节能技术-热能(一)-王

1、 节能技术节能技术 热能（一）热能（一） 2022-4-2612022-4-262 “国家节约能源法国家节约能源法”关于节能的定义是： 加强管理，采取技术上可行可行、经济上合理合理以及 环境和社会可以承受承受的措施，从能源生产到消 费的各个环节，降低消耗，减少损失，制止浪 费，更加有效合理的利用能源。 严济慈说：所费多于所当费所费多于所当费 所得少于所可得所得少于所可得 就是浪费 “当费当费”和“可得”的定性和定量： 指明事物发展的方向和人类 活动可能的范围。 这就是节能这门学科的核心 一 概述1节能技术是一门科学科学。 有它完整的理论和规律，是对能源利用完善程度的定性定性和定量定量剖析。 感

2、到无能为力、熟视无睹、 伪科学 都是不对的。二. 节能的方向和范畴 1. 广义节能和狭义节能。 2. 能量量量的节能和能量质质的节能。2022-4-2632022-4-264 能量是指能的质量和能的数量。 这两方面都节约了才能称能量 的利用完善利用完善了。 节约能的质量质量宏观宏观节能可得必得可得必得 主要是系统节能。 理论基础是：“工程热力学”。 节约能的数量数量微观微观节能不当费则当费则 不费，不费，主要是设备节能。 理论基础是：“传热理论”、 “燃烧理论”、“传质（干燥）理论” “工质特性理论”、“热机理论”等。 二 工程热力学质的节能1热力学第一定律热力学第一定律 能量转换和守恒定律：

3、 功功=常数热量常数热量 W=AQ 说明:能量有不同的形式，功和热都是能量； 能量必有它的由来，是转换而来；转换前后 相等，可用当量值当量值来折算等式两边平衡。 常数A就是功的当量值功热当量。 揭示了：第一类永动机及其它伪科学的不可能 性，不可能不需要输入能量就能连续作功； 2022-4-2652022-4-266 还可写为： 输入能量输出有用能量损失能量输入能量输出有用能量损失能量 效率输出有用能量效率输出有用能量/ /输入能量输入能量 % % 能量的多次转换： 总效率效率总效率效率1 1效率效率2 2效率效率3 3 如如: :发电系统总效率锅炉效率发电系统总效率锅炉效率 管道效率管道效率汽

4、轮机效率汽轮机效率发电机效率发电机效率 研究这些等式的方法，就是热平衡和能量平 衡方法提高转换效率的方法。转换效率的方法。 研究：尽可能提高有用能量和尽可能减少损 失能量就是节能热力学第一定 律指明了节约能量数量的方向。 2022-4-267越是大型设备越有可能做得更完善，转换效 率越高 。如集中供热 、煤气化、坑口 电站、大型发电站等。各种能量的转换：火力发电站、三峡水电站， 核电站；其他新能源风力发电、潮 汐发电、太阳能发电、垃圾发电等等。能源资源的节约： 太阳能转化矿物质能不可再生能源不可再生能源， 太阳能转化为生物质能可再生能源可再生能源。2022-4-268 二.热力学第二定律 热力

5、学第一定律没有说明： 能量的自生不可能，还有些什么 不可能？ “温度”这一重要概念没有出现， 没有被描述； 功和热功和热能完全等同描述吗？ 能量有转换方向吗？都可逆吗？ 有序运动有序运动可方便的变为热分子的 无序运动无序运动，反之行吗？ 2022-4-269 热力学第二定律热力学第二定律的描述： 1.不能制造出只与单一温度热源 交换热量，对外作功，又不引起 其它变化的热力发动机。 2.热量不可能从低温物体传向高温物 体，而不引起其它任何变化。 热转化为功有一个限制，一个不可能： 即卡诺循环效率卡诺循环效率最高可能性： =1-T低低/T高高 2022-4-2610 如：火焰温度 T1=1200

6、蒸汽温度 T2=200（1.6MPa） 环境温度 T3=30 充分利用火焰（1200）: =1-（30+273）/（1200+273） =79.4 而利用蒸汽（200）： =1-（30+273/（200+273） =35.9 发电厂： 压力 MPa温度 卡诺 %锅炉 %汽机 %发电、厂用电%发电 %1.018033.133.185857373838316.43.534050.650.687877575878728.710.054062.762.790907878909039.62022-4-2611 发电=卡诺锅炉锅炉汽机汽机电厂电厂 红色红色部分是日常关注的重点, 是第一定律的范畴。大型发电

7、厂的锅炉效率可达9098%，利用了燃料能的9098%， 能量的数量可谓充分利用了。 但在转换为功（机械能、电能）时，不得不乘上这个无情的卡诺循环效率卡诺，它揭示了是节能的另一部份，是第二定律的范畴。是能量质量部分是最大可得的机械能的部分，而得到机械能后还可再供热，这才是真正利用完善了。 如同一棵大树，可以全部做成筷子，重量上并没有“损失”；但也可先做顶梁柱、大梁，剩余部分和枝杈再做筷子。两种取舍等同吗？木料的大小代表了质量，一定要关注木料的大小才不浪费。2022-4-2612 第一定律所费多于所当当费， 从能源的下游能源的下游节约，量的节约； 第二定律所得少于所可可得， 从能源的源头能源的源头

8、多利用，质的节约。 下图就是这块“木料”的取舍问题。表示了能 源利用的梯级化和完善化程度，潜力巨大。说明：1. 超不可能，第二类永动机第二类永动机不可能，所 得多于所可得所可得是不可能的； 2. 能量具有品位品位问题能量取得的难易 问题能量的质量问题： 电能、机械能比热能品位高； 温度愈高，热能的质量愈高 品位品位问题也揭示了能源利用的完善性能源利用的完善性。温度 越高，卡诺循环效率越高，利用越多； 集中供热比小锅炉效益高；热电联供效益更 高，利用了高端能量，白白回收了电 能；热电联供也是参数越高越好；联合 循环发电效率更高。 大型化，且高参数化高参数化，才获益越大。2022-4-261320

9、22-4-2614 一种新的理念：分布式能源系统。 3.按第一定律计算的是当量热量当量热量，只反映能量的数量； 反映能量质量的是被第二定律所决定的等价热量等价热量。 电1kwh=3600kj3600kj=电加热放出的热量，相当0.1229 kg标煤，是当量值当量值 ；而取得 1kwh电，发电厂效率3040%，实际需要10550kj10550kj，即0.360kg标煤的热量才行就是电的等价值等价值； 而如果蒸汽有3600kj3600kj的热量 ( (当量当量) ) ，锅炉效率8090%，需要4500kj4500kj的热量的煤，即0.15kg标煤才行。是蒸汽的等价值等价值。 不能说锅炉效率高于发电

10、厂的2倍； 2022-4-2615 电的功能远非蒸汽所可比，品位品位高得多，等价值等价值也高的多等价值揭示了能量的品位本质 ；也揭示能耗与国家资源的关系，节能对于国家资源的责任； 统计部门用当量值当量值，是为了避免重复计算这是两回事。 4.从统计学统计学看：热能是分子的无序运动，而电能是原子的有序运动。从有序到无序很容易，而从无序到有序不容易。能源等级完全不一样。 可见普遍意义上讲：第一定律的热平衡已不能作为评价能量利用完善性的可比尺度评价能量利用完善性的可比尺度。2022-4-2616 5. 热平衡只考虑外部损失，而“火用火用” ” 平衡平衡 才是对能量利用完善程度（转换）的评价 对能的质量

11、、内部损失充分评价： “火用火用” = Q卡诺 恒温热源 = i-TS 流动体系(变温) = kwh 电或机械能 可以转化为功的能，可用能可用能。 焓焓 = = “火用火用” ” “ “火无火无” “火无” = Q（1-卡诺） = TS 熵熵 S S ，代表损失。 能量平衡只反映各种能源的数量利用度, 未考虑质的差异;应该作“火用” 平衡。2022-4-2617 6. 所得少于所可得所得少于所可得的常见问题: 阀的节流，热量没有损失，但压力下降了， 可用能减少了，能量损失了； 燃煤取暖，可以做到没有热损失，但燃烧温 度达1200只为取暖的50服务，发过 电再供热，这部分电能岂非白白取得了 电解

12、制氢，氢仅作为燃料合理吗？用高 级能源，取得低等级的热能； 吸收式（溴化锂）制冷可以低温热源代电 制冷循环是逆向卡诺循环，冷热两端都被利 用和关注了，称为热泵。热泵。可以少用电能 取得较多的热能，还可地热称为地源热 泵等。2022-4-2618 方向： 大型化、高参数化还称不上真正意义的科学用能，只有发展联合循环发电；发展热电冷气联供；发展热能、压力能的梯级利用；发展分布式能源系统；即重视能量质量的节能才是真正的科学用能；重视能量质量的节能才是真正的科学用能；即用能的即用能的可得必得；可得必得； 能源的源头利用或能源的梯级合理利用，是企 业级、地域区域级、甚至国家级的事，必 须有远见卓识的统筹

13、规划统筹规划； 企业新上项目能源评估必须有区域、地域的用 能评估能源的地域性评估地域性评估； 既从能源的下游节约，量的节约下游节约，量的节约；又从能源的源头利用，质的节约源头利用，质的节约，才是能源利用完善能源利用完善了。 2022-4-2619 3热力学第零定律热力学第零定律 两物体达到热平衡，即两者间完全没有热量传递时就是温度相等就是测温原理。T=Q/（F/d）温度计2022-4-2620四.热力学第三定律热力学第三定律 不论用什么方法都不可能把温度降到绝对零度。 指明人类活动的另一个可能的范围和方向。 绝对零度就是：分子原子都停止了运动；排列整齐所以易于达到“超导”； 此时“熵熵”也等于

14、零。 “熵”是第二、第三定律的一个重要参数。可以判断能量质量的损失方向；也可方便的确定化学反应的方向，因为一切化学反应都是朝着“熵”增方向进行的。 三 关于量的节能理论主要有：传热传热（换热）理论； 燃烧燃烧理论； 传质传质（干燥）理论等。 工质工质特性理论： 水、饱和水蒸汽、过热水蒸汽性； 空气、湿空气特性，等； 热机热机（热工学和机械学结合）理论等。 2022-4-26212022-4-2622一.传热理论 就是最大可能地加强加强传热和最大限度 地阻止阻止传热。 传热有三个途径：流体的对流对流传热、 固体的导热导热、辐射辐射传热。 1.对流传热 传热量： Q= T F 传热系数，与工质特性

15、和流速 有关。 1/热阻，它是传热系数的倒数。 2022-4-2623 关于关于 ：气体 =几十千卡/米2时度 液体 =几千千卡/米2时度 沸腾和冷凝时 =几万千卡/米2时度 充分利用沸腾和冷凝沸腾和冷凝传热： 合理使用疏水器和增加传热面积； 热管技术（热短路）的使用； 汗冷技术的使用； 关于关于F：设计合理的翅片高度与密度； 关于关于T：温压，与流体流向有关； 2022-4-2624 2. 导热 传热量为： Q=（/d）TF 金属=几十几百千卡/米时度 非金属=0.0R0.R千卡/米时度 d/热阻（d是厚度） 传热中金属金属的热阻可以忽略，是良体； 而热阻大的非金属非金属可做绝热材料。顺流逆

16、流热流体冷流体热流体冷流体温度流程温度流程2022-4-26253.辐射传热 传热量为： Q=（T14/100- T24 /100）F 辐射系数 与黑度、入射、反射、透射、 吸收、频谱等有关。 如：火焰辐射，与温度4次方正比； 太阳能电池板，太阳能热水器的 镀膜，入射 对外辐射； 太阳能温室效应； 汽车的防晒薄膜； 红外线红外线的应用。等等。 2022-4-26264.多层传热 总传热系数为多层热阻多层热阻和的倒数： 热阻最大的层，影响最大； 对流传热的热阻主要产生于附层， 经过一个气体层会加两个阻。 T高T低R1Qt/（R1R2R3）d/R21/2022-4-2627 所以疏松物体可做保温材

17、料，但需填 充合适和良好外保护； 保冷材料必须密闭细胞型； 热水瓶的设计很合理； 双层玻璃保温性能好、墙面再加保温 材料、太阳能利用等等，就构 成节能型建筑，面广量大； 在热阻大的一侧加翅片；着力提高 热阻大的一侧的流速，或传热 面积，等等。2022-4-2628二. 燃烧理论 燃烧是一个氧化反应，促进这个反应： 在点火阶段的加热加热和稳定稳定着火； 燃料与空气充分混合、组织、合理的反 应空间； 合理的空气量（） 燃烧各个阶段（预混燃烧、扩散燃烧） 的合理组织等等。 1.固体燃料 固定床层燃燃烧， 合理炉排、分层燃烧技术； 一二次风配比，预热预热； 煤的合理配比；2022-4-2629 合理的

18、前后拱。等等。 沸腾床、流化床燃烧； 热容量大，煤种适应性强。 粉煤燃烧燃烧器燃烧器合理预热、配风 ； 大型电站锅炉； 水煤浆、油煤浆技术。 2. 液体燃料油的燃烧（品种很多） 关键是雾化、配风（氧）、预热 很多成功的燃烧器燃烧器设计。 3. 气体燃料良好的配风预热燃烧器。 4. 关注新燃烧技术和理论，如纯氧燃烧、蓄 热式燃烧。 2022-4-2630三. 传质（干燥）理论质量和热量平衡 途径：固相和气相的传质。 固相固相：G=（/d）TF 传质系数，与物体的厚度d、空隙 度等有关。（注意控制干燥速度） 气相气相：G=F 扩散系数，与流速等有关。 浓度差。 如：粉碎、喷雾、沸腾床等方法； 合理

19、组织气流的温度、干度(湿空 气特性）和流动。等等。 四 节能实施技改 节能的实施技改和优化运行技改和优化运行两大方面 技改方面：技改方面：一.两大方向 节约能的质量能的质量 宏观宏观节能、系统节能。 节约能的数量能的数量 微观微观节能、设备节能。二. 关于能量质量质量的节约 对于一个地域，甚至国家，体现政府行为， 必须重视经济发展中关于能量质量质量节约 的“节能规划”、“可持续发展规划” 潜力巨大，甚至是革命性的，是全局能源全局能源 利用完善程度利用完善程度的体现。 对于一个企业、一个系统，体现决策和规划2022-4-2631 工作层次深、重度大，需逐步突破： 区域能源数字地图能源数字地图的制

20、作； 区域和企业的“火用火用”平衡、热热平衡； 制订区域和企业的能源中远期规划； 新建项目与区域和企业整体的能源利用能源利用完 善性评估能源的区域区域性评估； 最新节能理念、观念、动态的引进，循环 经济、清洁生产的实现； 实现能源综合利用热冷电气联供系统、 电热煤气联供系统、联合循环发电系 统、低温热源规划利用系统等； 新能源新能源的规划利用等等。 2022-4-26322022-4-2633三.关于能量数量的节约 首先需要关注： “十一五十一五”十大重点节能工程实施意见十大重点节能工程实施意见包括：燃煤工业锅炉（窑炉）改造工程 区域热电联产工程余热余压利用工程 节约和替代石油工程电机系统节能

21、工程 能量系统优化（系统节能）工程建筑节能工程 绿色照明工程政府机构节能工程 节能监测和技术服务体系建设工程 中国节能技术政策大纲中国节能技术政策大纲具体化七方面的重要政策：工业节能 交通节能 建筑节能 城市与民用节能农业与农村节能 可再生能源利用及其保障体系 清洁生产、循环经济、能效电厂、能源审计清洁生产、循环经济、能效电厂、能源审计等等新的理念。 需要注意： 1. 引进先进先进工艺，往往是革命性的节能； 2. 整体理念，梯级利用的理念。认识能量质量能量质量 的节约是大节约。 3. 开拓思路，借鉴其它行业、专业、领域的知 识、技术综合利用：如烟气二氧化硫的处理 4. 各种能源品种 、能源品位

22、、能源特点、 及 物料利用的具体分析，综合利用：如水泥预 制件的红外养护、工艺管道的电加热伴热。 5. 充分了解工艺，原设计必定有它的道理，须 谨慎。对原工艺理解越深，越能找到节能的对原工艺理解越深，越能找到节能的 正确途径。正确途径。2022-4-26342022-4-2635 6. 西瓜和芝麻都要。最大限度充分利用能源 减少低温热源的排放；然后再考虑余热 利用和回收；余热也是资源余热也是资源，不是废热。 7. 打破系统的界限互补综合利用； 8. 需要温度和需要热量需要温度和需要热量不一样；需要温度和需要温度和 需要时间需要时间不一样。如冶金炉主要要温度 高温、高排放、高回收是节能的 蓄热式

23、加热炉； 9. 设备越大，技术可能的完善程度好。 如世界公认的三大节能技术就是：集中 供热、煤气化和热电联产； 10. 是一个综合性技术，以锅炉为例：2022-4-2636四.以锅炉为例：2022-4-26372022-4-2638水处理系统制粉系统烟尘处理系统2022-4-26392022-4-2640五. 方法和步骤 1. 热平衡和能量平衡的检测，取得可靠详尽 的第一手资料； 2.计算“火用”平衡、热平衡和能量平衡，找到 能量利用的方向、能量损失的方向； 3. 方案的定性定性研究，决定方案方向； 4. 方案的定量定量研究经济性的比较计算： 节能量（能量的消耗、能源的消耗）、 投资、场地、先进性、等方面对选定的数 个方案，作可行性对比研究和计算： 回收年限 = 改造投入资金/年节约资金 = 24年或更长都是合理的。 五 节能实施优化运行一、设计和运行不一样，如： 传热，传热系数与流速随增，但同时 又 增加了风机的能耗； 锅炉，负荷增大，效率提高，但达 8090%以后又下降； 发电机组前面是提高参数有利，后部是冷 凝压力、温度越低