二章能源的转换与利用

1、二章能源的转换与利用第一节 能量转换的根本原理概述从热力学的角度看，能量是物质运动的度量，运动是物质的存在的方式，因此一切物质都有能量。 能量守恒与转换定律能量守恒和转换定律指出：“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成另一种形式，从一个物体传递到另一个物体；在能量转换与传递过程中，能量的总量恒定不变。 能量相互转换热力学第一定律：能量守恒系统的内能=系统吸收的热量+对系统做功James Joule (18181889)任何处于平衡态的热力学系统都有一个状态参数U内能。系统从一个平衡态变化到另一个平衡态时，内能等于系统吸收的热量和系统对外做功之和。热力学

2、第一定律 能量贬值原理能量不仅有量的多少，还有质的上下。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“质方面的上下。自然界进展的能量转换过程是有方向性的。不需要外界帮助就能自动进展的过程称为自发过程，反之为非自发过程。自发过程都有一定的方向。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的克劳修斯说法不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其他变化。ColdHot热力学第二定律的克劳修斯说法为了将热量从冷态输送到热态，您需要一个装置，例如热泵或冰箱，持续做功。热力学第二定律的开尔文 普朗克说法不可能从单一热源吸取热量使

3、之完全转变成功而不产生其他影响。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。 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，如电能、机械能、水能、风能、燃料储存的化学能等； 2有限转换能局部转换能，如热能、流动体系的总能 ； 3非转换能废能。 在能量利用中热效率和经济性是非常重要的两个指标。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到达100%

4、。Energy efficiency of some common energy conversion device火电站的能量转换效率是多少？Mechanical energyIn turbineChemical energyIn coalThermal energyin steamelectricitycombustion88%Steam turbine88%46%98%Overall efficiency: 88% 46% 98% = 40%第二节 化学能转换为热能概述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

5、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。 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，是我国最根本的能源。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，人工的气体燃料那么有焦炉煤气、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，即使可燃物的温度到达着火温度以上； 必须供给足够的氧气或空气

6、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锅炉不同燃料的燃烧特点煤的燃烧油的燃烧气体燃料的燃烧煤的燃烧煤的燃烧根本上有两种：第一种是煤粉悬浮在空间燃烧，称为室燃或粉状燃烧；第二种就是煤块在炉排上燃烧，称为层燃或层状燃烧。煤的燃烧技术目前煤的燃烧方式主要是煤粉燃烧和流化床燃烧。我国大型锅炉和工业窑炉大多采用煤粉燃烧。 为了提高煤炭燃烧的效率和减少污染，开展了许多先进的燃烧技术，如煤粉燃烧稳定技术，包括各种新型的燃烧器，煤粉低氮氧化物燃烧技术，高浓度煤粉燃烧技术，流化床燃烧技术等。 油的燃烧油的燃烧方法有内燃和外燃两种方式。所谓内燃，是在发动机气缸内部极为有限的

7、空间进展高压燃烧，是一种瞬间的燃烧过程。所谓外燃，就是不在机器内部燃烧，而在燃烧室内燃烧，并直接利用燃烧发出的热量，如锅炉、窑炉内进展的燃烧。油燃烧的全过程包含着传热过程、物质扩散过程和化学反响过程。 油的燃烧技术油是最常用的液体燃料。油的燃烧实际上包含了油加热蒸发、油蒸气和助燃空气的混合以及着火燃烧三个过程。为了实现油的高效低污染燃烧，应从以下来两方面着手： 1 提高燃油的雾化质量； 2 实现良好的配风 。气体燃料的燃烧气体燃料的燃烧可以分为容器内燃烧和燃烧器燃烧，它们和油的两种燃烧方式相近。气体燃料的燃烧过程包括三个阶段，即混合、着火和正常燃烧。 气体燃料的燃烧技术 气体燃料燃烧的效率主要

8、取决于气体燃料燃烧器。对气体燃烧器的根本要求是： 不完全燃烧损失小，燃烧效率高； 燃烧速率高，燃烧强烈，燃烧热负荷高； 着火容易，火焰稳定性好，既不回火，又不脱火； 燃烧产物有害物质少，对大气污染小； 操作方便，调节灵活，寿命长，能充分利用炉膛空间。 常用的气体燃烧器有扩散式燃烧器；另一种是预混式燃烧器；此外还有一种局部预混式燃烧器，第三节 热能转换为机械能电能概述将热能转换为机械能是目前获得机械能的最主要的方式。热能转换成机械能的装置称为热机。因为热机能为各种机械提供动力，故通常又将其称为动力机械。 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

9、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汽轮机如何工作A 228 MW axial flow turbineAxial flow of steamChange of radial momentum drives rotor roundMiniature lab. turbineRotor motionGas flow through the turbineThe diameter of the

10、 compressor stages gets progressively smaller as the gas pressure rises. Conversely, the turbine stages get progressively bigger as the hot gas expands, transferring momentum to the turbine blades and pushing them round. 燃气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

11、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。compressorCombustion chamberturbine辐流式燃气轮机定子盘和转子盘轴流式燃气轮机小型燃气轮机Compressor and DiffuserCompressor and DiffuserTurbine Wheels燃气轮机具有以下优点： (1) 质量轻、体积小、投资省。 (2) 起动快、操作方便。 (3) 水、电、润滑油消耗少，只需少量的冷却水或不用水，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。 内燃机 内燃机包括汽油机和柴油机，是应

12、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。 二冲程发动机二冲程发动机 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。 火力发电厂 发电机

13、(1) 将蒸汽轮机或燃气轮机的机械能转换成电能是通过同步发电机。 (2) 同步发电机由定子铁心和绕组、转子钢心和绕组、机座等组成。 火力发电厂的热力系统火力发电厂有两种类型：只承担电能生产任务的凝汽式电厂和既能生产电能又提供热能的热电厂。从能源利用的角度讲，热电联产是公认的节能手段。火电站火电站热电联产系统热电分产系统第四节 能量的传输概述能量的传输实质上是能量在空间的转移过程。广义上的能量传输通常有两种含义：一种含义是指能量本身的传递，即能量从某一处传至另一处。另一种含义是指能源的输运，即含能体如煤、石油、天然气等从生产地向用能处输送。 能源输送是能源利用中的一个重要环节。能源输送方式很多，

14、通常有铁路、水路、公路、管道、输电线路等多种方式。不同的输送方式有不同的特点和适用范围。受资源分布、能源消费多寡、交通运输格局等诸多因素的影响，能源输送工作是一项十分复杂的系统工程。 电能的输送电能的特点是发电、传输、用电都是同时发生。采用大机组发电，建立大电网，提高输电电压成为电力工业开展的趋势。1. 电力产生；2. 通过升压变电站电压升高；3. 电能传送；4. 通过降压变电所降低电压；5.分配电力；6.到达需要电力的地点电能的输送电能的输送升压和降压变压器我国电能输送存在的问题电压等级偏低，电压层次过多，造成重复容量多，线路长、线损高，事故多，调度不灵。输电方式单一，缺乏超高压直流输电。电

15、网容量小，联网开展缓慢，影响了电网整体效益的发挥。 变配电设备陈旧老化，难以适应电力输送开展的需要。 煤炭的铁路运输我国煤炭输送主要是以山西、陕西和内蒙西部所谓“三西为中心向全国缺煤省市输送。 煤炭的水路运输海运是北煤南运的主通道，华北煤炭供给华东和华南地区，海运约占55%，铁路直达运输约占43%。 除了海运外，长江和大运河北段也是煤炭的主要水运通道。煤炭的公路运输公路主要承担短距离的煤炭运输，特别是乡镇煤矿生产规模小，布点分散，大量煤炭靠汽车集运到铁路车站。由于铁路运力缺乏，公路运输作为辅助运输手段，对煤炭的运输也起到了重要作用。石油和天然气的运输我国原油产地主要在长江以北，其中大庆、胜利和

16、辽河油田的原油产量约占全国的60%，而对炼油能力而言，辽宁、吉林、黑龙江约占30%，京、津、冀占11%，山东占8%，苏、浙、沪占19%，长江中游11%，广东9%，西北11%，西南地区那么没有大、中型炼油厂，成品油根本上以炼油厂为中心就地供给，但也有相当数量的长距离跨省区输送。 我国原油的输送主要是通过管道、水运和铁路，其中管道是主力。天然气那么几乎全部采用管道送输。 石油输送原油输送以管道输送为主，通常陆上油田向炼油厂输送原油的方式有三种：通过管道直接输送到炼油厂；原油经管道输送再转海运或江运至炼油厂；原油管道运输转铁路送至炼油厂。石油输送天然气的输送天然气主要是靠管道输送，目前我国天然气管道

17、总长达11629km。主要的天然气管网有川渝天然气管网、陕甘宁输气管道、青海输气管道、新疆输气管道等。 最大的天然气输送工程是“西气东输工程，它是我国西部大开发的重要组成局部之一，其目的是把西部地区丰富的天然气资源通过长距离的输气管道送至东部长江三角洲地区。天然气的输送 第五节 能量的储存能量的储存机械能以动能、势能形式储存。热能以潜热、显热形式储存。电能感应场能或静电场能。化学能、核能自身即为储能形式。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SatCon飞轮能量储存系统可以提供常规铅酸蓄电池50倍的能量储存容量NASA 开发的飞轮能量储存技术液态空气能量储存系统电能的储存蓄电池开展方向：廉价、高效、能大规模储能。静电场和感应电场1电容器在直流电路中广泛用作储能装置，在交流电路中那么用于提高电力系统或负荷的功率因数，调整电压；2高电压技术、高能核物理、激光技术、地震勘探等方面采用的直流高压电容器；3超导磁铁蓄能。蓄电池作为电能储存系统燃料电池储能带有超导磁铁的飞轮电力储存系统热能的储存显热储存潜热储存化学储存 地下