能量品質(zhì)的與介紹概要

吉林建龍鋼鐵專業(yè)基礎(chǔ)培訓(xùn)之能量品質(zhì)的分析與介紹主講人：能源處作業(yè)規(guī)劃室胡冬冬自熱力學(xué)理論確立后，人們雖然從理論上相識到，熱力過程中能量的交換(傳遞和轉(zhuǎn)換)及其利用，應(yīng)依據(jù)熱力學(xué)第確定律和其次定律對能量的“數(shù)量”及“質(zhì)量”兩方面進行分析探討。但是，在實際熱能工程技術(shù)的設(shè)計、管理和改進上，主要還是依據(jù)熱力學(xué)第確定律，即能量守恒與轉(zhuǎn)換定律。也就是說，只是單一地從能量的“數(shù)量”角度動身，以焓為基礎(chǔ)的“熱平衡”計算分析方法(或稱“能量分析法”)。誠然，此法僅弄清晰進行熱力過程的熱工設(shè)備或整個裝置的能量(一般為熱量)“數(shù)量”上的損失，僅能從“數(shù)量”上實行相應(yīng)的措施來改進設(shè)備及其運行方式，以削減“能量”損失，然而，由于此法未考慮到熱力學(xué)其次定律所表明的“質(zhì)量”，因為人們生活在地球表面的確定客觀環(huán)境中，供應(yīng)人們所需的能量有“可以利用”的部分(稱“可用能”或“”)和“受環(huán)境限制無法利用”的部分(稱“無用能”或“”)，即相同數(shù)量的不同形式的能量所合的“”和“”的數(shù)量是不確定相同的，或者說能量還具有另一方面的問題——“質(zhì)量”。因此，在相識所謂“能量損失”上就產(chǎn)生確定程度的混淆，由此在確定“能量損失”的分布及實行提高能量利用效率的技術(shù)措施時，就難免在熱力學(xué)上作出錯誤的結(jié)論，達不到預(yù)期的效果。前言例如，以一座新型的火力發(fā)電站來說，在凝汽器中通過冷卻水排往環(huán)境損失的熱量約占總輸入燃料所產(chǎn)生的熱量的50％，但是，當(dāng)按這份能量的“可用”和“無用”部分加以澄清的話，其中“可用”的能量只不過占總輸入燃料的“可用能”的2％一3％。假如由此認為要較大地提高火力發(fā)電廠熱效率的主要措施在于改進凝汽器的話，則確定達不到預(yù)期的效果。為此，近二三十年來，國內(nèi)外有關(guān)專家學(xué)者在熱力學(xué)的理論領(lǐng)域內(nèi)和工程技術(shù)的管理上大力提倡把熱力學(xué)第確定律和其次定律綜合起來(能量＝十)考慮，并以其次定律為主，即從熱力過程不行逆性引起“可用能”損失變成“無用能”的角度動身，以用為基準(zhǔn)的分析方法來評價能量利用的科學(xué)性和合理性。由于此“分析”法中的“效率”或“損失系數(shù)”更能精確地反映各熱力設(shè)備或整個裝置系統(tǒng)技術(shù)上或熱力學(xué)的完善程度，可以從中明確提高能源利用故率的正確目標(biāo)，并實行相應(yīng)約措施。前言一、及分析的基本概念二、能量分析法與分析法三、常用熱工設(shè)備裝置的效率四、典型案例分析舉例五、能量的合理利用與節(jié)能常識目錄一、熱力學(xué)基本定律1、熱力學(xué)第確定律：當(dāng)熱能與其他形式的能量相互轉(zhuǎn)換時，能的總量保持不變。2、熱力學(xué)其次定律：（1）克勞修斯表述：不行能將熱從低溫物體傳至高溫物體而不引起其他變更。（2）開爾文——普朗克表述：不行能從單一熱源取熱，并使之完全變?yōu)橛杏霉Χ灰鹌渌兏?、能的形態(tài)和性質(zhì)能量是物質(zhì)運動的量度．由于物質(zhì)的運動有多種形式，如機械運動、熱運動、電磁運動、化學(xué)變更及核裂變或聚變等，因而能量也就有相應(yīng)不同形態(tài)的機械能、熱能、電磁能(臺輻射能)、化學(xué)能及核能等．此外，在熱力過程中常常牽涉到的熱量和功也是一種能量形態(tài)，功是以作功方式(或者說除溫差以外的各種勢差作用下)傳遞的能量；熱量是在溫差作用下傳遞的能量，屬熱能。上述幾種形態(tài)的能量之間．除了迄今未發(fā)覺機械能可以干脆轉(zhuǎn)換為化學(xué)能和核能的方法外，其他的都可以相互轉(zhuǎn)換，而且在轉(zhuǎn)換時數(shù)量上道循“能量守恒及轉(zhuǎn)換”規(guī)律．若牽涉到熱能的轉(zhuǎn)換時，就具體表現(xiàn)為“熱力學(xué)第確定律”，即不同形態(tài)的及分析的基本概念能量轉(zhuǎn)換時，能的總量保持不變．但是，在人類生活和生產(chǎn)的地球表面環(huán)境條件下(即在環(huán)境的參與和限制下，后同)，不是隨意形態(tài)的能量都能全部無條件地轉(zhuǎn)換成任一其他形態(tài)的能量．例如，其他形態(tài)的能量(機械能、電能、化學(xué)能等)可以通過審擦、電阻或燃燒反應(yīng)等方法全部連續(xù)地轉(zhuǎn)換為熱能．但反過來要將熱能連續(xù)地全部轉(zhuǎn)換成其他形態(tài)的能量是不行能的．從人類利用能量代替人們的勞動、操作(主要的是利用機械能及電能或稱“能的動力利用”)來看，在人類所處環(huán)境條件下，同樣數(shù)量的熱能可供人們利用的部分就比其他形態(tài)的能量少．也可以說，熱能的“質(zhì)量”比其他形態(tài)的能量的“質(zhì)量”低．另外，依據(jù)熱力學(xué)其次定律，在環(huán)境條件下，同祥數(shù)量的熱能處在較高溫反下的比處在較低溫度下的在理論上能轉(zhuǎn)換為功(機械能)的部分更多，溫度相差越大，能轉(zhuǎn)換為功的部分相差也越大．因此，同樣是熱能，其“質(zhì)量”也有凹凸的不同．綜上所述，在人類活動的環(huán)境條件下，從人們利用能量的狀況來看，能量在轉(zhuǎn)換時具有“量的守桓性”和“質(zhì)的差異性”兩重性．及分析的基本概念4、能的轉(zhuǎn)換實力所謂“能量的轉(zhuǎn)換實力”是指某種形態(tài)的能量轉(zhuǎn)換為其他形態(tài)能量的實力．因為任一種有序能都可以全部轉(zhuǎn)換為無序能(熱能)或其他形態(tài)的有序能，而(對人類的)有用功(機械功、電功等)是屬于有序能，故可以將能量的轉(zhuǎn)換實力理解為“能量轉(zhuǎn)換成有用功的實力”，或稱為“能量的作功實力”．依據(jù)轉(zhuǎn)換實力的不同，或者說依據(jù)能量轉(zhuǎn)換時是否受熱力學(xué)其次定律的制約，能量可以劃分為三種不同質(zhì)的能量。（1）無限轉(zhuǎn)換能。在環(huán)境條件下，理論上可以連續(xù)池全部轉(zhuǎn)換為有用功的能量，如機械能、電能、水能、風(fēng)能等。它們是技術(shù)上和經(jīng)濟上更為珍貴的“高級能量”。高級能量從本質(zhì)上說是完全有序的能量。因此各種高級能量之間理論上能夠彼此完全轉(zhuǎn)化，它們的質(zhì)和量完全統(tǒng)一。（2）有限轉(zhuǎn)換能。在環(huán)境條件下，只能部分地轉(zhuǎn)換為有用功的能量，如熱量、內(nèi)能、焓等。這類能量稱為“低級能量”。及分析的基本概念（3）不行轉(zhuǎn)換能。在環(huán)境條件下，不行談轉(zhuǎn)換成有用功的能量，如環(huán)境的內(nèi)能、在環(huán)境溫度T0下交換的熱量、克服環(huán)境壓力P0的容積功及處于環(huán)境狀態(tài)下一切系統(tǒng)的儲存能等．它們雖然可以具有相當(dāng)?shù)摹皵?shù)量”，在環(huán)境的條件下，卻無法利用來轉(zhuǎn)換成可利用的機械功，因而其“質(zhì)”為零。5、不行逆過程不行逆過程在熱力學(xué)上也稱為熵增過程，熱力過程是具有方向性的，即只能自發(fā)的向一個方向進行，有序狀態(tài)向無序狀態(tài)進行，若要逆向進行，就必需付出某種代價，也就是說，熱力過程是不行逆的。6、和在給定環(huán)境條件下(即在環(huán)境的參與和限制下)任何形態(tài)的能量理論上(或最大限度)能夠轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ哪遣糠帜芰糠Q為該能量中的“”或“有效能”，而不行能轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ哪遣糠帜芰糠Q為該能量中的“”或“無效能”。7、物理和化學(xué)假如熱力系與環(huán)境僅處于熱平衡和力平衡的狀態(tài)，則稱之為“不完全平衡環(huán)境狀態(tài)”。若熱力系與環(huán)境不僅處于熱平衡及力平衡，而且還處于化學(xué)平衡的狀態(tài)，則稱之為“完全乎衙環(huán)境狀態(tài)”．及分析的基本概念計算處于隨意狀態(tài)的隨意系統(tǒng)具有能量中的值時，是以環(huán)境狀態(tài)作為基準(zhǔn)的，但環(huán)境狀態(tài)又分為不完全平衡環(huán)境狀態(tài)和完全平衡環(huán)境狀態(tài)，所以系統(tǒng)的又可分為“物理”和“化學(xué)”．明顯，處于隨意狀態(tài)的系統(tǒng)相對于完全平衡環(huán)境狀態(tài)所具有的總E，等于從隨意狀態(tài)(P，T)到不完全平衡環(huán)境狀態(tài)(P0，T0)的物理Eph以及從不完全平衡環(huán)境狀態(tài)(P0，T0)到完全平衡環(huán)境狀態(tài)的化學(xué)Ech之和，即

E＝Eph十Ech及分析的基本概念一、及分析的基本概念二、能量分析法與分析法三、常用熱工設(shè)備裝置的效率及損失系數(shù)四、典型案例分析舉例五、能量的合理利用與節(jié)能常識目錄為了確定用能系統(tǒng)(進行能量轉(zhuǎn)換或交換的系統(tǒng))個別設(shè)備或整個裝置能量損失的性質(zhì)、大小、分布及探求提高能量利用率的方向和措施，其方法一般可分為“能量分析法”和“分析法”兩種。1、能量分析法的特點是僅依據(jù)熱力學(xué)第確定律(即只從能量的數(shù)量動身)分析揭示裝置或設(shè)備在能量的數(shù)量上的轉(zhuǎn)換、傳遞、利用和損失的狀況，故此法被很多人稱為“第確定律分析法”．其主要計算是對裝置或設(shè)備進行“能量平衡”(一般又稱“熱平衡”)的計算，故此法又稱為“能量平衡法”(或“熱平衡法”)．其主要熱力學(xué)指標(biāo)為“能效率”(或“熱效率”)ηt，定義為：2、分析法的本質(zhì)是結(jié)合熱力學(xué)第確定律和其次定律(以其次定律為主)．即從能量的數(shù)量和質(zhì)量相結(jié)合的角度動身分析揭示裝置或設(shè)備在能量中的(有效能)的轉(zhuǎn)換、傳遞、利用和損失的狀況，故又被很多人稱為“其次定律分析法”．其主要計算是對裝置或設(shè)備進行平衡的計算，故又稱為“平衡法”．其主要熱力學(xué)指標(biāo)為“效率”ηe，定義為：能量分析法與分析法3、方法比較：因為能量分析法是依據(jù)不同質(zhì)的能量在數(shù)量上的平衡，只考慮了量的利用和量的干脆“外部損失”，在計算投入的裝置或設(shè)備的總能量中，有多少被利用(收益)．有多少干脆轉(zhuǎn)移到環(huán)境中損失掉，比較直觀和簡潔理解．例如，若某鍋爐的熱效率為90％，則在投入(消耗)的燃料燃燒發(fā)出熱量的總能量中，有90％的能量(熱能)傳結(jié)水蒸氣被利用〔收益)，10％的能量(熱能)通過排煙、散熱等干脆損失在環(huán)境中。又如一個水蒸氣動力發(fā)電廠，若其總效率為40％，則在投入燃料發(fā)熱量的總能量中，有40％的能量(熱能)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能(最終變?yōu)殡娔?輸出被利用(或收益)，而60％的能量(熱能)在鍋爐、汽輪機、冷凝器、換熱器、管道等設(shè)備通過各種途徑散失到環(huán)境中損失掉了．而且能量分析法也的確為節(jié)約能量指明白確定的方向，例如回收余廢熱，削減工質(zhì)或物料的泄漏，加強保溫等措施以削減能量的干脆外部損失等，這在先進國家以往的節(jié)能工作和我國近期的節(jié)能工作中．往往可以取得不小的效果．例如美國在70年頭化工行業(yè)短期節(jié)能規(guī)劃中，利用削減外部能量損失的年節(jié)能量約為60％．所以，長期以來人們對熱力過程中能量的轉(zhuǎn)換及其利用，雖然在理論上已相識到應(yīng)依據(jù)熱力學(xué)第確定律和其次定律對能量的“數(shù)量”和“質(zhì)量”進行分析，但是，在實際工程技術(shù)設(shè)計和管理上卻主要還是依據(jù)能量分析法．能量分析法與分析法但是，因能量分析法只從能量的數(shù)量角度而不是像分析法那樣從能量的量和質(zhì)統(tǒng)一的角度來分析能量的轉(zhuǎn)換和利用，因而就產(chǎn)生如下兩方面的主要問題．（1）它所指的能量損失只考慮干脆散失到環(huán)境的能量(即“外部損失”)，而沒有考慮到由于在設(shè)備發(fā)生不行逆過程時．必定引起部分轉(zhuǎn)變?yōu)槎植皇钱?dāng)場排放到環(huán)境的“內(nèi)部損失”(或稱“內(nèi)部損失”)，這種損失雖不削減能量的數(shù)量，但卻引起能員質(zhì)量的貶值損失．因此，在對裝置進行分析計算時得出各設(shè)備的損失結(jié)果的數(shù)值非但不能深刻揭示能量損失的本質(zhì)，而且徑往給人以假象，在如何提高能量利用率的努力方向上把人們引入歧途．而分析法中酌損失就克服了這一缺點。（2）由于能量分析法是建立在不同質(zhì)的能量的數(shù)量平衡基礎(chǔ)上，故其主要熱力學(xué)指標(biāo)能效率的表達式中的分子、分母常常是不同質(zhì)的能量，或者說在“收益的能量”中也可能包含著隨意比例的。例如，家用電阻式熱水器，分母全部是的電能，而分子卻是占很小部分的低溫?zé)崮埽虼?，“能效率”不能科學(xué)地表述能量的利用程度，或者說人們不能從能效率的大小來正確推斷設(shè)備在熱力學(xué)上的完善程度，進而不能找出提高能量利用率的正確措施．而分析法的效率就不存在這一問題．能量分析法與分析法能量分析法只從能量的數(shù)量角度而不是像分析法那樣從能量的量和質(zhì)為了具體說明上述兩個問題，舉例如下：

例1—1在分析菜蒸汽動力電廠時，結(jié)果如表1—1所示．從表中看出，雖然它的總能效率(41％)與總傭效率(39％)相差不大，但其損失的涵義和分布卻不大相同．從能量分析結(jié)果看，最大的能量損失發(fā)生在冷凝器中(占47％)．這就可能給人們一種錯覺，誤認為冷凝器是造成電廠效率只有40％左右的癥結(jié)所在，因此耍大幅度提高電廠能量利用牢的主攻方向是冷凝器，即大大削減甚至完全消退冷凝器的放熱損失(又稱“冷源損失”)能量分析法與分析法其實，從分析的結(jié)果看，冷凝器所排放的熱量中包含的值是很小的，或者說損失是很小的，只占1.5％．相反在鍋爐中的損失卻占49％，即損失是最大的．其主要緣由是在鍋爐中發(fā)生的不行逆的燃料燃燒過程和煙氣與蒸汽之間發(fā)生的大溫差不行逆?zhèn)鳠徇^程造成大量的變成，但這部分卻不在鍋爐中當(dāng)場排往環(huán)境，而是到冷凝器中才排住環(huán)境。例1—2從表1—2所列某些設(shè)備的能效率和傭效率可以看出，很多設(shè)備的能效率是相當(dāng)高的，加家用電阻加熱器甚至達到100%，這就可能使人們產(chǎn)生誤會，認為這類熱力設(shè)備是相當(dāng)完善，甚至是很完善的。其實不然，因為它們的效率是相當(dāng)?shù)偷?，如家用電阻加熱器只?7％，也就是說，在其中發(fā)生的過程是不行逆程度很高的過程，造成大量的蛻變?yōu)椋试跓崃W(xué)上是很不完善的。能量分析法與分析法從上述兩種分析法的比較，可以得出以下幾個主要結(jié)論：a、接受效宰可以正確、全面地評價設(shè)備、裝置及企業(yè)、國家的能源利用率，對節(jié)能潛力作出正確的推斷。b、依據(jù)各設(shè)備的損失占投人總的比例大小，可以科學(xué)地診斷出整個裝置節(jié)能的薄弱環(huán)節(jié)。c、依據(jù)損失的緣由可以指導(dǎo)探求節(jié)能的正確措施．因此，在能量分析的基礎(chǔ)上，進行分析是特別必要的．自1956年著名學(xué)者RaMZ提出接受一個新的熱力學(xué)參數(shù)“”及確定物質(zhì)流擁值的計算原則后．關(guān)于及分析的探討和應(yīng)用，首先在歐洲、前蘇聯(lián)，繼而在美國、日本以及其他很多國家(包括中國)得到快速發(fā)展，廣泛用于熱能動力、石油化工、制冷、冶金等行業(yè)。日本已于1980年頒布了關(guān)于的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)．美國及其他有關(guān)國家(包括中國)均已召開過有關(guān)分析的專題探討會。能量分析法與分析法一、及分析的基本概念二、能量分析法與分析法三、常用熱工設(shè)備裝置的效率四、典型案例分析舉例五、能量的合理利用與節(jié)能常識目錄對于不同的熱工設(shè)備或裝置，其效率的形式可能是不同的．對于某一具體的熱工設(shè)備或裝置究競?cè)∫陨蠋追N形式的效率中的哪一種作為其效率，要視熱工設(shè)備的任務(wù)、所分析的目標(biāo)以及工作條件而定．有時，對同一熱工設(shè)備或裝置須要同時取不同形式的效率來分析。1、各類動力裝置在各種類型的動力裝置(如蒸汽動力裝置、燃氣輪機裝置、內(nèi)燃機裝置等）中，工質(zhì)經(jīng)驗循環(huán)或某一特定過程，其目的是將各種形式的能量轉(zhuǎn)化為功．因此，對外所作的功為有效利用的，所消耗的各種形式能量中的值(如燃料的化學(xué)、工質(zhì)值變更等)為消耗．效率可表示為：對于汽輪機、燃氣輪機或內(nèi)燃機：式中：E1與E2分別代表工質(zhì)進出的值，Wt為作功量．常用熱工設(shè)備裝置的效率2、耗功裝置對于如壓縮機、風(fēng)動機和泵等托功裝置，都是利用外界輸入功來變更工質(zhì)狀態(tài)，因而工質(zhì)差(E2—E1)是有效利用的，外界輸人的功Wi為消耗，其效率為：3、傳輸能量與流體的裝置：假如過程的任務(wù)是傳遞能量和輸送介質(zhì)，例如傳熱、流體的流淌和傳遞鈾功等裝置。此時，傳遞出去的能量或工質(zhì)的為有效利用的傭，而被傳遞的能量或工質(zhì)的為消耗．其效率可表示（1）換熱裝置：EB-與EB+分別代表冷流體流出和流入換熱裝置時的值，EA+與EA-分別代表熱流體流入與流出換熱裝置的值常用熱工設(shè)備裝置的效率（2）傳遞軸功的裝置(如聯(lián)細微環(huán)節(jié))：式中，WA（或EA+），WB（或EB-）分別代表輸入與輸出的功（3）輸送流體的管路

式中EB-與EA+分別代表流體離開與流人管路時的值4、供熱裝置（1）鍋爐式中EB-與EB+別代表鍋爐中出口水蒸氣與給水的擁值Ef是燃料值。（2）暖氣裝置式中Q為供熱量；TH為供熱溫度，T0為環(huán)境溫度；EA+，EA-分別代表熱流體進入與離開裝置時的值。常用熱工設(shè)備裝置的效率（2）電熱取暖

式中，W為耗電量。常用熱工設(shè)備裝置的效率一、及分析的基本概念二、能量分析法與分析法三、常用熱工設(shè)備裝置的效率四、典型案例分析舉例五、能量的合理利用與節(jié)能常識目錄1、損率di如以系統(tǒng)中的總損失∑ELi為基準(zhǔn)，某個環(huán)節(jié)的局部損失Eli，所占的比例就稱為此環(huán)節(jié)的損率di，即2、損失系數(shù)

如以系統(tǒng)或設(shè)備的消耗為基準(zhǔn)，某個環(huán)節(jié)的局部損失ELi所占的比例就稱為此環(huán)節(jié)的損失系數(shù)ξi，即典型案例分析舉例3、實際案例例下圖的蒸汽動力裝置循環(huán)中，各點的參數(shù)為：蒸汽的初參數(shù)P1＝3.5MPa，T1＝435℃，透平的排汽壓力P2＝0.005MPa，有一級抽汽及混合式回?zé)峒訜崞?，透平抽汽壓力P9=0.5MPa，透平的相對內(nèi)效率為0.84．忽視水泵耗功、管路阻力及散熱損失，且設(shè)蒸汽由平均溫度為1200℃的煙氣加熱，試計算整個裝置和各設(shè)備的損失，損失系數(shù)及效率．設(shè)環(huán)境Po＝0.1MPa，To＝20℃。典型案例分析舉例附件：具體的熱力計算過程。分析：各設(shè)備和裝置的效率、損失、損率和損失系數(shù)已匯列于下表。由表可知，鍋爐的傳熱損失最大，這是裝置效率低的主要緣由．鍋爐的效率不高，說明改善鍋爐傳熱的不行逆性以減小損失的可能性大，從而提高裝置的效率。在本例中尚未考慮到燃料燃燒及排姻等的損失。典型案例分析舉例（1）鍋爐損失占總炳損失的78％，在鍋爐中損失了進入裝置時熱量的45.2％，在此例中，僅以1200℃高溫?zé)煔獾臒崃繐碜鳛楸容^標(biāo)準(zhǔn)，事實上尚未考慮燃燒過程的不行逆性，否則其損失比例將會更大．可見用熱平衡法分析，認為相當(dāng)完善(電廠鍋爐熱效率均大于90％)的鍋爐設(shè)備從分析觀點看是特別不完善的。當(dāng)然對不行逆燃燒過程與大溫差的不行逆換熱過程的改善是一個更探層次的探討課題。（2）汽輪機的損失僅次于鍋爐，是該裝置中的其次大損失設(shè)備，占總損失的12%，占煙氣帶入該裝置熱量的6.9