节能原理完整版本

节能原理5.1关于热力学的基础知识（1）热力学第一定律、热力学第二定律“当任何一种形式的能量转换为另一种形式的能量时，其可用能（质量）只能降低，不能提高”热力学第一定律——能量守恒定律（无条件）“当任何一种形式的能量转换为另一种形式的能量时，总量保持不变”说明能量在转换时数量上的守恒关系

热力学第二定律——能量转换定律（有条件）说明了能量在转换时在质量上的贬值特性能量转换具有的方向性或不可逆性问题：没有区分不同形式的能量在质量上的差别5.1关于热力学的基础知识（2）能量的分类根据能量转换难易程度，能量可划分为三类：例：电能、机械能、位能（水力）、动能（风力）等功量高级能，完全有序运动的能量，其数量与质量是统一的。第一类—可以不受限制地完全转换的能量例：热能、物质内能、焓等热量（以传热方式传递的能量）中级能，无序的能量可以部分地转变为有序运动的能量。数量和质量是不统一的。第二类—具有部分转换能力的能量例：处于环境状态下的大气、海洋、岩石等所具有的内能和焓，虽然它们具有相当数量的能量，在技术上却无法转变为功。低级能，是只有数量而无质量的无序能量。第三类—完全没有转换能力的能量5.1关于热力学的基础知识（Exergy）—环境条件下能够完全地连续地转化为任何一种其它形式的能量，即可用能、可用功。（Anergy）—不能够转变为有用功的那部分能量，即无效能、无用功。例如：机械能、电能全是，＝0；自然环境的热能以及从环境输入、输出的热能全为，＝0。（3）能量中的“”与“”5.1关于热力学的基础知识（4）能级表征能量转变为功的能力和技术上的有用程度，因此可以用来评价能量的质量或级位。热量热能属于第二类能量，其值取决于自身的状态参数（T、P等）和环境的状态（T0）。当与环境处于平衡状态时，其值＝0

热量是一个系统通过边界的以传热方式传递的能量。热量—系统所传递的热量Q在给定环境条件下，用可逆方式所能做出的最大功Wmax.5.1关于热力学的基础知识即卡诺因子（卡诺循环热效率）是热变功的最高限度。任何一种能量均可分为和两部分

5.1关于热力学的基础知识能级——能量中所占的比例，衡量能量作功能力大小的统一尺度。高级能（功量）：低级能（环境中）：中级能（热量）：总能量

热量的能级

可用来估计余热转换为动力的能力，是可能回收的最大功率。5.1关于热力学的基础知识能级理论值实际值（大约是理论值的一半左右）能级只与温度有关，而与物质种类无关。温度越高能级越高，焓中具有的越大。5.1关于热力学的基础知识（5）用能过程或能量转化过程中的能量损失通常理解为：从用能设备或能量转换装置散失到外界环境中去的那部分能量，对散失的能量并不区分哪些是可被转化利用的，哪些则不具备这种品质。正确理解：从能的使用价值考虑问题，主要指“”损失，既注意散失到环境中去的“外部损失”，更要注重设备或过程中的“内部损失”，特别是能量使用价值的丧失。多数情况下，能量损失主要是由内部损失造成的，外部是表现，内部是外部损失的根源。不可逆过程的损失。损失—不可逆过程中的减少量。自然界中实际过程均为不可逆过程，它将使能量中的转变为，造成能量的贬值（一部分被消灭），即损失。5.1关于热力学的基础知识节能的本质是减少损失，节能就是节.由上式可知：

传递单位热量的热损失，不仅与温度差成正比，而且与高低温物质温度的乘积成反比。举例：因温差引起的损失式中为高低温物体接触界面传递的微元热量，T0为环境温度，TH为高温物体的温度，T2为低温物体的温度。传热将造成减少，传热温差越大，损失也越大；当传热温差相同时，高温时的热损失比低温时小；要求损失一定时，温度水平高时允许选用较大的传热温差（如蒸汽锅炉），温度水平低时允许选用较小的传热温差（如低温换热器）。5.2节能潜力分析方法（1）第一定律分析法运用热平衡原理，以热效率为基本准则，分析、评价用能设备和系统能量有效利用状况的方法，习惯上也称之为焓分析法。基本内容包括：根据能量系统的热力学模型，建立系统的能量平衡；根据能量平衡，计算热效率，用以评价用能系统的优劣；计算各项热损失，找出热损失最大的薄弱环节和部位，从而确定节能潜力所在。不足之处：热效率与节能潜力之间很多时候是矛盾的。5.2节能潜力分析方法（2）第二定律分析法同时依据第一、第二两大定律，体现能的全面本性（在量上的守恒性与在质上的贬质性），而建立的分析方法，称为第二定律分析方法。从可用能的角度来分析用能过程，从能量的量和质两个方面指出其节能潜力所在。火用分析法5.2节能潜力分析方法计算出各个过程，以及由若干过程所组成的子系统的火用损。

火用分析法的基本内容在选定计算基准的情况下，根据火用的概念采用热力学计算方法，直接计算出物质或物流在某个状态的火用值；火用分析的作用合理评价能量的有效利用程度科学诊断各项能量损失的大小及比例指导正确的节能方向5.2节能潜力分析方法(3)两种分析法的不同之处从实质上看，热力学第一定律的节能潜力分析法仅着眼于外部能量损耗；热力学第二定律的节能潜力分析法则从内部和外部两个方面着手，揭示了能量损失的实质。对内部损失和外部损失的理解内部损失由系统内部过程的不可逆性引起的，是能量质量的降低，它是外部损失的根源，任何实际过程都是不可逆的，所以说内部损失是不可避免的，只能把它控制在某个最佳值；

外部损失实际是内部损失的表现，但它也在某种程度上影响着内部损失；内部损失和外部损失是相互影响、相互作用的5.2节能潜力分析方法（4）能源利用率的评价指标（热效率的局限性）火用效率与热效率的区别：热效率—被利用的能量与消耗的能量在数量上的比值（第一定律），用作衡量用能设备好坏和热利用装置的完善程度，不是一个很合理的尺度。

热效率

火用效率—被利用的火用与消费的火用的比值（第二定律），评价能量转换设备或过程的技术完善程度和热力学完善程度的统一指标。

火用效率以火用为基准，不同形式能量的火用是等价的；热效率只计能量的数量，不管能量的品质高低，往往不能反映装置的完善程度.5.2节能潜力分析方法冷装料连续加热炉热效率η高（温差大，钢坯得到的热量份额大）单位能耗大（温差大，传热火用损失大）热效率η低（温差小，钢坯得到的热量份额少）单位能耗低（温差小，传热火用损失少）热装料连续加热炉例15.2节能潜力分析方法例2

甲乙两个企业，甲企业燃料消耗用于供热占70％，用于发电占30％，供热效率60％，发电效率40％，企业用能总热效率为企业乙分别以相同的供热和发电效率耗用燃料，只是用70％燃料去发电，用30％燃料去供热，实质上企业乙对能源的利用更有效，单位能耗低。可是它的用能总热效率为5.2节能潜力分析方法而若是采用另一种供暖方式――热机－热泵供暖，根据热力学的基本原理可知，在理想的情况下，供暖的“效率”可达到冬季火炉供暖，设燃料发出的热量为Q1,室内空气接受的热量为Q2。假设保温良好。因为保温良好，可知其热效率为100％。根据热力学第一定律，已没有节能潜力可挖。热源T1=1800K可逆热机可逆热泵外界环境T0＝273K室温T2＝293KQ2Q1例45.3热力系统分析（1）燃气－蒸汽联合循环发电蒸汽动力循环的主要火用损失在锅炉内，其中燃烧火用损失和传热损失占主要部分。目前采用水蒸汽为工质的蒸汽动力循环已无法避免这一损失。135～～空气2燃料排气4蒸汽61－压气机；2－燃烧室；3－燃气轮机；4－余热锅炉；5－汽轮机；6－冷凝器；7－给水泵75.3热力系统分析对汽轮发电机组的能量分析结果：按第一定律分析—能量损失最多的是“冷凝器”（外部损失）按第二定律分析—能量损失最多的是“锅炉”（内部损失）分析方法锅炉蒸汽管网汽轮机组冷凝器汽机加热器第一定律热损失，kJ/kg蒸汽热损失率，％258.39.027.21.0132.34.61562.954.4第二定律损失，kJ/kg蒸汽损失率，％1647.057.033.11.2134.84.723.90.8141.14.9结论：节能的主攻方向不在“冷凝器”，而是降低锅炉的火用损失率。措施：采用高温高压机组，发展燃气—蒸汽联合循环发电机等5.3热力系统分析（2）“热电联产＋热泵系统”替代燃煤直接供热

热泵把消耗的电能转化为热能输向供热对象，依靠防止能质下降的补偿作用，将低温热源的热量“泵”送到高温热源。可以做到用一份燃料热获取4倍的供热量。T环境＝250KT燃烧＝1800KT供热＝300KQ1Q2W5.4余热资源的回收分析钢铁生产以消耗热能为主，所以余能中绝大部分是以热能的形式存在，如:排气显热、高温成品的显热、高温废渣的显热、冷却水带走的显热。判断是否真是余热，决定于后续工艺流程能否继续使用，只有后续工序无法利用的才算为余热。如,钢坯的显然最好直接输入下道工序（热衔接），作为100％的可用能，没有火用损失；如果用热交换的方式（钢坯余热锅炉）回收钢坯显热，将造成火用贬值。其次，调查装置本身是否还有节能潜力，降低设备的单位能耗，可减少余热余能的生成量，它比通过余热回收装置回收能量更为经济、有效。炉窑要尽量减少用能过程的火用损失，不应把希望寄托在“回收”已经发生的损失上去。已经发生的不可逆损失是绝不可能再回收的！5.4余热资源的回收分析（1）合理利用余热资源的评价指标产品

火用损率（A）=过程的火用损失量投入的余热资源量余热资源火用

流图回收利用过程Q供给

E供给

Q损失E产品Q热效率5.4余热资源的回收分析提高回收利用能源的能级提高回收利用过程中的热效率

火用损率供给热能级热效率回收热能级热效率和能级共同决定余热回收利用过程中火用损率的大小降低火用损率的两个途径：5.4余热资源的回收分析（2）余热回收利用的原则减少转换环节——首先考虑直接利用；尽可能提高余热回收装置的热效率及其产品的火用值；温度对口，梯级利用，热尽其用。在余热资源的回收利用过程中，既要重视数量的转换，又要注重能量的质量，做到能级匹配、梯级用能。5.4余热资源的回收分析（3）余热资源的回收利用方式直接热回收在工艺条件允许的情况下，将余热资源直接回收到生产流程中，一般为热回收。利用其他介质回收其热量后产生新的能源的利用方式，既有动力回收又有热回收。动力回收例如：钢坯直接入炉，烟气预热物料例如：烟气汽化冷却产生蒸汽、CDQ回收红焦显热5.4余热资源的回收分析红焦温度一般为1050℃左右，能级为0.77，属于高品位的余热，回收方式干熄焦（4）红焦显热动力回收利用余热锅炉集尘器蒸汽焦炭4.6MPa，450℃红焦温度热风温度1000℃900℃600℃500℃130℃风机200℃干熄炉内的换热是一个逆向换热的过程，整个换热过程始终维持较小的温差从而减少了能量质量损失。发展方向：提高余热锅炉参数，减少余热锅炉中的火用损失5.4余热资源的回收分析烧结矿的温度一般为800℃左右，能级为0.73，属于中品位的余热。（5）烧结矿显热动力回收利用600℃400℃800℃（1.6MP260℃）低压蒸汽烧结矿显热的回收是一个交叉换热的过程，烧结矿在换热的过程中是水平移