第一部分 热力设备与系统绪论

1、 能源是人类社会发展进步的物质基础。能源是人类社会发展进步的物质基础。一起构成了现代文明的三大支柱。一起构成了现代文明的三大支柱。 n能量的六大性质： 状态性、可加性、转换性、作功性、贬值性、传递性n能量的两个传递方式：作功容积功、转动轴功、流动功传热热传导、热对流、热辐射 能量转换器能量转换器u 可以把能从一种形可以把能从一种形式转化成另一种形式。式转化成另一种形式。能的转换能的转换能量转换的基本原理能量转换的基本原理n能量守恒与转换定理能量守恒与转换定理-热力学第一定律热力学第一定律 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

2、只能从一种形式转换成另一种形式，从一个物体传灭，而只能从一种形式转换成另一种形式，从一个物体传递到另一个物体，在能量转换和传递过程中能量的总量恒递到另一个物体，在能量转换和传递过程中能量的总量恒定不变定不变n应用这一定律来考察并研究一个系统的能应用这一定律来考察并研究一个系统的能量收入支出在数量上的平衡关系量收入支出在数量上的平衡关系能量贬值原理能量贬值原理n能量不仅有量的多少，还有质的高低能量不仅有量的多少，还有质的高低n能量转换具有方向性能量转换具有方向性n热力学第二定律：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热不可能自发地、不付代价地从低温物体传到高温物体。体。(

3、不可能使热量由低温物体传递到高温物体不可能使热量由低温物体传递到高温物体,而不引而不引起其他变化起其他变化,这是按照热传导的方向来表述的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他任何影响化化学能转换成学能转换成光能的效率光能的效率%100EE(%)inout能源能源转换转换效率效率: :电厂发电电厂发电效率效率=输出电力输出电力/输入输入燃料燃料 35%n各种形态的能量既存在数量上的差别，又各种形态的能量既存在数量上的差别，又有质量上的不同。为了使能量得到充分、有质量上的不同。为了使能量得到充分、合理地

4、利用，不仅要尽量减少能量在总量合理地利用，不仅要尽量减少能量在总量上的损失，而且要按质用能，使各种能量上的损失，而且要按质用能，使各种能量各尽其用。（能量利用系统优化）各尽其用。（能量利用系统优化）你所了解的能源有哪些？你所了解的能源有哪些？ 传统能源：煤、石油、天然气、热力、电力等传统能源：煤、石油、天然气、热力、电力等新能源：太阳能、核能、风能、生物质能、地新能源：太阳能、核能、风能、生物质能、地 热能、海洋能、氢能、天然气水合物等热能、海洋能、氢能、天然气水合物等 能能源源来自地球外天体的能源：来自地球外天体的能源：地球本身蕴藏的能量：地球本身蕴藏的能量：地球与其他天体相互作用地球与其他

5、天体相互作用产生的能源：产生的能源：生物能生物能化石燃料化石燃料水能、风能水能、风能地热能地热能核能核能潮汐能潮汐能能源的分类能源的分类按地球上能源的成因来分：按地球上能源的成因来分：能源的分类能源的分类按被利用程度分按被利用程度分按获得方法分按获得方法分按能否可再生分按能否可再生分常规能源常规能源新能源新能源一次能源一次能源二次能源二次能源可再生能源可再生能源非再生能源非再生能源按能否作为燃料分按能否作为燃料分按能源本身性质分按能源本身性质分按对环境污染情况分按对环境污染情况分燃料能源燃料能源非燃料能源非燃料能源含能体的能源含能体的能源过程性的能源过程性的能源清洁能源清洁能源非清洁能源非清洁

6、能源把下列把下列14种能源按要求分类。种能源按要求分类。 煤煤 石油石油 水力水力 汽油汽油 核能核能 太阳能太阳能 酒精酒精 天然气天然气 液化气液化气 地热地热 煤气煤气 潮汐能潮汐能 风力风力 电电 属于一次能源的是：属于一次能源的是： 属于二次能源的是：属于二次能源的是： 属于可再生能源的是：属于可再生能源的是： 属于不可再生能源的是：属于不可再生能源的是： 属于常规能源的是：属于常规能源的是： 属于新能源的是：属于新能源的是： 属于燃料能源的是：属于燃料能源的是： 属于非燃料能源的是：属于非燃料能源的是：按使用状况分按使用状况分按性质分按性质分按一、二次能源分按一、二次能源分一次能源

7、一次能源二次能源二次能源常规能源常规能源燃料能源燃料能源泥煤泥煤( (化学能化学能) )褐褐( (化学能化学能) )烟煤烟煤( (化学能化学能) )无烟煤无烟煤( (化学能化学能) )石煤石煤( (化学能化学能) )油页岩油页岩( (化学能化学能) )油砂油砂( (化学能化学能) )原油原油( (化学能、机械能化学能、机械能) )天然气天然气( (化学能、机械能化学能、机械能) )生物燃料生物燃料( (化学能化学能) )天然水合物天然水合物( (化学能化学能) )煤气煤气( (化学能化学能) )焦炭焦炭( (化学能化学能) )汽油汽油( (化学能化学能) )煤油煤油( (化学能化学能) )柴油

8、柴油( (化学能化学能) )重油重油( (化学能化学能) )液化石油气液化石油气( (化学能化学能) )丙烷丙烷( (化学能化学能) )甲醇甲醇( (化学能化学能) )酒精酒精( (化学能化学能) )苯胺苯胺( (化学能化学能) )火药火药( (化学能化学能) )非燃料能源非燃料能源水能水能( (机械能机械能) )电电( (电能电能) )蒸汽蒸汽( (热能、机械能热能、机械能) )热水热水( (热能热能) )余热余热( (热能、机械能热能、机械能) )新能源新能源燃料能源燃料能源核燃料核燃料( (核能核能) )沼气沼气( (化学能化学能) )氢氢( (化学能化学能) )非燃料能源非燃料能源太阳

9、能太阳能( (辐射能辐射能) )风能风能( (机械能机械能) )地热能地热能( (热能热能) )潮汐能潮汐能( (机械能机械能) )海流、波浪动能海流、波浪动能( (热能、机械热能、机械) )海洋温差能海洋温差能( (热能、机械能热能、机械能) )激光激光( (光能光能) )人类文明的发展，都和能源的利用息息相关。人类人类文明的发展，都和能源的利用息息相关。人类进化过程，是不断向自然界索取能源的历史。进化过程，是不断向自然界索取能源的历史。 n人类发现用火以来经历了三代能源文明：人类发现用火以来经历了三代能源文明：1 1、柴薪、柴薪马车农业文明马车农业文明n人类第一代主体能源人类第一代主体能源

10、柴薪。树枝、杂草等作为柴薪。树枝、杂草等作为燃料，用于燃烧燃料，用于燃烧煮食和取暖煮食和取暖; ;n用草饲养牲畜，靠人力、畜力用草饲养牲畜，靠人力、畜力+ +利用一些简单机械利用一些简单机械作动力，从事手工作动力，从事手工生产和交通运输活动生产和交通运输活动。n从远古时代至中世纪，在马车的低吟声中，人类从远古时代至中世纪，在马车的低吟声中，人类渡过了悠长的农业文明时代。渡过了悠长的农业文明时代。 2、煤炭、煤炭蒸汽机工业文明蒸汽机工业文明n 18世纪世纪西欧产业革命西欧产业革命开创的工业文明，逐步扩大了开创的工业文明，逐步扩大了煤炭的利用。煤气灯的使用，照彻人类漫长夜。煤炭的利用。煤气灯的使用

11、，照彻人类漫长夜。n蒸汽机蒸汽机的发明，使煤炭成为第二代主体能源。的发明，使煤炭成为第二代主体能源。n以煤炭作燃料的蒸汽机，主要应用于纺织、冶金、以煤炭作燃料的蒸汽机，主要应用于纺织、冶金、采矿、机械加工等工业，使之获得迅速发展。采矿、机械加工等工业，使之获得迅速发展。n同时，蒸汽机车、轮船的出现同时，蒸汽机车、轮船的出现交通运输业得到巨交通运输业得到巨大进步。大进步。n19世纪以来，电磁感应现象的发现，使得由蒸汽轮世纪以来，电磁感应现象的发现，使得由蒸汽轮机作动力的机作动力的发电机发电机开始出现，煤炭作为一次能源被开始出现，煤炭作为一次能源被转换成更加便于输送和利用的二次能源转换成更加便于输

12、送和利用的二次能源电能电能。 3、石油、石油内燃机现代文明内燃机现代文明n公元前公元前250，中国人，中国人首先发现石油首先发现石油是一种可燃液体。是一种可燃液体。n 1854年，美国宾夕法尼亚州打出了世界上年，美国宾夕法尼亚州打出了世界上第一口油第一口油井井，石油工业由此得到发展。，石油工业由此得到发展。n19世纪末，人们发明了以世纪末，人们发明了以汽油和柴油汽油和柴油为燃料的为燃料的奥托奥托内燃机和狄塞尔内燃机。内燃机和狄塞尔内燃机。n1908年，福特研制成年，福特研制成汽车并量产汽车并量产。此后，汽车、飞。此后，汽车、飞机、柴油机轮船、内燃机车、石油发电等，将人类机、柴油机轮船、内燃机车

13、、石油发电等，将人类飞速推进到现代文明时代。飞速推进到现代文明时代。n到到20世纪世纪60年代，全球年代，全球石油的消费量石油的消费量超过煤炭，成超过煤炭，成为第三代主体能源。为第三代主体能源。n随着全球人口的急剧膨胀，随着全球人口的急剧膨胀，能源消费能源消费大幅度增长。大幅度增长。n煤炭、石油均为煤炭、石油均为矿物能源矿物能源，是古生物在地下历经数亿年沉，是古生物在地下历经数亿年沉积变迁而形成的，积变迁而形成的，不可再生，其储量极为有限不可再生，其储量极为有限。n按现在的能源消耗，世界上石油、天然气和煤等生物化石按现在的能源消耗，世界上石油、天然气和煤等生物化石能源，将在几十年至能源，将在几

14、十年至200年内逐渐耗尽。年内逐渐耗尽。n另外，大量矿物能源的燃烧，是造成另外，大量矿物能源的燃烧，是造成大气污染大气污染、“酸雨酸雨”和和“温室效应温室效应”的罪魁祸首。的罪魁祸首。4、第四代绿色能源、第四代绿色能源H2？探索中？探索中n 60年代以来，年代以来，“能源革命能源革命”的呼声日渐高涨。的呼声日渐高涨。“能源革能源革命命”的目的，是以的目的，是以绿色能源绿色能源逐步代替矿物能源。逐步代替矿物能源。n绿色能源绿色能源:如核能和如核能和可再生能源可再生能源-如水电能、生物质能、太如水电能、生物质能、太阳能、风能、地热能、海洋能和氢能等。阳能、风能、地热能、海洋能和氢能等。n绿色能源有

15、望为绿色能源有望为21世纪人类社会的发展提供持久的动力。世纪人类社会的发展提供持久的动力。石油能源存在的问题石油能源存在的问题能源利用的主要评价指标：能源利用的主要评价指标：1能源消耗系数能源消耗系数r：定义：指单位国民经济产值所平均消耗的能源数量。定义：指单位国民经济产值所平均消耗的能源数量。 设设E：能源消耗量，：能源消耗量，M：同期国民经济生产总值：同期国民经济生产总值 则，则， 公斤公斤/元元表明一国家能源利用的水平、和节能潜力。表明一国家能源利用的水平、和节能潜力。MEr 2单位产品能耗单位产品能耗C：定义：每单位产品产量所消耗的能量。定义：每单位产品产量所消耗的能量。 设设 ：E

16、p产品能耗；产品能耗；A：产品产量：产品产量 则则 式中，式中， E p为一种能量的消耗量时，为一种能量的消耗量时，C为单耗；为单耗； E p为一次能源、二次能源的总量时，为一次能源、二次能源的总量时，C为综合消耗。为综合消耗。综合能耗综合能耗：包含生产产品时的直接能耗和间接能耗。：包含生产产品时的直接能耗和间接能耗。直接能耗直接能耗：生产时直接消耗的能量；：生产时直接消耗的能量；间接能耗间接能耗：生产产品时所用原材料在生产过程中消耗的能量：生产产品时所用原材料在生产过程中消耗的能量 全能耗全能耗=直接能耗直接能耗+间接能耗间接能耗ApEC 3 能源利用效率：能量利用率能源利用效率：能量利用率

17、定义：被有效利用的能量与所消耗的能量之比。定义：被有效利用的能量与所消耗的能量之比。 设设 Ee：有效利用的能量，：有效利用的能量，Ec：所消耗（投入）：所消耗（投入）的能量，的能量， 则则 表示表示用能的完善程度用能的完善程度。能源利用效率的含义：热效率能源利用效率的含义：热效率热功转换时热功转换时 制冷系数制冷系数制冷循环，制冷循环，制冷量制冷量/消耗功消耗功 制冷量制冷量：由低温热源吸取的热量：由低温热源吸取的热量cEeE /三、Ex( )及Ex效率1 Ex的概念的概念 对能量的评价，要考虑被利用的能量的数量和质量。对能量的评价，要考虑被利用的能量的数量和质量。 火火 用用 能量的质量：

18、就是能量的品位，用能转换为机械功的能量的质量：就是能量的品位，用能转换为机械功的能力来衡量。能力来衡量。 不同形态的能量，其质量不同；相同能量形式，不不同形态的能量，其质量不同；相同能量形式，不同的状态能的质量也不同。同的状态能的质量也不同。 某一形态的能量转变为机械能的越多，其质量（品某一形态的能量转变为机械能的越多，其质量（品位）就越高。位）就越高。特点：相对环境状态的最大作功能力。即特点：相对环境状态的最大作功能力。即比：比：Ex就是从就是从能量的数量和质量角度能量的数量和质量角度，评价处于某一，评价处于某一状态的热力系的作功能力的指标。即能的状态的热力系的作功能力的指标。即能的可用可用

19、性性。 )()(0000sThsThex定义：处于某一状态的热力系，可逆变化到与定义：处于某一状态的热力系，可逆变化到与环环境状态境状态相平衡时，可以转化为有用功的能量，相平衡时，可以转化为有用功的能量，即有效能成为该热力系的即有效能成为该热力系的Ex 。)000()0(maxSTHSTHWxE燃料的燃料的 ：燃料与氧气可逆地进行燃烧反应和变化后，与：燃料与氧气可逆地进行燃烧反应和变化后，与周围环境达到平衡时，所能提供的最大有用功。也称燃周围环境达到平衡时，所能提供的最大有用功。也称燃料的化学料的化学火用：火用： 一般，等于燃料的一般，等于燃料的高热值高热值，即，即热热 与工质与工质Ex的区别

20、：的区别： 是取决于由是取决于由Q热源放热时的温度热源放热时的温度T； 而工质的而工质的Ex是只决定于工质的热力状态。是只决定于工质的热力状态。热热 ：设任一热源温度为：设任一热源温度为T，则在其热功转换中，最大，则在其热功转换中，最大的功为卡诺循环功。即的功为卡诺循环功。即TTQWEQx0max1xQExQExQEfEHfQE实际过程都是不可逆的，所以存在实际过程都是不可逆的，所以存在火用火用 损失。损失。设稳定流动系，不可逆过程设稳定流动系，不可逆过程12，忽略动能、位，忽略动能、位能，工质与环境之间的传热量能，工质与环境之间的传热量Q，则，则2Ex 效率效率用于评价最大有用功的实际应用的

21、程度。用实际用于评价最大有用功的实际应用的程度。用实际被利用的有效火用被利用的有效火用 和投入的火用和投入的火用 之比表示。即之比表示。即a）定义：）定义：xiLxiLxixixgexEEEEEEE11221WHQH因不可逆，所以工质的熵变，因不可逆，所以工质的熵变， 即即 熵产：熵产： 所以，不可逆过程中的功为所以，不可逆过程中的功为 即即 其中，其中， 21012dTQSSSSTQSS21012d)(212112)(dQHHWSSTSSTdQQ012021)(SSTSSTHHW02102112)()(热二定律其中，最大可逆功为其中，最大可逆功为 则，则，不可逆不可逆过程的过程的功损失功损失

22、为：为：可逆时，可利用的能量为工质进出热力系的可逆时，可利用的能量为工质进出热力系的火用火用 值之差，值之差，不可逆过程的不可逆过程的Ex损失：损失： ，表示作功能力的，表示作功能力的损失。损失。max122102121)()(WSSTHHEExxSLSTWWW012max12LxLWE因实际能量转换过程都是不可逆的，所以必有因实际能量转换过程都是不可逆的，所以必有 1ex副产品和废料带走的副产品和废料带走的Ex如锅炉、内燃机排烟等；如锅炉、内燃机排烟等；向环境散热造成向环境散热造成Ex损失。如换热器对流和热辐射。损失。如换热器对流和热辐射。装置内的不可逆过程装置内的不可逆过程如不可逆化学反应

23、，温差传热等；如不可逆化学反应，温差传热等；b）产生）产生ExL的原因：来自以下三方面的原因：来自以下三方面c） 效率的实际应用或表达式效率的实际应用或表达式 常用实际获得的收益与投入之比表示。如常用实际获得的收益与投入之比表示。如发动机发动机：进入和离开发动机的工质的有效能分别：进入和离开发动机的工质的有效能分别为为 ，产生的功为，产生的功为W12，则，则 ：包含进入气缸的混合气的流动功和化学能。：包含进入气缸的混合气的流动功和化学能。 ：废气带走的热量和流动功。：废气带走的热量和流动功。 不常用。而常用热效率。不常用。而常用热效率。ex21,xxEE2112xxexEEW1xE2xE 锅炉

24、锅炉：投入：投入高温烟气对水蒸气的加热，烟气在平均温高温烟气对水蒸气的加热，烟气在平均温度度Tm下放热，则投入的有效能为；下放热，则投入的有效能为； 收益收益水蒸气有效能的增加水蒸气有效能的增加 所以，所以， 只反映烟气温差传热造成的有效能损失。只反映烟气温差传热造成的有效能损失。 若锅炉消耗燃料的有效能若锅炉消耗燃料的有效能 为投入，则为投入，则 )/1 (0mTTQ12xxEEE)/1 (012mxxexTTQEExfExfxxexEEE12可同时反映温差传热、燃可同时反映温差传热、燃烧过程和排烟等不可逆过烧过程和排烟等不可逆过程造成的有效能损失。程造成的有效能损失。间壁式换热器间壁式换热

25、器：投入：投入热流体进出换热器的有效热流体进出换热器的有效能之差；能之差； 收益：冷流体进出换热器的有效能差。收益：冷流体进出换热器的有效能差。 所以，所以， 一般，换热器的冷流体吸收的热量与热流体一般，换热器的冷流体吸收的热量与热流体的放热量不相等的放热量不相等, ,即存在热损失。即存在热损失。 1 hhccexxExExExE 动力循环动力循环：工质被加热，并输出功的循环。：工质被加热，并输出功的循环。设设 工质加热量工质加热量-Q；平均温度；平均温度Tm； 输出功输出功W；环境温度；环境温度 T0；则；则 mexTTQW/10能源的计量单位及其换算能源的计量单位及其换算能源的实物量单位常

26、用能源实物计量单位及采用情况常用能源实物计量单位及采用情况n能能 源源 形形 式式 单单 位位 使用国家和地区使用国家和地区n固体能源、液体能源固体能源、液体能源 吨吨 (t)(t) 世界各地世界各地n原油原油 吨吨 (t)(t) 中国、前独联体、东欧各国中国、前独联体、东欧各国 桶桶 (bbl)(bbl)西方各国西方各国n成品油成品油 公升公升 (L)(L)中国、前独联体、东欧各国中国、前独联体、东欧各国 加仑加仑 (gal)(gal)西方各国西方各国n气体能源气体能源标准立方米标准立方米 (STm(STm3 3) )中国、前独联体中国、前独联体 标准立方英尺标准立方英尺 (scf)(scf

27、)西方各国西方各国n电力电力 千瓦时千瓦时 (kW(kWh)h)世界各地世界各地能量单位n1.1.焦耳（焦耳（J J）：为为1 1牛顿（牛顿（N N）的力作用于质点，使它沿力的方向移动）的力作用于质点，使它沿力的方向移动1 1米（米（m m）距离所做的功；或者用距离所做的功；或者用1 1安培（安培（A A）电流通过）电流通过1 1欧姆（欧姆（）电）电阻阻1 1秒钟（秒钟（s s）所消耗的电能。）所消耗的电能。n焦耳是焦耳是中华人民共和国法定计量单位中华人民共和国法定计量单位规定的表示能、功规定的表示能、功和热量的基本单位，用国际制单位表示的关系式为和热量的基本单位，用国际制单位表示的关系式为N

28、 Nm m；用；用国际制基本单位表示的关系式为国际制基本单位表示的关系式为kgkgm m2 2/s/s2 2。由于焦耳的数值。由于焦耳的数值很小，通常采用焦耳的倍数来表示，如千焦（很小，通常采用焦耳的倍数来表示，如千焦（kJkJ，10103 3J J），），兆焦耳（兆焦耳（MJMJ，10106 6J J），吉焦耳（），吉焦耳（GJGJ，10109 9J J）或太焦耳（）或太焦耳（TJTJ，10101212J J）。）。n2.2.千瓦小时（千瓦小时（kWkWh h）千瓦小时是电量的计算单位，与焦耳的换算关系千瓦小时是电量的计算单位，与焦耳的换算关系为：为：n1kW1kWh=3.6h=3.6101

29、06 6J Jn由于千瓦小时单位较小，通常采用兆瓦小时（由于千瓦小时单位较小，通常采用兆瓦小时（MWMWh h），万），万千瓦时（千瓦时（10104 4kWkWh h）、吉瓦小时（）、吉瓦小时（GWGWh h）、亿千瓦时）、亿千瓦时（10108 8kWkWh h）、）、1010亿千小瓦时（亿千小瓦时（TWTWh h）。）。n3 3）卡（）卡（calcal）：）：卡是热量单位，定义为卡是热量单位，定义为1 1克（克（g g）纯水在标准气压下，温）纯水在标准气压下，温度升高度升高1 1摄氏度（摄氏度（）所需的热量。我国现行热量单位卡）所需的热量。我国现行热量单位卡有有2020卡、国际蒸汽表卡及热化

30、学卡。卡、国际蒸汽表卡及热化学卡。n2020卡（卡（calcal2020）是指）是指1g1g纯水温度从纯水温度从19.519.5升高至升高至20.520.5所需要的热量，与焦耳的换算关系为：所需要的热量，与焦耳的换算关系为：n1cal1cal2020 = 4.1816 = 4.1816焦耳焦耳n1cal1calITIT = 4.1868 = 4.1868焦耳焦耳n1cal1calThTh = 4.1840 = 4.1840焦耳焦耳燃料热值n定义：燃料燃烧会释放出一定数量的热量，单位定义：燃料燃烧会释放出一定数量的热量，单位质量（指固体或液体）或单位体积（指气体）的质量（指固体或液体）或单位体积

31、（指气体）的燃料完全燃烧，燃烧产物冷却到燃烧前的温度燃料完全燃烧，燃烧产物冷却到燃烧前的温度（一般为环境温度）时所释放出来的热量就是燃（一般为环境温度）时所释放出来的热量就是燃料热值，也叫料热值，也叫燃料发热量燃料发热量n高位热值是指燃料完全燃烧，且燃烧产物中的水蒸气凝结高位热值是指燃料完全燃烧，且燃烧产物中的水蒸气凝结成水时的发热量，其数值由测量获得。成水时的发热量，其数值由测量获得。n低位热值是指燃料完全燃烧，燃烧产物中的水蒸气仍以气低位热值是指燃料完全燃烧，燃烧产物中的水蒸气仍以气态存在时的发热量，它等于从高位热值中扣除水蒸气凝结态存在时的发热量，它等于从高位热值中扣除水蒸气凝结热后的热量。热后的热量。当量热值当量热值当量热值是指某种能源本身所含的热量。具有一定品当量热值是指某种能源本身所含的热量。具有一定品位的某种能源，其当量热值是固定不变的位的某种能源，其当量热值是固定不变的等价热值等价热值为了获得一个度量单位的某种二次能源（如汽油、柴为了获得一个度量单位的某种二次能源（如汽油、柴油、电力、蒸汽等）或耗能工质（如压缩空气、氧气、油、电力、蒸汽等）或耗能工质（如压缩空气、氧气、各种水等）所消耗的以热值表示的一次能源量。各种水等）所消耗的以热值表示的一次能源量。n由于等