1、第一章第一章 导导 论论 1.1 能源(热能)及其利用 1.3 能量转换与利用的基本定律 1.2 能源利用与循环经济 1.4 能源有效利用的评估1.5 热能与动力装置的组成和工作条件及基本要求1.7 热能与动力技术和环境1.6 动力机械与动力传动 你知道吗:能源有多少种，如何转变成可用的能量？能源利用的设备,如汽油机、锅炉、汽轮机、喷气发动机、制冷是如何工作的？有共同的规律吗？如何来使用它们为人类服务？本章，就将围绕能源及其有效利用这一中心，讲解共同性的内容：能源、能量利用的概念；能源利用与经济的关联度;能量转换与利用的基本定律；如何评估能源的有效利用；热能与动力装置的工作条件几及基本要求；热
2、能利用中的环境问题。1.1 能源能源(热能热能)及其利用及其利用 1.1.1 能源及其分类能源及其分类 1能源可以直接或经过转换而能获得某种能量的自然资源。2分类 1）能源按其形成和来源大致可分为三大类 第一类来自太阳的能量，有煤炭、石油、天然气、生物质能、水能、风能、海洋能、（直接的）太阳辐射能等。第二类是来自地球本身的能量，有地热能、核燃料(即原子能)。第三类是月球和太阳等天体对地球引力作用所产生的能量，如潮汐能。2）按是否经过转换来分 一次能源凡自然界现已存在的、并可直接取得而不改变其基本形态的能源，有水能、太阳能、生物质能、风能、地热能、海洋能等可再生能源。煤炭、石油、天然气、核燃料等
3、非再生能源。二次能源由一次能源经过加工或转换而成为另一种形态的能源产品，如电力、蒸汽、焦炭、煤气、氢气、各种石油制品等等。此外，在生产过程中排出的余能、余热，如高温烟气、可燃废气、排放的乏汽和有压流体。3）按能源利用状况来分 常规能源煤炭、石油、天然气和水能等。新能源结合我国的国情，有太阳能、地热能、生物质能、风能、海洋能、核能、氢能等(图1-1)。4）按能源的性质来分 燃料能源凡须经过燃烧或反应才能被利用的，有矿物燃料、生物燃料(柴草、沼气等)、化工燃料(丙烷、甲醇、酒精等)、核燃料四种。非燃料能源水能、风能、潮汐能、地热能、海洋能和太阳光能等。图图1-1 多种新能源多种新能源 1.1.2
4、能量的形式能量的形式 能量产生某种效果或变化的一种能力，它是为能源所拥有的。而且，产生某种效果或变化的过程必然要伴随着能量的消耗和转化。例如，煤燃烧发生热，在这一过程中，可燃物质的化学能以热能的形式释放。能量的形式可分为六种：机械能。它包括物质的动能、势能、弹性能及表面张力能等。热能。它是与构成物质的原子和分子的运动(振动)有关的一种能量。它的宏观表现是温度的高低。热能是一种基本的能量形式，所有其他能量形式都能完全转换为热能。电能。它是和电子的流动和积累有关的一种能。电能也能方便而有效地转换为其他形式的能。辐射能。也称电磁能。这种能量仅以传递如光速变迁能量的形式存在。辐射能常依电磁波的波长分为
5、几种不同的电磁射线，热辐射是其中一种由原子振动而产生的电磁能，包含紫外线、可见(光)射线和红外线。化学能。这是一种仅以贮存能的形式存在的能量，当不同物质的原子和(或)分子相结合时释放出来。核能。核能(原子能)又是一种仅以贮存能形式存在的能量形式。它是蕴藏在原子核内部的能量，又称核内能。核裂变和核聚变反应可释放大量能量，有广阔的应用前景。1.1.3 热能的发生热能的发生 热能的发生途径：1直接产生，如地热能和海洋热能；2通过转换产生，方法有 化学能的转换。通过燃料中可燃质的发热化学反应即燃烧反应，使它们的化学能转换成热能释放出来。电能的转换。根据焦耳效应，因电路中电阻的存在，电流流过时必产生热。
6、辐射能的转换。这主要是指能使被照射的物体产生热效应的热辐射。核能的转换。这主要是指在核裂变和核聚变反应中，大量的核能释放转换成热能。机械能的转换。这一典型过程就是摩擦，通常由此产生的热能都不能被利用。1.1.4 热能的储存、传递与转换热能的储存、传递与转换 1储存热能是可以储存的能量形式之一。热能的储存有三种基本方式：显热贮存。这是利用升高固体或液体的温度来蓄热。潜热贮存。当物体发生相变时会吸收或释放大量的热，实际应用中通常是利用材料从固体到液体的相变蓄热。热化学法储存。其特点是利用化学反应或浓度差或化学结构变化，将热能转换为化学能。2传递热能也是可以输送和传递的。热能常依靠携带能量的物质通过
7、管道实现远距离输送。热能可以利用换热器这种热传递装置进行不同工作物质和温度水平之间的热传递。3转换人类利用的各种形式的能量基本上都是由一次能源经过一次或多次转换而来的。表1-1显示了各种能源的不同能量间的转换。对于热能，通过一次转换可成为三种能量形式：机械能，如推动内燃机、汽轮机。电能，如热电发电。化学能，如吸热反应。能源种类能源种类 转转 换换 方方 式式 转转 换换 装装 置置水能，风能水能，风能潮汐，波浪潮汐，波浪 机械能机械能机械能机械能机械能机械能电能电能水车，风车，水轮机水车，风车，水轮机水力发电，风力发电水力发电，风力发电太阳能太阳能 光能光能热能热能光能光能热能热能机械能机械能
8、光能光能热能热能机械能机械能电能电能光能光能热能热能电能电能光能光能电能电能太阳能取暖，热水器太阳能取暖，热水器太阳能热机太阳能热机热力发电装置热力发电装置热电及热电子发电热电及热电子发电太阳能电池，光化学电池太阳能电池，光化学电池煤、石油等煤、石油等化石燃料化石燃料氢、酒精等氢、酒精等二次燃料二次燃料 化学能化学能热能热能化学能化学能热能热能机械能机械能化学能化学能热能热能机械能机械能电能电能化学能化学能热能热能电能电能燃烧装置、锅炉燃烧装置、锅炉各种热力发动机各种热力发动机锅炉锅炉-涡轮机涡轮机-发电机组发电机组磁流体发电，热电发电，燃料电池磁流体发电，热电发电，燃料电池地热能地热能热能热
9、能机械能机械能电能电能蒸汽轮机蒸汽轮机-发电机组发电机组核能核能 核裂变核裂变热能热能机械能机械能电能电能核裂变核裂变热能热能电能电能核发电装置核发电装置磁流体发电，热电发电，热电子发磁流体发电，热电发电，热电子发电电 1.1.5 热能的利用热能的利用 热能在一些主要工农业方面的应用，如：1)电力工业，如燃烧煤、天然气、油等火力发电及使用核燃料的核发电等。2)钢铁工业，如平炉、转炉、电炉炼钢，轧钢加热炉、高炉炼铁等。3)有色金属工业，如铝、铜等各种有色金属的冶炼。4)化学工业，如酸、碱、合成氨等生产过程。5)石油工业，如油的开采、炼制、输送等。6)建材工业，如水泥、陶瓷等行业中各种窑炉的大量耗
10、热。7)机械工业，如各种设备制造过程中所需要的铸造、锻压、焊接等。8)轻纺工业，如造纸、制糖、化纤、印染等过程中需要消耗大量蒸汽。9)交通运输，如汽车、火车、船舶、飞机等的动力拖动。10)航天领域，如宇宙飞船、航天飞机等火箭的推进。11)农业及水产养殖业，如电力灌溉、温室培植、鱼池加温等。12)生活需要，如供暖、空调、烹饪等。有关热能利用方面需要关注两大问题：提高能源利用率。减少环境污染。在全社会的持续发展中，这是首要关注的问题。1.2 能源利用与循环经济、低碳经济能源利用与循环经济、低碳经济 1.2.1我国能源利用所面临的挑战我国能源利用所面临的挑战 我国是能源资源的大国，但是人均拥有量的小
11、国；能源生产和消费的大国，但却是利用效率不高的“小国”。总体能源利用率只有33%左右，单位GDP能耗是世界平均水平的1.9倍、发达国家的3倍至4倍，约67%的能源在工业生产中被直接排放。我们不能以消耗大量能源为代价来获得经济的小幅增长(插图1-1).插图插图1-1 我国正处在工业化和城镇化的发展阶段，需要大量的能源为支撑。我国的能源面临着严峻的挑战:1.总量需求的巨大压力 我国已是全球第一大煤炭消费国和第二大石油、电力消费国。到2050年，我国的能源消耗总量起码要控制在65亿吨标准煤以内。2.能源安全问题日趋突出 我国已经成为煤炭、石油、天然气和铀资源全品种的净进口国，总体对外依存度超过10%
12、，其中石油对外依存度近60%，天然气超过30%。3.生态环境日益恶化 长期高强度的煤炭资源开采严重影响矿区及周边 地区的土地资源、水资源和生态环境.目前我国有30%40%的地区出现酸雨现象.近年来，雾霾问题更成为举国之痛.已影响到我国25个省份，受影响人口达6亿。予计到2015年，我国化石能源的利用比例还高达92%以上（见图1-2）。4.温室气体减排压力空前严峻 目前我国温室气体排放已居世界第2位，温室气体的排放量还会继续增加。总体来看，我们在资源的开发和利用上都是粗放式的，这不仅造成浪费，还会带来更严重后果。我们在经济发展上应该遵循循环经济和低碳经济的模式，以保持社会的可持续发展。图图1-2
13、 2015年我国能源利用比例年我国能源利用比例(预测预测)1.2.2循环经济与低碳经济的含义循环经济与低碳经济的含义 传统经济的模式:由“资源产品污染排放”所构成的物质单向流动的线性经济(图13).特征是:“高开采、低利用、高排放”。后果是:引发全球资源枯竭、环境恶化，带来 种种人类生存和社会发展的问题。循环经济(现代经济)的模式:减量化再使用再循环(资源化)的物质循环流动的循环经济.特征是:“低开采、高利用、低排放”。后果是:社会可持续发展.图1-3 传统经济与循环经济模式图 低碳经济的模式:以低能耗、低污染、低排放为基础的经济模式.是新世纪新阶段应对气候变化而催生的经济发展模式 低碳经济的
14、实质:能源高效利用、清洁能源开发和追求绿色GDP 循环经济的实质:减少资源消耗和减轻环境恶化。是适应工业化和城市化全过程的经济发展模式.低碳经济是循环经济理念在能源领域的延伸，循环经济是发展低碳经济的基础。对我国均必须.1.2.3 循环经济模式与低碳经济施行现状循环经济模式与低碳经济施行现状 目前世界各国发展循环经济可归纳为四个阶段和四种模式：单一企业内部的循环经济模式 区域生态工业园区模式 城市层面上的循环经济发展模式 全社会的循环经济模式，把整个社会建成循环型社会 我国十分重视发展循环经济，2009年1月1日就开始施行循环经济促进法。如，2006年国家发改委等六部委正式起动了曹妃甸工业区、
15、天津经济技术开发区等十三个国家循环经济试点园区的工作。通过试点，总结凝炼出包括区域、园区和企业3个层面的60个循环经济典型模式（在能源利用上都体现了低碳）案例。2015年4月又印发了2015年循环经济推进计划.1.2.4 能源的合理有效利用原则能源的合理有效利用原则 为保障我国国民经济的稳定、持续发展，建立起资源节约型、环境友好型的社会，必须发展与推行循环经济，在能源利用上要遵循低碳经济。因而，对于能源的合理、有效利用应遵循以下原则：最小外部损失原则。高能源利用效率原则。最佳推动力原则，使过程在最佳热力势差（温度差、压力差、化学位差等）推动下完成。回收利用原则。综合利用原则。节约优先，适度消费
16、原则。积极开发与利用可再生能源和清洁能源的原则，以减少不可再生能源和易污染能源的消耗和污染。1.3 能量转换与利用的基本定律能量转换与利用的基本定律 1.3.1 热力循环热力循环 热力循环就是工质从某一热力状态起始，经过一系列状态变化后又回到原来初始状态的热力过程。在状态参数坐标图上，循环成为一封闭曲线，如，图14。循环有正循环和逆向循环之分。图图1-4 循环在循环在p-v图上表示图上表示 正循环（热机循环）如图1-1所示，当循环按顺时针1a2b1的方向时。该循环净功大于零，即（|w1a2|w2b1|）0，如，实现火力发电的循环。逆向循环当循环按逆钟向即1b2a1进行时。该循环净功(|w1b2
17、|w2a1|)0,如，制冷循环。工程上实际的热力循环有多种形式(如，单一工质的水蒸汽热力发电循环；双工质的水蒸汽-燃气热力发电循环)，但从其进行的总方向或总结果来看可分属这两种或为这两者的复合。1.3.2 热力学第一定律热力学第一定律 热力学第一定律就是能量转换与守恒定律在伴有热效应的物理及化学等过程中的应用，它广泛地适用于热能和其他能量形式之间的转换。今以一简单的具有代表性的例子说明热能向机械能 的转换。图1-5表示一个热力系，根据能量守恒与转换定律，工质能量的增量E必等于工质从外界吸收的热量Q和工质的膨胀作功W之差 EQW 或 QEW 该式就是热力学第一定律的数学表达式。图15 气体受热膨
18、胀作功 对于图1-5，可忽略工质宏观的动能和位能变化。这样，则 QUW 对于微小变化过程，则有 QdUW 如工质为单位质量，则上式为 qduw 图1-5所示的热力系为闭口系。工质的膨胀功大部分用于推动重块，对外界作出有用功Wu。少量用于克服大气压力所作功为大气压力p0与体积变化V之乘积，即p0V，因它不用于推动重块，故称无用功。它们的关系可以表达为 Wu=W-p0V 当工质的膨胀为可逆过程时，则201uWmpdvpV 工程应用的热力设备中能量转换情况概念性地表示 于图1-6，并讨论其能量转换与守恒问题。对于这样的稳定流动系统，能量变化有：热力学能变化 动能变化 重力位能变化 21()UUU22
19、221111()222mmmq cq cq c21()mmmq gZq gZq gZ 图1-6 稳定流动热力系 工质流过热力系进、出口界面时必须克服界面右边阻力而作流动功，故总的流动功为 外界加入的热量Q；热力系对外界作出的有用功Wu，对于流动系常称轴功，以Ws表示。显然，工质对外所做的功应为两者之和，即（Ws+pV）。221 1()pVp VpV 热力系储存能量的变化E应为 则得 按焓的定义式 H=（U+pV），则上式可表示为 (1-7)212mmEUq cq gZ 22mmsqQUcq g ZWpV 22mmsqQHcq g ZW 对于微小的过程 (1-8)如工质为单位质量，则上式成为 (
20、1-9)式(1-7)式(1-9)即为热力学第一定律应用于工质在稳定流动时的数学表达式。22mmsqQdHdcq gdZW212sqdhdcgdZw 1.3.3 热力学第二定律热力学第二定律 对于能量传递和转换过程的全面描述，除了要用热力学第一定律说明过程的进行必须遵守能量守恒外，还必须要说明过程进行的方向性，即要应用热力学第二定律。热力学第二定律的实质就是指出一切自发过程都是不可逆过程，它们无需外加条件就能自动地进行。对于一个非自发过程，则它的实现一定要以另一个自发过程的进行来推动。例如，热力发动机就是实现了热能变为机械能这一非自发过程，但为了完成这一过程并保证其延续性，必须有一部分热量由温度
21、较高物体传向温度较低物体这一自发过程，如内燃机工作时，内燃发动机要向外界排气，将热量散给了大气。关于热力学第二定律，也可以用熵增原理来表达，即实际过程不论其是自发的或非自发的过程，最后的结果总是使(孤立的)热力系的熵向增加的方向进行。用数学的形式表达为 S0 对于一个孤立的热力系，其中工质完成一个如图1-7 所示的不可逆循环12341。则该孤立热力系总的比熵变化量为 由图可见，由于该孤立热力系内进行的是一个不可逆循环，显然存在着 所以 Ss 042213121dqdqTT241213120()swHLdqdqSSSSTT 图图1-7 孤立热力系内的不可逆循环孤立热力系内的不可逆循环 实际的过程
22、和循环都是不可逆的，所以在孤立热力系中热能转变为机械能的结果，其熵必然是增加的。一个极端的情况是假设循环为可逆，如体现在图1-7中过程23改为23。可见，此时SHSL，亦即孤立热力系的熵不变，Ss0。1.4 能源有效利用的评估能源有效利用的评估 1.4.1 能源有效利用的常用评估指标能源有效利用的常用评估指标 有两种类型：能源经济性指标单位产值能耗和单位产品能耗；能源技术效率指标能源利用效率。以下阐述的是其中用得较多的几个具有代表性的指标。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。单位GDP能耗即单位产值能耗，属于宏观经济领域的指标，其
23、表达式为 rE/M 式中，E能源消耗量(指标准煤)；M同期国民经济生产总值。单位为吨标准煤/万元 。由此可以来对比分析能源利用状况。如，2005年全国单位GDP能耗为122吨标准煤/万元 上海088 浙江090 宁夏则为414 单位GDP能耗用于国际间比较时要进行外汇汇率折算，并以万吨标准煤/亿美元为单位。如2001年，我国的单位GDP能耗为1164万吨标准煤/亿美元 印度为9.36 美国为3.19 日本为1.77 我国的单位GDP能耗高是由于能源结构不合理（以煤为主）、设备落后、管理粗糙等原因所致，同时这也反映了我国在节能方面有很大的潜力。为了科学地评定能源利用,人们提出了以绿色GDP来衡量
24、经济的发展。就是考虑了环境污染等多种因素后的真实的国民财富总量,可称为可持续发展国内生产总值。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。它又分为单耗和综合能耗两种，可用一个式子来表达 CEp/A 式中，A为产品产量；Ep为产品能耗。当Ep是指某种能的消耗量时，C为单耗，如生产1kWh电的煤耗；如果Ep是指生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。3能源利用效率 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。它被用来考察用能的完善程度，其定义式为 Ee/Ec 为能源利用效率；Ee有效利用的能量；Ec消耗的能量。
25、下列为用于三种不同对象时的具有代表性的技术名词：能源效率 能源效率是指在利用能源资源的各项活动（从开采到终端利用）中，所得到的起作用的能源量与实际消费的能源量之比。它常用于考察一个国家或一个地区的能源利用水平。如，我国从19802000年，由26%提高到33%，但仍比中东欧国家的平均效率低18个百分点。能源（或能量）利用率 能源利用率是指为终端用户提供的能源服务与所消费的能源量之比。在评定一个工序、一个企业、一个部门或一个地区的能源利用水平时，常采用能源利用率。如，对于企业的能源利用率，定义为 企业能源利用率 也可定义为 企业能源利用率 企业总综合能耗量企业终端有效能量单位产量综合能耗单位产量
26、理论能耗量 设备（或装置）效率 设备（或装置）效率是指对某台设备（或某套装置），向它所提供的能量被有效利用的程度。对于设备，如锅炉的热效率、汽轮机的绝对有效效率及内燃机的有效热效率等；对于装置，如汽轮发电机组的绝对电效率、制冷装置的制冷系数等均属于此。1.4.2 (火用火用)及及(火用火用)效率效率 (一)(火用)为了在评判能量的合理利用时能同时考虑到能量的数量和质量，引入一个与作功能力密切相关的参数“(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，可以转化为有用功(即最大有用功)的能量。此值即为该热力系的(火用)，或可更直观地称为有效能，以符号Ex表示
27、，单位为J。对单位质量工质而言，它的(火用)称为比(火用)，以ex表示，单位为Jkg。1工质(火用)设今有图1-3所示的一个稳定流动热力系，W为该热力系由某一起始状态可逆地变化到环境状态0时对外作出的最大功，则利用热力学第一、二定律可导得最大功，亦即(火用)为 ExWmax（H-T0S）（H0T0S0）式中，H、S分别为热力系在某起始状态时的焓和熵；H0、S0分别为热力系在环境状态T0时的焓和熵。则比(火用)为 ex(hT0s)(h0T0s0)2热(火用)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内卡诺循环的作功量，即0max(1)TW
28、QT 根据前述关于(火用)的概念，热量中这部分能转换为功的最大可用部分也可称之为(火用)。由于这是单指热量而言，为区别于前面所定义的(火用)，则可称其为热(火用)，以ExQ表示，即 热(火用)是由热量Q热源放热时的温度所决定的；而工质(火用)只决定于热力状态，故可认为是一个状态参数，但两者都表示能的可用性。0(1)QTExQT 3燃料(火用)燃料(火用)可以表达为：燃料与氧气可逆地进行燃烧反应和变化后，与周围环境达到平衡时，所能提供的最大有用功。所以，也可称为燃料的化学(火用)或燃料的化学有效能。计算燃料的化学(火用)时通常取环境压力p0101kPa,环境温度T0298.15K(即25)的饱和
29、湿空气为环境空气，整个计算过程比较复杂。理论证明，燃料的化学 (火用)可近似地取为燃料的高发热值，即 E fQ H(二)(火用)效率 我们可以广义地定义(火用)损失。对于某一个系统或设备，投入或耗费的(火用)Exi与被利用或收益的(火用)Exg之差，即为该系统或设备的(火用)损失ExL，可表示为 ExL=ExiExg 而被有效利用（或收益）的(火用)与投入（或耗费）的(火用)之比，则为该系统或设备的(火用)效率ex，也称为有效能效率gexiExEx 从(火用)的概念来理解，(火用)效率实际上就是获得的效果对所供给能量的最大作功能力之比，所以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
30、。有些学者也把(火用)效率称为热力学第二定律效率，而前述的能源利用效率则称为热力学第一定律效率。在装置中产生(火用)损失的原因可归纳为三方面：副产品和废料带走的(火用)，如锅炉的排烟。由于散热，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。因装置内部发生的不可逆过程所造成，如不可逆的化学反应，温差传热等。对于同一种设备或装置，由于人们可以从不同的角度去理解“收益”和“投入”，致使(火用)效率的表达式也会不同。下面列出几种常用设备和装置的(火用)效率(即有效能效率)表达式。1热力发动机 设进入和离开热力发动机的工质的有效能分别为Ex1、Ex2，产生的功为W12，则 热力发
31、动机中的能量损耗主要由气体摩擦所引起，其有效能效率的高低主要反映这一损失的影响。1212exWExEx 2压气机 对压气机而言，输入的有效能是压气机所消耗的功Wi，收益则为工质有效能的增加，即 与热力发动机中的情况类似，其能量损耗主要也是由气体摩擦所引起。21exiExExW 3间壁式换热器 以热流体进、出换热器的有效能差为投入（考虑热流体出口火用还会被利用），以冷流体进、出换热器的有效能差为收益，则 如果换热器无散热损失，即冷流体吸热量等于热流体放热量，换热器的热效率为100%。但热量由热流体传给冷流体，其“质”却降低了，利用(火用)的定义式不难证明(火用)效率必小于100%。这表明温差传热
32、将造成有效能的损失。ccexhhExExExEx 4锅炉 如以高温烟气对水蒸气的加热作为有效能的投入，并设烟气在某一平均温度Tm下放热，则投入的有效能为Q（1-T0/Tm），锅炉的有效能效率为 由于在此认为有效能的投入是从烟气对水蒸气的加热来计算的，故其有效能效率主要反映在温差传热造成的有效能损失上。2101exmExExTQT 我们也可以把锅炉消耗燃料的有效能Exf理解为输入锅炉的有效能，则 锅炉的这一有效能效率同时反映了温差传热、燃烧过程和排烟等不可逆过程造成的有效能损失的影。21exfExExEx 5动力循环 设动力循环工质的平均加热温度为Tm、加热量为Q、输出功为W、大气环境温度为T0
33、，则 01exmWTQT 例1-1 设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 由水蒸气的焓熵图及(火用)熵图分别查得水蒸气在进口状态时的比焓和比(火用)为(设环境温度为20)h13302kJkg，ex1=1265kJkg 在排汽状态时为 h2=2423kJkg，ex2165kJkg 则其(火用)效率为 121212123302242379.9%1265 165exhhwexexexex =例12 设今有一台水一水换热器，热水平均温度为300，冷水平均温度为100，散热损失为热水放热量的5%，试求该换热器的能源利用效率和 (火用
34、)效率(取环境温度为0)。解 设热水放热量为Qh，冷水吸热量为Qc，则 Qc=Qh-5%Qh=0.95 Qh，故换热器的能源利用效率，即换热器的热效率为 热水输出的(火用)为 冷水得到的(火用)为0.95chQQ01hhhTExQT01cccTExQT 故与此相应的有用能效率，即(火用)效率为 可见，因温差传热，使(火用)效率降低。而且，如果传热量不变，则冷热流体间温差越大，则(火用)效率越低。001/)(1/)(1 273/373)48.6%(1 273/573)cccexhhhQTTExExQTT =0.95 1.4.3 总能系统及其评价总能系统及其评价（一）总能系统 总能系统可认为是，指
35、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(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。总能系统的应用实例有：1联合循环 如燃气轮机一蒸汽轮机联合循环 2不同能量联供 例如，热电联产 3余热利用 如余热发电 4先热利用 可以按照温度对口、梯级利用的原则。如，对于高温热能，因品位高，更宜用于作功，故可采用高温燃气轮机等先热利用方案。5能源工厂(能源大系统)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，甚至还可以扩大到一个区域或一个城市，以提高能源利用效率。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
36、工原料，可称之为多联产。（二）总能系统的评价 1基于热力学第一定律的能源利用率(也常称为总能利用系数、总能利用效率、热效率等)。2基于热力学第二定律的火用效率(有效能效率)3经济(火用)效率ex,e，这是从经济角度用价格的差别来区别热与功的品位。式中，W为作出功；Q为供热量；R为供热售价与供电(功)售价之比；B为燃料消耗量；QL为燃料低位热值。,()ex eLWRQBQ 如在经济(火用)效率的基础上，再考虑燃料价格的影响，则有 式中，ZW/ZF为单位能量的功与单位燃料的价格比。ex,g实际上是热力装置售热与售电总收入与投入燃料成本之比，通常大于1。它比较简单、概括地反映了装置在投运后在能量转换
37、上的经济增值情况，故称为增值系数或经济(火用)系数。eex,()Wex gLFZWRQBQZ 1.4.4 能源利用评估方法展望能源利用评估方法展望 一种新的分析法能值（Emergy）分析法已经被提出。它可用于评价一种新型的以多种能源转换技术进行有机耦合和集成的多联产集成系统。1.5 热能与动力装置的组成和工作条热能与动力装置的组成和工作条件及基本要求件及基本要求 1.5.1 热能与动力装置的组成热能与动力装置的组成 热能与动力装置可包含以下几部分：发生装置 在专用的设备内，应用某种技术使热能产生的装置，如炉子。通常以热效率等来表示热性能。储能装置 通过某种方法使热能得以储存的装置，如蒸汽蓄热器
38、。以热效率及其它相关指标来表示性能。传递装置 这是仅使热能传递而不起能量型式转换的装置，换热器。通常以传热系数和压力降作为热性能指标。转换装置 各种型式的热力发动机，它们的热性能指标因发动机种类不同等因素而异。辅助设备 用于输送流体的泵与风机等辅助设备及控制阀等部件。1.5.2 热能与动力设备的工作条件热能与动力设备的工作条件 1温度 工作流体的温度可能极高或极低。2压力 工作流体的压力可能极高或极低。3速度 动力机械的运动部件常处于高速运转状 态。4负荷 外界负荷的急剧变化，使工作流体的温 度、压力、流量发生剧烈变动。5振动 由于负荷变化的冲击、动态不平衡等造 成振动。6腐蚀 由于工作流体（
39、如，地热水）的腐蚀等 造成。1.5.3 热能与动力设备的基本要求热能与动力设备的基本要求 1满足额定负载并有一定安全余量，以保障在突然超载情况下仍能正常运行。2设备的性能指标值（如，锅炉的热效率；汽轮机的相对内效率；汽轮发电机组的热耗率；内燃机的比油耗）应在合理范围内。3设备的可靠性指标值（如，使用寿命）应达到要求。4设备材料应具有良好的耐温（高温防蠕变，低温防脆化）、耐压、耐冲击和耐腐蚀性能。5承压设备（如，锅炉，换热器）必须进行耐压试验和负压设备（如，溴化锂制冷容器）必须进行密封性试验，达到国家标准。6高速运转的设备部件（如，内燃机的曲柄连杆机构，汽轮机转子）必须通过动平衡试验。7设备必须
40、进行定期检修（如，锅炉的定期大修），以确保安全可靠和良好的性能。1.6 动力机械与动力传动动力机械与动力传动 动力机械是指将某能源直接转换为机械能并拖动其他机械进行工作的机械。动力系统可按工质的不同而分为蒸汽动力、燃气动力、水动力和风动力四大系统。动力系统中除动力机械外，还包括阀、管道、传动设备等部件。例如，图1-8所示为汽轮机一发电机的动力系统。图1-8 汽轮机一发电机动力系统 1-主汽阀 2-汽轮机 3-联轴器 4-发电机 5-冷凝器 1.6.1 动力机械的类型动力机械的类型 1按作功的物质分，有 蒸汽动力机（如汽轮机、蒸汽机）燃气动力机(如汽油机、柴油机、煤气机、燃气轮机、喷气发动机等)
41、、水动力机(如水轮机)风动力机(如风力机)。2按加热方式分，有 内燃动力机(如柴油机、汽油机、煤气机、喷气发动机等)外燃动力机（如汽轮机、蒸汽机等)水和风动力机(无加热，如水轮机)。广而言之，动力机械除原动机外还有另一类机械，如电动机等。由于它们的动力输出是通过两次能量转换，故常称二次动力机；原动机的动力输出是通过能量的一次直接转换，则也称一次动力机。通常，动力机械指原动机。1.6.2 动力机械的性能动力机械的性能 动力机械应具有良好的性能指标值和运行特性。如，内燃式发动机，有效热效率就是内燃机轴端输出功与所耗燃料热量之比；汽轮机，如汽轮机装置的绝对有效效率就是汽轮机轴端输出功与工质吸热量之比
42、；汽轮机的相对内效率就是汽轮机中蒸汽的实际焓降与理想焓降之比，以此来说明本体内能量转换过程接近可逆的程度。在经济性方面，内燃机常用有效热效率、比油耗（有效油耗率）等性能指标；汽轮一发电机组，则有机组的汽耗率和热耗率及电厂的煤耗率。在运行特性方面，因用途不同而异。如用于发电时，内燃机，用油耗率、油耗量、排气温度与负荷之间的关系来描述；汽轮机，则以汽轮机组的功率(即负荷)与蒸汽消耗量、汽耗率之间的关系来描述。1.6.3 动力传动动力传动 发动机产生的动力需要通过某种机构传递给工作机械，这种传递叫动力传动。直接动力传动工作机械直接与原动机联结(如用联轴器来联结动力机械与工作机械)。动力损失少、结构简
43、单。但不能满足变速离合、改变转矩、改变转向、长距离的能量传递、差动传动、转动变成直线运动等。间接动力传动 机械传动，包括摩擦传动(如带传动)、啮合传动(如齿轮传动)及推压传动(如杠杆传动)。流体动力传动，有液压传动(如汽车的液压动力转向系统)、液力传动(如装载机中的液力传动)及气压传动(如全气控震压造型机的气动系统)。电力或磁力传动，有电力拖动、电磁离合或制动传动。工程应用上往往是多种动力传动方式的组合，以便最有效和方便地将动力传递给工作机械。1.7 热能与动力技术和环境热能与动力技术和环境 1.7.1 环境污染的主要方面环境污染的主要方面 因热能利用与动力技术的应用所造成的环境污染，有以下几
44、个主要方面。1热污染 在所有热能利用和动力技术应用中都不可避免地伴随着能量损失，而这些损失最终都以处于某种温度下的热能的形式传给环境，使环境温度升高，由此进一步造成对环境的危害，称为热污染。如插图12为电站冷却水塔（及其它热和动力装置）的大量水汽向大气排放，会改变大气的组成，使大气层对太阳辐射的透过率发生改变，进而影响到气候。插图12 2空气污染 以燃料为能源的各种车辆、供热设备、热力发电厂、工业加工用炉等的废气、废料向环境的排放及废物在大气中的燃烧所造成对大气的污染，为空气污染。污染空气的物质有二氧化碳、氮氧化合物、氧化硫、碳氢化合物、一氧化碳、石油挥发物、碳烟、灰烬、铅、金属氧化物和各种煤
45、烟等等。二氧化碳 氮氧化合物 硫化物 微细颗粒。如插图1-3显示烟囱排放的大量黑烟及油井排气的燃烧火焰对大气的污染；插图1-4显示硫化物排放形成的酸雨对森林造成的危害;插图 15显示因微粒等形成的雾霾天气.插图13 插图14 插图插图1-5 雾霾天气雾霾天气 3噪声污染 锅炉、发动机、空压机等设备在运行时，由于机械振动、进气或排气中气流的高速流动和扩张或收缩、燃料油的喷射雾化、燃烧过程中的压力脉动和传播、气体的高速喷射等等，都会形成噪声。噪声对人的心理、生理、听力、工作和睡眠都会造成不利的影响。4放射性污染 目前，放射性污染主要来自于核电站及燃煤电站的排烟。如插图16显示了切尔诺贝利核电站事故
46、所造成的对周围植物和土壤的危害。5其他污染 如热电厂的粉尘(包括炭黑和飞灰)和灰渣，汽、水、油输送过程中的跑冒滴漏，油船运输事故造成漏油使大面积水域受到污染等等。插图16 1.7.2 环境污染的防治环境污染的防治 1)改善动力机械和热能利用的各种设备的结构，并研制新型高效装置。2)采用高效、低污染的新型动力循环。如煤气化燃气一蒸汽联合循环。3)采用代用燃料与代用工质，并禁用某些工质。如以天然气代替煤气。4)开发利用新能源和可再生能源。如太阳能、风能、生物质能等。5)研制性能优良的技术部件。如新型的燃烧器、高效的脱硫除尘器。如插图16为一种联合的脱硫脱硝工艺。6)建立“噪声综合控制区”和进行“环境噪声达标区”的建设。7)综合治理环境。合理排放和处理废气、废水、废液、废料。8)从可持续发展的战略目标出发，发展循环经济，推行环境无害化技术和清洁生产。插图16
