能量品质的与介绍

1、吉林建龙钢铁专业基础培训吉林建龙钢铁专业基础培训之之能量品质的分析与介绍能量品质的分析与介绍主讲人：能源处主讲人：能源处 作业规划室作业规划室 胡冬冬胡冬冬 自热力学理论确立后，人们虽然从理论上认识到，热力过程中能量的交换(传递和转换)及其利用，应根据热力学第一定律和第二定律对能量的“数量”及“质量”两方面进行分析研究。但是，在实际热能工程技术的设计、管理和改进上，主要还是依据热力学第一定律，即能量守恒与转换定律。也就是说，只是单一地从能量的“数量”角度出发，以焓为基础的“热平衡”计算分析方法(或称“能量分析法”)。诚然，此法仅弄清楚进行热力过程的热工设备或整个装置的能量(一般为热量)“数量”

2、上的损失，仅能从“数量”上采取相应的措施来改进设备及其运行方式，以减少“能量”损失，然而，由于此法未考虑到热力学第二定律所表明的“质量”，因为人们生活在地球表面的一定客观环境中，供给人们所需的能量有“可以利用”的部分(称“可用能”或“”)和“受环境限制无法利用”的部分(称“无用能”或“”)，即相同数量的不同形式的能量所合的“”和“”的数量是不一定相同的，或者说能量还具有另一方面的问题“质量”。因此，在认识所谓“能量损失”上就产生一定程度的混淆，由此在确定“能量损失”的分布及采取提高能量利用效率的技术措施时，就难免在热力学上作出错误的结论，达不到预期的效果。前前 言言 例如，以一座新型的火力发电

3、站来说，在凝汽器中通过冷却水排往环境损失的热量约占总输入燃料所产生的热量的50，但是，当按这份能量的“可用”和“无用”部分加以澄清的话，其中“可用”的能量只不过占总输入燃料的“可用能”的2一3。如果由此认为要较大地提高火力发电厂热效率的主要措施在于改进凝汽器的话，则肯定达不到预期的效果。 为此，近二三十年来，国内外有关专家学者在热力学的理论领域内和工程技术的管理上大力提倡把热力学第一定律和第二定律综合起来(能量十)考虑，并以第二定律为主，即从热力过程不可逆性引起“可用能”损失变成“无用能”的角度出发，以用为基准的分析方法来评价能量利用的科学性和合理性。由于此“分析”法中的“效率”或“损失系数”

4、更能准确地反映各热力设备或整个装置系统技术上或热力学的完善程度，可以从中明确提高能源利用故率的正确目标，并采取相应约措施。前前 言言!一、一、 及及分析的基本概念分析的基本概念!二、能量分析法与二、能量分析法与分析法分析法!三、常用热工设备装置的三、常用热工设备装置的效率效率!四、典型案例分析举例四、典型案例分析举例!五、能量的合理利用与节能常识五、能量的合理利用与节能常识目目 录录一、热力学基本定律1、热力学第一定律：当热能与其他形式的能量相互转换时，能的总量保持不变。2、热力学第二定律： （1）克劳修斯表述：不可能将热从低温物体传至高温物体而不引起其他变化。 （2）开尔文普朗克表述：不可能

5、从单一热源取热，并使之完全变为有用功而不引起其他变化。3、能的形态和性质 能量是物质运动的量度由于物质的运动有多种形式，如机械运动、热运动、电磁运动、化学变化及核裂变或聚变等，因而能量也就有相应不同形态的机械能、热能、电磁能(台辐射能)、化学能及核能等此外，在热力过程中经常牵涉到的热量和功也是一种能量形态，功是以作功方式(或者说除温差以外的各种势差作用下)传递的能量；热量是在温差作用下传递的能量，属热能。 上述几种形态的能量之间除了迄今未发现机械能可以直接转换为化学能和核能的方法外，其他的都可以相互转换，而且在转换时数量上道循“能量守恒及转换”规律若牵涉到热能的转换时，就具体表现为“热力学第一

6、定律”，即不同形态的及及分析的基本概念分析的基本概念能量转换时，能的总量保持不变 但是，在人类生活和生产的地球表面环境条件下(即在环境的参与和限制下，后同)，不是任意形态的能量都能全部无条件地转换成任一其他形态的能量例如，其他形态的能量(机械能、电能、化学能等)可以通过审擦、电阻或燃烧反应等方法全部连续地转换为热能但反过来要将热能连续地全部转换成其他形态的能量是不可能的 从人类利用能量代替人们的劳动、操作(主要的是利用机械能及电能或称“能的动力利用”)来看，在人类所处环境条件下，同样数量的热能可供人们利用的部分就比其他形态的能量少也可以说，热能的“质量”比其他形态的能量的“质量”低另外，依据热

7、力学第二定律，在环境条件下，同祥数量的热能处在较高温反下的比处在较低温度下的在理论上能转换为功(机械能)的部分更多，温度相差越大，能转换为功的部分相差也越大因此，同样是热能，其“质量”也有高低的不同 综上所述，在人类活动的环境条件下，从人们利用能量的情况来看，能量在转换时具有“量的守桓性”和“质的差异性”两重性及及分析的基本概念分析的基本概念 4、能的转换能力 所谓“能量的转换能力”是指某种形态的能量转换为其他形态能量的能力因为任一种有序能都可以全部转换为无序能(热能)或其他形态的有序能，而(对人类的)有用功(机械功、电功等)是属于有序能，故可以将能量的转换能力理解为“能量转换成有用功的能力”

8、，或称为“能量的作功能力” 按照转换能力的不同，或者说根据能量转换时是否受热力学第二定律的制约，能量可以划分为三种不同质的能量。 （1）无限转换能。在环境条件下，理论上可以连续池全部转换为有用功的能量，如机械能、电能、水能、风能等。它们是技术上和经济上更为宝贵的“高级能量”。高级能量从本质上说是完全有序的能量。因此各种高级能量之间理论上能够彼此完全转化，它们的质和量完全统一。 （2）有限转换能。在环境条件下，只能部分地转换为有用功的能量，如热量、内能、焓等。这类能量称为“低级能量”。及及分析的基本概念分析的基本概念 （3）不可转换能。在环境条件下，不可谈转换成有用功的能量，如环境的内能、在环境

9、温度T0下交换的热量、克服环境压力P0的容积功及处于环境状态下一切系统的储存能等它们虽然可以具有相当的“数量”，在环境的条件下，却无法利用来转换成可利用的机械功，因而其“质”为零。5、不可逆过程 不可逆过程在热力学上也称为熵增过程，热力过程是具有方向性的，即只能自发的向一个方向进行，有序状态向无序状态进行，若要逆向进行，就必须付出某种代价，也就是说，热力过程是不可逆的。6、和 在给定环境条件下(即在环境的参与和限制下)任何形态的能量理论上(或最大限度)能够转变为有用功的那部分能量称为该能量中的“”或“有效能”，而不可能转变为有用功的那部分能量称为该能量中的“”或“无效能”。 7、物理和化学 如

10、果热力系与环境仅处于热平衡和力平衡的状态，则称之为“不完全平衡环境状态”。 若热力系与环境不仅处于热平衡及力平衡，而且还处于化学平衡的状态，则称之为“完全乎衙环境状态” 及及分析的基本概念分析的基本概念 计算处于任意状态的任意系统具有能量中的值时，是以环境状态作为基准的，但环境状态又分为不完全平衡环境状态和完全平衡环境状态，所以系统的又可分为“物理”和“化学” 显然，处于任意状态的系统相对于完全平衡环境状态所具有的总E，等于从任意状态(P，T)到不完全平衡环境状态(P0，T0)的物理 Eph以及从不完全平衡环境状态(P0，T0)到完全平衡环境状态的化学 Ech之和，即 EEph十Ech 及及分

11、析的基本概念分析的基本概念!一、一、 及及分析的基本概念分析的基本概念!二、能量分析法与二、能量分析法与分析法分析法!三、常用热工设备装置的三、常用热工设备装置的效率及效率及损失系数损失系数!四、典型案例分析举例四、典型案例分析举例!五、能量的合理利用与节能常识五、能量的合理利用与节能常识目目 录录 为了确定用能系统(进行能量转换或交换的系统)个别设备或整个装置能量损失的性质、大小、分布及探求提高能量利用率的方向和措施，其方法一般可分为“能量分析法”和“分析法”两种。 1、能量分析法的特点是仅依据热力学第一定律(即只从能量的数量出发)分析揭示装置或设备在能量的数量上的转换、传递、利用和损失的情

12、况，故此法被许多人称为“第一定律分析法”其主要计算是对装置或设备进行“能量平衡”(一般又称“热平衡”)的计算，故此法又称为“能量平衡法”(或“热平衡法”)其主要热力学指标为“能效率”(或“热效率”)t，定义为： 2、分析法的本质是结合热力学第一定律和第二定律(以第二定律为主)即从能量的数量和质量相结合的角度出发分析揭示装置或设备在能量中的 (有效能)的转换、传递、利用和损失的情况，故又被许多人称为“第二定律分析法”其主要计算是对装置或设备进行平衡的计算，故又称为“平衡法”其主要热力学指标为“效率” e ，定义为：能量分析法与能量分析法与分析法分析法3、方法比较： 因为能量分析法是依据不同质的能

13、量在数量上的平衡，只考虑了量的利用和量的直接“外部损失”，在计算投入的装置或设备的总能量中，有多少被利用(收益)有多少直接转移到环境中损失掉，比较直观和容易理解例如，若某锅炉的热效率为90，则在投入(消耗)的燃料燃烧发出热量的总能量中，有90的能量(热能)传结水蒸气被利用收益)，10的能量(热能)通过排烟、散热等直接损失在环境中。又如一个水蒸气动力发电厂，若其总效率为40，则在投入燃料发热量的总能量中，有40的能量(热能)转变为机械能(最后变为电能)输出被利用(或收益)，而60的能量(热能)在锅炉、汽轮机、冷凝器、换热器、管道等设备通过各种途径散失到环境中损失掉了而且能量分析法也确实为节约能量

14、指明了一定的方向，例如回收余废热，减少工质或物料的泄漏，加强保温等措施以减少能量的直接外部损失等，这在先进国家以往的节能工作和我国近期的节能工作中往往可以取得不小的效果例如美国在70年代化工行业短期节能规划中，利用减少外部能量损失的年节能量约为60所以，长期以来人们对热力过程中能量的转换及其利用，虽然在理论上已认识到应根据热力学第一定律和第二定律对能量的“数量”和“质量”进行分析，但是，在实际工程技术设计和管理上却主要还是依据能量分析法能量分析法与能量分析法与分析法分析法 但是，因能量分析法只从能量的数量角度而不是像分析法那样从能量的量和质统一的角度来分析能量的转换和利用，因而就产生如下两方面

15、的主要问题 （1）它所指的能量损失只考虑直接散失到环境的能量(即“外部损失”)，而没有考虑到由于在设备发生不可逆过程时必然引起部分转变为而往往又不是当场排放到环境的“内部损失”(或称“内部损失”)，这种损失虽不减少能量的数量，但却引起能员质量的贬值损失因此，在对装置进行分析计算时得出各设备的损失结果的数值非但不能深刻揭示能量损失的本质，而且径往给人以假象，在如何提高能量利用率的努力方向上把人们引入歧途而分析法中酌损失就克服了这一缺点。 （2）由于能量分析法是建立在不同质的能量的数量平衡基础上，故其主要热力学指标能效率的表达式中的分子、分母常常是不同质的能量，或者说在“收益的能量”中也可能包含着

16、任意比例的 。例如，家用电阻式热水器，分母全部是的电能，而分子却是占很小部分的低温热能因此，“能效率”不能科学地表述能量的利用程度，或者说人们不能从能效率的大小来正确判断设备在热力学上的完善程度，进而不能找出提高能量利用率的正确措施而分析法的效率就不存在这一问题能量分析法与能量分析法与分析法分析法 能量分析法只从能量的数量角度而不是像分析法那样从能量的量和质为了具体说明上述两个问题，举例如下： 例11 在分析菜蒸汽动力电厂时，结果如表11所示从表中看出，虽然它的总能效率(41)与总佣效率(39)相差不大，但其损失的涵义和分布却不大相同从能量分析结果看，最大的能量损失发生在冷凝器中(占47)这就

17、可能给人们一种错觉，误认为冷凝器是造成电厂效率只有40左右的症结所在，因此耍大幅度提高电厂能量利用牢的主攻方向是冷凝器，即大大减少甚至完全消除冷凝器的放热损失(又称“冷源损失”)能量分析法与能量分析法与分析法分析法 其实，从分析的结果看，冷凝器所排放的热量中包含的值是很小的，或者说损失是很小的，只占1.5相反在锅炉中的损失却占49，即损失是最大的其主要原因是在锅炉中发生的不可逆的燃料燃烧过程和烟气与蒸汽之间发生的大温差不可逆传热过程造成大量的变成 ，但这部分却不在锅炉中当场排往环境，而是到冷凝器中才排住环境。 例12 从表12所列某些设备的能效率和佣效率可以看出，许多设备的能效率是相当高的，加

18、家用电阻加热器甚至达到100%，这就可能使人们产生误解，认为这类热力设备是相当完善，甚至是很完善的。其实不然，因为它们的效率是相当低的，如家用电阻加热器只有17，也就是说，在其中发生的过程是不可逆程度很高的过程，造成大量的蜕变为，故在热力学上是很不完善的。能量分析法与能量分析法与分析法分析法从上述两种分析法的比较，可以得出以下几个主要结论： a、采用效宰可以正确、全面地评价设备、装置及企业、国家的能源利用率，对节能潜力作出正确的判断。 b、依据各设备的损失占投人总的比例大小，可以科学地诊断出整个装置节能的薄弱环节。 c、根据损失的原因可以指导探求节能的正确措施 因此，在能量分析的基础上，进行分

19、析是十分必要的自1956年著名学者RaM Z提出采用一个新的热力学参数“”及确定物质流拥值的计算原则后关于及分析的研究和应用，首先在欧洲、前苏联，继而在美国、日本以及其他许多国家(包括中国)得到迅速发展，广泛用于热能动力、石油化工、制冷、冶金等行业。日本已于1980年颁布了关于的工业标准美国及其他有关国家(包括中国)均已召开过有关分析的专题讨论会。能量分析法与能量分析法与分析法分析法!一、一、 及及分析的基本概念分析的基本概念!二、能量分析法与二、能量分析法与分析法分析法!三、常用热工设备装置的三、常用热工设备装置的效率效率!四、典型案例分析举例四、典型案例分析举例!五、能量的合理利用与节能常

20、识五、能量的合理利用与节能常识目目 录录 对于不同的热工设备或装置，其效率的形式可能是不同的对于某一具体的热工设备或装置究竞取以上几种形式的效率中的哪一种作为其效率，要视热工设备的任务、所分析的目标以及工作条件而定有时，对同一热工设备或装置需要同时取不同形式的效率来分析。1、各类动力装置 在各种类型的动力装置(如蒸汽动力装置、燃气轮机装置、内燃机装置等）中，工质经历循环或某一特定过程，其目的是将各种形式的能量转化为功因此，对外所作的功为有效利用的，所消耗的各种形式能量中的值(如燃料的化学 、工质值变化等)为消耗 效率可表示为： 对于汽轮机、燃气轮机或内燃机： 式中：E1与E2分别代表工质进出的

21、值，Wt为作功量常用热工设备装置的常用热工设备装置的效率效率2、耗功装置 对于如压缩机、风动机和泵等托功装置，都是利用外界输入功来改变工质状态，因而工质差(E2E1)是有效利用的 ，外界输人的功Wi为消耗，其效率为：3、传输能量与流体的装置： 如果过程的任务是传递能量和输送介质，例如传热、流体的流动和传递铀功等装置。此时，传递出去的能量或工质的为有效利用的佣，而被传递的能量或工质的为消耗 其效率可表示 （1）换热装置： EB-与EB+分别代表冷流体流出和流入换热装置时的值，EA+与EA-分别代表热流体流入与流出换热装置的值常用热工设备装置的常用热工设备装置的效率效率 （2）传递轴功的装置(如联

22、细节)： 式中，WA（或EA+），WB（或EB-）分别代表输入与输出的功 （3）输送流体的管路 式中EB-与EA+分别代表流体离开与流人管路时的值4、供热装置 （1）锅炉 式中EB-与EB+别代表锅炉中出口水蒸气与给水的拥值Ef是燃料值。 （2）暖气装置 式中Q为供热量；TH为供热温度，T0为环境温度；EA+，EA-分别代表热流体进入与离开装置时的值。常用热工设备装置的常用热工设备装置的效率效率 （2）电热取暖 式中，W为耗电量。常用热工设备装置的常用热工设备装置的效率效率!一、一、 及及分析的基本概念分析的基本概念!二、能量分析法与二、能量分析法与分析法分析法!三、常用热工设备装置的三、常用

23、热工设备装置的效率效率!四、典型案例分析举例四、典型案例分析举例!五、能量的合理利用与节能常识五、能量的合理利用与节能常识目目 录录1、 损率di 如以系统中的总损失ELi为基准，某个环节的局部损失Eli，所占的比例就称为此环节的损率di，即2、 损失系数 如以系统或设备的消耗为基准，某个环节的局部损失ELi所占的比例就称为此环节的损失系数i，即典型案例分析举例典型案例分析举例3、实际案例例 下图的蒸汽动力装置循环中，各点的参数为：蒸汽的初参数P13.5MPa，T1435，透平的排汽压力P20.005MPa，有一级抽汽及混合式回热加热器，透平抽汽压力P9=0.5MPa，透平的相对内效率为0.8

24、4忽略水泵耗功、管路阻力及散热损失，且设蒸汽由平均温度为1200的烟气加热，试计算整个装置和各设备的损失， 损失系数及效率设环境Po0.1MPa，To20 。典型案例分析举例典型案例分析举例附件：详细的热力计算过程。分析： 各设备和装置的效率、 损失、 损率和损失系数已汇列于下表。由表可知，锅炉的传热损失最大，这是装置效率低的主要原因锅炉的效率不高，说明改善锅炉传热的不可逆性以减小损失的可能性大，从而提高装置的效率。在本例中尚未考虑到燃料燃烧及排姻等的损失。典型案例分析举例典型案例分析举例 （1）锅炉损失占总炳损失的78，在锅炉中损失了进入装置时热量的45.2，在此例中，仅以1200高温烟气的热量拥作为比较标准，实际上尚未考虑燃烧过程的不可逆性，否则其损失比例将会更大可见用热平衡法分析，认为相当完善(电厂锅炉热效率均大于90)的锅炉设备从分析观点看是非常不完善的。当然对不可逆燃烧过程与大温差的不可逆换热过程的改善是一个更探层次的研究课题。 （2）汽轮机的损失仅次于锅炉，是该装置中的第二大损失设备，占总损失的12%，占烟气带入该装置热量的6.9。如何减少汽轮机的膨胀做功过程的不可逆性。是一个十分重要的研究课题 （3）冷凝器中的损