第二章 热节能基础

第二章热能节能基础

本章内容：能量转换与平衡、能质及有效能、有效能计算、有效能损失及有效能效率。

热能利用是一个大的系统工程，它涉及能源的开采、加工、转化、运输、储存、使用和回收等环节，限于篇幅和目的，本课程略去前五个环节，而主要对后两个环节的分析与完善进行阐述，热能利用的实质是能源的转换与热能的传递。

如前所述，热能利用的具体方式多种多样，但从热能形态的角度来看，则只有间接使用和直接使用两种方式。在这两种方式中，都有能量的转换与平衡。

2.1能量的转换与平衡

2.1.1能量转换

自然界是由不断运动的物质构成的，而物质的运动形态是多种多样的。物质的每一种运动都具有做功能力，即具有“能”。不同运动形式的能分别被称为“机械能”、“热能”、“化学能”、“电能”、“光能”、“原子能”等。

1．能量转换的形式

1）热能提供各种化学反应中还原过程所需热量，物料加热融化所需热量，以及提供生产工艺所需加热源（水蒸气等）。它主要是利用燃料的燃烧热能，是企业消耗的最主要能源之一。

2）机械能用于流体的输送和压缩如鼓风机、压缩机和泵等；物料的运输、提升、压延、破碎、机械加工等。机械能大部分是由电能转换而来，也有利用蒸汽动力装置直接拖动。3）电能主要是通过电机转换成机械能，同时可提供照明、电热等。但电能本身大多数实际是由热能转换成机械能、再由机械能转换成电能的。

4）化学能最常见的是燃料燃烧，将燃料蕴藏的化学能转换成热能，氧化反应就是将化学能转换成热能。这四种能量的转换关系如下表所列

有些可以全部转换，有些只能部分转换，有的在理论上正向逆向都可转换，有的需要一定条件。例如，电能与机械能之间，理论上可以百分之百地相互转换，且都可以全部转换成热能。反之，热能绝不可能百分之百的转换成机械能。并且，热能只可能由高温处向低温处传递。

化学能热能

化学能热能机

械能

化学能热能机

械能电能

化学能热能电

能

机械能机械能

机械能电能

光能热能

光能热能机械

能

光能热能机械

能电能

光能热能电能

光能电能

热能机械能电

能

核裂变热能机

械能电能

核裂变热能电

能

但辐射到地面上的能流密度很小，且随时间地点而变；水力资源能量比较集中，但受地域限制，就地不能全部利用，有一个能量的储存与输送问题；化石燃料具有现成的化学能，但不能直接利用，要通过燃烧转变成热能才便于使用。目前，绝大多数一次能源都首先经过转换成热能形式或者直接使用，满足各种工艺流程和生活所需；或者通过热机进一步转化为机械能和电能后再利用。经过热能这个重要环节而被利用的能量，在我国占90%以上，世界各国平均也超过85%，因此，分析和研究热能转换的特点，对有效利用能量有着重要意义。

2．能量转换的要求

在实现能量转换时，对转换装置有以下几项基本要求：

1）转换效率要高。指转换后得到的能量（收益）与转换前耗费的能量（支付）之比。可以指一台设备，也可以指一个系统。能量可以指数量而言，也可以指质量而言（有效能）。例如，煤气的燃烧效率比煤要高得多，但是，城市煤气多数也是由煤转换而来。在比较转换效

率时，要对煤煤气热能的转换系统与煤热能的转换系统进行比较才有意义。由于煤气的转换系统的效率比煤直接燃烧的效率高，因此，城市的煤气化是节能的一个重要方向。 2） 转换速度要快，能流密度要大。一般都希望能量转换装置用尽量紧凑的设备转换更多的能量。例如，一般的换热器希望换热强度尽可能大，单位面积上传递的热量尽可能多，可以用最小的装置满足热交换的要求。尤其在一些移动式设备上，如汽车、火车等，要求装置尽可能紧凑。目前，内燃机比燃料电池的转换速度和能流密度都要大得多，所以燃料电池还不适于用在汽车上。

3） 具有良好的负荷调节性能。一种能量转换装置往往需要根据用能一方的要求来调节转换能量的多少，电能是调节最方便的二次能源，因此使用最为广泛，为了调节负荷的需要，必要时，需采用蓄能装置。

4） 满足环境的要求和经济上的合理。燃烧过程的污染是造成环境污染的主要根源，防止燃烧污染是当前能量转换领域的重要课题。但是这一要求通常与经济性又有矛盾。太阳能，风能等均为清洁能源，但是要大规模利用在经济上还不合理（成本太高）。所以应当把降低污染与经济性的统一作为努力的方向。 2.1.2能量平衡

能量守恒定律通常又叫热力学第一定律，因为能量的任何过程几乎都伴随着热能的变化。能量守恒定律、细胞学说与进化论并称为19世纪三大发现。它表达了能量守恒这一自然规律。即：能量可以由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，但在转换与传递过程中，能量的总量保持不变。在这一定律提出前，曾有很多人幻想制造出不消耗任何能量却能源源不断得到机械能的永动机，这类永动机被叫作第一类永动机，所以热力学第一定律又可以说成：第一类永动机是不可能制造成功的。

对任何能量转换系统来说，有

[输入能量]-[输出能量]=[贮存能量的变化]

1．对封闭系统。用Q 表示输入热量，W 表示输出功量，E 表示贮存能量的变化（包括宏观运动的动能、位能及热力学内能或焓），则封闭系统发生变化时，有

Q=E+W

2．稳定流动开放系统。生产实际中的生产系统，在正常情况下，其物流和能流都可

当作稳定的，在忽略其宏观动能和位能的情况下，有

w

H Q w Q H w Q H e e e i i i +∆=++=++

式中，Q=Q i -Q e ,

H=H e -H i , w=w e -w i ,

当计入动能与重力势能的变化时，为

Q=H+1/2m v 2

+mg Z+W

内能增加

输出功

输入热量