能量分析法

2. 5. 1 能量分析法

此法的特点：仅依据热力学第一定律（即只从能量的数量出发）分析揭示装置或设备在能量的数量上的转换、传递、利用和损失的情况。故此法被许多人称为“第一定律分析法”。其主要计算：对装置或设备进行“能量平衡”（一般又称“热平衡”）计算。故此法又称为“能量平衡法”（或“热平衡法”）。其主要热力学指标为“能效率”（或“热效率”），其定义为：

（ 2-6 ）故此方法又常称为“能效率法”。

2. 5. 2 分析法

此法的本质：结合热力学第一定律和第二定律（以第二定律为主），即从能量的数量和质量相结合的角度出发分析揭示装置或设备在能量中的（有效能）的转换、传递、利用和损失的情况。故又被许多人称为“第二定分析法”。其主要计算：对装置或设备进行平衡计算。故又称为“平衡法”。其主要热力学指标为“效率”，其定义为：

（ 2-7 ）

故此法又称为“效率法”。

2. 5. 3 能量分析法和分析法的比较

因为能量分析法是依据不同质的能量在数量上的平衡，只考虑了量的利用和量的直接“外部损失”，在计算投入装置或设备的总能量中，有多少被利用（收益），有多少直接转移到环境中损失掉，比较直观和容易理解。例如，若某锅炉的热效率为何 90% ，则在投入（消耗）的燃料燃烧发出热量的总能量中，有偿使用 90% 能量（热能）传给水蒸汽被利用（收益），10% 能量（热能）通过排烟．散热等直接损失到环境中。又如一个蒸汽动力发电厂，若其总效率为 40% ，则在投入燃料发热量的总能量中，有 40% 能量（热能）转变为机械能（最后变为电能）输出被利用（或收益），而 60% 的能量（热能）在锅炉、汽轮机、冷凝器、换热器、管道等设备通过各种途径散失到环境中造成损失。而且也确为节约能量指明了一定的方向，例如回收余、废热、减少工质或物料的泄漏．加强保温等措施

以减少能量的直接外部损失等。这在先进国家的以往的节能工作和我国近期的节能工作中，往往可以取得不少的效果。例如美国在 70 年代化工行业短期节能规划中，利用减少外部能量损失的年节能量约为 60% 。所以，长期以来人们对热力过程中能量的转换及其利用，虽然在理论上已认识到应根据热力学第一定律和第二定律对能量的“数量”和“质量”进行分析，但是，在实际工程技术设计和管理上却主要还是按照能量分析法。

但是，因能量分析法只从能量的数量角度而不是象分析法那样从能量的量和质统一的角度出发来分析能量的转换和利用，因而就产生如下两方面的主要问题。

1. 它所指的能量损失只考虑直接散失到环境的能量（即“外部损失”），而没有考虑到由于在设备发生不可逆过程时，必然引起部分转变为而又往往不是当场排放到环境的“内部损失”（或称“内部损失”），这种损失虽不减少能量的数量，但却引起能量质量的贬值损失。因此，在对装置进行分析计算时得出各设备的损失结果数值非但不能深刻揭示能量损失的本质，而且往往给人以假象，在如何提高能量利用率的努力方向上引入歧途。而分析法的损失就克服了这一缺点。

2. 由于能量分析法是建立在不同质的能量的数量平衡基础上，故其主要热力学指标能效率的表达式（ 1-4 ）中的分子分母常常是不同质的能量或者说在“收益能量”中也可能包含着任意比例的，例如，家用电阻或热水器，分母是全部是的电能，而分子却是占很小部分的低温热能。因此，“能效率”不能科学地表征能量的利用程度，或者说人们不能从能效率的大小来正确判断设备在热力学上的完善程度，进而找出提高能量利用率的正确措施。而分析法的效率就不存在这一问题。

2. 5. 3 能量分析法和分析法的比较

为了具体说明上述两个问题，举例如下：

例 1. 在分析某蒸汽动力电厂时结果如表 2－1 所示。从表中看出，虽然它的总能效率（ 41% ）与总效率（ 39% ）相差不大（这在后面第三章中会看到主要是因为燃料的化学与其低位发热量基本相同之故），但其损失的涵义和分布却不大相同。从能量分析结

果看，最大的能量损失发生在冷凝器中（占领市场 7% ）。这就可能给人们一种错觉，误认为冷凝器是造成电厂效率只有 40% 左右的症结所在，因此欲大幅度提高电厂能量利用率的主攻方向是冷凝器，即大大减少甚至完全消除在冷凝器的放热损失（又称“冷源损失”）。其实，从分析的结果看，冷凝器所排放的热量中包含的值是很小的，或者说损失是很小的，只占 1.5% 。相反在锅炉中的损失却占 49% ，即损失是最大的。其主要原因是在锅炉中发生的不可逆的燃料燃烧过程和烟气与蒸汽之间发生的大温差不可逆传热过程，造成大量的变成，但这部分却不在锅炉中当场排往环境，而是到冷凝器中才排往环境而已。

表 2－1 某蒸汽动力电厂的能量损失与损失分布

设备能量损失占投入能量的比例（ % ）

损失占投入的比例（ % ）锅炉9 49

汽轮机≈0 4

冷凝器47 1.5

加热器≈0 1.0

其它 3 5.5

合计59 61

例 2. 从表 2－2 所列某项设备的能效率和效率看出，许多设备的能效率是相当高的，如家用电阻加热器甚至达到 100% ，这就可能使人们产生误解，认为这类热力设备是相当完善甚至很完善其实不然，因为它们的效率却是相当低的如家用电阻加热器只有

17% ，也就是说在其中发生的过程是不可逆程度很大的过程，造成大量的脱变为。故在热力学上是很不完善的。

表 2－2 一些热力设备的能效率和效率

设备能效率（ % ） 效率（ % ）

1. 大型蒸汽锅炉88 —— 92 49

2. 家用煤气炉60 ── 85 13

3. 家用煤气热水器（水加热到 339K ）30 ── 70 12

4. 家用电阻加热器（加热温度为 328K ）100 17

5. 家用电热水器（水加热到 339K ）93 16

6. 家用电炊具（烹调温度为 394K ）80 22.5

例 3. 甚至一个国家采用这两种分析法也会对能量利用率和节能潜力得出不同的结果。如美国 1970 年的能效率已达 50% ，效率只有 21% ，即每得到 1 个单位的，大约需要消耗 3 个单位以上的量。再就对不同部门也会得到不同的结果。如表 2－3 所列 1970 年美国耗能部门的能效率和效率的比较，可看出，民用和工业部门的能效率要比发电和运输部门高得多。似乎节能工作主要应从交通和电力部门入手，但是工业部门的效率却只与发电部门相同，特别是民用部门的 效率还不到发电部门的一半，所以工业部门特别是民用部门的节能工作的重要性是绝不能小看的。

表 2－3 1970 年美国耗能部门的能效率和效率的比较

耗能部门能效率

效率

发电0.32 0.36

民用0.797 0.137

运输0.201 0.20

工业0.788 0.36