1、第第3章章 能量平衡能量平衡3.1 概述概述热平衡的基础：热力学第一定律。即：输入能量=有效利用能量+损失能量能量的数量平衡式为：能量的数量平衡式为：3.1.2 平衡平衡3.1.1 能量平衡能量平衡 能量平衡首先研究是热平衡。Q+W+Q=Q21能效率能效率：就是收益能与代价能之比，即：121QQ+Q-1=QW=系统的系统的平衡方程为：平衡方程为：IQEEEWE21效率：效率：收益与代价之比。平衡两种方法平衡两种方法：（1）以热力学第一定律为基础的能量数量平衡法；（2）以热力学第二定律为基础的能量质量平衡法。1IQ21EEEW-1EW+=E1、E2：工质带入和带出的，W为系统对外做功，WQ表示系
2、统向环境的散热，它退化为，是由各项不可逆过程造成的损失。3.2 热平衡热平衡3.2.1 基本概念基本概念1、分类：、分类：1）设备热平衡）设备热平衡：是以一台设备或装置为对象的热平衡。2）企业热平衡：）企业热平衡：是以车间、企业为对象的热平衡。第第3章章 能量平衡能量平衡第第3章章 能量平衡能量平衡2、燃料的发热量及热值：、燃料的发热量及热值：燃料的发热量：燃料的发热量：燃料在完全燃烧的条件下发出的热量。燃料的热值：燃料的热值：单位燃料的发热量。热值法定单位为：kJ/kg，或“公斤标准煤”。转换关系为：1kg标准煤=29270kJ/kg。高热值高热值：单位燃料完全燃烧且燃烧产物中的水蒸气凝结为
3、水时放出的热量。低热值低热值：不计入燃烧产物中水蒸气凝结放热。3、等价热量和当量热量：、等价热量和当量热量：1）等价热量：）等价热量：在进行能量平衡计算中，一次能源直接用热值带入，二次能源及耗能工质都必须折合为它们所消耗的一次能源计算，其折算系数就称之为等价热值。第第3章章 能量平衡能量平衡转换效率转换效率二次能源热值二次能源热值=二次能源等价热值二次能源等价热值计算公式为：计算公式为：例如：例如：如果焦炭的转换效率为0.85，而焦炭的热值是28890kJ/kg，则焦炭的等价热值为：）g33988(kJ/k=0.8528890=q即：即：1kJ焦炭的热值相当于10.850.987=1.161K
4、g标准煤发出的热量。名称名称低位发热量低位发热量(kJ/Kg)(kJ/Kg)折合标煤折合标煤(Kg)(Kg)名称名称低位发热量低位发热量(kJ/Kg)(kJ/Kg)折合标煤折合标煤(Kg)(Kg)标准煤标准煤292701.000煤油430701.471原油原油209100.714柴油387301.333焦炭焦炭288900.987天然气397701.359汽油汽油430701.471液化气501801.714第第3章章 能量平衡能量平衡2）当量热量：）当量热量：用能过程中所使用的二次能源在工艺过程中实际完全转换成的能量。例如：例如：1kW.h的电完全转换为热时产生110003600=36000
5、00(J)=3600(kJ)。热平衡计算时热平衡计算时等价热量：等价热量：计算系统二次能源输入热量时。当量热量：当量热量：计算实际放出的热量时。3.2.2 热平衡技术指标热平衡技术指标热平衡技术指标热平衡技术指标进行热平衡计算的尺度进行热平衡计算的尺度 1、用能系统热量的分类：、用能系统热量的分类：有效利用热有效利用热：加入系统的被利用的那部分能量。损失热：损失热：加入系统的未被利用的那部分能量。第第3章章 能量平衡能量平衡回收热回收热(余热余热)：损失热中可回收利用那部分能量。2、热平衡技术指标：、热平衡技术指标：1）能耗：）能耗：单耗：单耗：单位产量或单位产值所消耗的某种能量折算为标准煤的
6、数量。综合能耗：综合能耗：企业消耗的各种能源的总耗量。2）能量利用效率：）能量利用效率：设备热效率：设备热效率：反映设备的能量利用程度。表示为：%100QQ1%100QQggssggyx=装置能量利用率：装置能量利用率：表示为：%100grhsscQQQ第第3章章 能量平衡能量平衡企业能源利用率：企业能源利用率：用于考察整个企业用能水平的指标，表示为：%100gryxQQ3）回收率：）回收率：反映企业由于余热回收所带来的节能效益指标。表示为：%100hsgrhshsQQQ3.2.3 热平衡模型及类型热平衡模型及类型1、热平衡模型：、热平衡模型：回收热Qhs排出热Qp外界供给热Qgg物料带入热Q
7、r回收热Qhs工质带出热Qc根据热力学第一定律，有：pcggrQ+Q=Q+Q第第3章章 能量平衡能量平衡2、热平衡类型：、热平衡类型：供入热平衡、全入热平衡、净入热平衡三类。1)供入热平衡：供入热平衡：以供给体系的热为基础的热平衡。表示为：2)全入热平衡：全入热平衡：以进入系统的全部热量为基础的热平衡。rpcggQ-QQQ+=hsgrqqqrQQQQhsgrqqqrQQQQ+=3)3)净入热平衡：净入热平衡：实际加给体系的热量为基础的热平衡。drdcjrQ-QQ=3.2.4 热平衡时各种热量的计算热平衡时各种热量的计算 1、供入热计算：、供入热计算：供入热量包括下列各项中的一项或数项：（1）燃
8、料燃烧时供给的热量。（2）外界供给系统的电量P和功量W。第第3章章 能量平衡能量平衡（3）外界向系统的传热量。（4）载热体带入系统的热量。2、有效能概念及计算、有效能概念及计算 有效能：有效能：已经被利用的能量。有效能包括下列诸项中的一项或数项：（1）一般加热工艺。（2）有化学反应的工艺。（3）在蒸汽、干燥工艺中。（4）产品中包含部分燃料时。（5）系统向外界输出电、功时。（6）未包括在以上各项中的其他有效能。3、损失能量：、损失能量：系统的供给热量中未被利用的部分。主要为散发于环境中的热量。第第3章章 能量平衡能量平衡3.3 设备热平衡设备热平衡3.3.1 锅炉热平衡方程锅炉热平衡方程锅炉热平
9、衡方程式为：654321rQQQQQQQ式中：Qr为燃料供给热；Q1Q6分别为有效利用热、排烟损失热、化学不完全燃烧损失热、机械不完全燃烧损失热、为散热损失、灰渣物理损失；单位：kJ/kg。3.3.2 锅炉热效率锅炉热效率 1）正平衡热效率：）正平衡热效率：通过锅炉试验求得Qr、Q1所得的热效率。它反映了有效热占锅炉总吸热量的百分比。100%QQqr111）反平衡热效率：）反平衡热效率：反平衡热效率计算公式为：100%)qqqq(q-1QQ65432r1+=第第3章章 能量平衡能量平衡3）燃烧效率：）燃烧效率：实际生成热与低位发热量之比。即：100%Q)Q(Q-Qydw43ydw+=4）毛效率
10、与净效率：）毛效率与净效率：毛效率：扣除设备自用的能量损耗。毛效率：扣除设备自用的能量损耗。净效率：将锅炉自用能量作为损失计入得到的效率。净效率：将锅炉自用能量作为损失计入得到的效率。即：-j=3.3.3 锅炉各项热损失的确定锅炉各项热损失的确定1、机械不完全燃烧热损失：、机械不完全燃烧热损失：1）燃煤锅炉机械不完全燃烧热损失：）燃煤锅炉机械不完全燃烧热损失：1kg燃料的机械不完全燃烧热损失：100%)C-1CC-1CC-1C(Q32866Aqlmlmlmfhfhfhhzhzhzry4+=第第3章章 能量平衡能量平衡例例1：某锅炉所用燃料的Ay=21.3%,其中ahz=15%，afz=2%，a
11、lm=4.37%，Chz=10%，Cfh=8%，Clm=91%，求q4。解：根据：代入公式(3.33)：1lmfhhz%2.11100%0.442)0.0078(0.170.24)91.0-10.910.043708.0-10.020.021.0-11.015.0(292700.21332866q4=+=+=2）燃油锅炉机械不完全燃烧热损失）燃油锅炉机械不完全燃烧热损失用公式计算：100%10MVQ32866q6thgyr4例例2：已知某燃油锅炉的干烟气容积为Vgy=11.5Nm3，测得烟气中的碳黑浓度Mth=1477mg/Nm3，燃油的热值Qr=41474kJ/kg，求其机械不完全燃烧缺失。
12、第第3章章 能量平衡能量平衡解：根据公式：代入：1.3%100%10.14147432866q64147751100%10MVQ32866q6thgyr4=2、化学不完全燃烧热损失：、化学不完全燃烧热损失：1）燃煤、燃油锅炉的化学不完全燃烧热损失：）燃煤、燃油锅炉的化学不完全燃烧热损失：可简化为：可简化为：2）燃气锅炉燃气锅炉的化学不完全燃烧热损失：的化学不完全燃烧热损失：)q-)(135800CH10800H(12640COQVq442rgy3+=)q-1(QVCO12640q4rgy3=)358001080012640(423CHHCOQVqrgy第第3章章 能量平衡能量平衡例例3：设某燃
13、油锅炉的排烟中CO=0.28%，H2=0.002%，排烟处空气过剩系数为1.05，干烟气容积Vgy=11.5Nm/kg，求q3。解：由例2计算结果q4=1.3%，而CH2=0，代入公式(3.38)：2）燃气锅炉燃气锅炉的化学不完全燃烧热损失：的化学不完全燃烧热损失：)358001080012640(423CHHCOQVqrgy在没有元素分析仪时，用经验公式计算：在没有元素分析仪时，用经验公式计算：CO.qpy233%98.00098.0)1.3%-)(11000.002108001000.28(1264041.47411.5q3=+=代入公式(3.40)：%.%.q94010010028005
14、1233第第3章章 能量平衡能量平衡3、排烟与散热损失：、排烟与散热损失：1）排烟热损失：）排烟热损失：燃油、燃烧锅炉排烟热损失计算式为：%100Q)q-1)(T-T(CVqr40pyypy2=燃气锅炉排烟热损失计算公式：%100Q)T-T(CVqr0pyypy2=例例4：设燃烧1kg油的排烟量Vpy=12.1Nm3，空气入炉温度T0=20，排烟温度Tpy=180，烟气比热Cpy=1.4(kJ/Nm3.)，求排烟损失。解：由公式(3.42)：%100Q)q-1)(T-T(CVqr40pyypy2=第第3章章 能量平衡能量平衡2）散热损失）散热损失：按经验选取。%45.6%100%)3.1-1)
15、(T-20-180(414744.11.12q02=借用例2计算结果q4=1.3%，代入：满负荷运行时，按表3.3查出。pDDDqq554、燃烧炉灰渣物理热损失：、燃烧炉灰渣物理热损失：灰渣物理损失值计算公式：%QAhqrhzhz1006其近似计算公式：%1006ydwhzBQKGq系数系数K取取134。非满负荷运行时，按下式计算：蒸发量蒸发量(t/h)461015203560无尾部受热面无尾部受热面2.11.5有尾部受热面有尾部受热面2.92.41.71.51.31.00.8第第3章章 能量平衡能量平衡3.4 平衡平衡3.4.1 的分类的分类表达了能量转化过程中能的可用性，余热回收的可能性，
16、以及过程中能的贬值性。所以进行平衡，可帮助评价的合理程度。1）系统与环境之间的平衡可以分为：物理和化学。2）根据能量可分为：热量、冷量和机械能。3）按工艺过程可分为：输入、输出、燃料和排烟。3.4.2 的计算的计算1、热量、热量：热量由和组成。从热源吸取的热量可能作的最大有用功，用微元过程表示为：Q)TT-1(WE0=卡诺循环效率卡诺循环效率第第3章章 能量平衡能量平衡对一般的热力过程，热量为：ST-Q)S-S(T-QdQ)TT-1(E0120021=系统为：STE-QA0=热量Q的能质系数为：TT-1QST-1QE00=热量和热量的T-s图为：06AE12S1S2534sT0TT2、冷量、冷
17、量：仍由和组成。冷量是温度低于环境温度时的热量。对于可逆卡诺循环有:QminminQ)TT(PP001第第3章章 能量平衡能量平衡消耗外界的有用功就是冷量，即:冷量可表示为：00QSTEQA则冷量的能质系数为：100TTQQSTQEQSTPEmin0系统冷量和冷量的T-s图为：06QE12s1s2534sTT3、稳定流动开口系统工质的、稳定流动开口系统工质的:单位工质流入系统的能量由单位工质流入系统的能量由工质工质焓焓、动能动能和和位能位能三部分组成三部分组成。根据能量守恒方程可得：minPgdz)dv(hq221第第3章章 能量平衡能量平衡在可逆过程中因 ，故：dsTq0gdz)dv(hds
18、TPdemin2021稳定流动系统，因 ，故：0000zv，gzv)ss(Thhe200021略去工质的动能和位能，则系统单位工质的为：)ss(Thhe000常用水和蒸汽为工质，且在定压下工质经验计算公式：)TTln(TTT)hh(er00001)TTln(TTT)TT(Cepr00001或4、封闭系统的、封闭系统的：任一封闭系统从给定状态可逆的转变到环境状态，并只与环境交换热量时所作的最大功。第第3章章 能量平衡能量平衡可逆的转换过程能量方程为：minPvpduq0给定状态到环境状态时系统的为：)SS(T)vv(puuPeomin0000相应的为：)SS(T)vv(pua000005、理想气
19、体的、理想气体的：由温度和压力两部分组成。温度为：压力为：TTpdT)TT(C)T(e001)ppln(RT)p(e00因此，理想气体的表示为：)p(e)T(e)pT(e6、燃料、燃料：主要是化学和物理。第第3章章 能量平衡能量平衡1）燃料的物理显）燃料的物理显：1）燃料的化学）燃料的化学：近似公式计算。)TTlnTTT(Cerrrrx000固体固体燃料的化学燃料的化学-信泽式计算：)kg/kJ).(.(QeCNCOCHydwK042006101519000641液体燃料的化学液体燃料的化学-信泽式计算：-朗特式计算：)kg/kJ.(rWQeydwK)kg/kJ).(.(QeCSCOCHdwK
20、01040030801365000361-朗特式计算：)kg/kJ.(Q.eygwK9750液体燃料的化学液体燃料的化学已知气体燃料组分时：)m/kJ.(xlnxRTexeiiiiK30第第3章章 能量平衡能量平衡其近似计算公式：)m/kJ).(WH(Q.eydwK3925129507、燃料产物、燃料产物：在理论燃烧温度下，燃料生成燃料产物为：)kg/kJ.(TTlnTTTQercw00018、空气和烟气的、空气和烟气的：按理想气体的值计算式(3.69)计算。3.4.3 损及损及损率损率损率：损率：各项损失与总供给的比值。1、燃烧过程的、燃烧过程的损：损：燃烧过程的损等于燃料与燃烧产物之差。即
21、：)m/Jkkg/kJ.(eeecwrrs3或对于热水锅炉和原油加热炉，可用下式计算损：)kg/kJ).(TTlnTTTTTlnTTT(Qepypyyxcs012120第第3章章 能量平衡能量平衡2、传热过程的、传热过程的损：损：在完全燃烧的情况下，传热损计算公式为：)m/kJkg/kJ.(e)ee(eyxpycwcs3或中3、散热、散热损：损：计算式为:)kg/kJ.(TTlnTTTQepypysrsr014、排烟、排烟损：损：因排烟高温，带走了，而造成排烟损失。计算式为:)kg/kJ.(dT)TT(C)T(eTTp0015、换热过程、换热过程损：损：冷、热两种流体进行非接触热交换时(如换热
22、器)，造成损失。计算式为:)kg/kJ).(TTlnCTTlnC(TSTelllprrrphs1212006、化学反应、化学反应：在工业窑炉中，一些物质被加热而发生化学反应，反应前后具有的化学之间存在的差值，称为反应。第第3章章 能量平衡能量平衡 在稳定状态下，系统的收入与支出应平衡。3.4.4 平衡与平衡与效率效率1、平衡：平衡：以供给为基础的平衡方程式为：ssgcgrggEEWEE以全入为基础的平衡方程式为：hsgrggqrEEWEE2、效率：效率：系统实际得到的有效与供给之比。%EEggyxe100可用反平衡法表示：对于整个企业，用能效率表示为：%)EE(ggsse1001%EEggyx
23、e100对于石油、化工装置，全入效率为：%EEEqrssqre100的回收率为：%EEE%EEhsgghsqrhshs100100第第3章章 能量平衡能量平衡3.4.5 平衡应用举例平衡应用举例某单级汽轮机，进气压力p1=10MPa，温度t1=540，排气压力p2=0.005MPa，相对内效率ri=0.81，设环境温度20。求该机的绝对内效率、目的效率、热损失、损失。解：查表得状态参数：h1=3477kJ/kg，e1=1637kJ/kg，h2=2337kJ/kg，e2=241kJ/kg，h20=2052kJ/kg绝对内效率：80%2052)(23772377)(347723373477)h(h
24、)h(hhh2022121i目的效率：81.66%241163723373477eehh2121p损失：270.7kJ/kg2052)0.81)(3477(1)h)(h(1Q201rirs第第3章章 能量平衡能量平衡损失：256kJ/kg241)3781.66%)(16(1)e)(e(1e21pss总结：汽轮机的热效率及效率均较高，且数值接近。绝对内效率的热损失比例很大，但乏汽温度因接近环境温度，所以值很低，比例很少。因汽轮机内部的不可逆过程，而造成的损失和热损失。3.5 热平衡及热平衡及平衡结果的表示方法平衡结果的表示方法3.5.1 热流图和热流图和流图流图 1、热流图：、热流图：是将设备根
25、据热平衡计算的结果，在图上按一定比例画出来的示意图。分为简单热流图和分区热流图两种。简单热流图特点：简单、清楚；只能大致表明流动方向。分区热流图特点：热量流向与设备结构关系清楚；较复杂。第第3章章 能量平衡能量平衡 锅炉的简单热流图锅炉的简单热流图 凝汽式电厂的简单凝汽式电厂的简单流图流图2、流图：流图：设备在进行平衡后得出的供给、工质带入、产出及各种损后，以图示的方式表示。3.5.2 表格表示法表格表示法 特点：详细给出计算结果，一目了然；从中可得到启发，找出节能关键，指导节能。第第3章章 能量平衡能量平衡3.6 提高能源利用率的途径提高能源利用率的途径3.6.1 提高锅炉热效率的途径提高锅
26、炉热效率的途径 1、降低排烟温度减小、降低排烟温度减小q2：尾部烟道加设空气预热器和省煤器。2、采用合理的空气过量系数减小、采用合理的空气过量系数减小q2：调节好风煤比，尽量减少炉膛及烟道漏风。3、提高运行水平降低、提高运行水平降低q3、q4：节能控制；维持炉膛高温；改造锅炉设计。3.6.1 提高锅炉提高锅炉效率的方法效率的方法 锅炉的损失主要是燃烧过程损失和传热过程损失。1、提高燃烧温度有助于减少燃烧过程缺失。2、提高工质运行参数，尤其是提高工质的平均吸热温度，减少温度传热温差，可减少传热过程缺失。第第3章章 能量平衡能量平衡3.6.1 提高企业能源利用率的途径提高企业能源利用率的途径 1、改善辅机运行条件，节约自用能量。2、不同能量的联供。3、联合循环。4、能源大系统。第第3章章 能量平衡能量平衡第第3章章 结束结束
