化工节能原理与技术课件-XXXX09

化工节能原理与技术主要内容第一章绪论第二章能源及能源利用现状第三章节能的热力学基础第四章流体输送过程的节能第五章传热过程的节能第六章传质分离过程的节能第七章热泵节能技术第八章化学反应过程节能第九章系统节能——夹点技术简介主要参考书1.冯霄，王彧斐编著.化工节能原理与技术（第四版.），北京:化学工业出版社，2015.2.雷志刚，代成娜编著，化工节能原理与技术，北京：化工出版社，2012.3.孙伟民编著.化工节能技术，北京：化工出版社，2010.4.黄素逸，王晓墨编.能源与节能技术（2nd.）,北京：中国电子出版社，2008.5.范文元主编.化工单元操作节能技术，安徽：安徽科技出版社，2000第一章绪论1.1能源概念--------------概念掌握1.2能源与发展-----------关系紧密1.3能源形势-----------------严峻1.4节能意义-----------重大------可持续发展1.1能源概念1.能源-EnergySource：?

能够为人类提供某种形式能量（机械能、热能、电能、化学能等）的自然资源及其转化物。或者说是能量的来源称为能源。如太阳能、风能、化石燃料、水力等。2.能源形式：太阳能风能水能

生物质能地热能潮汐能核能（煤、气、油）矿物质能源、电能、氢能等1.2能源与发展

从日常生活中必需的电、煤、气、自来水等的供应，到交通运输、通信等现代社会的一切活动都离不开它。能源为人类的生产和生活提供各种能力和动力的物质资源，是国民经济的重要物质基础。

能源的开发和有效利用程度以及人均消费量是生产技术和生活水平的重要标志。能源、材料、信息是人类发展的三大支柱产业。能源科学技术的每一次重大突破，都引起生产技术的革命，化学(工)在能源的研究和利用过程中扮演重要角色。

2.人类文明与能源利用瓦特(JamesWatt1736~1819年)发明蒸汽机(1769年专利)蒸汽机作为动力的纺织机械诞生于18世纪，但蒸汽机作为船舶和机车的动力而普及直至19世纪。19世纪中叶雷诺(EtienneLenoirl822—1900年)发明了燃气发动机19世纪中叶又发明了内燃机，从而开发出了汽车在1903年由汽车工人莱特兄弟制造的发动机动力飞机试飞成功20世纪初，通过火力发电和水力发电生产的大量电能，再通过输配电网络，使各种各样的用电产业获得惊人的进步和发展

在20世纪50年代到70年代间，从煤炭文明到石油文明的能源革命

20世纪90年代，开始使用使用液化天然气和液化石油气作为汽车用燃料

1.3能源形势1.全球能源危机

有关资料显示：目前在世界初级能源的产量和消费中，居第一位的是石油，其次是煤炭、天然气。

有关资料还显示：石油、煤炭、天然气等常规化石能源的储量日益减少，在可预见的不长时间内将被消耗殆尽，全球面临着严重的能源危机。如果新的替代能源没有届时被发现，人类的生存面临严重挑战！2.能源竞争能源是国民经济的命脉，是影响各国领导人战略决策的重要因素，是许多国家制定全球战略的首要问题。近20年来，世界上发生的许多危机、冲突都是围绕争夺能源引发的（如两伊战争，前苏联出兵阿富汗，海湾战争，科索沃战争，美国推翻塔利班，伊拉克战争等）。美国、俄罗斯、日本、欧盟、中国等许多国家针对中东、里海等石油资源展开了激烈的较量和错综复杂的斗争。3.中国面临“贫血”的威胁我国煤炭储量居世界第3位，人均为世界平均水平的50%；我国石油储量居世界第6位，人均为世界平均水平的17%；人均石油产量与消费量占世界平均水平的21%~22%；我国天然气储量居世界第16位，人均为世界平均水平的10%。目前我国人年均能源消耗是1000公斤标准煤，美国是11000公斤，英、德、法等国家为5000~6000公斤；2030年以后，我国人年均能源消耗是2000~3000公斤标准煤，人口达15亿以上。解决我国及世界能源危机的途径：一是节约使用能源；二是加强新能源技术的研究、开发和利用，不断扩大利用新能源的比重。4.中国能源现状1949年新中国成立时，全国一次能源的生产总量仅为2374万t标准煤，居世界第10位。2004年中国一次能源生产量达到18.45亿吨标准煤，全年能源消费总量19.7亿吨标准煤，是世界上第二大能源消费国和能源生产国。煤炭：2004年煤炭产量达到19.56亿吨（第一），同比增长17.3%，其中用于发电9.8亿吨左右；从1996年开始，我国由原油出口国变成原油进口国；2000年我国进口石油占消耗量的20%；美日等发达国家都建立了战略石油储备制度，可提供3~6个月的石油供应；我国没有战略石油储备。2009年以来，我国已成为世界能源生产和消费最大的国家。据国家统计局统计数据分析，我国2012年能源消费总量为36.2亿tce，其中煤炭占67.4％，石油19.0％，天然气5.3％。水能、核能、风能等非化石能源约占8％。另据BP统计数据显示，2012年我国除水能以外的可再生能源(如风能、太阳能、生物质能等)消费总量只占1.7％。近年来，虽然可再生能源得到了较快的发展，但我国的能源消费结构几乎没有改变。解决我国及世界能源危机的途径：一是节约使用能源；二是加强新能源技术的研究、开发和利用，不断扩大利用新能源的比重。5.中国能源存在的问题（1）人均能耗低（2）人均能源资源不足（3）能源效率低（4）以煤为主的能源结构亟待调整

1）大量燃煤严重污染环境

2）大量用煤导致能源效率低下

3）交通运输压力巨大

4）能源供应安全问题提到议事日程上来6.我国能源工业面临的问题环境污染严重；能源建设周期长，耗能多；能源价格未能反映其经济成本和能源资源的稀缺性；能源工业装备落后。7.解决我国能源问题的措施努力改善能源结构；提高能源利用率；加速实施洁净煤技术；合理利用石油和天然气；加快电力发展速度；积极开发利用新能源；建立合理的农村能源结构，扭转农村严重缺能局面；改善城市民用能源结构，提高居民生活质量；重视能源的环境保护。中国能源可持续发展的对策三个手段：加强政府的宏观决策和行政管理运用市场机制的调节作用利用经济增长的机遇1.4节能意义什么是节能？

节能就是应用技术上可行、经济上合理、环境和社会可以接受的方法来有效地利用能源。所以，节能并不简单地意味着少用能源，其实质是充分有效地发挥能源的作用，使同样数量的能源，可以提供更多的有效能，从而生产出更多、更好的产品，创造出更多的产值和利润。

化学工业有一个重要的特点，就是煤、石油、天然气等既是化学工业的能源、又是化学工业的原料，该两项加起来占产品成本25~40％，在氮肥行业达70~80％。因此广义的化学工业是工业部门中的第一用能大户。这一特点使得节能工作在化学工业中有着极为重要的意义。1.我国的节能政策现况党中央、国务院高度重视节能工作：胡锦涛总书记、温家宝总理多次就节约能源资源工作做出重要指示。国家对节能工作的定位：党的十六届五中全会提出把节约资源作为基本国策。确定国家节能指标：“十一五”规划《纲要》把“十一五”时期单位GDP能耗降低20％左右作为约束性指标。

国家“十二五”工业节能规划2.节能的意义降低成本合理利用资源，可减缓能源耗竭速度降低污染物排放，利于环境保护降低温室气体排放3.节能的途径结构节能：管理节能：技术节能：第二章能源及能源利用现状2.1能量与能源2.2能源分类2.3能量转换过程及转换设备或系统2.4传统能源技术进展2.5可再生能源的开发

2.6蓄能和换能技术★可再生能源开发利用情况2.1能量与能源能量——宇宙间一切运动着的物体，都有能量的存在和转化，人类一切活动都与能量及其使用紧密相关。所谓能量，也就是“产生某种效果（变化）的能力”。反过来说，产生某种效果（变化）必然要伴随能量的消耗和转换。

人类所认识的六种能量形式

机械能热能电能辐射能化学能核能2.2能源分类能源是指人类用来获取能量的自然资源2.2.1.按来源不同可把能源分为三类

（1）来自地球以外天体的能量（包括直接的太阳辐射能外，还包括间接来自太阳能能源，如化石能源、生物能、水能、风能、海洋能等）；（2）地球的本身蕴藏的能量资源（如地热能等）（3）地球与其他天体相互作用而产生的能量（如潮汐能等）2.2.2按形成条件不同，可把能源分为两类（1）一次能源，指天然存在的、可直接利用的（如原煤、原油、天然气、水力、太阳能等）（2）二次能源，在一次能源基础上加工而成的（如电力、汽油、煤气、沼气、氢气等）2.2.3按能否反复利用，把能源(一次)分为两类（1）再生能源（如太阳能、风能、水力等）；（2）非再生能源（煤炭、石油、天然气等）。2.2.4

按开发使用的程度，可把能源分为两类

常规能源，指已被广泛利用的能源；新能源，指未被广泛利用、正在研究开发、有待推广的能源。（辩证地看）2.2.5按能源本身的性质分含能体能源（燃料能源），如石油、煤、天然气、地热、氢等，它们可以直接储存；过程性能源（非燃料能源），它们无法直接储存，如风能、水能、海流、潮汐、波浪、火山爆发、雷电、电磁能和一般热能等。2.2.6按对环境的污染分清洁能源，即对环境无污染或污染很小的能源，如太阳能、水能、海洋能等；非清洁能源，即对环境污染较大的能源，如煤、石油等。2.3能量转换过程及转换设备或系统能量的转换

广义地说，能量转换应包含三项内容：能量的形态转换，即通常所谓的能量转换；能量的空间转换，即能量的传输；能量的时间转换，即能量的储存。2.3.1热能的产生

燃料燃烧核能转换太阳能转换地热电能转换2.3.2机械能的获取

2.3.3电能的生产热电转换磁流体发电热电偶温差发电热电子发电2.4传统能源技术进展

传统能源主要是化石燃料，按埋藏的能量的数量的顺序分有煤炭类、石油、油页岩、天然气和油砂。中文名称：油页岩oilshale;kerogenshale其他名称：油母页岩定义1：灰分高于50%的腐泥型固体可燃矿产。应用学科：电力（一级学科）；燃料（二级学科）定义2：灰分高于50%的腐泥型固体可燃矿产。应用学科：煤炭科技（一级学科）；煤田地质与勘探（二级学科）；成煤作用（三级学科）定义3：是一种含有碳氢化合物的可燃泥质岩，经过加工可以提炼出以液态碳氢化合物为主要成分的人造石油。应用学科：资源科技（一级学科）；能源资源学（二级学科）2.4.1煤的转化洁净煤技术：有两条途径，即一是先进燃烧和污染处理，二是气化和液化煤，将煤转化为含一氧化碳和氢的“合成气”：（1）煤炭液化——对固体煤炭经过化学加工，使它转化为烃类；或把煤气合成为烃类（或醇类），转为液态。（2）煤炭气化——以煤炭作为原料，控制氧化程度，使煤炭转化成为一氧化碳、氢和甲烷等可燃性气体。

2.4.2石油的精炼

石油经过精制后可得到汽油、煤油、柴油和重油。目的1：是从复杂的原油中提取粘度较小的能充分燃烧的烃类。其中辛烷最好，因此汽油常根据辛烷值来标号。目的2：就是把不好的分子转变为好的分子。如长链烷烃容易引起汽缸爆震。精炼方法一般是先根据不同沸点把不同成分分离开，然后除硫再向高辛烷转变。2.4.3天然气液化

天然气是埋藏在地层深处的一种富含碳氢化合物的可燃气体。主要成分是甲烷，其次是乙烷、丙烷、丁烷和其他重质气态烃类。天然气是理想的气体燃料，但难以长途运输和妥善贮存。为解决这些问题，把气态天然气变成液态天然气。但液态天然气的制造成本高，而且不能直接用作燃料，还得使它蒸发变为气态，增加能耗。为了更经济合理，利用天然气作原料合成甲醇。甲醇性能稳定，象石油一样能直接当作燃料，使用时不污染环境，便于运输和贮存。2.4.4能源系统

能源系统指把全社会的能源利用看成一个系统，加以控制和平衡。包括热电联合系统，集中供热系统，综合用热系统，低温余热利用系统，总能系统等。如在市中心建立一些集中供热的工厂，像电厂供电、水厂供水那样，就可节省大量燃煤。如这些供热工厂与电厂联合组成热电厂，既生产电力又生产热水或蒸气，燃料利用率会更高。再进一步，可把城市垃圾加工成燃料，支持热电厂。2.5可再生能源的开发

在1995年颁布的《电力法》“总则”和明确提出，国家鼓励和支持利用可再生能源和清洁能源来发电。1995年，国家计委、国家科委、国家经贸委又根据上述法律及方针、战略制定印发了《新能源和可再生能源发展纲要(1996—2010)》，通过计划组织安排落实。1992年国务院批准的《中国环境发展十大对策》中明确提出，要“因地制宜地开发利用和推广太阳能、风能、地热能、生物质能等新能源”。中国于1997年颁布了《节约能源法》，从1978年到2004年中国以年均增长4.8%的能源消费支撑了年均9.4%的经济发展速度，1990年至2004年中国每万元GDP能耗下降了45%，中国政府制定了《节能中长期发展规划》中国全国人大常委会已通过了《可再生能源法》，为我国可再生能源发展提供法律保证。2.5.1太阳能

太阳能的转换和利用方式有光——热转换、光——电转换和光——化学转换等。光——热转换：接收或聚集太阳能使之转换为热能，然后用于生产和生活的一些方面，是太阳能光热利用的基本方式。光——电转换；利用光生伏打效应原理制成的太阳能电池，可将太阳的光能直接转换成为电能，称为光一电转换，即太阳能光电利用。光——化学转换；光-化学转换目前尚处于研究开发阶段。发展方向太阳能建筑、太阳热水器要形成规模化生产；降低太阳能电池成本，提高光电转换效率；大力推广应用小功率光伏电源系统；建立分散型和集中型联网光伏示范电站。到2010年，太阳能利用总量达到467万t标准煤。2.5.2地热能

按目前钻井技术可钻到地下10公里的深度，估计地热能资源总量相当于世界年能源消费量的400多万倍。地热能约为全球煤热能的1.7亿倍。地热资源有两种：一种是地下蒸汽或地热水（温泉），这种电能已占总发电量的0.3％。另一种是地下干热岩体的热能。1904年，意大利人在拉德瑞罗地热田建立世界上第一座地热发电站，功率为550千瓦，开地热能利用之先河。其后，意大利的地热发电发展到50多万千瓦。到80年代末，全世界运行的地热电站，其发电功率每年已超过500万千瓦，1995年达到680万千瓦，年增16％。中国最著名的地热电站，是西藏的羊八井地热电站，装机容量2.5万千瓦。2.5.3生物质能

全世界每年通过光合作用固化的太阳能，陆地为1.917×1021J；海洋为9.21×1020J。相当于全世界年耗能量的10倍。一个360万平方公里的陆地表面，假定太阳能转化率为1％，从理论上讲，生产的生物质就足以解决全世界的能源需求了。森林能源的直接效益（生产木材）和间接效益的价值之比为1:9。*燃料乙醇

巴西从1975年开始实施“酒精替代计划”，制定了一系列的经济资助和免税政策，现在已使温室气体排放减少了20％。日本从1983年开始实施燃料乙醇的开发计划，重点开发使用农、林废物等未利用资源来直接发酵生产乙醇的技术。美国从1992年开始鼓励使用乙醇作新配方汽油的添加剂，欧盟则于1993年要求汽油燃料中掺混5％的乙醇，并建议提高欧洲的燃料乙醇生产量。2.5.4水力能

水力发电技术是利用水体不同部位的势能之差，它跟落差和流量的乘积成正比。目前水力发电的发电量占世界能源的7％，据专家估计，在21世纪将会有较大的发展。法国、意大利水能资源开发程度超过90％，美国、加拿大、日本、挪威、瑞士、瑞典、英国等，也达到了40％－60％。而我国已利用的还不到可利用资源的6％。（1）水电优点a.水力是可以再生的能源。b.水电用的是不花钱的燃料，大中型水电站一般3－5年就可收回全部投资。c．水电没有污染，是一种干净的能源。d．有防洪灌溉、航运、养殖和旅游等综合效益。e．施工工期也并不长，属于短期近利工程。f．操作、管理不到火电的三分之一人员。2.5.5海洋能

全世界海洋能的理论可再生量超过760亿千瓦。其中，海水温差能约400亿千瓦，盐度差能约300亿千瓦，潮汐能大于30亿千瓦，波浪能约30亿千瓦。现代海洋能源开发主要就是指利用海洋能发电。利用海洋能发电的方式很多，其中包括波力发电、潮汐发电、潮流发电、海水温差发电和海水含盐浓度差发电等。潮汐发电潮汐发电型式：①单库单向型，只能在落潮时发电。②单库双向型：在涨、落潮时都能发电。③双库双向型：可连续发电，但未见实际应用。世界上最早的潮汐发电站建在法国（1961），1966年法国朗斯潮汐电站，装有24台104千瓦贯流式水轮发电机，年均发电量为5.44亿度。1980年建成的江厦潮汐电站是我国第一座双向潮汐电站，其总机容量为3200千瓦。

有2%的太阳能变成了风能。全世界一年所耗的能量不及风力1年内提供的1/100。目前，尽管风能所能提供的电量还不足全球总发电量的0.l％，但它将会很快成为人类可靠的动力来源之一。美国能源研究与发展局宣称，到21世纪初，风力发电将达200亿度，占全国总发电量的10％左右。2.5.6风能

发展风力发电，储能是关键，因为风是间歇性的。简单的办法是用蓄电池。另一种办法是抽水法。目前，最新型的风轮机每转可发电300－750千瓦，其体积只有普通火力发电千分之一。发展前景：.小型风力机市场化；加速中大型风力机设计、制造国产化进程；发展风力发电控制和管理系统；加强和完善风电场的规划选点和勘察设计工作，建设若干个大型风电场。2000年和2010年全国风力发电装机容量分别达到30万—40万kW和100万—110万kw。2.5.7氢能是指氢在发生化学变化和电化学变化过程中产生的能量；氢作为能源的优点是储量丰富、热值高和清洁无污染；氢的利用：(1)直接用作燃料（如发射火箭等）；(2)用作燃料电池（如用于航天飞机）；(3)用作能源转换介质（能源中间载体）。氢能优点作为能源，氢有以下特点：(1)所有元素中,氢重量最轻当温度降至-252.7℃时,可变成液体;若将压力增大到数百个大气压,则液氢就可变为金属氢。(2)所有气体中,氢气的导热性最好比多数气体的导热系数高出10倍,因此在能源工业氢是极好的传热载体。(3)氢是自然界存在最普遍的元素水中制得，永无枯竭之虞；据估计它构成了宇宙质量的75％,除空气中含有单质氢气外，它主要以化合物的形态贮存于水中，而水是地球上最广泛的物质。据推算，如把海水中的氢全部提取出来，它所产生的总热量比地球上所有石化燃料放出的热量还大9000倍。(4)氢本身无毒,燃烧后产物没有污染产物水无污染，属“清洁能源”；由于燃烧产物是水蒸气，不会产生诸如CO、CO2、碳氢化合物、铅化物和粉尘颗粒等对环境有害的污染物质，从而也就不会造成酸雨和温室效应。所以，氢是世界上最清洁的能源之一。燃烧生成的水还可继续制氢，循环使用。(5)热值高；氢能的燃烧热值远高于一次能源除核燃料外，氢的发热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的,达142.351kJ/kg,是汽油发热值的3倍。(6)氢的燃烧性能好点燃速度快，与空气混合时有广泛的可燃范围。现有汽车、飞机、舰船及其他运载工具，只需简单改装即可使用氢燃料。氢能要解决的问题(1)廉价的制氢技术。理想的氢能源循环体系：水在太阳能光分解催化剂的作用下分解成氢和氧；氢气作为燃料电池发电。现行太阳能制氢技术包括：太阳能分解水制氢；太阳能电解水制氢；太阳能光化学分解水制氢；太阳能太阳能光电分解水制氢；模拟植物光合作用分解水；光合微生物制氢。

*2.5.8核能技术

由单个质子和中子组成原子核时，会出现质量亏损：

Δｍ=[Zmp+(A-Z)mn]-m式中为mp质子质量，mn为中子质量。由爱因斯坦的理论得，与质量亏损相对应的能量改变为：ΔE=Δｍｃ2

称之为结合能。

核能技术就是利用原子的核变化释放出能量的技术。裂变1938年德国的哈恩和奥地利女物理学家梅特纳发现铀分裂并产生的能量，比相同质量的化学反应放出的能量大几百万倍以上！约里奥伊丽夫约里奥·居里夫妇及其同事哈尔班等人又发现铀核裂变还放出两、三个中子来。费米提出链式反应费米在1934年时，其实就已经用实验完成了原子的裂变，可惜他没能认识到。哈恩等发现裂变后，费米就提出原子裂变自持链式反应的概念。

1942年12月2日，第一座核反应堆首次实现自持的链式反应，宣告人类社会进入了"原子能时代"。

第一颗原子弹于1945年7月在新墨西哥沙漠中引爆第一颗用于战争的原子弹，是1945年8月6日投在广岛的原子弹。原子弹的威力比化学炸弹大一百万到一亿倍。第一颗氢弹于1952年在美国在太平洋马绍尔群岛首次爆炸试验成功，是投到广岛原子弹威力的750倍。

1954年苏联建成世界上第一座核电站。原子弹原理

核燃料存在一个临界体积。当体积大于此临界体积时，核反应将得到放大，否则链式反应将终止。临界体积对应的质量称为临界质量。例如铀的临界质量为30磅，钚的临界质量为5磅。

玻尔研究指出，只有提炼出铀的同位素U235

，而且要达到一定的数量，才能发生链式反应。可控核反应一座百万千瓦级的压水堆核电站，一年仅需补充30吨核燃料，其中仅消耗1吨左右，同样规模的热电厂，要燃原煤250万吨可控核反应堆堆芯示意图

核电站和原子弹是核裂变能的两大应用，两者机制上的差异主要在于链式反应速度是否受到控制。核反应堆按中子能量可分为：热中子堆和快中子堆。热中子堆：中子能量在0.1eV左右。根据慢化剂和冷却剂和燃料不同，热中子堆可分为轻水堆（又分压水堆和沸水堆）、重水堆和石墨水冷堆。前苏联切尔诺贝利核事故1986年4月26日前苏联切尔诺贝利核电站发生的事故，位于苏联大城市基辅以北130公里乌克兰大森林地带东部的切尔诺贝利核电站，第四号机组发生了事故，反应堆猛烈爆炸，大火被扑灭后，撤离了核电站毗邻地区及电站周围30公里地带的居民。核事故之后前苏联切尔诺贝利核事故发生后，为制止该电站第4机组废墟中残留的核燃料扩散，有关单位用厚厚的混凝土堆造了一个有复杂通风系统的多层大型建筑物，把第4机组的全部设施埋在其中，这个建筑物成了“石屋”。在距核电站半径30公里以内地区的动植物基因发生了巨大变化，30公里以外地区变化很小。如纳罗季奇区有大约半数儿童甲状腺异常或淋巴腺肥大。成人癌症患者成倍增加。先天性畸形家畜急剧增加。动植物体积竟变得比平常大3倍以上，以致出现“鼠大如猪。”福岛第一核电厂事故是2011年3月11日日本宫城县东方外海发生矩震级规模9.0级大地震后所引起的一次核子事故，福岛第一核电厂因此次地震造成有炉芯熔毁危险的事故。同时此事件也是人类史上第一次在沿海地区发生核电厂意外的事件，其相关的核污染对于整个太平洋及沿岸国家城市的影响仍待观察统计。核聚变

核聚变是两个轻原子核(如氢)聚合成一个较重的核，从而释放出巨大的能量。

聚变是核裂变平均每个核子放出能量的四倍。海水中氢与氘的原子数之比约为1:0.00015一克氘经聚变放出大约105千瓦时的能量1升海水中的氘核聚变放出的能量相当于燃烧300升汽油所放出的能量。地球上所有海水中的氘可供人类使用数百亿年。氢弹

氢弹是不可控的热核反应。1967年6月17日，中国第一颗氢弹爆炸成功方案：高效炸药+裂变原料+氘化锂。选氘氚反应，因为d+T反应截面比d+d反应大两个数量级T的制备人类的希望——受控热核反应

受控核聚变必须具备以下3个条件：(1)足够高的点火温度，需要几千万摄氏度甚至几亿摄氏度的高温；(2)反应装置中的气体密度要很低，相当于常温常压下气体密度的几万分之一；(3)充分约束，能量的约束时间要超过1秒钟。等离子体的温度、密度和热能约束时间三者乘积称为“聚变三重积”，当它达到1022时，聚变反应输出的功率等于为驱动聚变反应而输入的功率，必须超过这一基本值，聚变反应才能自持进行。

惯性约束惯性约束：激光惯性约束是在直径为0.4mm的小球内充以30-100大气压的氘氚混合气体，用强激光（1012-1014W）均匀照射，使氘氚混合气体的密度是液体的一千到一万倍，温度达到108K（恒星上至少要700万度）而引发聚变。其它惯性约束方案：电子束、重离子束惯性约束。磁约束磁约束：是利用强磁场可以很好地约束带电粒子这个特性，构造一个特殊的磁容器（托卡马克），建成聚变反应堆，在其中将聚变材料加热至数亿摄氏度高温，实现聚变反应。二十世纪五十年代初期，前苏联科学家提出托卡马克的概念。托卡马克（TOKAMAK）在俄语中是由“环形”、“真空”、“磁”、“线圈”几个词组合而成，2.5.9其它

----------海水盐差发电用一层多孔质隔膜置江河入海口处，二边插入电极，由于渗透压力差而产生电动势。技术关键：多孔质隔膜如何能将淡水和海水隔开而又形成渗透压磁流体发电示意图2.6蓄能和换能技术

电的蓄能技术大致分三类：一是直接储存电磁能，如：超导线圈蓄能系统，就属于这一类；二是把电能转化为化学能储存，如铅电池、钠硫电池、锌氯电池等；三是把电能转化为机械能储存，如制造压缩空气，在用电高峰时让它推动涡轮机发电。还有"抽水蓄能"技术，利用多余电力驱动水泵，把河里的水抽到高处的水池或水库中。(1)显热蓄能技术：利用比热容较大的物质，在物质形态不变的情况下，随着温度的变化，吸收或放出热量来蓄能。现在应用最广泛的就是冷、热水蓄能技术。(2)潜热蓄能技术：是利用物质相变时需要吸收或放出热量的特性来储存或释放能量，包括冰蓄冷技术和共晶盐蓄能技术。(3)热化学蓄能技术：在一定的温度范围内某些物质吸热或放热时，会产生某种热化学反应。利用这一原理构成的蓄冷技术称之为热化学蓄能技术。2.6.1电池

电池是一种将化学能转化为电能的装置。（1）原电池：指电池放电时，活性物质不断地被消耗，到一定程度电池便停止工作.（2）蓄电池：又称二次电池，电池放电后通过充电方法使活性物质复原而供再次放电的电池。（3）贮备电池：贮备期间，活性物质不与电解质直接接触，使用时注入电解液或电解质熔化。（4）燃料电池：电池供电时，活性物质输入电池能连续工作。电池不同的分类2.6.2蓄电池

蓄电池是1859年由普兰特(Plante)发明的，至今已有一百多年的历史。铅酸蓄电池自发明后，在化学电源中一直占有绝对优势。这是因为其价格低廉、原材料易于获得，使用上有充分的可靠性，适用于大电流放电及广泛的环境温度范围等优点。1975年，GatesRutter公司发明VRLA的电池，成为当今主要使用的蓄电池。蓄电池原理把A、B两块铅板插入硫酸溶液中，铅与硫酸作用的结果，使A、B两块铅板上形成硫酸铅，溶液中也被硫酸铅饱和，这时还没有电势，给蓄电池充电时，在两极上发生的化学反应如下：A;PbSO4+2H2O-2e-→PbO2+H2SO4+2H+;B:PbSO4+2e-→Pb+SO42-;充电后，A板上的PbO2成为正极，B板上Pb成为负极。放电时两极发生的反应如下：正极：PbO2+H2SO4+2H+-2e-→PbSO4+2H2O-2e-;负极：Pb+SO42-→PbSO4+2e-;2.6.3氢燃料电池

燃料电池工作时无噪声、无尘埃、无辐射、不污染环境，是一种清洁的能源。燃料电池的另一个特点是可以长时间连续工作，只要燃料供应不断，电池能持续不断向负载输出电能。供电功率比一般电池大得多。

燃料电池的基本组成：电极、电解质、燃料和氧化剂。燃料电池的电极为多孔结构，由具有电化学催化活性的物质制成，它是电化学反应的载体和电流的传导体。电解质可以是固态或液态，液态电解质可以是水溶液或熔融的离子晶体。第三章节能的热力学基础3.1基本概念3.2热力学第一定律3.3㶲和热力学第二定律3.4能量的㶲计算3.5㶲损失和㶲衡算方程式3.6装置的㶲效率和㶲损失系数3.7

合理利用能量的原则3.1基本概念3.1.1热力系统3.1.2平衡状态3.1.3状态参数和状态方程式3.1.4功和热量3.1.5可逆过程在对能量转换的现象或过程进行分析时，需要从相互作用的物体中取出研究的对象，该对象就称为热力系统，或简称系统。或简单地说由某种边界包围，被取作研究对象的特定物质或空间热力系统可以是一种或几种物质的组合，也可以是空间的一定区域。系统的选取，完全依据分析研究的需要与方便，可以是一台设备．也可以是一个车间、一个企业，甚至一个行业。3.1.1热力系统系统一旦划定，系统之外的一切统称为外界。热力系统与外界的分界面称为系统的边界。系统的边界可以是固定的，也可以是移动的，可以是真实的，也可以是假想的。热力系统与外界的相互作用，可以是能量交换，也可以是物质交换。能量交换有热和功两种形式，而物质的交换总伴随着能量的交换。根据系统和外界物质和能量交换的特点，可以定义不同类型的热力系统，根据与外界有无物质的交换，可将系统分为开口系统与闭口系统：与外界有物质交换的系统称为开口系统，开口系统内的物质质量可以是变化的，由于通过开口系统的边界有物质的流进和流出，因此开口系统也可称为流动系统。绝大多数的化工设备都有工作介质的流动，属于开口系统。与外界没有任何物质交换的系统称为闭口系统。闭口系统内的物质质量是固定不变的，也称为定质量系统。化学工业中的蒸煮锅，在装料之后出料之前的阶段可视为闭口系统。与外界没有热量交换的系统称为绝热系统。与外界既无物质交换也无能量交换的系统称为孤立系统。3.1.2平衡状态热力系统某一瞬间的宏观物理状况称为系统的热力状态，简称状态。在不受外界影响的条件下，系统宏观性质不随时间改变的状态称为平衡状态。所谓不受外界影响，是指系统与外界没有任何相互作用。满足力平衡、热平衡和化学平衡的状态即为热力学平衡状态。力、温度和化学势都是系统发生状态变化的驱动力，统称为“势”。因此，概括地说，系统内部以及系统与外界之间不存在任何不平衡势是实现热力学平衡的充分必要条件。3.1.3状态参数和状态方程式状态参数：描述热力系统所处宏观状态各个物理量。状态参数的特性——状态的单值函数物理描述——与过程无关；数学描述——微分是全微分温度、压力、比容、焓、熵3.1.4功和热量热力系统与环境之间在不平衡势的作用下会发生能量形式的转换，其传递能量的方式有两种，作功和传热。功功的热力学定义为：如果系统对外界的单一效果可以归结为提升一个重物，则说系统作了功。这里功如此定义并不一定意味着真的举起重物，而是说过程所产生的效果相当于或归结于提起一个重物，所以可以包括各种形式的功。

功是通过系统边界在传递过程中的一种能量形式。功量不是系统所含有的能量，不是系统的状态参数，而是过程量。按照符号规则，系统对外界作功为正，得到功为负。热力学是以系统状态的变化来分析计算功，功除了膨胀功外还包括电功、磁功等其他模式的功，此时当系统与外界发生功的作用时，不一定有可辨认的力和位移。

热量仅仅由于温度的不同而从系统向外界．或从外界向系统所传递的能量称为热量。热的传递不能像功的传递一样可以折合为举起重物的单一效果，所以它是与功不同的另一种能量传递方式。热量是过程量，不是系统所含有的能量。热量一旦从热源传给了系统就转变为系统内部的能量。热量不是系统的状态参数，按照符号规则系统吸热为正，放热为负。3.1.5可逆过程如果系统进行一个热力过程后，有可能使过程逆向进行，并使系统和外界都恢复到原来的状态而不遗留下任何变化，这样的热力过程称为可逆过程。在可逆过程中，不允许存在任何一种内部或外部的不可逆因素。过程不可逆因素:a.通过摩擦使功变为热的效应称为耗散效应,如：摩擦生热、固体的非弹性变形等，存在耗散效应的过程都是不可逆过程；b.有限温差作用下的传热过程是不可逆过程；c.有限压差的自然消失是不可逆过程；d.混合过程也是不可逆过程。这种由于化学不平衡势而引起的还有自发的化学反应、扩散、渗透和溶解中的物质迁移等等都是不可逆过程。b.c.d三种不可逆过程说明，系统内的以及系统与外界的不平衡势差(温差、压差和化学势差)若任其自然消失就有不可逆损失，就导致不可逆过程。这种损失是因物系的非平衡态引起的，因而称为非平衡损失。

既无非平衡损失又无耗散效应，过程就是可逆的。

可逆过程仅是理想化的极限过程，与同样条件下的不可逆过程相比，可逆过程可以作出最大的功或消耗最少的功，这就为评价实际能量转换过程提供了理想的标准。3.2热力学第一定律——能量平衡方程进入的能量E1=系统能量的变化△E+离开的能量E2

3.3㶲和热力学第二定律热力学第二定律的几种表述克劳修斯说法：不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起其他变化。开尔文说法:不可能从单一热源取热使之完全变成功而不产生其他影响。普朗克说法：不可能制造一个机器，使之在循环动作中把一重物升高，而同时使一热源冷却。3.3.1㶲1.热力学第一定律确定各种形式的能量可以相互转换，在转换过程中总量保持不变；2.热力学第二定律指出能量转换过程具有方向性或不可逆性，因此并非任意形式的能量能全部无条件地转换成任意其他形式的能量，也就是说，数量相同而形式不同的能量其转换能力可能是不同的；3.能量的有用与否，完全在于这种能量形式的可转换性，而能量的转换又不是可以随意进行的，一旦当能量转变到再也不能转换的状态、它的价值也就丧失了。因此，可以将能量的转换能力，即转换为任意其他能量形式的能力理解为能量转换为功的能力或作功能力。因此，可以把各种形式的能量分为三类：第一类，具有完全转换能力的能量，如机械能、电能等；第二类，具有部分转换能力的能量，如热能和物质的内能等；第三类，完全不具有转换能力的能量，如处于环境温度下的热能等。周围环境条件下，任一形式的能量中理论上能够转换为有用功的那部分能量称为该能量的有效能，能量中不能够转换为有用功的那部分能量称为该能量的无效能。

能量=㶲+=exergy+anergya.所谓有用功是指技术上可以利用的输给功源的功；b.用㶲来表征能量转换为功的能力和技术上的有用程度，亦即能量的质量或品位。数量相同而形式不同的能量，㶲大的能量称其能质高或品位高；c.根据热力学第二定律，高品位能总是能够自发地转变为低品位能，低品位能不能自发地转变为高品位能，能质的降低意味着㶲的减少。

在任何可逆过程中，㶲的总量保持不变；在任何不可逆过程中，必然发生㶲的转变，㶲的总量减少。任何实际的过程都是不可逆过程，根据热力学第二定律，㶲的这种减少是绝对的，不可能反向进行，是这部分㶲的消失。所以，将不可逆过程中㶲的减少量称为不可逆过程引起的㶲损失，简称㶲损失。3.3.2熵的概念和孤立系统熵增原理由于熵是状态参数，只取决初、终态，与其间的过程无关，变化量可借用其间任何一个可逆过程来计算：熵是状态参数，其定义式为：Qre表示在微元可逆过程中加入工质的热量

可以看出，系统热量的出入可以引起熵的变化。系统从外界获得热量将使系统的熵增加，系统向外界放出热量，系统的熵将减少。1.热流引起的熵的变化称为熵流，系统内部和系统外部的不可逆性引起系统熵的变化称为熵产，熵产值恒大于零。2.系统熵的变化，不是由于热流引起，就是由于不可逆性引起。熵增原理:孤立系统或绝热系统的熵可以增大,不变,但绝对不会减少。当孤立系统的熵增大时，说明发生了不可逆变化；孤立系统的熵理想上也可以保持不变，对应着可逆过程．但孤立系统的熵决不能减小；根据孤立系统熵增原理，可以判断过程进行的方向。凡使孤立系统熵增大的过程，才有可能发生；孤立系统熵增大的程度，可以作为过程不可逆性的量度，用来衡量体系中作功能力的损失。由于低温热源的温度以环境温度为限，所以不可逆性引起的作功能力损失为：3.3.2热力学第二定律的熵衡算方程式

由于熵不具有守恒性，过程的不可逆性会引起熵产。考虑到这一点，将熵产作为输入项，就可以建立任何系统的熵衡算方程式：进入系统的熵+不可逆性引起的熵产量＝离开系统的熵+系统熵的变化

进、出系统的熵包括进、出系统的物质流所携带的熵，以及热量传递所引起的熵的变化。其中因热量传递所引起的熵变只计可逆传递热量

(即在热源温度TH下)时的熵变，不可逆传热过程引起的熵产(即实际熵变大于可逆传热的熵变的部分)计入熵产量。3.4能量的㶲计算3.4.1环境与物系的基准状态2.在㶲分析中所说的自然环境，是一种概念性的环境，既有客观的实在性，又有人为的规定性，还要根据所研究的具体对象而定。3.规定环境，主要是规定基准物系。目前具有一定理论基础、比较完备且得到国际公认的环境模型．主要是波兰学者斯蔡古持提出的环境模型和日本学者龟山秀雄和吉田邦夫提出的龟山—吉田模型。1.自然环境是㶲的自然零点。一个系统与环境处于热力学平衡，可以是完全的热力学平衡(具有热平衡、力平衡和化学平衡)，也可以是不完全的热力学平衡(只有热平衡和力平衡)，这取决于所研究的问题。一般说来，当研究不涉及几种物质的混合、分离以及化学反应等的能量转换过程时，就可以考虑不完全平衡环境状态。当取不完全平衡环境状态作为基准状态时，一个系统的能量具有的用称为该能量的物理㶲；当取完全平衡环境状态作为基准状态时，一个系统的能量具有的用是物理㶲和化学㶲之和。一个系统的能量的化学用是系统在P0、T。条件下相对于完全平衡环境状态因化学不平衡所具有的㶲。3.4.2机械能形式能量的㶲1.一个运动系统所具有的宏观动能和位能，是机械能，理论上能够全部转变为有用功，所以动能和位能全是㶲，称为动能㶲和位能㶲。2.当系统在环境中作功（W12）的同时发生容积变化时，系统与环境必然有功量交换，系统要反抗环境压力作环境功，这部分功在技术上不能利用，这就是容积功的wu部分。过程㶲：EW=W12-po(V2-V1)3.如果一个系统在热力过程中没有容积变化，或与环境交换的净功量为零，则通过系统边界所作的功全部是有用功，即全部是㶲。3.4.4封闭系统的㶲封闭系统的㶲：任一封闭系统从给定状态以可逆方式转变到环境状态，并只与环境交换热量时所能作出的最大有用功称为给定状态下封闭系统的㶲。任意封闭系统储有的能量有宏观动能、宏观位能和内能。宏观动能和位能全是㶲。3.4.5稳流系统的㶲稳定流动系统的㶲：稳定物流从任一给定状态经开口系统以可逆方式转变到环境状态，并且只与环境交换热量时所能作出的最大有用功：由稳流能量方程熵方程在可逆条件dS产＝0：从给定状态积分到环境状态，并己知环境状态下co＝0，z0＝0：在一定的环境条件下，稳定流动物系只与环境交换热量时，从状态1转变到状态2所能完成的最大有用功为初、终态㶲值之差：

当不考虑或忽略不计宏观动能和位能时，或己知宏观动能和位能全是㶲而只考虑稳定稳流的焓一种形式的能量的㶲时，可得稳定物流的㶲为:3.4.6化学反应的最大有用功当稳定流动系统进行一个化学反应过程时，其能量衡算式：

Q=∆H-WA式中,Q为化学反应系统与外界的热量交换，称为反应热；∆

H＝H2-H1,为化学反应系统焓的变化，简称反应焓，其中Hl为反应物流的总焓，是各反应物流焓之和，H2为生成物流的总焓，是各生成物流焓之和。如果化学反应在定混条件下进行，则化学反应系统的熵方程为：则：当化学反应过程在可逆的条件下进行时，∆S产=0，系统作出最大反应有用功：或

由上式可知，在可逆定温系统作出的最大反应有用功等于系统自由焓的减少。反应有用功的获得主要是由反应物在化学反应过程中释放的化学能转变来的。实际的化学反应过程往往是变温变压的，即反应物的温度和压力与生成物的温度和压力是不同的。我们可以利用最大反应有用功是状态参数的特性，采用三个假想过程来计算上述化学反应过程的最大有用功。首先设想反应物的温度和压力变到298.15K、1atm，即标准态；其次在标准状态下进行定温定压的化学反应；最后将生成物的温度和压力从标准态变到反应终态时的温度和压力。第一、三假想过程无化学变化，仅是温度与压力的变化。对于第二假想过程，在标准态下进行化学反应的最大反应有用功为：3.4.9燃料的化学㶲燃料的化学㶲：po、To下的燃料与氧气一起稳定流经化学反应系统时，以可逆方式转变到完全平衡的环境状态所能作出的最大有用功称为燃料的化学㶲，简称燃料㶲，用Ef表示。

燃料氧化过程也属化学反应过程，但燃料的化学㶲并不是燃料可逆氧化过程的最大有用功，而为:燃料的组成大多非常复杂而且不固定。目前只有气体燃料㶲可以用理论计算式，而对液、固体燃料，要计算出精确的燃料㶲是不可能的。燃料的化学㶲在数值上极其接近于其热值，这是由于燃烧反应的熵变较之反应热往往要小得多，作为工程计算、可用下列简化的近似公式计算燃料㶲：（1）由两个以上碳原子构成的气体燃料：液体燃料：固体燃料：（2）一般液体和固体燃料：式中：Qh为燃料的高发热值，Q1为燃料的低发热值，r为环境状态下水的汽化潜热，ω为燃料中水的质量分率。3.4.10㶲损失和㶲衡算方程式

各种形式的能量中㶲部分可以是不同的。㶲是能量的一种固有特性。是能量中能够转变为有用功的那部分能量。如果采用可逆的方式实施能量转换，理论上能够将㶲以有用功的形式提供给技术上应用。能量中的无效能部分则是无论采用什么巧妙的方式也不能转变为有用功的那部分能量，随着能量转换过程的进行，最终将转移给自然环境。在任何可逆过程中，不发生㶲向的转变，㶲的总量保持不变；在任何不可逆过程中，必然发生㶲向的转变，㶲的总量减少。任何实际的过程都是不可逆过程，根据热力学第二定律㶲的这种减少是绝对的，不可能反向进行，㶲是消失。将不可逆过程中㶲的减少量称为不可逆过程引起的㶲损失，简称㶲损失。输入系统㶲＝输出系统㶲十㶲损失十系统㶲的变化3.5㶲损失和㶲衡算方程式3.5.1㶲损失和㶲衡算方程式3.5.2封闭系统的㶲损失和㶲衡算方程式3.5.3稳流系统的㶲损失和㶲衡算方程式3.5.1㶲损失和㶲衡算方程式

各种形式的能量中㶲部分可以是不同的。㶲是能量的一种固有特性。是能量中能够转变为有用功的那部分能量。如果采用可逆的方式实施能量转换，理论上能够将㶲以有用功的形式提供给技术上应用。能量中的无效能部分则是无论采用什么巧妙的方式也不能转变为有用功的那部分能量，随着能量转换过程的进行，最终将转移给自然环境。在任何可逆过程中，不发生㶲向wu的转变，的总量保持不变；在任何不可逆过程中，必然发生㶲向wu的转变，㶲的总量减少。任何实际的过程都是不可逆过程，根据热力学第二定律，㶲的这种减少是绝对的，不可能反向进行，是消失。将不可逆过程中㶲的减少量称为不可逆过程引起的㶲损失，简称㶲损失。输入系统㶲＝输出系统㶲十㶲损失十系统㶲的变化3.6装置的㶲效率和㶲损失系数3.6.1㶲效率的一般定义3.6.2㶲效率的不同形式3.6.1㶲效率的一般定义从㶲的概念出发，各类生产过程，不是耗费足够数量的能量就能实现，而是能量中有足够数量的㶲才能实现。所谓的能量的合理利用，实质上是指能量中㶲的合理利用，因此，在实际的能量转换过程中应尽量减少其损失。㶲效率、而不是㶲损失可用来衡量设备、过程或系统在能量转换方面的完善程度。

在系统或设备进行的过程中，效率定义为收益的与耗费的的比值，用ηe表示：

ηe＝收益㶲/耗费㶲

由于耗费㶲与收益㶲之差即为不可逆过程所引起的损失，即

:

EL=E耗费-E收益因此：ηe

＝收益㶲／耗费㶲=l-EL／E耗费

所以：

ηe

＝l-ζ令㶲损系数ζ：ζ=EL/E耗费

从热力学第一定律得到的热效率，是从能量的数量出发去评价过程的优劣，只要没有散热损失或排放物质的排热损失，能量的利用效率就是l。例如绝热节流过程，因没有能量的散失，其能量利用率为1，过程就算是完善的。从热力学第二定律的㶲分析出发,绝热节流过程是不可逆过程，㶲效率小于1，过程是不完善的。这是从能量的质来评价过程的优劣，用热力学上等价的能量进行比铰．成为评价各种实际过程热力学完善审的统一标准。3.6.2㶲效率的不同形式要确定ηe，就必须确定系统或过程中的耗费㶲和收益㶲。在系统所有的输入㶲和输出㶲中，不一定输入㶲之和就是耗费㶲，输出㶲之和就是收益㶲，要视设备或装置而定。即使对于某一具体的设备，也要视分析的目标和工作条件而定。

输入㶲和输出㶲中任一项只能在耗费或收益㶲中出现一次。通常按照建立系统㶲衡算方程式的一般方法列出所研究系统的㶲衡算方程式．再结合所研究系统的具体功能分析出输入㶲和输出㶲部分。

设想一个任意的能量转换过程，系统与外界之间有能量与物质的交换，相应地也有㶲的交换。系统可以从外界输入㶲，也可以向外界输出㶲。按㶲的作用，一般可以将外界分为三种；向系统提供㶲的㶲源A，㶲的主要收益户B，和E的辅助收益户C。式中任意一项输入㶲和输出㶲都可以包括稳定物流㶲、热量㶲和功㶲。其中，EA+,EB-不得为0。可以有三种：对换热器：式中E1、E2为热流体进入和离开换热器时的㶲；E1'、E2'为冷流体进入和离开换热器时的㶲,ηeⅠ为输出㶲与输入㶲之比;ηeⅡ为冷流体获得的㶲与热流体给出的㶲之比。对间壁式换热器，常用ηeⅡ

，而对混合式换热器，常用ηeⅠ

。对透平：式中Ws为透平输出的轴功。对于背压透平，常用ηeⅠ

，而对于凝汽式透平，常用ηeⅡ

。压缩机或泵：

ηe=(E2-E1)/WP式中，Wp为压缩机或泵输入的功锅炉或加热炉：

ηe=(E2-E1)/EF式中，EF为锅炉输入的燃料E节流阀：

ηe=e2/e13.6.3㶲分析实例3.7

合理利用能量的原则3.7.1可避免㶲损失与不可避免㶲损失3.7.2其它节能理论进展3.7.1可避免㶲损失与不可避免㶲损失㶲分析法是以无驱动力的理想过程为基准来分析实际过程的，因此，㶲分析法虽指出了过程特性改进的潜力或可能性，但不能指出这些可能的改进是否可行。

任何实际过程都需要一定的驱动力来使过程进行，包括温差、压差、化学势差。当有驱动力存在时，就有㶲损失；驱动力越大，过程进行的速度就越快，㶲损失也就越大。要使过程进行，就不可避免要有一些㶲损失,其大小随过程的不同而不同。㶲损系数大的过程也许很难改进，因为其中大部分是不可避免的，或是当前的技术、经济条件限制了一些改进的可能性。因此，与理想过程的差距并不等价于该实际过程的改进余地。

将E损失划分为两部分：

可避免㶲损失(AVO)和不可避免㶲损失(INE)：其中，不可避免㶲损失定义为技术上和经济上不可避免的最小㶲损失，是随技术进步和经济环境在变化。过程节能对策是：确定不可避免㶲损失，分析可避免㶲损失，确切推知那个节点可避免㶲损失较大，可以得到显著改进。据此，可定义一个实用㶲效率：常规㶲效率是将实际过程与理想过程相比较，而这里定义的实用㶲效率是将实际过程与技术经济上可以达到的最好的过程相比较，因而可以指出可行的改进。3.7.2其它节能理论进展第四章流体输送过程与设备的节能4.1

流体流动流体流过管道和设备，由于克服沿程阻力和局部阻力，引起㶲损失。化工厂消耗的动力大多直接用于弥补这项损耗，如泵、风机、压缩机等。如果流动过程中温度和密度均无太大的变化，则由于流体流动阻力所引起的㶲损失为：即eL与压力降成正比，与流体的绝对温度成反比。对于同样的压差，流体温度越低，其eL越大。在高温输送物料时，要注意保温；在低温输送物料时，尤其更要注意保冷。要尽可能减少流动过程的压力降，这就要求尽可能减少管道上的弯头和缩扩变化，减少阀门等管件的数量，适当加大管径(即减小流速)以减少阻力等。

我们知道，压力降大体与流速成平方关系．故eL亦与流速的平方成正比，降低流速，eL随之下降。但另一方面，在输送量一定的条件下，降低流速意味着加大管径，这将使设备费用增加，面且对传热传质过程也产生影响。要解决好能耗减少与投资增大的矛盾，必须合理选择经济流速，求取最佳管径。另外，近年来，为了减少流体流动过程的不可逆损耗，采用添加减阻剂的研究和应用，也受到人们的重视。化工厂中使用着大量的泵、鼓风机、压缩机等流体机械，化学工业电能消耗量中的大部分都是用于驱动这些流体机械。据统计，泵与风机耗电约占全国总用电量的百分比逐步从原30%向40%过渡。4.2流体输送机械为流体提供机械能的机械设备统称为流体输送机械。4.2.3节能降耗措施1．改造或更换低效率设备，推广高效风机、水泵2．设计时注意选型和配套3．调速控制流量，减少节流损失4．合理设计管网，降低管道阻力5．在管网或叶轮上涂敷复合材料节能6．选用节能计量仪表7．减少叶轮直径，调节入口导向叶片

作为流体机械节能的措施，提高流体机械本身的性能无疑是必要的。但是，在改善流体机械的效率、提高其可靠性和扩大其高效率稳定运转范围等方面已付出了巨大的努力，不能期望今后在性能上有大的突破。

另一方面，流体机械的运行方面，却存在较大的节能潜力。目的的现状是：流体机械制造时按充分满足额定性能进行设计，使用者在选用时考虑管路阻力等又留有余地，结果采用了大容量设备，用关小调节阀来调节流量，造成了不必要的损失。因此，化工厂可以考虑通过以下途径达到流体机械的节能：(1)在选用流体机械时，负荷要和需要相适应；(2)流量调节不用阀门，而用其他调节方法如转速调节法。采用何种流量调节方式，不仅要看调节方式的能量特性，还要看其经济性，还要考虑变频装置相对于阀门调节设备费用高得多这一情况，所以要根据流量变化情况来确定调节方式。负荷变化大且频繁的场合，适合于采用变频装置调节流量；对于负荷变化频繁但变化不大的场合，适合于采用阀门调节流量；而对于负荷变化大、且是季节性改变的场合，宜采用备泵。4.2.4风机与泵的选型原则1.风机与泵选型中存在的问题

风压与扬程选择过大与过小

风机与泵调节装置不完善

管网系统布局不合理2.风机与泵选型的原则(1)所选用的泵或风机设计参数应尽可能地靠近它的正常运行工况点，从而使泵或风机能长期地在高效率区运行，以提高设备长期运行的经济性。(2)力求选择结构简单、体积小，质量轻的泵或风机。为此，应在可能的情况下，尽量选择高转速。(3)力求运行时安全可靠，对水泵来说，首先应考虑设备的抗汽蚀性能。另外尽量选泵或风机的不具有驼峰形状的性能曲线。即使非选具有驼峰性能时，则其运行的工况应处于驼峰的右边区．而且压头应低于零流量下的压头，以利于投入同类设备的并联工作。对于并联运行的水泵最好一开始就选下降的Q-H性能曲线。变频技术1、为什么对电动机工作频率的改变，电动机的转速会随之变化？从理论上我们可知，电机的转速n与供电频率f有以下关系：其中：

q——电机极数,

S——转差率由上式可知，转速n与频率f成正比，如果不改变电动机的极数，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。2、什么是变频器？变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。工作原理：是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆成交流电。它的主电路都采用交—直—交电路。第五章传热过程的节能化工生产中传热的目的在于：1．控制化学反应过程在一定的温度下进行;2．加热与冷却，使物料达到指定的温度；3．换热，以回收利用热量；4．保温，以减少热损失。

传热过程是化工过程中最常见的单元操作：在现代石油化工企业中，一般换热设备的投资约占总投资的30％—40％，一套常减压蒸馏装置，换热设备的投资占总投资的20％左右，在化工炼油装置中换热设备重量约占设备总重量的40％；在制冷装置中，蒸发器及冷凝器的动力消耗占总值的20％一30％。因此，从金属的消耗、投资、动力消耗来看，换热设备在整个工程中占有相当重要的地位。

热能是化工生产的主要能源，蒸发、蒸馏、蒸煮、干燥等都是大量消耗热能的单元操作，下表列举了石油炼制、造纸、化学产品三种工业中热能与电能之消耗比例。可见，热能的消耗大大超过电能。因此，在传热过程中如何节约能源，对化工生产有着普遍的指导意义。5.1传热节能的理论基础5.1.1传热过程的有效能损失对稳定传热过程，传热速率为Q，则：高温流体的有效能：低温流体的有效能：传热过程的有效能损失为：EL=传热过程的有效能效率为：1.换热过程有效能损失愈大，有效能效率就愈低，能量的降级也愈大。如对于温度为Th＝300℃的热流，如环境温度T0＝15℃，当冷流Tc=270℃(从250℃预热到290℃)的油品时，有效能损失为5.6％，换热回收有效能效率为94.4％。当冷流为25℃空气时，有效能损失达93.2％，有效能效率仅6.8％。2.传热过程的能量损失来自于传热温差，温差愈大，损耗功也愈大。因此，对于增大温差来提高传热速率的换热设备，在节能上都存在着潜力。3．损耗功与绝对温度成反比，对于深冷工程这点尤为重要。

4.设备热损失所引起的损耗功不仅取决于散热量，而且与其温度有关，温度越远离常温，损耗功也愈大。若Tc=T0，因为Q与(Th—Tc)成正比，因此损耗功正比于(Th—T0)2／Th，反映了保温工作的重要性。

5．随着节能工作的深人，传热温差将减小。传热温差的减小，使管壳式换热器的热应力减小，从而使固定花板式换热器有更大的使用范围。另外传热温差的减小，有利于减轻污垢。但传热温差的减小，必然会降低传热速率，若要改善换热器的经济性，就必须提高传热总系数K值。5.2传热方程与传热节能

稳定传热过程的换热量可用传热方程表示：

Q=KA∆tm上式表明要提高单位时间的换热量可以有三种途径，即：提高传热系数，增大换热面积，增大传热平均温度差。5.2.1提高传热系数以强化传热

要增大传热系数，须增大管壁两侧的传热膜系数，尤其是提高较小一侧的传热膜系数，方能取得较好的强化传热效果。5.2.2扩展传热面以强化传热

扩展传热面积是强化传热量的有效途。采用各种翅片管、螺纹管等是提高单位体积内换热面积的有效方法；板式换热器、板翅式换热面等单位体积的换热面积很大，在制冷、石油化工、航空工业等部门中已得到较为广泛的应用。5.2.3增加传热平均温度差在换热器中冷、热流体一般作逆向流动，其传热平均湿度差最大，但在已作逆向流动的换热器中，就不能再用改变流向的方法来增大平均温度差。另外，在化工生产中，冷、热流体的种类及温度往往由生产要求而定，不能随意变动．用增大平均温度差来强化传热是有限的，其次平均传热温差愈大，有效能损失就愈大，所以从节能观点考虑是不可取的。但传热温差小，单位面积的传热量就小，对一定的热负荷所需传热面积就大，同时也会增加摩擦损耗功，因此，传热平均温差应恰当．视具体情况而定。5.3传热效率与传热单元数及其合理选取1．传热效率当热流体的热容量流率为最小时：当冷流体的热容量流率为最小时：①热流体为冷凝蒸汽，此时∆T＝0，热流体表观热容量流率为无限大，热效率按εc式计算。⑦冷流体是沸腾液体，此时∆t=0,冷流体表观热容量流率为无限大，热效率按εh计算。5.4传热的节能与强化途径

传热过程的强化与节能的措施很多，具体可归纳为：一、改进工艺装置、提高燃料的热利用率1.合理利用能源，采用热一电联合系统*12.改进工艺，提高热能利用率*2二、热量的充分回收利用1.最有效地利用工厂中大量低位热能*32.化学反应热的充分利用三、减少热量传输过程中的热损失1．减少设备及管道的热损失2.降低换热器的传热温差，以减少热有效能损失*1四、减少换热器的压降损失，以降低动力消耗五、加强企业管理，杜绝跑、冒、滴、漏六、提高传热系数K值七、强化传热，采用新型高效的传热元件与设备

强化传热过程