第二章 能量转化基础课件

1、联系电话：联系电话：3600305（程）（程）Email: 办公室：力学办公室：力学1楼楼515 我国能源现状 国民经济高速增长 2005年，一次性能源总产量20.6亿吨标煤，消费总量22.5亿吨标煤，分别占世界13.7%和14.8%。世界第二 能源资源有限 能源利用率，尤其是我国的能源利用率要比先进国家低得多 开源： 开发和利用新能源 需要资金、技术和时间 节流：节流： 合理地使用能源及提高能源利用率，或者合理地使用能源及提高能源利用率，或者说节能问题至关重要。说节能问题至关重要。 新技术、新方法 改进、研制新的能量传递和转换装置及系统，减少转换的次数和传送的距离，如改进热力发动机的结构，设

2、计新的热力循环 大力开发节能新技术，如高效率燃烧技术、热管技术、热泵技术等 开发和推广能源利用的运行控制新技术，以实现能量利用的最经济运行，如空调装置的变频运行、供热系统的用户供热独立调节等。 开发、利用和提高大阳能、地热能、海洋能等新能源利用技术。 科学用能 从能量的数量和质量两方面分析、计算能量的需求和评价能源使用方案，按能量的品性合理使用能源，尽可能防止高品位能量的降级使用。 以总能系统的概念，对整个企业或地区用能系统进行全面规划和优化组合，使一次能源、二次能源及余热、余压均得到充分利用，提高总能系统的能源利用率，加热电联产、热电冷联产等。 能量转化及利用的基本规律 能源的有效利用问题及

3、其评价指标PVPV 热力学第一定律 稳定流动系统EQWQEW 进入系统的能量离开系统的能量系统中储存能量的增加进入系统的能量离开系统的能量系统中储存能量的增加HQWtHWQt 热力学第二定律 克劳修斯描述：传热 开尔文描述：热机 实质：自发过程不可逆 卡诺定理及卡诺效率 克劳修斯不等式 熵、熵增、熵流与熵产 孤立系统的熵增原理121TTR0rTQgfSSdS 能量消耗系数能量消耗系数：某一年或某一个时期，实现单位国民经济产值所平均消耗的能源数量，这是一个反映能源消耗量与国民经济产值相对关系的指标/rE ME：能源消耗量，：能源消耗量，kg（标煤）（标煤）M：同期国民经济生产总值，元：同期国民经

4、济生产总值，元2005年每万元年每万元GDP：1.22吨标煤，相当于吨标煤，相当于8.2￥/kg标煤，大约标煤，大约1$/kg标煤标煤目标：目标：2010年，年，0.98吨标煤吨标煤/万元，相当于万元，相当于10.2 ￥/kg标煤标煤 单位产值能耗： 是指每单位产品产量所消耗的能量它又分为单耗和综合能耗两种pECAA：产品产量：产品产量Ep：产品能耗：产品能耗 当当Ep指某种能的消耗量时，指某种能的消耗量时，C为单耗，为单耗，如生产如生产1度电的煤耗；度电的煤耗； 当当Ep指生产某种产品时，各种一次能源、指生产某种产品时，各种一次能源、二次能源的总消耗量时，则二次能源的总消耗量时，则C为综合能

5、耗。为综合能耗。综合能耗包括了综合能耗包括了直接能耗直接能耗与与间接能耗间接能耗两部两部分，两者之和称也为分，两者之和称也为全能耗全能耗直接能耗直接能耗：生产该产品时直接消耗生产该产品时直接消耗的能量的能量间接能耗间接能耗：该产品所用的各种原材该产品所用的各种原材料在被生产出来时所消耗的能量料在被生产出来时所消耗的能量 能源利用效率：能源利用效率也称能量利用率。它为被有效利用的能量(或获得的能量)与消耗的能量或投入的能量之比。它被用来表示用能的完善程度。ecEEEe：有效利用的能量：有效利用的能量Ec：消耗的能量：消耗的能量能源利用效率可以分别针对一台设备、一个工序、一个车间、一个部门甚至全国

6、来计算。由于能量传递、转换与利用的设备的多样性及其应用范围的不同，因而常用不同的术语来表达能源利用效率的含义。例如，电厂动力循环，热效率制冷装置的制冷循环，制冷系数能效标识是附在产品或产品最小包装物上的一种信息标签，用于表示用能能效标识是附在产品或产品最小包装物上的一种信息标签，用于表示用能产品的能源效率等级、能源消耗量等指标。共产品的能源效率等级、能源消耗量等指标。共5个等级：个等级：等级等级1表示产品达到国际先进水平，最节电，即耗能最低；表示产品达到国际先进水平，最节电，即耗能最低；等级等级2表示比较节电；表示比较节电；等级等级3表示产品的能源效率为我国市场的平均水平；表示产品的能源效率为

7、我国市场的平均水平；等级等级4表示产品能源效率低于市场平均水平；表示产品能源效率低于市场平均水平；等级等级5是市场准入指标，低于该等级要求的产品不允许生产和销售。是市场准入指标，低于该等级要求的产品不允许生产和销售。能效指数：实测耗电量能效指数：实测耗电量/耗电量限定值耗电量限定值100% 能量评价数量质量 能量转化的方向性 自然界的一切自发变化过程都是从不平衡态趋于平衡态，而不是相反。 当能量不能转化为其它形式的能量时，就失去了利用价值 高级能：可不受限制，完全转化的能量。本质：完全有序运动的能量 低级能：可部分转化的能量 受环境所限，完全没有转换能力的能量 什么是（火用）（可用能、Exer

8、gy）？ 热力学中将处于一定环境中的系统所能做的最大功称为可用能，简称（火用） （火无）（不可用能，Anergy）xnEEA 热量（火用）与能级 恒温热源 有限热容 能级（有效度）：能量中（火用）所占的比率 各种能源的能级max01WQT T0000011lnxpTTTEQmcTTTTTTxEE 冷量（火用） 有限热容 恒温冷源 冷量（火用）更珍贵，超低温物体具有很大的做功能量110210TTQQTTEx2102101TTQTQTQEx 开口系统的（火用） 开口系统的能级000()()xEHHT S S0001xESTH HH H （火用）效率：在能量转化过程中，被利用的（火用）与所支出的（火

9、用）之比。也叫有效能效率，或热力学第二定律效率 （火用）损： 副产品和废料带走的（火用） 散热 内部不可逆损失ge xE xE x 几个常用热力设备的（火用）效率 热力发动机 压气机 间壁式换热器 锅炉 动力循环12exWE xE x21exE xE xW excchhE xE xE xE x21exfExExEx01exmWQT T某汽轮机的进汽参数为3.5MPa、435，背压为0.0087MPa，排汽干度为93.5，求其（火用）效率。解：由水蒸气的焓熵图查得水蒸气在进口状态时的比焓和比熵为(假定环境温度为20 ）h1=3304kJ/kg.K; s1=6.96kJ/kg.K; h2=2424

10、kJ/kg.K; s2=7.707kJ/kg.K;h0=83.95kJ/kg.K; s0=0.2963kJ/kg.K;计算（火用）： ex1=(h1-h0)-T0 (s1-s0)=3220.1-1952.5=1267.9kJ/kg ex2=(h2-h0)-T0 (s2-s0)=2340.1-2171.3=168.8kJ/kg（火用）效率： 121212()()330424241267.9 168.80.80exw exexhhexex 总能系统的概念（20世纪7080年代） 所谓总能系统是指某系统所需的能量几乎都由该系统中所设置的唯一的能源供给，按照能量品位的高低进行梯级利用总的安排好功、热(

11、冷)与物料热力学能等各种能量之间的配合关系与转换使用，以取得更有利的能源利用的总效果。总能系统实例联合循环 它是把以输出功为目的的不同热机循环按照梯级利用的概念联合在一起 如：燃气轮机蒸汽轮机联合循环，能达到约50%的热效率要比单循环所达到的热效串(40)高很多联供系统 利用一个经过完善组合的系统，使一种能源根据用户的需要转换成不同形式的能量。由于这样的系统同时考虑到能量的形式及能量的品性，也考虑到不同季节对负荷需求的差别，所以可达到较高的能源利用本及机组利用率。 例如：热电联产，由汽轮一发电机组同时供给用电和用汽(或用热)，减少冷凝器中的热损失，使热效率提高到80左右。此外，热电冷联产、煤气

12、热电三联产等，均属于这类联产联供形式。DCACPPSOFCBH1TSGCFEF1F2H2C1C2P1P2442211335566A7891011113112 总能系统实例 余热利用 工业企业有大量余热资源，根据企业的具体状况，考虑到按品位高低进行组合的原则，因地制宜地合理利用，则将会显著地提高能源利用率。 目前已用的系统有余热发电、余热供暖、余热助燃等，将原来遗弃的热量加以利用，节能效果当然是不言而喻的。 先热利用 很多热用户需要的温度并不高，远低于燃料燃烧可以达到的温度，而又缺乏与热用户需要的温度相配的热源。在这种情况下，可以按照温度对口、梯级利用的原则，在为热用户供热能时，合理地利用较高温

13、度区域的热能。由于高温热能的品位高，更宜用于作功，故在条件许可情况下，可采用高温燃气轮机等先热利用方案。130014001500160017001800102030405060Efficiency of Energy System (%)Temperature at Inlet of Gas Turbine (K) Zero Emission System with LNG Zero Emission System without LNG Conventional Energy System 总能系统实例 能量工厂（能量大系统） 这是把总能系统的概念扩大到包含若干个不同的生产领域，甚至还可以扩

14、大到一个区域或一个城市，其目的是提高整个范围内的能源利用效率。 例如，坑口能源联合体，使煤炭产地既产电，又产热(冷)，还产各种化工原料，可称之为多联产。 在这样的系统中，除按品位梯级利用外，还存在着如何很好地相互配合与利用的问题。总能系统提出的意义促使热力循环研究思路发生质变，人们不再囿于单一循环的优劣，而更着重于把不同循环有机结合起来的各种高性能联合循环，并且把能源利用提高到系统高度来认识热机的发展应用，即在系统的高度上综合考虑能量转换过程中能的梯级利用，不同品位和形式的能的合理安排以及各系统构成的优化匹配，总体合理利用不同品位能，以获得最好的整体效果。如以燃气轮机为核心的总能系统，既能充分

15、发挥燃气轮机的高温加热优势，又能避免简单循环排热温度高、排烟损失大的缺陷，显示出极好的总体性能，因而受到电力、石化、冶金等部门的青睐，以联合循环、功热并供、三联供、多联产以及总能工厂等多种形式得到广泛的推广应用。总能系统的思想是建立在合理用能的基础上的，但用能的合理不一定就等于有最好的经济效果，因为要同时考虑到设备的投资、不同种类能量的价格不同等多种因素。所以，如何合理地对总能系统进行评价是一个比较复杂的问题，日前尚无定论。 总能系统的评价 热力学第一定律： 评价指标：能量利用效率、总能利用系数、热效率 缺点： 从量的角度衡量，适用范围较窄，对应用于含有不同品位能量的系统，则失去其价值 总能系

16、统的评价 热力学第二定律： 评价指标：（火用）效率、有效能效率 近年来，产生广义（火用）效率，称为经济（火用）效率：式中：W为做功；Q为供热；R为供热售价与供电售价之比；B为燃料消耗量；QL为燃料的低位热值 缺点：没有考虑不同燃料的价格不同 考虑燃料价格的影响，加入因子：单位能量功与单位能源价格之比,ex eLWRQBQ,ex gLwFWRQBQZZ 动力机械： 动力机械是指将自然界能源直接转换为机械能并推动其他机械进行工作的机械，所以又称原动机或发动机。 动力机械是完成动力的产生、传递和输出的动力系统中最主要设备。 分类： 工质： 蒸汽动力机（汽轮机、蒸汽机等） 燃气动力机（燃气轮机、喷气式

17、发动机、柴油机、内燃机等） 水动力机（水轮机） 加热方式： 内燃动力机 外燃动力机 水动力机（无加热） 热能利用和动力技术应用的日益广泛，对全球经济的发展、科学校术的进步和人民生活水平的提高起到了重大的作用。 但是能源的开采、输送、转换和利用都直接或间接地改变着地球上的物质平衡、能量平衡和生态平衡。 从能源的开采到转换成各种形式的能量利用的过程中，伴随着光、热、燃烧、化学反应、声、排放等多种物理与化学过程，对环境及生态系统会产生各种不良影响，危及人类生活和生命及各种动植物的生存，即形成所谓环境污染。 能源与环境问题已日益受到全球社会的重点关注，在能源利用中(热能与动力技术占主体)，应以往主要考

18、虑能量的发生和使用(消资)转变为以能量的消费结果和环境效益来审查或评定能源利用的设计或使用结果的合理性，为全球社会达到可持续发展的目标而努力 环境污染 热污染 空气污染 CO2：温室气体 NOx： 破坏臭氧层 汽车排出的碳氢化合物和一氧化氮在太阳光的作用下发生化学反应，产生由臭氧、氧化氮、甲醛、乙醛及其他氧化剂组成的光化学烟雾，大气能见度降低，直接影响交通安全。烟雾的化学成分还刺激人眼和粘膜部位、会使人头痛、呕吐、发生呼吸障碍，使植物枯死，特别严重时会导致人的死亡。 硫化物（SOx，H2S）：（煤）有毒，酸雨、酸雾 环境污染 噪音污染 放射性污染 核电站 燃煤电站排烟：滞留时间长，燃煤电站80km内的居民所受到的放射性剂量要比核电站高50以上。 其它污染 热电厂的粉尘(包括炭黑和飞灰