熱力學(xué)第一定律第二定律在節(jié)能技術(shù)上的應(yīng)用

熱力學(xué)第一定律第二定律在節(jié)能技術(shù)上的應(yīng)用熱力學(xué)第一定律第二定律在節(jié)能技術(shù)上的應(yīng)用熱力學(xué)第一定律第二定律在節(jié)能技術(shù)上的應(yīng)用xxx公司熱力學(xué)第一定律第二定律在節(jié)能技術(shù)上的應(yīng)用文件編號(hào)：文件日期：修訂次數(shù)：第1.0次更改批準(zhǔn)審核制定方案設(shè)計(jì)，管理制度武漢工程大學(xué)能源與節(jié)能技術(shù)論文題目：熱力學(xué)第一定律第二定律在節(jié)能技術(shù)上的應(yīng)用專業(yè)：過(guò)程裝備與控制工程班級(jí)；12級(jí)03班學(xué)號(hào)：05姓名：崔夢(mèng)圓前言能源是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的命脈，與人民生活和人類的生存環(huán)境休戚相關(guān)，在社會(huì)可持續(xù)發(fā)展中起著舉足輕重的作用。但是目前能源短缺，資源利用率低是一個(gè)很大的問(wèn)題。為解決能源短缺問(wèn)題，目前正同時(shí)從兩條途徑著手：一、開發(fā)新能源；二、開展節(jié)能的研究。顯然，從能夠盡快的收到實(shí)效的角度出發(fā)，開展節(jié)能研究更具有現(xiàn)實(shí)意義。節(jié)能研究主要包含兩方面的內(nèi)容：一、如何提高現(xiàn)有的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和裝置（包括各種類型的熱機(jī)、熱交換器、泵及風(fēng)機(jī)等）的效率，以最大限度地發(fā)揮其潛在能力；二、研究利用常規(guī)能源（如煤、石油、天然氣）的新的能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（如燃?xì)廨啓C(jī)—蒸汽輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)裝置，磁流體發(fā)電設(shè)備—常規(guī)火電廠聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，供取暖的新型熱泵系統(tǒng)等）。研究能量屬性及其轉(zhuǎn)換規(guī)律的科學(xué)是熱力學(xué)。從熱力學(xué)的角度看，能量是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的度量，運(yùn)動(dòng)是物質(zhì)的存在的形式，因此一切物質(zhì)都有能量。熱力學(xué)能廣義上講包括分子熱運(yùn)動(dòng)形成的內(nèi)動(dòng)能、分子間相互作用所形成的內(nèi)位能、維持一定分子結(jié)構(gòu)的化學(xué)能和原子核內(nèi)部的核能。熱物理工作者在節(jié)能中的主要任務(wù)顯然不是設(shè)法減少一般概念的熱能的損失，而是必須從熱力學(xué)第一定律和第二定律出發(fā)，使能量的可用度得到最充分的利用。就熱力學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)說(shuō)，“所費(fèi)多于所當(dāng)費(fèi)，或所得少于所可得，都是浪費(fèi)”。能量的可用度的損失，和各種過(guò)程的不可逆性直接有關(guān)。因此，節(jié)能的首要任務(wù)在于“和不可逆性做斗爭(zhēng)”。為評(píng)價(jià)能量轉(zhuǎn)換裝置的工作性能，目前都采用傳統(tǒng)的基于熱力學(xué)第一定律的效率概念。近年來(lái)，由于能源短缺日益嚴(yán)重及人們逐步認(rèn)識(shí)到節(jié)能工作在解決能源問(wèn)題中的重大意義，以熱力學(xué)第二定律為基礎(chǔ)的效率概念引起了廣泛的重視。我國(guó)正在大力開展節(jié)能工作，并取得了很大的成績(jī)。利用熱力學(xué)第一定律即能量守恒與轉(zhuǎn)換定律和熱力學(xué)第二定律即能量貶值定理，并將此應(yīng)用到節(jié)能工作上，將為節(jié)能工作帶來(lái)更大的進(jìn)步與發(fā)展。一、熱力學(xué)第一定律和第二定律總所周知，能量在量方面的變化，遵循自然界最普遍、最基本的規(guī)律，即能量守恒與轉(zhuǎn)換定律。能量守恒和轉(zhuǎn)換定律指出：“自然界的一切物質(zhì)都具有能量；能量既不能創(chuàng)造，也不能消滅，而只能從一種形式轉(zhuǎn)換成另一種形式，從一個(gè)物體傳遞到另一個(gè)物體；在能量轉(zhuǎn)換與傳遞過(guò)程中能量的總量恒定不變?！睙崮苁亲匀唤鐝V泛存在的一種能量，其他形式的能量（如機(jī)械能、電能、化學(xué)能）都很容易轉(zhuǎn)換成熱能。熱能與其他形式能量之間的轉(zhuǎn)換也必然遵循能量守恒和轉(zhuǎn)換定律——熱力學(xué)第一定律。熱力學(xué)第一定律指出：熱能作為能量，可以與其他形式的能量相互轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換過(guò)程中能量總量保持不變。能量不僅有量的多少，還有質(zhì)的高低。熱力學(xué)第一定律只說(shuō)明了能量在量上要守恒，并沒(méi)有說(shuō)明能量在“質(zhì)”方面的高低。另一方面熱力學(xué)第一定律只告訴我們某一個(gè)變化過(guò)程中的能量關(guān)系，并沒(méi)有告訴我們這個(gè)變化過(guò)程進(jìn)行的方向。自然界進(jìn)行的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程是有方向性的，不需要外界幫助就能自動(dòng)進(jìn)行的過(guò)程稱之為自發(fā)過(guò)程，反之為非自發(fā)過(guò)程。自發(fā)過(guò)程都有一定的方向，若要使自發(fā)過(guò)程反向進(jìn)行并回到初始狀態(tài)，則需要花費(fèi)代價(jià)，所以自發(fā)過(guò)程都是不可逆過(guò)程。就像熱力學(xué)第一定律一樣，熱力學(xué)第二定律也是長(zhǎng)期實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)是能量貶值原理。它指出，能量轉(zhuǎn)換過(guò)程總是朝著能量貶值的方向進(jìn)行。能量傳遞過(guò)程也總是自發(fā)地朝著能量品質(zhì)下降的方向進(jìn)行。熱力學(xué)第二定律深刻地指明了能量轉(zhuǎn)換過(guò)程以及能量傳遞過(guò)程的方向、條件及限度。節(jié)能概述能源是國(guó)家的基礎(chǔ)工業(yè)，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，是提高和改善人民生活的必要條件。它的開發(fā)和利用是衡量一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志。節(jié)能，從能源的角度顧名思義就是節(jié)約能源消費(fèi)，即從能源生產(chǎn)開始，一直到最終消費(fèi)為止，在開采、運(yùn)輸、加工、轉(zhuǎn)換、使用等各個(gè)環(huán)節(jié)上都要減少損失和浪費(fèi)，提高其有效利用程度。節(jié)能，從經(jīng)濟(jì)的角度則是指通過(guò)合理利用、科學(xué)管理、技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)合理化等途徑，以最少的能耗取得最大的經(jīng)濟(jì)效益。我國(guó)是最大的發(fā)展中國(guó)家，節(jié)能對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展更有著特殊的意義，主要表現(xiàn)在：（1）節(jié)能是實(shí)現(xiàn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)、高效發(fā)展的保證；（2）節(jié)能是調(diào)整國(guó)民經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、提高經(jīng)濟(jì)效益的重要途徑；（3）節(jié)能將緩解我國(guó)運(yùn)輸?shù)膲毫Γ唬?）節(jié)能將有利于我國(guó)的環(huán)境保護(hù)。熱力學(xué)第一定律效率和第二定律效率在能量利用中熱效率和經(jīng)濟(jì)性是非常重要的兩個(gè)指標(biāo)。由于存在著耗散作用、不可逆過(guò)程以及可用能損失，在能量轉(zhuǎn)換和傳遞過(guò)程中，各種熱力循環(huán)、熱力設(shè)備和能量利用裝置，其效率都不可能是100%的。根據(jù)熱力學(xué)原理，對(duì)于一切熱工設(shè)備有：如對(duì)熱設(shè)備有對(duì)動(dòng)力循環(huán)對(duì)理想的卡諾循環(huán)式中：為低溫?zé)嵩吹臏囟?；為高溫?zé)嵩吹臏囟?。?duì)制冷循環(huán)對(duì)理想的逆向卡諾制冷循環(huán)式中：、分別為高溫?zé)嵩矗ㄈ绱髿猓?、低溫?zé)嵩矗ㄈ缋鋷?kù)）的溫度。對(duì)供熱循環(huán)對(duì)理想的逆向卡諾熱泵循環(huán)式中：、分別為高溫?zé)嵩矗ㄈ缡覝兀┖偷蜏責(zé)嵩矗ㄈ绱髿猓┑臏囟?。以上、、不僅指出了在同樣溫度范圍內(nèi)實(shí)際的動(dòng)力循環(huán)、制冷循環(huán)和供暖循環(huán)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的極限值，同時(shí)也指明了提高其經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的途徑。四.第一定律和第二定律在節(jié)能上的應(yīng)用舉例1．熱泵節(jié)能與應(yīng)用熱泵是一種將低溫?zé)嵩吹臒崮苻D(zhuǎn)移到高溫?zé)嵩吹难b置。通常用于熱泵裝置的低溫?zé)嵩词俏覀冎車慕橘|(zhì)——空氣、河水、海水，或者是從工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備中排出工質(zhì)，這些工質(zhì)常與周圍介質(zhì)具有相接近的溫度。熱泵裝置的工作原理與壓縮式制冷機(jī)是一致的；在小型空調(diào)器中，為了充分發(fā)揮它的效能，在夏季空調(diào)降溫或冬季取暖，都是使用同一套設(shè)備來(lái)完成的。在冬季取暖時(shí)，將空調(diào)器中的蒸發(fā)器與冷凝器通過(guò)一個(gè)換向閥來(lái)調(diào)換工作。在夏季空調(diào)降溫時(shí)，按制冷工況運(yùn)行，由壓縮機(jī)排出的高壓蒸汽，經(jīng)換向閥進(jìn)入冷凝器，制冷劑蒸汽被凝結(jié)成液體，經(jīng)節(jié)流裝置進(jìn)入蒸發(fā)器，并在蒸發(fā)器中吸熱，將室內(nèi)空氣冷卻，蒸發(fā)后的制冷劑蒸汽，經(jīng)換向閥后被壓縮機(jī)吸入，這樣周而復(fù)始，實(shí)現(xiàn)制冷循環(huán)。在冬季取暖時(shí)，先將換向閥轉(zhuǎn)向熱泵工作位置，于是由壓縮機(jī)排出的高壓制冷蒸汽，經(jīng)換向閥后流入室內(nèi)蒸發(fā)器（作冷凝器用），制冷劑蒸汽冷凝時(shí)放出的潛熱，將室內(nèi)空氣加熱，達(dá)到室內(nèi)取暖目的?；跓崃W(xué)第二定律的減排的燃煤發(fā)電技術(shù)溫室氣體的排放給全球氣候帶來(lái)了巨大災(zāi)難，而燃煤發(fā)電所造成的排放量巨大，因此，對(duì)燃煤發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行減排刻不容緩。首先對(duì)一國(guó)內(nèi)典型的600MW燃煤機(jī)組的傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)、燃燒后捕集改造系統(tǒng)、氧/燃料燃燒改造系統(tǒng)進(jìn)行了模擬仿真計(jì)算。在研究計(jì)算中發(fā)現(xiàn)壓縮系統(tǒng)消耗的能量?jī)H次于再沸器熱耗和空分系統(tǒng)，其壓縮過(guò)程中每一級(jí)壓縮氣體的溫度可達(dá)120左右。氧/燃料方式的系統(tǒng)發(fā)電效率略高于燃燒后捕集方式。其次基于熱力學(xué)第二定律對(duì)減排的燃煤發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的火用分析計(jì)算和比較。研究結(jié)果表明，燃燒后捕集整合系統(tǒng)的火用效率為%，氧/燃料燃燒系統(tǒng)的火用效率為%，相較傳統(tǒng)燃煤發(fā)電系統(tǒng)均有大幅度下降。鍋爐設(shè)備在燃燒后捕集系統(tǒng)與傳統(tǒng)燃煤系統(tǒng)中，均為火用損失最大的設(shè)備，這是由于燃燒和傳熱的不可逆造成的。然后運(yùn)用矩陣模式的熱經(jīng)濟(jì)學(xué)方法對(duì)傳統(tǒng)燃煤發(fā)電系統(tǒng)、燃燒后捕集改造系統(tǒng)、氧/燃料燃燒改造系統(tǒng)進(jìn)行熱經(jīng)濟(jì)性分析，分析其發(fā)電成本的形成過(guò)程和系統(tǒng)中各個(gè)子系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性優(yōu)劣。研究結(jié)果表明，傳統(tǒng)燃煤發(fā)電系統(tǒng)為￥/KWh，氧/燃燒后捕集改造系統(tǒng)為￥/KWh，氧燃料燃燒改造系統(tǒng)為￥/KWh，矩陣模式熱經(jīng)濟(jì)學(xué)對(duì)減排的燃煤發(fā)電系統(tǒng)有良好的適應(yīng)性，能夠科學(xué)合理的對(duì)其進(jìn)行成本核算。最后基于夾點(diǎn)分析技術(shù)對(duì)燃燒后捕集改造系統(tǒng)、氧/燃料燃燒改造系統(tǒng)與多級(jí)壓縮系統(tǒng)進(jìn)行了熱能分析與整合，提出了合理的換熱器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，達(dá)到了熱能回收降低系統(tǒng)能耗的目的。通過(guò)對(duì)燃燒后捕集發(fā)電系統(tǒng)的夾點(diǎn)優(yōu)化改造，節(jié)約了%的加熱工程熱量和%的冷卻工程用量。通過(guò)對(duì)氧/燃料燃燒發(fā)電系統(tǒng)的夾點(diǎn)優(yōu)化改造，節(jié)約了約%外加熱公用工程和%的外加冷卻公用工程量。優(yōu)化設(shè)計(jì)之后的多級(jí)壓縮與CCS發(fā)電系統(tǒng)的整合系統(tǒng)，間接增加發(fā)電量約為左右，提高系統(tǒng)發(fā)電效率約為%。節(jié)能，從能源的角度顧名思義就是節(jié)約能源消費(fèi)；從經(jīng)濟(jì)