能源工程2讲（1）：能源转换与储存-能源转换原理和效率

第2讲

能量的转换与储存1（1）能源转换原理和效率第一节能量转换与守恒定律从热力学的角度看，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。由于物质的运动有许多形式，如，机械运动、电磁运动、不规则运动、化学变化、核裂变、核聚变等，所以，能量也就有与运动形式相对应的不同形态。如机械能、电磁能、不规则能、化学能、核能等。2能量转换与守恒定律指出：“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。”

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实际的热工设备（或能源系统），通常都是开口系统，且在稳定工况下运行的，工质以恒定的流量连续不断地进出系统。因此，同一时间内进、出控制系统界面及流过系统内任何断面的质量均相等；同一时间内进入控制系统的能量和离开控制系统的能量相等，控制系统内能量保持恒定，因此对于稳定流动（或过程稳定）的开口系统，能量平衡方程可以写为：67

对于热交换设备、工业锅炉、加热炉窑等工业设备而言，一是系统不作功，二是进入系统前后的工质种类多，有些还会发生变化，但是总质量恒定。上述方程中的是燃烧反应放热（取正）、外界传入系统的热量（取正）、系统向外界传热（取负）、系统散热（取负）等的综合结果。因此上述可以写为：8

热力学第一定律揭示了不同形式的能量在数量上的守恒性，但没有揭示不同形式的能量在质量上的差异。比如一桶水，所含热量不少，但不足以煮熟一个鸡蛋，而一勺沸水可以烫伤人。也就是说，热量一样多，但如果温度不同，其产生的效果也不同。因此，能量有品质上的不同。能量在转换过程中，尽管“量”没有发生变化，但能量的“品质（一般以作功能力来衡量）”下降了，例如，机械能在转换为电能过程中，实际上总有一小部分机械能要转换为热能，使总的能量品质下降。

9另外，能量转换过程是有方向性的。例如，两个热物体接触，在没有外界干扰的情况下，热量总是会自发地从温度高的物体传递到低温物体。又如，高位水会自发地流向低位水。另外实践也证明，机械能可以全部转换为热能，而热能却不可能全部转换为机械能。即机械能转换为热能是自发过程，反之则为非自发过程。

10热力学第二定律：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。11ColdHot热力学第二定律实质就是能量贬值原理，即能量转换过程总是朝着能量贬值的方向进行，能量传递过程总是自发地朝着能量品质下降的方向进行，或者说都是朝着消除势差的方向；高品质能量可以全部地转换为低品质能量，反之则不然，如，机械能可以全部转换为热能，但热能不可能全部转换为机械能。12第二节能量转换效率13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达到100%。热效率：有效利用能量与消耗能量的比值，没有考虑不同能源在质量上的差别。14火电站的能量转换效率是多少？MechanicalenergyInturbineChemicalenergyIncoalThermalenergyinsteamelectricitycombustion88%Steamturbine88%46%98%Overallefficiency:88%×46%×98%=40%16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（部分转换能），如热能、流动体系的总能；（3）非转换能（废能）。17效率：有效利用能量中与消耗能量中的比值。第三节能量转换形式与设备化学能转化为热能：矿物燃料；一般通过燃烧过程；锅炉设备。181920热能转化为机械能：燃烧-热能；内燃机；燃气轮机。热能转换成机械能的装置称为热机。应用最广泛的热机有内燃机、蒸汽轮机、燃气轮机等。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。21机械能转化为电能：热能-蒸汽；蒸汽轮机。

通过系统边界以传热的形式传递的热量，在给定环境条件下，用可逆方式所能做出的最大功称为该热量的热量。22第四节2324252627

如果某一介质（液体、气体或固体）的温度高于环境温度，而该介质的其他状态参数（如压力等）与环境状态相同，介质无相变，仅由于温度的不平衡所具有的可用能称为温度，2829如果介质在传热过程中，温度逐步下降，设该介质的比热为常数，则：303132例题：

处于稳定流动状态的工质，在进入系统（如可逆热机）前，如果忽略工质宏观运动的动能和位能时，工质具有的能量为焓，其所具有的火用值（也称为焓火用）是指该工质经过一系列可逆变化过程，最后达到与环境平衡时所能做出的最大功。33

假如在热机中的变化过程为可逆的，总熵变（热机系统和环境的熵变之和）为零，则：所以：34能级：3536即:3738394041424344454647例题：48495051525354555657也可以写为：58596061626364（）65例题：66676869707172一般很难用前面讲到的公式来计算燃料73第六节7475能量平衡方程：能平衡方程：7677787980可以改写为：从上面的计算公式可以看出，另外，也可以看出，81从上表中可以看出，82当有两个不同温度的恒温源，热量从高温传到低温，考虑绝热情况：传热