能源科学导论第二章能量的转换与储存

❖ 历史上最著名的第一类永动机 是法国人亨内考在十三世纪提 出的“魔轮”，魔轮通过安放 在转轮上一系列可动的悬臂实 现永动，向下行方向的悬臂在 重力作用下会向下落下，远离 转轮中心，使得下行方向力矩 加大，而上行方向的悬臂在重 力作用下靠近转轮中心，力矩 减小，力矩的不平衡驱动魔轮 的转动。十五世纪，著名学者 达芬奇也曾经设计了一个相同 原理的类似装置，1667年曾有 人将达芬奇的设计付诸实践， 制造了一部直径5米的庞大机 械，但是这些装置经过试验均 以失败告终。
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❖ 除了利用力矩变化的魔轮，还有利用浮力、水力等 原理的永动机问世，但是经过试验，这些永动机方 案要么被证明是失败的，要么被证明是骗局，无一 成功。
❖ 1775年法国巴黎科学院通过决议，宣布永不接受永 动机。
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1842年荷兰科学家迈尔提出能量守恒和转化定律； 1843年英国科学家焦耳提出热力学第一定律，他们 从理论上证明了能够凭空制造能量的第一类永动机 是不能实现的。热力学第一定律的表述方式之一就 是：第一类永动机不可能实现。
❖ 热力学第一定律揭示在能量转换和传递过程 中能量在数量上必定守恒。
❖ 热力学第二定律指出在能量转换和传递过程 中，能量在品质上必定贬值。
❖ 是两条互相独立的基本定律，一切实际过程 必须同时遵循这两条基本定律。
❖ 提高能量的有效利用，其实质就是在于防止 和减少能量贬值发生。
3 能量转换的效率
❖ 根据能量贬值原理，不是每一种能量都可以连续 地、完全地转换为任何一种其他形式的能量。
❖ 历史上首个成型的第二类永动机装置是1881年美国 人约翰·嘎姆吉为美国海军设计的零发动机，这一装 置利用海水的热量将液氨汽化，推动机械运转。但 是这一装置无法持续运转，因为汽化后的液氨在没 有低温热源存在的条件下无法重新液化，因而不能 完成循环。
❖ 1820年代法国工程师卡诺设计了一种工作于 两个热源之间的理想热机——卡诺热机，卡 诺热机从理论上证明了热机的工作效率与两 个热源的温差相关。德国人克劳修斯和英国 人开尔文在研究了卡诺循环和热力学第一定 律后，提出了热力学第二定律。这一定律指 出：不可能从单一热源吸取热量，使之完全 变为有用功而不产生其他影响。热力学第二 定律的提出宣判了第二类永动机的死刑，而 这一定律的表述方式之一就是：第二类永动 机不可能实现。
❖ 燃料通常按形态分为固体燃料、液体燃料和气体燃 料。
❖ 天然的固体燃料有煤炭和木材；人工的 固体燃料有焦炭、型煤、木炭等。其中 煤炭应用最为普遍，是我国最基本的能 源。
❖ 天然的液体燃料有石油（原油）；人工 的液体燃料有汽油、煤油、柴油、重油 等。
❖ 天然的气体燃料有天然气，人工的气体 燃料则有焦炉煤气、高炉煤气、水煤气 和液化石油气等。
第二部分 能量转换与储存
❖ 第一节 能量转换的基本原理 ❖ 第二节 化学能转换为热能 ❖ 第三节 热能转换为机械能和电能 ❖ 第四节 能量的传输 ❖ 第五节 能量的储存
第一节 能量转换的基本原理
❖ 概述
❖ 从热力学的角度看，能量是物质运动的度量， 运动是物质的存在的方式，因此一切物质都 有能量。
???????温差传热摩擦生热自发过程自由膨胀扩散混合水总是从高处向低处流动气体总是从高压向低压膨胀热量总是从高温物体向低温物体传递热量传递有方向性第二类永动机?在热力学第一定律问世后人们认识到能量是不能被凭空制造出来的于是有人提出设计一类装置从海洋大气乃至宇宙中吸取热能并将这些热能作为驱动永动机转动和功输出的源头这就是第二类永动机
说明了能量“量”的多少，和能量之间的关 系
❖ 热力学第一定律：能量守恒 ❖ 系统的内能=系统吸收的热量+对系统做功
第一类永动机
❖ 永动机是一类想象中的不需外界输入能源、 能量或在仅有一个热源的条件下便能够不断 运动并且对外做功的机械。
❖ 某物质循环一周回复到初始状态，不吸热而 向外放热或作功，这叫“第一类永动机”。 这种机器不消耗任何能量,却可以源源不断的 对外做功。
有序能：量度有序运动的能量，如电能 无序能：量度无序运动的能量，如热能
有序能 完 全 ， 无条件 无序能 无序能 不 完 全， 有条件 有序能
1 能量守恒与转换定律
❖ 自然界的一切物质都具有能量；能量既不能 创造，也不能消灭，而只能从一种形式转换 成另一种形式，从一个物体传递到另一个物 体；在能量转换与传递过程中，能量的总量 恒定不变。
煤的燃烧
❖ 煤的燃烧基本上有两种：第一种是煤粉 悬浮在空间燃烧，称为室燃或粉状燃烧； 第二种就是煤块在炉排上燃烧，称为层 燃或层状燃烧。
煤的燃烧技术
❖ 目前煤的燃烧方式主要是煤粉燃烧和流 化床燃烧。我国大型锅炉和工业窑炉大 多采用煤粉燃烧。
❖ 为了提高煤炭燃烧的效率和减少污染， 发展了许多先进的燃烧技术，如煤粉燃 烧稳定技术(包括各种新型的燃烧器)，煤 粉低氮氧化物燃烧技术，高浓度煤粉燃 烧技术，流化床燃烧技术等。
（3）非转换能（废能）。
热力学的两个基本定律告诉我们：欲节约能源， 必须综合考虑能的量和质两个方面。
❖ 在能量利用中热效率和经济性是非常重 要的两个指标。
❖ 由于存在着耗散作用、不可逆过程以及 可用能损失，在能量转换和传递过程中， 各种热力循环、热力设备和能量利用装 置的效率都不可能达到100%。
Energy efficiency of some common energy conversion device
火电站的能量转换效率是多少？
Chemical energy In coal
combustion 88%
Thermal energy in steam
Steam turbine 46%
❖ 不需要外界帮助就能自动进行的过程称 为自发过程，反之为非自发过程。自发 过程都有一定的方向。
温差传热自发过程来自摩擦生热 自由膨胀扩散混合
水总是从高处向低处流动 气体总是从高压向低压膨胀
热量总是从高温物体向低 温物体传递
热量传递有方向性
第二类永动机
❖ 在热力学第一定律问世后，人们认识到能量是不能 被凭空制造出来的，于是有人提出，设计一类装置， 从海洋、大气乃至宇宙中吸取热能，并将这些热能 作为驱动永动机转动和功输出的源头，这就是第二 类永动机。
接近与环境相平衡的浓度 ❖ 物体从高的位置降落到稳定的位置 ❖ 电荷从高电位迁移到接近于环境的电位
第二节 化学能转换为热能
❖ 概述
❖ 燃料燃烧是化学能转换为热能的最主要方式。
1 燃料
❖ 能在空气中燃烧的物质称为可燃物，但不能把所有 的可燃物都称作燃料（如米和沙糖之类的食品）。
❖ 所谓燃料，就是能在空气中容易燃烧并释放出大量 热能的气体、液体或固体物质，是能在经济上值得 利用其发热量的物质的总称。
超声波喷油嘴 1汽室,2环形间隙,3谐振器,4喷油孔
气体燃料的燃烧
❖ 气体燃料的燃烧可以分为容器内燃烧和 燃烧器燃烧，它们和油的两种燃烧方式 相近。
❖ 气体燃料的燃烧过程包括三个阶段，即 混合、着火和正常燃烧。
气体燃料的燃烧技术
气体燃料燃烧的效率主要取决于气体燃料燃 烧器。对气体燃烧器的基本要求是： ❖ 不完全燃烧损失小，燃烧效率高； ❖ 燃烧速率高，燃烧强烈，燃烧热负荷高； ❖ 着火容易，火焰稳定性好，既不回火，又不 脱火； ❖ 燃烧产物有害物质少，对大气污染小； ❖ 操作方便，调节灵活，寿命长，能充分利用 炉膛空间。
热力学第二定律的克劳修斯说法
❖ 不可能把热量
从低温物体传
Cold
到高温物体而
不引起其他变
化。
Hot
❖ 为了将热量 从冷态输送 到热态，您 需要一个装 置，例如热 泵或冰箱， 持续做功。
制冷装置
热力学第二定律的 开尔文 – 普朗克说法
❖ 不可能从单一 热源吸取热量 使之完全转变 成功而不产生 其他影响。
• 固体燃料 • 液体燃料
• 气体燃料
2 燃料燃烧必须具备的条件
❖ 必须有可能燃烧的可燃物（燃料）； ❖ 必须有使可燃物着火的能量（或称热
源），即使可燃物的温度达到着火温度 以上； ❖ 必须供给足够的氧气或空气（因为空气 中也含有助燃的氧气）。
锅炉
3 不同燃料的燃烧特点
❖ 煤的燃烧 ❖ 油的燃烧 ❖ 气体燃料的燃烧
❖ 它包括三个主要部件：压气机、燃烧室 和燃气轮机。
compressor Combustion chamber
turbine
辐流式燃气轮机
定子盘和转子盘
轴流式燃气轮机
小型燃气轮机
❖ 燃气轮机具有以下优点：
❖ (1) 质量轻、体积小、投资省。
❖ (2) 起动快、操作方便。
❖ (3) 水、电、润滑油消耗少，只需少量 的冷却水或不用水，因此可以在缺水的 地区运行；辅助设备用电少，润滑油消 耗少，通常只占燃料费的1%左右，而汽 轮机要占6%左右。
内燃机
❖ 内燃机包括汽油机和柴油机，是应用最 广泛的热机。
❖ 大多数内燃机是往复式，有气缸和活塞。 内燃机有很多分类方法，但常用的是根 据点火顺序分类或根据气缸排列方式分 类。按点火或着火顺序可将内燃机分成 四冲程发动机和二冲程发动机。
❖ 热能转换成机械能的装置称为热机。因 为热机能为各种机械提供动力，故通常 又将其称为动力机械。
热机的种类
❖ 蒸汽轮机 ❖ 燃气轮机 ❖ 内燃机
蒸汽轮机
❖ 蒸汽轮机，简称汽轮机，是将蒸汽的热 能转换为机械功的热机。
❖ 汽轮机单机功率大、效率高、运行平稳， 在现代火力发电厂和核电站中都用它驱 动发电机。汽轮发电机组所发的电量占 总发电量的80%以上。
❖ 油燃烧的全过程包含着传热过程、物质 扩散过程和化学反应过程。
油的燃烧技术
❖ 油是最常用的液体燃料。 ❖ 油的燃烧实际上包含了油加热蒸发、油
蒸气和助燃空气的混合以及着火燃烧三 个过程。 ❖ 油燃烧器由喷油嘴和配风器两部分组成。 ❖ 为了实现油的高效低污染燃烧，应从以 下来两方面着手： （1） 提高燃油的雾化质量； （2） 实现良好的配风 。
electricity
98%
Mechanical energy In turbine
Overall efficiency: 88% ×46% × 98% = 40%
带来可用能损失的几种情况
❖ 热量从高温传向低温，直至接近环境温度 ❖ 流体从压力高处流向压力低处，直至接近与
环境相平衡的压力 ❖ 物质从浓度高处扩散转移到浓度低处，直至
❖ 热力学是研究能量属性及其转换规律的科学
❖ 物质的能量主要取决于物质的状态，是状态 参数，只要物质运动状态一定，物质拥有的 能量就一定。
任何处于平衡态的热力学系统都有一个状态参数U（内 能）。系统从一个平衡态变化到另一个平衡态时，内能 等于系统吸收的热量和系统对外做功之和。
能量转换中的两个重要方面：量质的 的多高少 低
❖ 此外汽轮机还用来驱动大型鼓风机、水 泵和气体压缩机，也用作舰船的动力。
汽轮机发电过程
汽轮机示意图
燃气轮机
❖ 燃汽轮机和蒸汽轮机最大的不同是，它 不是以水蒸气作工质而是以气体作工质。 燃料燃烧时所产生的高温气体直接推动 燃汽轮机的叶轮对外做功，因此以燃汽 轮机作为热机的火力发电厂不需要锅炉。
能量=火用+火无
❖ 火用：有用能或有效能，指在给定环境条件下， 可以连续地完全转化为任何一种其他形式的能量。
❖ 火无：无用能或无效能，指不可转换的 能量。
各种不同形式的能量，按其转换能力可分为三 大类：
（1）无限转换能（全部转换能），如电能、 机械能、水能、风能、燃料储存的化学能等；
（2）有限转换能（部分转换能），如热能、 流动体系的总能 ；
2 能量贬值原理
❖ 能量不仅有量的多少，还有质的高低。热力 学第一定律只说明了能量在量上要守恒，并 没有说明能量在“质”方面的高低。
❖ 贬值是指品质的贬值 ❖ 能量贬值原理即热力学第二定律。 ❖ 热力学第二定律深刻地指明了能量转换过程
的方向、条件及限度。
❖ 自然界进行的能量转换过程是有方向性 的。
常用的气体燃 烧器有扩散式 燃烧器；另一 种是预混式燃 烧器；此外还 有一种部分预 混式燃烧器，
简单的扩散式燃烧器
煤的燃烧室 层燃 燃（ （粉 层状 状燃 燃烧 烧） ） 燃烧方式油的燃烧内 外燃 燃
气体燃料的燃烧燃 容烧 器器 内燃 燃烧 烧
第三节 热能转换为机械能或电能
概述
❖ 将热能转换为机械能是目前获得机械能 的最主要的方式。
循环流化床锅炉的特点
❖ 燃料的适应性好 ❖ 污染物排放低 ❖ 燃烧效率高 ❖ 负荷调节性好 ❖ 有效利用灰渣
油的燃烧
❖ 油的燃烧方法有内燃和外燃两种方式。
❖ 所谓内燃，是在发动机气缸内部极为有 限的空间进行高压燃烧，是一种瞬间的 燃烧过程。
❖ 所谓外燃，就是不在机器内部燃烧，而 在燃烧室内燃烧，并直接利用燃烧发出 的热量，如锅炉、窑炉内进行的燃烧。