节能原理与技术 第二章能源的转换与利用

第二章能源的转换与利用第一节能源的基本性质第二节能量转换的基本原理第三节主要的能源转换过程第四节能量利用分析第五节能量的储存第一节能源的基本性质基本性质状态性可加性传递性转换性作功性贬值性状态性能量取决于物质所处的状态，物质所处的状态不同，所具有的能量也不太。基本状态参数可以分为两类：强度量（不具有可加性）（温度、压力、速度、电势和化学势）、广延量（具有可加性），体积、动量、电荷量和物质的量。能量利用中常用的工质，其状态参数为温度T、压力p和体积V。E=f(pT)可加性物质的量不同，所具有的能量也不同，可相加；不同物质的所具有的能量亦可相加，即一个体系所获得的总能量为输入该体系各种能量之和。传递性能量可以从一个地方传递到另外一个地方，也可以从一种物质传递到另外一种物质。转换性各种形式的能量可以互相转换，其转换方式、转换数量、难易程度都不尽相同。作功性利用能量来作功，是利用能量的基本手段和主要目的。通常是针对机械功而言的。按照转换程度，可以把能量分为无限制转换、有限制转换和不转换，又分别称为高质能、低质能和废能。以转换为功的程度来衡量，以能级ε来表示。在式中，Ex为（火用）。贬值性能量在传递与转换等过程中，由于多种不可逆因素的存在，总伴随着能量的损失，表现为能源质量和品位的降低，即作功能力的下降，直至达到与环境状态平衡而失去作功本领，成为废能，这就是能量的贬值。能量的转换能量的转换是能量最重要的属性，也是能量利用的最重要的环节。能量的转换是指能量形态上的转换；如化学能-热能，热能-机械能等（书图2-1）。广义上的转换还包括：能量在空间上的转移，即能量的传输；能量在时间上的转移，即能量的储存；能量转换和守恒定律：能量的传递能量的利用是通过能量传递来实现的，因此能量的利用过程通常也是一个能量的传递过程。能量的传递条件能量的传递是有条件的，其传递的推动力是所谓“势差”。能量传递的规律能量传递的速率正比于传递的动力而反比于传递的阻力。能量传递的形式能量的传递，包括转移与转换两种形式。转移是某种形态的能，从一地到另一地，从一物到另一物；转换则是由一种形态变为另一形态。能量转换的途径能量传递的途径基本有两条：由物质交换和质量迁移而携带的能量称为携带能，在体系边界面上的能量称为交换能。能量的传递的方法在体系边界面上的能量交换，通常主要以两种方法进行：1）传热-由温差引起的能量的转换，这是能量传递的微观形式；作功-由非温差引起的能量交换，这是能量传递的宏观方式。能量传递的方式通过能量交换而实现的能量传递，即传热和做功，其具体方式为；传热的三种基本方式是热传导、热对流和热辐射；作功的三种基本形式是容积功、转动轴功和流动功。能量与传递的结果能量的传递的最终去向通常只有两条：或转移到产品，或散失于环境。能量传递的实质能量传递的实质就是能量利用的实质。能量的利用本质：作为能量而言，它是守恒的，不会消失。人类用的不是能量的数量，而是能量的质量（品质、品位），即能量的质量急剧降低，直至进入环境，最终成为废能。第二节能量转换的基本原理概述研究能量属性及其转换规律的科学是热力学。物质的运动可以分为宏观运动和微观运动。度量物质宏观运动能量是宏观动能和位能。度量物质微观运动能量的是所谓“热力学能”。物质的运动状态一定，物质拥有的能量就一定。所以物质的能量的仅仅取决于物质的状态。物质的运动多种多样，但就其形态而论只有有序（有规则）和无序（无规则）运动两类。人们通常将量度有序运动的能量称为有序能，量度无序运动的能量称为无序能。能量守恒和转换定律自然界的一切物质都具有能量；能量既不能创造，也不能消灭，而只能从一种形式转换为另一种形式，从一个物体传递到另一个物体；在能量转换与传递过程中能量的总量恒定变。”能量相互转换热力学第一定律：能量守恒。热能作为能量，可以与其他形式的能量相互转换，在转换过程中能量的总量保持不变。JamesJoule(1818~1889)能量贬值原理能量不仅有量的多少，还有质的高低。热力学第一定律只说明了能量在量上要守恒，并没有说明能量在“质”方面的高低。自然界的进行能量转换过程是有方向的。热量只能自发（即不花代价）从高温物体传向低温物体，却不能自发地由低温物体传向高温物体。水总是从高处向低处流动气体总是从高压向低压膨胀热量总是从高温物体向低温物体传递热量传递有方向性热力学第二定律热不可能自发地、不付代价地从低温物体传到高温物体。(不可能使热量由低温物体传递到高温物体,而不引起其他变化,这是按照热传导的方向来表述的)不可能从单一热源取热，把它全部变为功而不产生其他任何影响(这是从能量消耗的角度说的,它说明第二类永动机是不可能实现的。）热力学第二定律的实质就是能量贬值原理。热力学第二定律深刻地指明了能量转换过程的方向、条件及限度。热力学第一定律和热力学第二定律是两条相互独立的基本定律。前者表示在能源转换和传递过程中在数量上必定守恒。后者指出在能量转换和传递过程中，能量在品质上必然贬值。能量转换的效率根据能量贬值原理，不是每一种能量都可以连续地、完全地转换为任何一种其他形式的能量。各种不同形式的能量，按其转换能力可分为三大类：（1）无限转换能（全部转换能-高质能），如电能、机械能、水能、风能等；（2）有限转换能（部分转换能-低质能），如热能、流动体系的总能；（3）非转换能（废能）。由于存在着耗散作用、不可逆过程以及可用能损失，在能量转换和传递过程中，各种热力循环、热力设备和能量利用装置的效率都不可能达到100%。Energyefficiencyofsomecommonenergyconversiondevice火电站的能量转换效率是多少？MechanicalenergyInturbineChemicalenergyIncoalThermalenergyinsteamelectricitycombustion88%Steamturbine88%46%98%Overallefficiency:88%×46%×98%=40%第三节主要的能量转换过程概述在能源利用中最重要的能量转换过程是将燃料的化学能通过燃烧转换为热能，热能再通过热机转换为机械能。将热能转换为机械能是目前获得机械能的主要方式，这一过程通常是在热机中完成的。应用最广的热机有内燃机、蒸汽轮机、燃气轮机。根据能量贬值原理，热能不可能全部转换为机械能，任何企图制造一种将热能100%地转换为机械能是不可能实现的。所有的热机都是工作在一个高温热源和一个低温热源之间，高温热源的温度越高，低温冷源的温度越低，热机的效率越高。化学能转换为热能燃料燃烧是化学能转换为热能的最主要方式。能在空气中燃烧的物质称为可燃物，但不能把所有的可燃物都称作燃料（如米和沙糖之类的食品）。所谓燃料，就是能在空气中容易燃烧并释放出大量热能的气体、液体或固体物质，是能在经济上值得利用其发热量的物质的总称。燃料通常按形态分为固体燃料、液体燃料和气体燃料。燃料天然的固体燃料有煤炭和木材；人工的固体燃料有焦炭、型煤、木炭等。其中煤炭应用最为普遍，是我国最基本的能源。天然的液体燃料有石油（原油）；人工的液体燃料有汽油、煤油、柴油、重油等。天然的气体燃料有天然气，人工的气体燃料则有焦炉煤气、高炉煤气、水煤气和液化石油气等。固体燃料液体燃料气体燃料燃料燃烧必须具备的条件必须有可能燃烧的可燃物（燃料）；必须有使可燃物着火的能量（或称热源），即使可燃物的温度达到着火温度以上；必须供给足够的氧气或空气（因为空气中也含有助燃的氧气）。通过燃料燃烧将化学能转换为热能的装置称为燃烧设备（主要是锅炉）联合发电装置锅炉将燃料的化学能转换为热能的设备除锅炉外还有工业窑炉。炼铁窑炉、炼钢平窑、转炉、水泥回转窑；我国目前工业窑炉技术落后、热效率低，节能潜力大，是技术改造的重点。热能转换为机械能热能转换为机械能是目前获得机械能的最主要的方式。热能转换为机械能是在热机中完成的。应用最广泛的热机有内燃机、蒸汽轮机、燃气轮机等。蒸汽轮机蒸汽轮机，简称汽轮机，是将蒸汽的热能转换为机械功的热机。汽轮机单机功率大、效率高、运行平稳，在现代火力发电厂和核电站中都用它驱动发电机。汽轮发电机组所发的电量占总发电量的80%以上。此外汽轮机还用来驱动大型鼓风机、水泵和气体压缩机，也用作舰船的动力。汽轮机发电过程汽轮机示意图燃汽轮机燃汽轮机和蒸汽轮机最大的不同是，它不是以水蒸气作工质而是以气体作工质。燃料燃烧时所产生的高温气体直接推动燃汽轮机的叶轮对外做功，因此以燃汽轮机作为热机的火力发电厂不需要锅炉。它包括三个主要部件：压气机、燃烧室和燃气轮机。compressorCombustionchamberturbine优点重量轻、体积小、投资省；启动快、操作方便；水、电、润滑油消耗少，只需少量的冷却水或者不用水。因此可以在缺水的地区运行；辅助设备用电少，润滑油消耗少，通常只占燃料费的1%左右，而汽轮机要占6%左右。适用场合以燃气轮机作热机的火力发电厂主要用于尖峰负荷，对电网起调峰作用。但燃气轮机在航空和舰船领域却是最主要的动力机械。由于燃气轮机的平均吸热温度远高于汽轮机，因此其热转换功率也比蒸汽轮机高许多。但燃气轮机的功率却远远小于蒸汽轮机，而且可靠性也不够高，难以成为火力发电的主要机组。内燃机内燃机包括汽油机和柴油机，是应用最广泛的热机。大多数内燃机是往复式，有气缸和活塞。内燃机有很多分类方法，但常用的是根据点火顺序分类或根据气缸排列方式分类。按点火或着火顺序可将内燃机分成四冲程发动机和二冲程发动机。应用广泛四冲程发动机四冲程发动机完成一个循环要求有四个完全的活塞冲程：

(1)进气冲程；

(2)压缩冲程；

(3)膨胀冲程（即下行冲程）；

(4)排气冲程四冲程发动机二冲程发动机二冲程发动机是将四冲程发动机完成一个工作循环所需要的四个冲程纳入二个冲程中完成。二冲程发动机四冲程发动机和二冲程发动机相比，经济性好，滑润条件好，易于冷却；但二冲程发动机运动部件少，质量轻，发动机运动较平稳内燃机只能将燃料热能中的25%-45%转换为机械能，其余部分大多被排气或者冷却介质带走。如何利用内燃机排气中的能量就成为提高内燃机动力性和经济性的主要问题。内燃机废气涡轮增压技术：利用废气涡轮增压器给进入气缸的气体增压，使进入气缸的气体密度增加，从而大大提高缸内的平均指示压力，使内燃机的功率明显增强。而且能降低油耗和改善内燃机的排放性能。机械能转为电能将蒸汽轮机或者燃气轮机的机械能转换成电能是通过同步电动机实现的。第四节能源利用分析能源利用能源的有效利用是能源利用中的最重要的问题，通常能源的有效利用是指消耗同样的能源获得较多的效益，或者获得同样的效益，消耗较少的能源。对能源利用的分析评价常常包括两方面，即对能量利用过程进行分析评价和对能源消耗结果的分析评价。能量利用过程：能量平衡法、（火用）分析法、熵分析法和能级分析法；能源消耗结果：全能耗分析法、净能量分析法、价值分析法和能量审计法。能量平衡法是按照能量守恒的原则，采用所谓“黑箱方法”，对指定时期内，能量利用系统收入能量和支出能量在数量上的平衡关系进行考察，以定量分析用能的情况，为提高能量利用水平提供依据。能量平衡法定理论依据是能量守恒和转换定律，即对一个有明确边界的系统有（火用）分析法能量平衡只能反映系统的外部损失（如排热、散热），而不能揭示能量转换和利用过程中的内部损失；能量平衡法不能适用不同品位能源同时存在的综合系统。（火用）分析法的基本原理是以对平衡状态（基准点）的偏离程度作为（火用），或者作为作功能力的度量。通常都采用周围环境作为基准态。第五节能量的储存一、概述对大多数能量转换或利用系统而言，获得的能量和需求的能量通常是一致的，为了使该能量利用过程能持续进行，必须有没有某种形式的能量储存措施或者专门设置一些储能设备；燃料油箱、堆煤场、储气罐中的天然气、水电站大坝后的水、飞轮储存的动能；对于化石燃料如煤、石油、天然气容易储存，但是对太阳能、电能、热能储存比较困难，常常需要储能材料和储能装置来实现；衡量储能材料及储能装置性能优劣的主要指标有：储能密度、储存过程的能量损耗、储能和取能的速率、储存装置的经济性、寿命以及对环境的影响。机械能的储存以动能形式储存（1）飞轮以势能形式储存（1）弹簧、扭力杆和重力装置（2）压缩空气储能（3）抽水蓄能电站：纯抽水蓄能电站，混合式抽水蓄能电站飞轮动能储存系统热能的储存热能是最普遍的能量形式，所谓热能储存就是把一个时期内暂时不需要的多余的热量通过某种方式收集并储存起来。从储存时间来看：（1）随时储存（2）短期储存（3）长期储存热能储存的方法显热储存潜热储存化学能储存显热储存显热储存是通过蓄热材料温度升高来达到蓄热的目的。