第1讲基础知识

第一章 基础知识第一节绪论能源是近代社会发展三大支柱之一。人类利用能源的历史，也就是人类认识和征服自然的历史。这个历史可以分为五个阶段：火的发现和利用；畜力、风力、水力等自然动力的利用；化石燃料的开发和热的利用；电的发现及开发利用；原子能的发现和利用。三次大的转换：木材等→煤炭→石油→多能源结构1.1 能源的分类根据能源的形成条件，分为一次能源和二次能源；根据其可否再生，分为可再生能源和非再生能源；根据其利用历史状况和技术水平，分为常规能源和新能源；根据其对环境的污染程度分为清洁能源（绿色能源）和非清洁能源。?一次能源：直接从自然界取得的能源，如河流中流动的水、开采出的原煤、原油、天然气、天然铀矿等。二次能源：对一次能源加工、转换得到的能源，如电力、蒸汽等。可再生能源：如太阳能、生物质能、水能、风能、地热能、波浪能、洋流能、潮汐能以及海洋表面与深层之间的热循环等。非再生能源：如煤炭、石油、天然气、煤成气等石化能源 。1.2 能量的类型所谓能量，就是产生某种效果或变化的一种能力，是为能源所拥有的。有6种形式：机械能：常以功的形式来实现，包括物质的动能、势能和弹性能等。热能：宏观表现是温度的高低，与构成物质的原子和分子的运动有关的一种能量。电能：其传递形式是电流，与电子的流动和积累有关。辐射能：也称电磁能，是物体以电磁波形式发射的能量。化学能：物质或物系在化学反应过程中以热能形式释放的热力学能，例如燃料燃烧。核能：又称核内能，蕴藏在原子核内部的能量，在原子核中粒子相互作用，即发生原子核反应时释放出来。天石有风水海地太核核然煤机洋阳裂聚油沼能力热气物能能氢变变气化工业燃水光燃反工风料热装烧轮电应装车电置炉机池堆置池化机发电机电工热热械原能机能能料电动机磁流体发电电炉电力系统1.3 能源有效利用与循环经济传统经济模式是“资源—产品—污染排放”单向流动的线性经济，其特征是“高开采、低利用、高排放”。结果导致资源枯竭、环境恶化，带来种种人类生存和社会发展问题。循环经济：是由“资源—产品—再生资源”所构成的物质反复流动的经济发展模式。“3R原则”为行为准则，即：减量化（Reduce）原则：较少原料和能源投入达到既定生产或消费的目的。再使用（Reuse）原则：产品和包装容器能被反复使用。再循环（Recycle）原则：生产出来的物品在完成其使用功能后能重新变成可利用的资源。能源的合理有效利用原则对于能源的合理、有效利用，应遵循以下原则：⑴最小外部损失原则：如减少能源开采、输送等环节中的浪费，减少废渣或产品等带走的能量损失。⑵高能源利用效率原则：及时更新设备利用新技术。⑶最佳推动力原则：如按能量品位用能，能量的梯级利用。⑷回收利用原则：变废为宝⑸综合利用原则：将能源资源单一利用转向与其他工业相结合的综合利用。⑹节约优先，适度消费原则：如调整空调温度。⑺积极开发与利用可再生能源和清洁能源原则：减少不可再生能源和易污染能源的消耗和污染。1.4能源有效利用的评估常用的评估指标，可归为两种类型。一种为能源经济性指标：单位GDP能耗（即单位产值能耗)；单位产品能耗；另一种是能源技术效率指标： 能源利用效率。1.4.1 单位GDP(国内生产总值)能耗是指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。为宏观经济领域的指标，其表达式为： r=E/M。为能源消耗量（指标准煤），包含一次能源的消耗，还包含二次能源及耗能工质（水、压缩空气和氧气等）的消耗，统一按其低位发热量换算为标准煤量，故也称综合能耗；M为同期国民经济生产总值。单位GDP能耗（标准煤）也称为能源强度，能源强度愈低，能源经济效率愈高。该指标可用于国家、省市等单位为t（标准煤）/万元，由此可对比分析能源利用状况。 例如，2005年全国单位GDP能耗为1.22，上海0.88。1.4.2 单位产品能耗是指每单位产品产量所消耗的能量， 属于微观经济领域的指标。又分为单耗和综合能耗两种，表达式： C=Ep/A。 Ep为产品能耗，A为产品产量。当Ep为某种能的消耗量时，C为单耗； 例如，生产1kW·h电的煤耗。如果Ep是指生产某种产品过程中所消耗的各种一次能源、二次能源的总消耗量，则C为综合能耗。综合能耗包括直接能耗（生产该产品时直接消耗的能量）和间接能耗（指该产品所用的各种原材料在被生产出来时所消耗的能量），故也称为全能耗。1.4.3 能源利用效率针对对象和范围不同，采用不同的术语来表达能源利用效率的含义。是指被有效利用的能量（或获得的能量）与消耗的能量（或投入的能量）之比，以百分数来表示。它被用来考察用能的完善程度，其定义式为：η=Ee/Ec; Ee为有效利用的能量； Ec为消耗的能量。3种不同对象时具有代表性的技术名词 ：①能源效率，通常指能源生产效率、中间环节效率和终端利用效率的乘积。②能源（或能量）利用率，指为终端用户提供的能源服务与所消费能源量之比。③设备效率：指对某台设备，向它所提供的能量被有效利用的程度。1.4.4 火用及火用效率前面3个评估指标中用到均只是能量的数量，而未涉及到能量的质量。对于能量可以被利用的程度而言，不仅应考虑能量的数量多少，而且应考虑能量的质量如何（即能量的品位高低）。例如，热能不能全部转变为机械能，但机械能却能全部转变为热能。可见，机械能比热能的质量高。温度 高的热能质量比温度低的热能高。机械能为一切形态能量中 “质量”最高的一种，而且是应用极为广泛的能量。故通常以机械能为标准，评估其他形态能量的质量。为了在评判能量的合理利用时兼顾能量的数量和质量，学术界引入一个与做功密切相关的参数“火用”。火用所谓火用，是指处于某一状态的热力系，可逆地变化到与周围环境状态相平衡时，可转化为有用功（即最大有用功）的能量。此值即为该热力系的火用，或更直观地称为有效能，单位为J；对于单位质量工质，则为比火用，单位为J/㎏。由热力学第二定律知，任何热源当其温度为T时所传出的热量Q中能转换为功的最大值，应是在温度范围T及T0(周围环境温度）内卡诺循环的做功量，即Q(1‐T0/T)。热量中这部分能转换为功的最大可用部分也可称之为热火用。燃料火用：燃料与氧气可逆地进行燃烧反应和变化后，与周围环境平衡时所能提供的最大有用功。也可称为燃料的化学火用或燃料的化学有效能，可近似地取为燃料的高发热值。火用效率由于实际过程都是不可逆的，必存在有效能的损失，即 火用损失。广义定义火用损失：对于某一个系统或设备，投入或耗费的火用与被利用或收益的火用之差，即为该系统或设备的火用损失。在装置中产生火用损失的原因，可归纳为三方面：⑴副产品和废料带走的火用，例如锅炉的排烟。⑵由于散热，例如换热器中通过对流和辐射，从换热器外表面向环境散热造成的火用损失。⑶因装置内容发生的不可逆过程所造成，例如不可逆的化学反应，温差传热等。火用效率：被有效利用的火用与投入的火用之比。也称为有效能效率，即ηex。火用效率实际上就是获得的效果对所供给能量的最大做功能力之比。它是同时从能的量与质来衡量热力系统或设备完善程度的尺度。设备实际的火用效率必小于1。本专业内容：热能、化学能、机械能、电能等之间转换原理及其装置（机械、设备） 。本课程的内容：讨论能源、动力部门（包括工艺过程与装备）的机械、设备、装置的组成、结构、工作原理和性能。动力系统之一：火电厂动力系统之二：水轮机动力系统之三：核电站动力系统之四：风力发电动力系统之五：内燃机动力系统之六：燃气轮机动力系统之七：制冷空调系统动力系统之八：泵站其他动力系统液压传动系统液力传动系统压缩空气系统供水系统供暖系统控制系统‥‥‥生命系统动力系统小结之一化学能燃烧室热热能工质内能反应堆交换器发流体电能机械功动力系统小结之二机械功流体工质内能机械动能势能流体机械功机械动力系统小结之三机械功膨胀机or热量

换热器

换热器

热量压缩机机械功动力系统的三大部件（按功能）燃烧室（炉膛） 换热器 流体机械第二节 能源与动力装置的分类从能源与动力装置中的各种机械和设备的功用 出发，可将其归纳为两大类：流体机械和换热设备。本课程主要研究的是流体机械、换热设备以及由它们组成的相关装置的基本原理、结构和性能。一、流体机械是指以流体（液体和气体）为工质，实现工质能量与外界进行能量传递和转换的机械设备。分类根据流体是液体还是气体分为水力机械和热力机械；根据能量是输出还是输入机械功可分为动力机械(或原动机)和工作机械；按工作原理又常分为速度式(叶片式)、容积式(往复、回转)和其它形式的流体机械(如射流泵等)。流体机械分类表容积式流体机械容积式流体机械的特点：速度式（叶片式）流体机械：转动的叶片;连续绕流;流体与外界的能量传递是通过旋转的叶片与流体的相互作用达到的，叶轮是叶片式流体机械中唯一与外界传递能量的部件。速度式流体机械的分类根据流体在叶轮内的压力与速度的变化，2类：⑴反动式（反击式） ：流体的压力和速度都发生变化，流体与叶片交换的能量中既有压力能也有速度能；⑵冲动式（冲击式） ：流体压力不变，流体与叶片交 换的能量只有速度能（动能）。速度式（叶片式）流体机械分类二、换热设备（热量交换）换热设备是动力工程中常见的能量(热能)交换装备。换热设备包括各种的热交换器和锅炉、燃烧器等，例如制冷装置中的蒸发器、冷凝器；火力发电装置中的省煤器、预热器、过热器、再热器、凝汽器、加热器等；燃气轮机装置内的中冷器、回热器等。热交换器一般是固体两边壁面的流体 通过对流进行热交换，也有通过辐射、两流体直接接触等方式进行热交换的。换热器的分类按流动方向分：顺流式、逆流式、错流式、混流式。按传热方式分：间壁式、混合式、蓄热式三、应用流体机械、换热设备以及由它们组成的相关装置广泛应用于电力、交通运输、制冷空调、冶金、航空航天、石油、化工、药业、、农业、矿业、天然气、激光、卫星、芯片等领域。交通运输业中，内燃机包括汽油机和柴油机，在全世界船舶动力中柴油机占70%，铁路运输中，内燃机牵引占所有机车牵引动力的70%以上。而汽车业的动力全部来源于内燃机。2006年底，我国火电装机容量达到5亿Kw。风机、泵、压缩机的用电量占全国发电量1/3左右。制冷空调装置及系统更是广泛应用于商业、生活、工业和科研等各个领域。但是，我国能源与动力领域和国际先进水平相比，差距仍很大。火力发电的热效率很低，每度电消耗煤高达399克，比发达国家多50～100克。一次能源转化成电力的比例只有22%，而发达国家平均为36%。工业炉的热效率一般为60%左右，而日本达到80%以上。内燃机的油耗率也要比国际先进水平高8-15%。我国人平均能耗仅为世界平均水平的1/3，而单位产值能耗则是世界上最高的国家之一。第三节 工程热力学和流体力学基础（略）第四节 实际过程中常见的能量转换一、流体机械内的能量转换等容过程—机械功的转换（不可压流体）对于不可压流体，其机械功与外界机械功的转换是在密度不变的情况下进行的。流体与外界交换的能量仅仅与流体机械进出口机械能的差值有关。压缩过程和膨胀过程—功热转换（可压流体）流体机械中的热能向机械功的转换是由工质（可压缩流体）膨胀来完成（原动机），机械功向热能的转换是通过压缩工质来实现（工作机）。热能与机械能的转换是在叶轮（透平机械）或气缸内（容积式流体机械，包括吸气、排气）进行。二、吸热过程和放热过程 —热量交换热量在热力学上定义为由高温物体传递到低温物体的能量。显热：当物体不发生相变时存在热量的转移（加入或移出） ，表现为温度变化。潜热：物体相变时热量转移，温度不变。如熔解潜热。固体溶解为液体，液体蒸发为气体，固体直接升华为气体都要吸收潜热，可实现制冷。相反，工质从气体变为液体的凝结过程要放出潜热，可用于制热。吸热和放热是相辅相成的，对某个系统为放热过程，失去热量；系统的外界就有一个吸热过程，得到热量。吸热和放热通常是在换热设备和管道系统中进行，根据传热机理不同，热量传递有3种基本形式：热传导、热对流和热辐射。换热设备一般希望加强热量的交换强度，以减小尺寸，提高效率。热效率可定义为工质得到的热量与外界提供的热量之比。三、燃烧过程—化学能转换为热能根据燃烧与工质是否直接接触可分为：内燃式：在汽缸或燃烧室内利用气体或液体燃料的燃烧而得到的燃气作为工质。外燃式：通过锅炉将燃料的化学能转换为热能并传递给工质， 使工质从液态汽化。固体燃料的燃烧是在固体表面上进行的，是一种异相化学反应，燃烧过程复杂。而气体燃料的燃烧、液体燃料先雾化成油雾再受热产生油蒸汽的燃烧都是单相化学反应，燃烧过程相对简单。固体燃料的燃烧过程固体燃料（例如煤炭）燃烧时，在吸热升温阶段，锅炉内的高温热源通过对流、辐射及热传导的方式使新鲜燃料吸热升温。在常压下，首先煤中的水分受热蒸发，燃煤得到干燥，温度不但上升，