能量的转换和储存

氢和酒精 化学能 电能 热能 等二次能 化学能 电能 源
转换机械或系统
炉子、燃烧器 各种热力发动机 热机、发电机，磁流体 发电，EGD发电（压 电 效应）
热力发电，热电子发电 燃料电池
能源 能源形态转换过程
水力、风力、机械能 机械能 潮汐、海流、机械能 机械能 电能 波浪
转换机械或系统
水车、风车。水轮机—— 发电机，波力发电、风力 发电、潮汐发电、海流发电
“永动机”
第一类用动机是 不可能制成的
中世纪时代设想的永动机
装有自由滚的钢球的永动机
美国洛杉矶市的 假想的永动机
见怪不怪
要维持斜面上的一个物体不动，一定要在竖直面 的方向上加一个力量，这个力量跟物体重量的比等于 这个斜面的高度跟它的长度的比。
二、能量贬值原理
能量不但有量的多少，还有质的高低
4.地热
以热水或者蒸汽的形式提供热能。
5.电能转换
通过电阻将电能转换成热能。
二、有关燃烧的知识
1.燃料燃烧的必要条件
有能燃烧的可燃物（燃料）； 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。 需供给足够的氧气或空气
2.燃烧所需的空气量
理论空气量 根据燃烧的化学反应是，单位燃料完全燃 烧时理论上所需的干空气量。
2.锅炉的主要部件
• 燃烧设备 将燃料和助燃空气送入炉膛，并保证着火稳
定和燃烧良好。
• 炉膛 使燃料在其内燃尽，并使出口烟气冷却到对
流受热面能安全工作的温度。
• 锅筒 与上升及下降管一起组成自然循环锅炉的循
环回路；其内储存汽水，以适应负荷的变化。
水冷壁 布置在炉膛四周，吸收炉膛的辐射热，用以
加热其内的工质，并对炉墙起保护作用。
太阳能
光能 热能 光能 热能 机械能 电能 光能 热能 电能 光能 电能 光能 化学能 光能 生物能 电磁波 电能
热水器，采暖、制冷、光化 学反应，太阳灶 太阳热发动机 太阳热发电 热力发电，热电子发电 光电池、光化学电池 光化学反应（水分解）光合成
能源
核能
能源形态转换过程
核分裂 核分裂 核分裂 核分裂 核聚变
磁流体发电 热电偶温差发电 热电子发电
1.磁流体发电
工作原理：将热能直接转换成电能。是以高
温的导电流体(在工程技术上常用等离子体) 高速通过磁场， 以导电的流体切 割磁感线产生电 动势。导电的流 体起到了金属导 线的作用。
组成
燃烧室、发电通道和磁体
燃烧室
燃料燃烧的地方，燃烧所产生的高温气体经喷 管提高流动速度，以高温高速进入发电通道，切 割磁感线产生电磁感应。这种燃烧室与一般工业 用燃烧室相比，具有温度高、体积小、热效率高 等特点。但由于加入了低电离电位物质（“种 子”）,这就要求燃烧室能耐碱金属的侵蚀。
一、能量守恒与转换定律
自然界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。
19世纪自然 科学的三大 发现
热力学第一定律
热能作为一种能量，可以与其它形式的能量 相互转换，在转换过程中能量总量保持不变。
（二）热机分类
内燃机
——往复运动热机
燃气轮机
——外燃式热机
蒸汽轮机
——将蒸汽热能转换为机械功的热机
1.内燃机
组成：气缸和活塞
分类
（点火或着火顺序）
四冲程发动机 二冲程发动机
四冲程发动机
进气冲程：活塞下行，进气门打开，空气被吸入而 充满气缸。
压缩冲程：气门关闭，活塞上行压缩空气，在接近 压缩冲程终点时，开始喷射燃油。
舰船领域
目前已在高速水面舰艇、水翼艇、气垫船等中 占压倒优势，在巡航机、特种舰船中得到了批量采 用，海上钻采石油平台也广泛采用了此。
陆上领域
发电。在机车、油田动力和坦克等方面也得到 了广泛应用。
3.蒸汽轮机（汽轮机）
将蒸汽的热能转换为机械功的热机。
汽轮机的工作原理 （a）冲动式（b）反动式
二、水能和风能的转换
热能 机械能 热能 热能 电能 电磁能 电能 热能 机械能
电能 电能
电能 电能
光（激光） 热能 热能
聚变
转换机械或系统
核发电，磁流体发电 核能炼钢 热力发电，热电子发电 光电池
核聚变发电
第三节 热能的产生
一、热能的获取
燃料燃烧 获取热能的最主要方式 核能转换 太阳能转换 地热 电能转换
1. 燃料燃烧
一大桶温水
热 量
一勺沸水
煮熟一个鸡蛋 烫伤人
能量转换是有方向性的
孤立系统
高温物体
热量
低温物体
自发过程：不需要外界帮助就能自动进行的过程。
机械能
有序能
自发过程 非自发过程
摩擦生热
热能
无序能
“量”的属性遵循热力学第一定律
“质”的属性遵循热力学第二定律
热力学第二定律的实质：能量贬值原理。 即能量转换过程总是朝着能量贬值的方向进行。 高品质能量可以全部转换成低品质的能量；能 量传递过程也总是自发的朝着能量品质下降的 方向进行。
优点
（1）系统简单，结构紧凑，造价低，起动快， 适于尖峰负荷电站和特殊电源。
（2）与蒸汽发电组成联合循环，燃烧产生的热 能先后二次被用来发电，加之工质初温高，从而可 使热效率提高到50％-60％。
（3）对环境的排热少，减少了对环境的热污染； 另外发电过程中加入的碱金属极易和燃气中的硫化 合，从而减少了对环境的硫污染。
通过水轮机可以将水的位能转换成 机械能。
通过风力机可以将风能转换成机械 能。
三、电能的转换
电动机是通过定子磁场（励磁绕组）和转子 磁场（电枢绕组）之间的相互作用而转动的。
交 流 电 动 机同 异步 步电 电动 动机 机
串 励 式 直 流 电 动 机并 励 式
复 励 式
电动机中的磁场
能量传递过程的方向、 条件和限度
热力学第二定律各说法
克劳修斯说法：“不可能把热量从低温 物体传到高温物体而不引起其它变化。”
开尔文说法：“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它影 响。”
第二类永动机的例子
以海洋为热源，海洋共有6.88×1020t的海 水，如果海水的温度下降1℃，可放出 2.88×1024KJ的热量，约合9.8×1016t标 准煤，相当于目前全世界每年能耗的10万 倍。
三、燃烧设备（将化学 能转化为热能的装置）
锅炉 工业炉窑
化学能
热能
1.锅炉分类
按锅炉所用的燃料分：固体燃料锅炉 （煤）、液体燃料锅炉（重油）、气体燃料 锅炉（天然气）、废料锅炉（垃圾、甘蔗渣 等）
卧式燃油(气)蒸汽锅炉
按锅炉的用途分：
电站锅炉（发电） 采暖及工业锅炉 船用锅炉 车用锅炉
按锅炉工质出口的状态分：
1978年我国第一台民用长时间磁流体发电机组 研制成功, 电功率为12KW, 累计运行1000h。
2.热电偶温差发电
工作原理
根据塞贝克效应，即当任意两种不同的导体联 结成一个闭合回路时，若两接点处的温度不同， 在两结点间就会形成一个电位差并能在外电路中 输出电能；两接点间产生的电位差的大小和两接 点处的温差成正比。
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
器 烧
内 器
燃 燃
烧 烧
2.核能转换
核裂变和核聚变。 反应堆是将核裂变能转换成热能的装置，是 核电站的核心。
3.太阳能转换
物体吸收太阳辐射后就会发热。可以通过各 种集热器将太阳能转换成热能。
磁流体发电的应用
1959年，美国的阿夫柯1号磁流体发电机发出 11.4KW的电力，点亮了228盏50W的灯泡，运行 了10s。
1966年，美国空军研制成功一台实际输出电功 率 18MW的磁流体发电机，每天大约运行3 次， 每次1min。
1964年，我国建成第一台小型模拟磁流体发电 试验机组，燃烧汽油和纯氧，发电功率为80W, 运 行1min。
实际空气量 实际燃烧时，燃料中的可燃元素与空气中 的氧不可能有理想的混合、接触或化合。
3.燃烧产生的烟气量
理论烟气量
燃烧过程产生的热能都包含在烟气中。只有 CO2、SO2、N2、H2O。
实际烟气量
实际的燃烧过程是在不同的过量空气系数下 进行的。
4.燃烧温度
燃料燃烧时燃烧产物达到的温度。 燃烧温度与燃料的种类和成分、燃烧条 件、传热情况等多种因素有关。
热机工作过程：
气体从高温热源吸收热量后体积膨胀， 膨胀气体推动活塞做功，同时气体温度下降； 然后气体再将部分热量传给低温冷源，再经 适当压缩即可使气体回到原来的状态，从而 完成一个热力循环。
根据卡诺定律有一系列可逆工作过程组成的 理想热力循环，当采用理想气体作为工质时，其 最大的理论热效率为：
热机的效率恒小于1。
第四章 能量的转换和储存
主要内容
能量的基本性质 能量转换的主要燃料 热能的产生 机械能的获取 电能的生产 能量的运输 能量的储存
第一节 能量的基本性质
运
动无 有
序 序
有 序 无 序
能 能
不 完全、 有条 件
能量之间的转换
“量”的多少 能量守恒与转换定律 “质”的高低 能量贬值原理
第五节 电能的生产
电能的生产
机械能
发电机
化学能 辐射能 电电能能
磁流体发电、热电偶差温
一、机械能的转换 机械能 发电机
电能
汽轮机 燃气轮机 内燃机 水轮机 风力机
同步电机
39万千瓦燃气轮发电机
二、热能转换
蒸汽锅炉 热水锅炉
按锅炉出口的压力分： 低压锅炉（<1.27MPa） 高压锅炉（<3.822MPa） 超高压锅炉（<13.72MPa） 亚临界压力锅炉（<16.66MPa） 超临界压力锅炉（>22.11MPa） 。
按锅炉排渣的方式分为： 固体排渣锅炉、液态排渣锅炉
按锅炉锅筒的数目可分为： 单锅筒锅炉、双锅筒锅炉
第二节 能量转换的主要燃料
一、定义
燃料：能够通过燃烧过程而将化学能转换 为热能的物质。
所有化石燃料及由化石燃料加工而成的其 它含能体；
所有生物燃料以及由生物燃料加工而成的 含能体。
二、主要燃料的转换过程及设备或系统
能源
能源形态转换过程
石油、煤 炭、天然 气等矿物 燃料
化学能 热能 化学能 热能 机械能 化学能 热能 机械能 电能
放射性同位素温差发电器
放射性同位素作燃料的温差发电器示意图
优点：结构紧凑、比功率高、寿命长、不需 维修和不受环境影响。
炉墙构架
锅炉的外壳，用以支撑和固定锅炉的各部件， 并起密封和保温作用。
大型自然循环锅炉 示意图
第四节 机械能的获取
机械能的获取
机械能 化学能
一、热能的转换
（一）热机效率
热能转化为机械能通常借助于热机来实现。
根据能量贬值原理，热能不可能全部转换为机 械能。也就是依靠单一热源做工的热机是没有的。 因此所有的热机都是工作在一个高温热源和一个 低温冷源之间。高温热源温度越高，低温冷源温 度越低，热即将热能转换成机械能的数量就越多， 即热机的效率越高。
燃 料
燃烧室
压 气 机
燃 气 轮 机
发电机
空气
废气
燃气轮机装置示意图
燃气机优点： （1）重量轻、体积小、投资省； （2）启动快、操作方便； （3）水、电、润滑油消耗少
应用领域：
航空领域
燃气轮机小而轻，启动快，马力大。涡轮喷气 发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮风扇发动机都是 以燃气轮机做主机或启动辅机。
膨胀过程（工作冲程）：气门关闭，燃烧的混合气 膨胀，推动活塞下行，是 唯一一个做工的冲程。
排气冲程：排气门打 开，活塞上行将燃烧后的 废气排出气缸，开始下一 个循环。
工作过程
二冲程发动机 二冲程发动机是将四冲程发动机完成一个工作
循环所需要的四个冲程纳入二个冲程完成。
二冲程发动机工作过程
百度文库
2.燃气轮机
过热器 饱和蒸汽在其内加热成具有额定温度的过热
蒸汽。
省煤器 布置在锅炉尾部，利用尾部烟气的余热加热
给水，以降低排烟温度，节约燃料。
空气预热器
布置在锅炉尾部，利用尾部烟气的余热加热助 燃空气，用以强化着火和燃烧，达到进一步降低排 烟温度，提高锅炉效率。
再热器
将汽轮机高压缸的排气在加热到较高的温度， 然后送入汽轮机的中、低压缸做功，借以提高发电 站的热效率。
布置在燃烧室后面的超声速喷嘴使气体加速到 800m／s以上，然后进入发电通道。
发电通道
磁流体发电机的核心部件。发电通道由绝缘壁 和电极组成。当高温导电气体通过发电通道时 , 切割磁感线 , 电极壁的两极就形成电动势 , 把电 离气体的热能转换成电能输出。
磁体
由铁芯电磁铁或超导线圈组成。
有三种型式：铁心电磁铁、无铁心铜线圈磁体 和超导线因磁体