节能原理与技术(第2章 节能原理)

收益 效率 代价
从热量“数量”的角度考虑，效率通常用热效率（或性能系数）。 对于动力循环，如果循环所做的功为W，从高温热源 吸收的热量为Q1，则循环的热效率 t为：
W t Q1
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第2章 节能原理
收益 效率 代价 对于制冷循环，如果循环所消耗的功为W，从低温热 源吸收的热量为Q2，则循环的性能系数 为：
注意：节流过程焓值并非处处相等
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第2章 节能原理
热力学第一定律揭示规律
能量守恒与转换定律 能量之间数量的关系 所有满足能量守恒与转换定律的过 程是否都能自发进行？
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第2章 节能原理
2.3 热力学第二定律
自发过程的方向性
自发过程：不需要任何外界作用而自动进行的过程。 热量由高温物体传向低温物体 摩擦生热 水自动地由高处向低处流动 电流自动地由高电势流向低电势 不同气体的混合过程、燃烧过程 …… 自发过程是 不可逆的
对可逆过程，膨胀功为： w 可逆过程的技术功为：
2

2
1
pd
wt pd ( p2 2 p11 )
1
pd d(p ) dp
1 1 1
2
2
2
可逆过程稳定流动能量方程式表示为：
Q H Vdp
1
2
或 q h dp
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第2章 节能原理
热量
热能属于第二类能量，其
值取决于自身的状态参数 （T、P等）和环境的状态（T0）。当与环境处于平衡状 态时，其 值＝0
热量是一个系统通过边界的以传热方式传递的能量。
—系统所传递的热量Q在给定环境条件下，用可逆 方式所能做出的最大功Wmax.
热量
ex
Ex ,Q2 Ex ,W
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第2章 节能原理
能量利用经济性指标
收益 效率 代价
对于热泵循环，如果循环所消耗的功为W，从高温热 源放出的热量为Q1，则循环的 效率 ex 为：
ex
Ex ,Q1 Ex ,W
对于间壁式换热器（又称表面式换热器），如果低温 流体得到的热量为Q2，高温流体所放出的热量为Q1，则换 热器的 效率ex为：
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第2章 节能原理
2、动力机械 各种热力发动机，如 燃气轮机、蒸汽轮机等， 都是利用工质膨胀作功， 对外输出轴功 ws 。
1 2 q h c f g z ws 2
由于采取了良好的保温隔热措施，通过设备外壳的 散热量极少，认为绝热过程，即q=0，且动能、位能的 变化可以忽略，则有：
电机输入的轴功等于 工质的焓增
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第2章 节能原理
4、绝热节流 节流是典型的不可逆过程，在 缩口附近存在涡流，工质流过孔板 后压力总有不同程度的降低。 1 2 q h c f g z ws 2 工质流过孔口时间很短，即认为q=0，且两个截面上 流速差别不大，动能、位能的变化可以忽略；节流过程对 外不作轴功，则有： 节流前后焓值相等
能量中的“
”与“
”
（Exergy）—在一定的环境条件下，能量中最大限 度地可转化为有用功的部分，即可用能、可用功。 （Anergy）—不能够转变为有用功的那部分能量， 即无效能、无用功。 任何能量E都是由 Ex和 An组成，即：
E Ex An
例如：机械能、电能全是 ， ＝0； 自然环境的热能以及从环境输入、输出的热能全为 ＝0。 ，
即
卡诺因子（卡诺循环热效率） 是热变功的最高限度。
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第2章 节能原理
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
和
任何一种能量均可分为 和 两部分
E Ex An
稳定流动开口系统工质的能质系数（能级）
可用来估计余热转换为动力的 能力，是可能回收的最大功率。
对于工质而言，它携带的能量可分为：
宏观动能、势能 工质携带的能量 热力学能(热能) 能全部转化为有用功 能转化为有用功的部分 不能转化为有用功的部分
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第2章 节能原理
第三类—完全没有转换能力的能量 例：处于环境状态下的大气、海洋、岩石等所具有的内 能和焓，虽然它们具有相当数量的能量，在技术上却无 法转变为功。 低级能，是只有数量而无质量的无序能量。
高级能 能量的分级 中级能 低级能
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第2章 节能原理
1 2 2 膨胀功 w ( p2 2 p11 ) (c f 2 c f 1 ) g ( z2 z1 ) ws 2 因此 w ( p22 p11 ) wt
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第2章 节能原理
膨胀功 w ( p22 p11 ) wt
《节能原理与技术》
电子教案
主讲：贾明生 教授
广东海洋大学热能与动力工程系 E-mail:jiamingsheng@
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第2章 节能原理
第2章 节能原理
1. 2. 3. 4. 5. 能量分析的基本概念 热力学第一定律 热力学第二定律 合理利用能量的原则
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1
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第2章 节能原理
热力学第一定律的应用
以几种常见的热工设备为例，说明稳定流动能量方程 式的应用： 1、热交换器 工程上的各种加热 器、锅炉、冷却器、散 热器、蒸发器和冷凝器 等都属这类设备。 1 2 q h c f g z ws 2 轴功 ws 0 ，且动能、位能的变化可以忽略，则有：
Q E W
式中： Q为热力系统与外界交换的热量，系统吸热Q取正值； ΔE为热力系统能量的增量； W为热力系统与外界交换的功量，系统对外作功W取正值。
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第2章 节能原理
Q
U
闭口系统
W
闭口系的能量方程式
闭口系统是指与外界没有质量交换的热力系统。 对于闭口系，由热力学第一定律，其能量方程式为：
第2章 节能原理
2.1 能量分析的基本概念
能量的分类
根据能量转换难易程度，能量可划分为三类： 第一类—可以不受限制地完全转换的能量 例：电能、机械能、位能（水力）、动能（风力）等功量 高级能，完全有序运动的能量，其数量与质量是统一的。 第二类—具有部分转换能力的能量 例：热能、物质内能、焓等热量（以传热方式传递的能量） 中级能，无序的能量可以部分地转变为有序运动的能量。 数量和质量是不统一的。
第2章 节能原理
能量利用经济性指标
收益 效率 代价
效率。
从能量“质量”的角度考虑，效率通常用
对于动力循环，如果循环所做的功为W，从高温热源 吸收的热量为Q1，则循环的 效率 ex 为：
ex
Ex ,W Ex ,Q1
对于制冷循环，如果循环所消耗的功为W，从低温热 源吸收的热量为Q2，则循环的 效率 ex 为：
Q U W
或 q u w
式中： Q为闭口系与外界交换的热量，系统吸热Q取正值； ΔU为闭口系热力学能的变化，J； W为闭口系与外界交换的功量，系统对外作功W取正值。
如果闭口系与外界的功量只有容积变化功，并且其热 力变化是可逆过程的话，有：
W pdV
1 2
此时 Q U pdV
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第2章 节能原理
热力学第二定律的表述与实质 热力学热二律的表述有 60~70 种之多
热功转换
热量
1851年 开尔文－普朗克表述 热功转换的角度
1850年 克劳修斯表述 热量传递的角度
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第2章 节能原理
热力学第二定律的几种表述
克劳修斯说法：不可能把热从低温物体传至高温物体而 不引起其他变化。 开尔文说法：不可能从单一热源取热，使之完全转变成 功而不产生其他影响。 热力学第二定律又可表述：不第二类永动机是不可能制 造成功的。 热力学第二定律告诉我们什么？
自然界自发过程都具有方向性
自发过程的方向性
摩擦生热 功量 100% 发电厂 功量 40% 热量 放热 热量
自发过程具有方向性、条件、限度
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第2章 节能原理
热力学第二定律的实质 自然界过程的方向性表现在不同的方面 方向性
能不能找出共同的规律性? 能不能找到一个判据?
热力学第二定律
ex
Ex ,Q2 Ex ,Q1
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第2章 节能原理
2.2 热力学第一定律
节约能源，实质上就是提高能量转换的经济性指标。 热力学第一定律和热力学第二定律就是各种能量转换装 置所遵循的最基本的规律。 能量守恒和转换定律：自然界的一切物质都有能量，能 量有各种不同的形式，它能够从一种形式转换为另一种 形式，从一个物体传递给另一个物体，从物体的一部分 传递到另一部分，在转换和传递中能量的数量不变。 热力学第一定律可表述为： ① “第一类永动机是不可能制成的”； ② “当热能与其它形式的能量相互转换时，能的总量保 持不变”。
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第2章 节能原理
能质系数（能级）λ
表征能量转变为功的能力和技术上的有用程度，因此 可以用 来评价能量的质量或级位。 能质系数 —— 能量中 所占的百分比，衡量能量作 功能力大小的统一尺度，其定义为：
Ex E
高级能（功量）： 1 总能量 低级能（环境中）： 0 中级能（热量）： 0 1
1 2 q h c f g z ws 2 1 2 或 wt c f g z ws 2