热能节能基础

热能节能基础本章内容：能量转换与平衡、能质及有效能、有效能计算、有效能损失及有效能效率。热能利用是一个大的系统工程，它涉及能源的开采、加工、转化、运输、储存、使用和回收等环节，限于篇幅和目的，本课程略去前五个环节，而主要对后两个环节的分析与完善进行阐述，热能利用的实质是能源的转换与热能的传递。如前所述，热能利用的具体方式多种多样，但从热能形态的角度来看，则只有间接使用和直接使用两种方式。在这两种方式中，都有能量的转换与平衡。2.1能量的转换与平衡自然界是由不断运动的物质构成的，而物质的运动形态是多种多样的。物质的每一种运动都具有做功能力，即具有“能”。不同运动形式的能分别被称为“机械能”、“热能”、“化学能”、“电能”、“光能”、“原子能”等。1．能量转换的形式热能提供各种化学反应中还原过程所需热量，物料加热融化所需热量，以及提供生产工艺所需加热源（水蒸气等）。它主要是利用燃料的燃烧热能，是企业消耗的最主要能源之一。机械能用于流体的输送和压缩如鼓风机、压缩机和泵等；物料的运输、提升、压延、破碎、机械加工等。机械能大部分是由电能转换而来，也有利用蒸汽动力装置直接拖动。电能主要是通过电机转换成机械能，同时可提供照明、电热等。但电能本身大多数实际是由热能转换成机械能、再由机械能转换成电能的。化学能最常见的是燃料燃烧，将燃料蕴藏的化学能转换成热能，氧化反应就是将化学能转换成热能。这四种能量的转换关系如下表所列输入能输出能热能化学能机械能电能热能传热过程吸热反应热力发电机热电偶化学能燃烧过程化学反应肌肉、渗透压电池机械能摩擦机械传动发电机电能电热电解电动机变压器不同形式能量之间的转换，有些是可能的，有些是不可能的，有些可以全部转换，有些只能部分转换，有的在理论上正向逆向都可转换，有的需要一定条件。例如，电能与机械能之间，理论上可以百分之百地相互转换，且都可以全部转换成热能。反之，热能绝不可能百分之百的转换成机械能。并且，热能只可能由高温处向低温处传递。由一次能源向常用形式的能源转换及其装置列于下表。能源种类转换方式转换装置煤、石油等化石燃料、氢、酒精等二次燃料化学能热能燃烧装置、锅炉化学能热能机械能各种热力发动机化学能热能机械能电能热力发电厂化学能热能电能燃料电池、磁流体发电、热电发电水能、风能、潮汐能、波浪能机械能机械能水车、风车、机械能电能水力发电机、风力发电机太阳能光能热能太阳能热水器光能热能机械能太阳能热机光能热能机械能电能热力发电装置光能热能电能热电子发电光能电能太阳能电池、光化学电池地热能热能机械能电能蒸汽透平发电核能核裂变热能机械能电能现有核电站核裂变热能电能磁流体发电、热电子发电一次能源具有不同的特性。例如，太阳能绝对数量极大，但辐射到地面上的能流密度很小，且随时间地点而变；水力资源能量比较集中，但受地域限制，就地不能全部利用，有一个能量的储存与输送问题；化石燃料具有现成的化学能，但不能直接利用，要通过燃烧转变成热能才便于使用。目前，绝大多数一次能源都首先经过转换成热能形式或者直接使用，满足各种工艺流程和生活所需；或者通过热机进一步转化为机械能和电能后再利用。经过热能这个重要环节而被利用的能量，在我国占90%以上，世界各国平均也超过85%，因此，分析和研究热能转换的特点，对有效利用能量有着重要意义。2．能量转换的要求在实现能量转换时，对转换装置有以下几项基本要求：转换效率要高。指转换后得到的能量（收益）与转换前耗费的能量（支付）之比。可以指一台设备，也可以指一个系统。能量可以指数量而言，也可以指质量而言（有效能）。例如，煤气的燃烧效率比煤要高得多，但是，城市煤气多数也是由煤转换而来。在比较转换效率时，要对煤煤气热能的转换系统与煤热能的转换系统进行比较才有意义。由于煤气的转换系统的效率比煤直接燃烧的效率高，因此，城市的煤气化是节能的一个重要方向。转换速度要快，能流密度要大。一般都希望能量转换装置用尽量紧凑的设备转换更多的能量。例如，一般的换热器希望换热强度尽可能大，单位面积上传递的热量尽可能多，可以用最小的装置满足热交换的要求。尤其在一些移动式设备上，如汽车、火车等，要求装置尽可能紧凑。目前，内燃机比燃料电池的转换速度和能流密度都要大得多，所以燃料电池还不适于用在汽车上。具有良好的负荷调节性能。一种能量转换装置往往需要根据用能一方的要求来调节转换能量的多少，电能是调节最方便的二次能源，因此使用最为广泛，为了调节负荷的需要，必要时，需采用蓄能装置。满足环境的要求和经济上的合理。燃烧过程的污染是造成环境污染的主要根源，防止燃烧污染是当前能量转换领域的重要课题。但是这一要求通常与经济性又有矛盾。太阳能，风能等均为清洁能源，但是要大规模利用在经济上还不合理（成本太高）。所以应当把降低污染与经济性的统一作为努力的方向。能量守恒定律通常又叫热力学第一定律，因为能量的任何过程几乎都伴随着热能的变化。能量守恒定律、细胞学说与进化论并称为19世纪三大发现。它表达了能量守恒这一自然规律。即：能量可以由一种形式转换为另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，但在转换与传递过程中，能量的总量保持不变。在这一定律提出前，曾有很多人幻想制造出不消耗任何能量却能源源不断得到机械能的永动机，这类永动机被叫作第一类永动机，所以热力学第一定律又可以说成：第一类永动机是不可能制造成功的。对任何能量转换系统来说，有[输入能量]-[输出能量]=[贮存能量的变化]1．对封闭系统。用Q表示输入热量，W表示输出功量，E表示贮存能量的变化（包括宏观运动的动能、位能及热力学内能或焓），则封闭系统发生变化时，有Q=E+W2．稳定流动开放系统。生产实际中的生产系统，在正常情况下，其物流和能流都可当作稳定的，在忽略其宏观动能和位能的情况下，有式中，Q=Qi-Qe,H=He-Hi,w=we-wi,当计入动能与重力势能的变化时，为Q=H+1/2mv2+mgZ+W在一些设备内，能量平衡往往可以简化。换热器内Q=H泵、压缩机鼓风机内H=W喷管内绝热稳定流动H=1/2mv23．能量的贬值能量在转换与传递过程中虽然总的数量保持不变，但能量在使用中质量却是不断下降的。这一规律也是在大量的自然现象中得到的，被叫作热力学第二定律。热力学第二定律指出：能量转换过程总是朝着能量贬值的方向进行，高品质能可以完全转变为低品质能，低品质能不可能全部转变为高品质能，任何能量过程都将使总能量的品质降低，理想情况只能使总能量的品质保持不变。包含有耗散效应或势差的过程是造成能量贬值的原因。前者如机器运转中的摩擦使机械能贬损，电流流动中的电阻是电能降级。后者如传热中要维持一定的温差使得热能传递之后温度降低从而其能级降低。机械能在传递过程中总是不断减少，以数字从小到大表示顺序从先到后，W1>W2>W3>…。热能在传递过程中不仅数量要减少，更重要的是温度也在不断降低，T1>T2>T3>…。例如，火炉向房间供热取暖的过程燃料化学能（高品质能）高温热能（品质降低）传向房间的热能（温度进一步降低，品质更降低）透过墙壁，散失于环境（温度与环境趋于一致）。又如，零件的机械加工电能（高品质能）机床的机械动能（高品质能）切削、压延、镦锻零件变成热能（温度较高）环境热能（温度与环境一致）。如果再计入电能的生产过程，则还有燃料化学能（高级能）高温热能（品质已降低）部分转换为机械能（高级能）电能（高级能）。按照热力学第一定律，各种能量在利用之后，并没有消失，那跑哪儿去了呢？转化成了不能再被利用的环境中的能量，如大气、湖海中的能量。因此，能源的消耗过程就是能量的利用过程，而能量的利用过程就是能量从能量源经过一系列过程进入产品或环境的过程。任何运动都伴随有能量的转化，即使用。因而都伴随着能量品质的降低，这称为贬值。能量的贬值是因为能量的转换、传输、使用的过程都是有损耗的，在热力学上就是存在不可逆性。就是说，当一个过程发生后，要把此一过程回复到之前的状态，必须要付出一定的代价，这就是过程的不可逆性。例如，热量从高温物体传向低温物体，要把此热量从低温物体重新传输给高温物体，目前的方法只能通过热泵，消耗一定的机械能才能做到，这个机械能就是付出的代价。再如，摩擦过程把机械能变成了热能，简单地把热能还给发生摩擦的物体，则不可能把热能重新变回成机械能。过程的不可逆性越大，则损耗越大，能量贬值就越大。因此传热过程要尽可能减小温差，机械过程要尽可能减小摩擦。2.2有效能经验表明机械能可以全部转变成热能，而热能则只能部分转变成机械能。前者如摩擦生热，后者如热电厂。可见机械能和热能虽然同样是能，却并不等价。与机械能等价的能量形态有电能、水力和风能等，如果没有摩擦和阻力，它们之间可以完全相互转换，这说明，不同形态的能量，质量不同。此外，即使是同一形态的能量，载能物质处在不同的状态，能量的质量也不相同。例如，相同数量的热能，若载热介质的压力和温度不同，可以转变为功的多少也不同，亦即“质量”有高低之分。压力和温度高的热能，“质量”高，压力和温度低的热能，“质量”也低。相对于同一环境温度，前者转变为机械能的份额大于后者。与环境温度相同的热能，“质量”最低，作功能力等于零。经验表明机械能是“一切形态的能量中“质量”最高的一种，而且又是人类生产和生活中最常使用的能量。所以通常以机械能为标准，用转变为机械能的程度来衡量其它形态能量“质量”的高低，能的“质量”，又称为能的“品位”，“能级”，这些概念都相同。能质=机械能/总能量=Ex/E处于某一状态下的任何热力系统，可逆地变化到与周围环境状态相平衡时，对外界所作出的最大有用功称为该热力系统的有效能，以符号Ex表示，单位为[kJ]。单位质量工质的有效能，称为比有效能，以ex表示，单位为kJ／kg。可逆变化只是热力学上的理想假定，实际的任何过程都是不可逆的，但这一假定对于量化分析能量的可用性有重大作用，所以这一定义有重要的理论和实际意义。从上述定义出发，由热力学第一定律和第二定律可以导出各种系统或工质优效能的计算公式。这在工程热力学中已有详细论述，在此不多讨论。一份能量可以写成E=Ex+AnEx表示有效能，An表示无效能，用总能量中可以转变为机械能的数量与总能量的比值来表示能质的大小机械能、电能、化学能、核能等，都全部是有效能，无效能为零，因而其都等于一，都是高级能。而环境中的能量全部是无效能，即其中Ex=0，都等于0，热能介于这两种能之间。2.3有效能的计算有效能的计算在能源利用和节能中有着重要意义，根据实际的已知情况的不同，有效能的计算可分为针对能流和针对物流而进行。例如，换热器中高温的蒸汽通过冷凝而放热，使另一侧的低温流体吸热。高温侧的热流给定时，有效能计算就是针对能流进行。当高温侧热流没有给定时，就要有高温侧的蒸汽的状态变化来确定热流，此时的有效能计算就是针对物流有效能进行。1机械能、电能动能、势能、弹性能、张力能等机械能和电能在无摩擦或无阻力时可全部转变为功，故全部是有效能Exw=W，Ew=WExw表示以功的形式传递的有效能，W表示以功的形式传递的任何一种形式的机械能或电能。其能质=Ex/E=Exw/W=12热量的有效能温度为T的恒温热源的热量Q所能做出的最大功量，由工作在温度为T的热源和温度为T0的环境之间的卡诺热机决定。卡诺热机效率=1-T0/TExQ=W=Q(1-T0/T)如为变温热源，即在放出热量Q的过程中，热源温度由T1变为T2，则有ExQ=W=能质=Ex/E=(1-T0/T)或/Q<1一、物流有效能组成及基本计算式1．组成对于没有核、磁、电与表面张力效应的过程，稳定流动过程物流的有效能Ex由以下四个部分组成：动能Exd、势能Exp、物理Exph、化学Exch。物体的动能和势能可全部转化为功，因此，物体的动能和势能都是有效能。物体因温度和压力与环境不同而具有的有效能为物理有效能。物体因化学组成不同，可发生化学反应达到与环境平衡而具有的有效能为化学有效能。通常，物体化学有效能的做功过程包括化学反应和物理扩散两个过程。化学反应是将原物体的物质转化成环境物质——基准物，物理扩散是将生成的基准物浓度调节（扩散）至环境的浓度。例如，要确定温度为1273K，压力为1.0Mpa的CO气体的做功能力。假定环境温度T0为298K，压力P0为0.1013MPa。我们先将CO的温度降至298K，放出的热量可用卡诺热机做功，然后再将其通过膨胀机等温可诺做功。这样CO就达到与环境在温度与压力上的平衡，其物理有效能就都放出了。此后，CO还可还可与环境中的O2气进行化学反应，放出热量通过卡诺热机做功，生成的CO2分压力比环境中的CO2分压力大，还可通过膨胀机做功，这两项就组成了其化学能。因此，物流的有效能为Ex=Exd+Exp+Exph+Exch通常，稳定流动系统流体的进出口动能与势能的变化都很小，因此动能有效能和势能有效能往往可忽略不计。2．物流有效能的基本计算式处于某一状态的物流，可逆地变化到与环境相平衡时所能做出的最大功为物流的有效能。对物理有效能和化学有效能都适用。物流从自己的状态P,T,H,S变到与环境相平衡的状态P0,T0,H0,S0，不考虑动能与势能的有效能。首先，在一相应设备内可逆变化，放热膨胀做功，变至环境状态，此设备可由一卡诺热机和一膨胀机组成，则物流的能量方程为Q1=H-H0-W1此热量又可通过卡诺热机做一部分功Q1=W2+Q0H=H0+W1+W2+Q0Ex=W1+W2=H-H0-Q0S总=S体+S环=S0-S+Q0/T0=0Q0=T0(S-S0)该式由热力学第二定律而来。Ex=H-H0-T0(S-S0)对单位物流则为ex=h-h0-T0(s-s0)能质=(H-H0-T0(S-S0))/(H-H0)上式对物流的物理有效能与化学有效能的计算都适用。当体系从某一状态1变化到另一状态2时，其有效能的变化即为此两个状态的有效能之差Ex=H1-H2-T0(S1-S2)。1）温度有效能—物体因具有一定的温度而具有的最大的做功能力，对单位质量或体积dh=cpdTds=q/T=cpdT/T当定压比热容近似为常数时，有如果物体温度从T1变到T2，则其有效能变化ext为如果质量或体积已知，则各种情况下的有效能乘以质量或体积即为总值。如总质量为m，则ExT=mexT2）潜热有效能相当于恒温热源，r为潜热，对单位工质，其有效能为而其总能量即为r,故3）压力有效能指气体物质温度与环境相同，压力p与环境p0不同时所具有的有效能，考虑单位气体。i)开口系统在这一变化过程中，气体能量方程为Q=∆H+W对理想气体，温度不变，焓也不变，故Q=W对单位气体故式中Rg为气体常数J/(kg.K)。当气体压力从P1变到P2时，有效能的变化ii)封闭系统对于封闭体系中的气体，处于T0,p,V的状态，它等温可逆膨胀的功式中n为摩尔数，R为摩尔气体常数，R=8.314J/(mol.K)，4）混合气体有效能气体的混合过程是不同分子相互扩散的过程，是一个不可逆过程，系统的总上增大，可用能减少。设混合前两种气体具有相同的温度T和压力p，分别由n1摩尔（mol）和n2摩尔(mol)。混合前总的有效能为Ex=Ex1+Ex2而两种成分各自的有效能分别为混合后的温度和总压力不变，分压力分别为p1和p2，则混合物的有效能分别为则混合后的总有效能为对一摩尔混合气物理有效能在化工单元操作中的加热、冷却、压缩、和膨胀等过程只需考虑物理有效能。计算时，利用热力学图表或公式求得系统的H和S及其H0和S0，代入物流有效能计算式即可。二、化学有效能因环境模型尚未统一，目前一般通过计算物体状态和环境状态的焓差及熵差，再代入有效能的定义公式来计算。2.4有效能损失及有效能效率对一个体系、一个过程做出物料和能量平衡，求出其有效能后，可以进行有效能衡算，确定其有效能损失，查明有效能转化、传递、利用和损失的情况，以便确定节能改造的最佳途径，达到合理用能的目的。在完全可逆的情况下，理论上对某一耗能产物做有效能衡算，可以确定该产品的理论能耗或过程的理想功，作为衡量实际能耗的理论依据。实际过程都是不可逆过程，都要引起有效能的损失，因此有效能衡算与能量衡算不一样。对一个系统或一个过程，输入的有效能与输出的有效能相差一个数，这个差值就是有效能的损失。根据过程的特点，此差值有大有小，1．直接计算法直接通过计算过程各物流和能流的有效能来计算有效能的进出口之差，即为有效能损失。Ex损失=Ex进-Ex出2．间接计算法在很多情况下，直接计算法往往很麻烦，这时采用间接法往往简单明了。有效能损失是由过程的不可逆性造成的，这反映在一定环境条件下，过程熵的增大上。Ex损失=T0S总如过程完全可逆,没有效能损失，则