能源工程2講（1）：能源轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)存-能源轉(zhuǎn)換原理和效率

第2講

能量的轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)存1（1）能源轉(zhuǎn)換原理和效率第一節(jié)能量轉(zhuǎn)換與守恒定律從熱力學(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)的存在的方式，因此一切物質(zhì)都有能量。由于物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)有許多形式，如，機(jī)械運(yùn)動(dòng)、電磁運(yùn)動(dòng)、不規(guī)則運(yùn)動(dòng)、化學(xué)變化、核裂變、核聚變等，所以，能量也就有與運(yùn)動(dòng)形式相對(duì)應(yīng)的不同形態(tài)。如機(jī)械能、電磁能、不規(guī)則能、化學(xué)能、核能等。2能量轉(zhuǎn)換與守恒定律指出：“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)換與傳遞過程中，能量的總量恒定不變?！?/p>

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實(shí)際的熱工設(shè)備（或能源系統(tǒng)），通常都是開口系統(tǒng)，且在穩(wěn)定工況下運(yùn)行的，工質(zhì)以恒定的流量連續(xù)不斷地進(jìn)出系統(tǒng)。因此，同一時(shí)間內(nèi)進(jìn)、出控制系統(tǒng)界面及流過系統(tǒng)內(nèi)任何斷面的質(zhì)量均相等；同一時(shí)間內(nèi)進(jìn)入控制系統(tǒng)的能量和離開控制系統(tǒng)的能量相等，控制系統(tǒng)內(nèi)能量保持恒定，因此對(duì)于穩(wěn)定流動(dòng)（或過程穩(wěn)定）的開口系統(tǒng)，能量平衡方程可以寫為：67

對(duì)于熱交換設(shè)備、工業(yè)鍋爐、加熱爐窯等工業(yè)設(shè)備而言，一是系統(tǒng)不作功，二是進(jìn)入系統(tǒng)前后的工質(zhì)種類多，有些還會(huì)發(fā)生變化，但是總質(zhì)量恒定。上述方程中的是燃燒反應(yīng)放熱（取正）、外界傳入系統(tǒng)的熱量（取正）、系統(tǒng)向外界傳熱（取負(fù)）、系統(tǒng)散熱（取負(fù)）等的綜合結(jié)果。因此上述可以寫為：8

熱力學(xué)第一定律揭示了不同形式的能量在數(shù)量上的守恒性，但沒有揭示不同形式的能量在質(zhì)量上的差異。比如一桶水，所含熱量不少，但不足以煮熟一個(gè)雞蛋，而一勺沸水可以燙傷人。也就是說，熱量一樣多，但如果溫度不同，其產(chǎn)生的效果也不同。因此，能量有品質(zhì)上的不同。能量在轉(zhuǎn)換過程中，盡管“量”沒有發(fā)生變化，但能量的“品質(zhì)（一般以作功能力來衡量）”下降了，例如，機(jī)械能在轉(zhuǎn)換為電能過程中，實(shí)際上總有一小部分機(jī)械能要轉(zhuǎn)換為熱能，使總的能量品質(zhì)下降。

9另外，能量轉(zhuǎn)換過程是有方向性的。例如，兩個(gè)熱物體接觸，在沒有外界干擾的情況下，熱量總是會(huì)自發(fā)地從溫度高的物體傳遞到低溫物體。又如，高位水會(huì)自發(fā)地流向低位水。另外實(shí)踐也證明，機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)換為熱能，而熱能卻不可能全部轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。即機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能是自發(fā)過程，反之則為非自發(fā)過程。

10熱力學(xué)第二定律：不可能把熱量從低溫物體傳到高溫物體而不引起其他變化。11ColdHot熱力學(xué)第二定律實(shí)質(zhì)就是能量貶值原理，即能量轉(zhuǎn)換過程總是朝著能量貶值的方向進(jìn)行，能量傳遞過程總是自發(fā)地朝著能量品質(zhì)下降的方向進(jìn)行，或者說都是朝著消除勢(shì)差的方向；高品質(zhì)能量可以全部地轉(zhuǎn)換為低品質(zhì)能量，反之則不然，如，機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)換為熱能，但熱能不可能全部轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。12第二節(jié)能量轉(zhuǎn)換效率13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、不可逆過程以及可用能損失，在能量轉(zhuǎn)換和傳遞過程中，各種熱力循環(huán)、熱力設(shè)備和能量利用裝置的效率都不可能達(dá)到100%。熱效率：有效利用能量與消耗能量的比值，沒有考慮不同能源在質(zhì)量上的差別。14火電站的能量轉(zhuǎn)換效率是多少？MechanicalenergyInturbineChemicalenergyIncoalThermalenergyinsteamelectricitycombustion88%Steamturbine88%46%98%Overallefficiency:88%×46%×98%=40%16根據(jù)能量貶值原理，不是每一種能量都可以連續(xù)地、完全地轉(zhuǎn)換為任何一種其他形式的能量。各種不同形式的能量，按其轉(zhuǎn)換能力可分為三大類：（1）無限轉(zhuǎn)換能（全部轉(zhuǎn)換能），如電能、機(jī)械能、水能、風(fēng)能、燃料儲(chǔ)存的化學(xué)能等；（2）有限轉(zhuǎn)換能（部分轉(zhuǎn)換能），如熱能、流動(dòng)體系的總能；（3）非轉(zhuǎn)換能（廢能）。17效率：有效利用能量中與消耗能量中的比值。第三節(jié)能量轉(zhuǎn)換形式與設(shè)備化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能：礦物燃料；一般通過燃燒過程；鍋爐設(shè)備。181920熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能：燃燒-熱能；內(nèi)燃機(jī)；燃?xì)廨啓C(jī)。熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的裝置稱為熱機(jī)。應(yīng)用最廣泛的熱機(jī)有內(nèi)燃機(jī)、蒸汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等。四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)完成一個(gè)循環(huán)要求有四個(gè)完全的活塞沖程：

(1)進(jìn)氣沖程；

(2)壓縮沖程；

(3)膨脹沖程（即下行沖程）；

(4)排氣沖程。21機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能：熱能-蒸汽；蒸汽輪機(jī)。

通過系統(tǒng)邊界以傳熱的形式傳遞的熱量，在給定環(huán)境條件下，用可逆方式所能做出的最大功稱為該熱量的熱量。22第四節(jié)2324252627

如果某一介質(zhì)（液體、氣體或固體）的溫度高于環(huán)境溫度，而該介質(zhì)的其他狀態(tài)參數(shù)（如壓力等）與環(huán)境狀態(tài)相同，介質(zhì)無相變，僅由于溫度的不平衡所具有的可用能稱為溫度，2829如果介質(zhì)在傳熱過程中，溫度逐步下降，設(shè)該介質(zhì)的比熱為常數(shù)，則：303132例題：

處于穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)的工質(zhì)，在進(jìn)入系統(tǒng)（如可逆熱機(jī)）前，如果忽略工質(zhì)宏觀運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能和位能時(shí)，工質(zhì)具有的能量為焓，其所具有的火用值（也稱為焓火用）是指該工質(zhì)經(jīng)過一系列可逆變化過程，最后達(dá)到與環(huán)境平衡時(shí)所能做出的最大功。33

假如在熱機(jī)中的變化過程為可逆的，總熵變（熱機(jī)系統(tǒng)和環(huán)境的熵變之和）為零，則：所以：34能級(jí)：3536即:3738394041424344454647例題：48495051525354555657也可以寫為：58596061626364（）65例題：66676869707172一般很難用前面講到的公式來計(jì)算燃料73第六節(jié)7475能量平衡方程：能平衡方程：7677787980可以改寫為：從上面的計(jì)算公式可以看出，另外，也可以看出，81從上表中可以看出，82當(dāng)有兩個(gè)不同溫度的恒溫源，熱量從高溫傳到低溫，考慮絕熱情況：傳熱