第1讲 基础知识

第一章 基础知识第一节 绪论能源是近代社会发展三大支柱之一。

人类利用能源的历史，也就是人类认识和征服自然的历史。

这个历史可以分为五个阶段：¾ 火的发现和利用；¾ 畜力、风力、水力等自然动力的利用；¾ 化石燃料的开发和热的利用；¾ 电的发现及开发利用；¾ 原子能的发现和利用。

三次大的转换：木材等→ 煤炭→石油→多能源结构1.1 能源的分类¾根据能源的形成条件，分为一次能源和二次能源；¾根据其可否再生，分为可再生能源和非再生能源；¾根据其利用历史状况和技术水平，分为常规能源和新能源；¾根据其对环境的污染程度分为清洁能源（绿色能源）和非清洁能源。

¾一次能源：直接从自然界取得的能源，如河流中流动的水、开采出的原煤、原油、天然气、天然铀矿等。

二次能源：对一次能源加工、转换得到的能源，如电力、蒸汽等。

可再生能源：如太阳能、生物质能、水能、风能、地热能、波浪能、洋流能、潮汐能以及海洋表面与深层之间的热循环等。

非再生能源：如煤炭、石油、天然气、煤成气等石化能源。

1.2 能量的类型所谓能量，就是产生某种效果或变化的一种能力，是为能源所拥有的。

有6种形式：¾机械能：常以功的形式来实现，包括物质的动能、势能和弹性能等。

¾热能：宏观表现是温度的高低，与构成物质的原子和分子的运动有关的一种能量。

¾电能：其传递形式是电流，与电子的流动和积累有关。

¾辐射能：也称电磁能，是物体以电磁波形式发射的能量。

¾化学能：物质或物系在化学反应过程中以热能形式释放的热力学能，例如燃料燃烧。

¾核能：又称核内能，蕴藏在原子核内部的能量，在原子核中粒子相互作用，即发生原子核反应时释放出来。

1.3 能源有效利用与循环经济传统经济模式是“资源—产品—污染排放”单向流动的线性经济，其特征是“高开采、低利用、高排放”。

结果导致资源枯竭、环境恶化，带来种种人类生存和社会发展问题。

循环经济：是由“资源—产品—再生资源”所构成的物质反复流动的经济发展模式。

“3R原则”为行为准则，即：¾减量化（Reduce）原则：较少原料和能源投入达到既定生产或消费的目的。

¾再使用（Reuse）原则：产品和包装容器能被反复使用。

¾再循环（Recycle）原则：生产出来的物品在完成其使用功能后能重新变成可利用的资源。

能源的合理有效利用原则对于能源的合理、有效利用，应遵循以下原则：⑴最小外部损失原则：如减少能源开采、输送等环节中的浪费，减少废渣或产品等带走的能量损失。

⑵高能源利用效率原则：及时更新设备利用新技术。

⑶最佳推动力原则：如按能量品位用能，能量的梯级利用。

⑷回收利用原则：变废为宝⑸综合利用原则：将能源资源单一利用转向与其他工业相结合的综合利用。

⑹节约优先，适度消费原则：如调整空调温度。

⑺积极开发与利用可再生能源和清洁能源原则：减少不可再生能源和易污染能源的消耗和污染。

1.4 能源有效利用的评估常用的评估指标，可归为类型标：单位GDP 能耗（即单位产值能耗) ； 两种。

一种为能源经 单位产品能耗；济性指另一种是能源技术效率指标： 能源利用效率。

1.4.1 单位GDP(国内生产总值)能耗是为宏观 E 为能源消耗量（指标准煤），包含一次能源的消耗，还包含二次能源及耗质（水缩空气和氧气等）的消耗，统一按其低位发热量换算为标准煤量，称综合；M 为同期国民经济生产总值。

指某一年或某一个时期，实现单位国民经济产值所平均消耗的能源数量。

经济领域的指标，其表达式为：r=E/M 。

能工、压故也能耗 单位GDP 能耗（标准煤）也称为能源强度，能源强度愈低，能源经济效率愈高。

该指标可用于国家、省市等单位为t （标准煤）/万元，由此可对比分析能源利用状况。

例如，2005年全国单位GDP 能耗为1.22，上海0.88。

1.4.2 单位产品能耗是指每单位产品产量所消耗的能量，属于微观经济领域的指标。

又分为单耗和综合能耗两种，表达式：C=E p /A 。

Ep 为产品能耗，A 为产品产量。

当Ep 为某种能的消耗量时，C 为单耗； 例如，生产1kW·h 电的煤耗。

如果Ep 是指生产某种产品过程中所消耗的各种一次能源、二次能源的总消耗量，则C 为综合能耗。

综合能耗包括直接能耗（生产该产品时直接消耗的能量）和间接能耗（指该产品所用的各种原材料在被生产出来时所消耗的能量），故也称为全能耗。

1.4.3 能源利用效率针对对象和范围不同，采用不同的术语来表达能源利用效率的含义。

是指被有效利用的能量（或获得的能量）与消耗的能量（或投入的能量）之比，以百分数来表示。

它被用来考察用能的完善程度，其定义式为：η=E e /E c ; E e 为有效利用的能量； E c 为消耗的能量。

3种不同对象时具有代表性的技术名词：① 能源效率，通常指能源生产效率、中间环节效率 和终端利用效率的乘积。

② 能源（或能量）利用率，指为终端用户提供的能源服务与所消费能源量之比。

③ 设备效率：指对某台设备，向它所提供的能量被有效利用的程度。

1.4.4 火用及火用效率前面3个评估指标中用到均只是能量的数量，而未涉及到能量的质量。

对于能量可以被利用的程度而言，不仅应考虑能量的数量多少，而且应考虑能量的质量如何（即能量的品位高低）。

例如，热能不能全部转变为机械能，但机械能却能全部转变为热能。

可见，机械高的机械能为一切形态能量中“质量”最高的一种，而且是应用极为广泛的能量。

常以机械能为准，评估其他形态能量的质量。

能比热能的质量高。

温度的热能质量比温度低热能高。

故通标 为了在评判能量的合理利用时兼顾能量的数量和质量，学术界引入一个与做功密切相关的参数“火用”。

火用所谓火用，是指处于某一状态的热力系，可逆地变化到与周围环境状态相平衡时可转化为有用功（即最大有用功）的能量。

此值即为该热力系的火用，， 直观地称为有效能，单位为J ；对于单位质量工质，则为比火用，单位为J/或更㎏。

由热力学第二定律知，任何热源当其温度为T 时所传出的热量Q 中能转换为功的最大值，应是在温度范围T 及T 0(周围环境温度）内卡诺循环的做功量，(1‐ T0 / T)。

即 Q 燃料火用：燃料与氧气可逆地进行燃烧反应和变化后，与周围环境平衡时所能提供的最大有用功。

也可称为燃料的化学火用或燃料的化学有效能，可近似地取为燃料的高发热值。

热量中这部分能转换为功的最大可用部分也可称之为热火用。

火用效率由于实际过程都是不可逆的，必存在有效能的损失，即火用损失。

广义定义火用损失：对于某一个系统或设备，投入或耗费的火用与被利用或收益的火用之差，即为该系统或设备的火用损失。

在装置中产生火用损失的原因，可归纳为三方面：⑴ 副产品和废料带走的火用，例如锅炉的排烟。

⑵ 由于散热，例如换热器中通过对流和辐射，从换热器外表面向环境散热造成的火用损失。

⑶ 因装置内容发生的不可逆过程所造成，例如不可逆的化学反应，温差传热等。

火用效率：被有效利用的火用与投入的火用之比。

也称为有效能效率，即ηex 。

火用效率实际上就是获得的效果对所供给能量的最大做功能力之比。

它是同时从能的量与质来衡量热力系统或设备完善程度的尺度。

设备实际的火用效率必小于1。

本专业内容：热能、化学能、机械能、电能等之间转换原理及其装置（机械、设备）。

本课程的内容：讨论能源、动力部门（包括工艺过程与装备）的机械、设备、装置的组成、结构、工作原理和性能。

动力系统之一：火电厂 动力系统之二：水轮机 动力系统之三：核电站 动力系统之四：风力发电 动力系统之五：内燃机 动力系统之六：燃气轮机 动力系统之七：制冷空调系统 动力系统之八：泵站其他动力系统 液压传动系统 液力传动系统 压缩空气系统 供水系统 供暖系统 控制系统 ‥‥‥ 生命系统动力系统小结之二热能机械功机械功动力系统小结之三热量机械功热量机械功动力燃烧室（炉膛） 换热器 流体机械出发，可将其归纳为两大类：体机械、换热设备以及由它们组成的相关装置的基本结构和性能。

一、液体和气体）为工质，实现工质能量与外界进行能量传递和转械设备。

分类系统的三大部件（按功能）第二节从能源与动力装中的各种机械和设备的功用是流 能源与动力装置的分类置 流体机械和换热设备。

本课程主要研究的理、 原流体机械是指以流体（换的机根据流体是液体还是气体分为水力机械和热力机械；根据能量是输出还是输入机械功可分为动力机械(或原动机)和工作机械； 按工作原理又常分为速度式 (叶片式)、容积式(往复、回转)和其它形式的流体机械(如射流泵等)。

流体机械分类表容积式流体机械容积式流体机械的特点：速度式（叶片式）流体机械： 互作用达到的，叶轮是叶片式流体机械中唯一与外界传递能量的部件。

速度力与速度的变化，2类： 的压力和速度都发生变化，流体与叶片交换的能量中既有压力能也有速换的能量只有速度能（动能）。

速度式（叶片式）流体机械分类转动的叶片; 连续绕流;流体与外界的能量传递是通过旋转的叶片与流体的相式流体机械的分类根据流体在叶轮内的压⑴ 反动式（反击式） ：流体度能；⑵ 冲动式（冲击式） ：流体压力不变，流体与叶片交二、过热器、再热器、凝汽器、加热器等；通过对流进行热交换，也有通过辐射、等方式进行热交换的。

换热 换热设备（热量交换）换热设备是动力工程中常见的能量(热能)交换装备。

换热设备包括各种的热交换器和锅炉、燃烧器等，例如制冷装置中的蒸发器、冷凝器；火力发电装置中的省煤器、预热器、燃气轮机装置内的中冷器、回热器等。

热交换器一般是固体两边壁面的流体两流体直接接触器的分类按流动方向分：顺流式、逆流式、错流式、混流式。

按传热方式分：间壁式、混合式、蓄热式三、应用流体机械、换热设备以及由它们组成的相关装置广泛应用于电力、交通运输、制冷空调、冶金、航空航天、石油、化工、药业、、农业、矿业、天然气、激光、卫星、芯片等领域。

交通运输业中，内燃机包括汽油机和柴油机，在全世界船舶动力中柴油机占70%，铁路运输中，内燃机牵引占所有机车牵引动力的70%以上。

而汽车业的动力全部来源于内燃机。

2006年底，我国火电装机容量达到5亿Kw。

风机、泵、压缩机的用电量占全国发电量1/3左右。

制冷空调装置及系统更是广泛应用于商业、生活、工业和科研等各个领域。

但是，我国能源与动力领域和国际先进水平相比，差距仍很大。

火力发电的热效率很低，每度电消耗煤高达399克，比发达国家多50～100克。

一次能源转化成电力的比例只有22%，而发达国家平均为36%。

工业炉的热效率一般为60%左右，而日本达到80%以上。