疏水冷却器DC的节能原理主因：由于水蒸气性质(等压线渐扩性)，使用DC减少了节流熵增辅因：由于疏水温度降低其在j-1级加热器中的放热过程温差减少疏水冷却器DC的定量分析j的影响：NO.j疏水放热变化：H=BjjjNO.j抽汽放热变化：H=jjjNO.j-1疏水放热变化：H=(Bj+j)jj-1综合影响：H=(Bj+j)j(j-j-1)综合影响：Q=(Bj+j)j(j-j-1)经济性分析i=(H-Qi)/(H-H)凝汽器过冷度凝汽器过冷度过冷度是凝汽器凝水温度低于相应饱和温度的现象凝汽器空气漏入较多或抽气器工作异常是主要原因过冷度的定量分析过冷度增大对应的热井凝结水出水焓差值为cNO.1凝水吸热增加斥汽作功减少：H1=A1c1若NO.1疏水排向热井抽汽放热增加：q1=cH2=1c1H=H1+H2i=H/(H-H)子模块六、热管及热管换热器6.1 热管的基本知识 热管的结构和基本原理一、热管结构1、密闭容器 不同的工作流体须选择兼容的壳体材料与之配合2、毛细结构 包括铜网、纤维、沟槽、烧结3、作动流体 包括水、甲醇、氨等二、热管工作原理热管的基本工作原理如图所示,典型的热管由管壳、吸液芯和端盖组成,将管内抽成1.3(10-110-4)Pa的负压后充以适量的工作液体,使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封。管的一端为蒸发段(加热段),另一端为冷凝段(冷却段),根据应用需要在两段中间可布置绝热段。当热管的一端受热时毛细芯中的液体蒸发汽化,蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体,液体沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。如此循环不已,热量由热管的一端传至另一端。热管的分类种 类工作介质工作温度/兼容壳体材料低温热管氨氟里昂-21(CHCI2F)氟里昂-11(CCI3F)氟里昂-113(CCI2FCCIF2)-60100-40100-40120-10100铝、不锈钢、低碳钢铝、铁铝、不锈钢、铜铝、铜常温热管已烷丙酮乙醇甲醇甲苯水01000120013010130029030250黄铜、不锈钢铝、铜、不锈钢铜、不锈钢铜、不锈钢、碳钢不锈钢、低碳钢、低合金钢铜碳钢(内壁经化学处理)中温热管萘联苯导热姆-A导热姆-E汞147350147300150395147300250650铝、不锈钢、碳钢不锈钢、碳钢铜、不锈钢、碳钢不锈钢、碳钢、镍奥氏体不锈钢高温热管钾铯钠锂银4001000400110050012001000180018002300不锈钢钛、铌不锈钢、因康镍合金钨、钽、钼、铌钨、钽热管基本特征热管是依靠自身内部工作液体相变来实现传热的传热组件,具有以下基本特征:1、很高的导热性 热管内部主要靠工作液体的汽、液相变传热,热阻很小,因此具有很高的导热能力。2、优良的等温性 热管内腔的蒸汽是处于饱和状态,饱和蒸汽的压力决定于饱和温度,饱和蒸汽从蒸发段流向冷凝段所产生的压降很小,根据热力学中的Clausuis-Clapeyron方程式可知,温降亦很小,因而热管具有优良的等温性。3、热流密度可变性 热管可以独立改变蒸发段或冷凝段的加热面积,即以较小的加热面积输入热量,而以较大的冷却面积输出热量,反之亦然。这样可以改变热流密度,解决一些其它方法难以解决的传热问题。4、热流方向的可逆性 一根水平放置的有芯热管,由于其内部循环动力是毛细力,因此任意一端受热就可作为蒸发段,而另一端向外散热就成为冷凝段。此特点可用于宇宙飞船和人造卫星在空间的温度展平,也可用于先放热后吸热的化学反应器及其它装置。5、热二极与热开关性能 热管可做成热二极管或热开关。所谓热二极管就是只允许热流向一个方向流动,而不允许向相反的方向流动;热开关则是当热源温度高于某一温度时,热管开始工作,当热源温度低于这一温度时,热管就不传热。6、恒温特性(可控热管) 普通热管的各部份热阻基本上不随加热量的变化而变,但可变导热管使得冷凝段的热阻随加热量的增加而降低、随加热量的减少而增加,这样可使热管在加热量大幅度变化的情况下,蒸汽温度变化极小,实现温度的控制,这就是热管的恒温特性。7、环境的适应性 热管的形状可随热源和冷源的条件而变化。6.2热管理论热管的几种传热极限：毛细极限：指热管由于吸液芯结构为工作介质循环提供的毛细压力的限制而导致的传热极限。携带极限：当热管内部的蒸汽速度足够高时，液汽交界面存在的剪切力可能将吸液芯表面的液体撕裂将其带入蒸汽流从而导致蒸发区干涸。沸腾极限：指热管蒸发段由于径向热流或者管壁温度变得非常高而在吸液芯中液体生存气泡时的最大传热量。冷凝极限：指由冷凝段的传热能力所制约的热管的传热极限。声速极限：热管内部的蒸汽流动，由于惯性力的作用，在蒸发段出口处蒸汽速度可能达到声速或超声速而出现阻塞现象，此时的最大传热量被称为声速极限。黏性极限：蒸汽的压力由于黏性力的作用不断降低，热管的传热量随着冷凝段蒸汽压力的不断降低而增大，最终热管传热量在蒸汽压力位于冷凝段的末端时降为零而达到极限。连续流动极限：对于小热管以及工作温度很低的热管，热管内部的蒸汽流动可能处于自由分子状态或者稀薄、真空状态，在这种情况下，由于不能获得连续的蒸汽流，热管的传热能力将受到限制，热管的这种传热极限即为连续流动极限。冷冻启动极限：指热管在从冷冻状态启动的过程中，从蒸发段流来的蒸汽可能在绝热段或冷凝段再次冷凝而耗尽蒸发段流来的工作介质，导致蒸发段干涸，热管无法正常启动工作时的最大传热量。6.3热管的计算热管气-气换热器是由若干独立传热的热管按一定的排列方式所组成，目前的工业应用场合，均采用重力式热管作传热元件，所以热管气-气换热器的工艺设计计算内容包括重力式热管，以及以重力式热管作传热元件的气-气换热器两个部分的设计计算。2.1热管的材料及工作温度根据热管的工作原理知道，影响热管性能的几个主要因素为：管内的工作液体；热管的工作温度；管壁（壳体）材料。在进行热管设计计算以前，首先应考虑怎样确定上述这些因素。一般地说，这与设计的目的有关。因为热管的用途相当广泛，不同的用途对热管的要求也不尽一致。在某些场合下要求相当苛刻，例如宇航、军工中就是如此。此时管子的数量可能较少，但可靠程度和精密性要求却相当严格，可靠性占第一位，经济性则处于次要地位。在民用和一般工业中，管子数量相当多（已属批量生产），这时经济性占了突出地位，如果价格昂贵，应用也就失去意义。故此时的热管设计应注意经济性，应尽量采用价廉易得且传输性能好的工作液体；不采用吸液芯，完全依靠重力回流；对管壁则尽可能采用廉价金属-碳钢。壳体材料首先应满足与工质的相容性要求。除此之外壳体材料还应满足在工作温度下的刚度和强度要求。同时应考虑对热管壳体材料的选择必须符合我国有关标准的规定。热管是依靠工作液体的相变来传递热量的，因此工作液体的各种性质对于热管的工作特性也就具有重要的影响。一般应考虑以下一些原则：工质应适应热管的工作温度区在指定的设计条件下，冷源和热源的温度是已知的，换热条件也是明确的，因而热管本身的工作温度范围可以通过一般的传热公式计算出来。热管的工作温度一般是指工作时热管内部工作液体的蒸汽温度。在良好的热管工作时，工质必然在汽-液两相状态。据此，所选择的热管工作液体熔点应低于热管的工作温度，而临界点必须高于热管的工作温度，热管才有可能正常工作。在某一温度范围内有几种工作液体可被选用，这就要依次考虑各种因素，并加以对比，作出选择。工质与壳体材料应相容，且工质应具有热稳定性工作液体与壳体、吸液芯材料的相容性是最重要的必须考虑的因素。因为一旦壳体或吸液芯材料与工作液体发生化学反应了，或是工作液体本身分解了，都将产生不凝性气体。化学反应的结果将使壳体受到腐蚀破坏，这些都将使热管的性能不断变坏，甚至不能工作。目前还没有完整的理论来计算材料的相容性，但是确定材料相容性的试验研究结果已相当多。原来的文献中认为水与碳钢材料不相容，但水-碳钢热管换热