热能做功的能力

---本文出自华誉能源总裁张军的新书《地热能、余热能与热泵技术》第1.3.1章节

热能做功的能力

图1-3-1 热能做功示意图

如图1-3-1所示，在利用热能做功时，热量（Q

1）由高温热源（温度为T

1

）释

放出来，一部分转化为功（W），就是机械能，另一部分(Q

2

)则传给低温热源（温

度为T

2），由于T

2

低于T

1

，因而品位变得更低了，这部分低品位的热能通常也称为

冷源损失。

由于能量是守恒的，所以：

Q1=W+Q2 (1-3-1)

那么，利用温度为T

1的热源可以将Q

1

这么多的热量转化为机械能的数量是：W=Q1−Q2 (1-3-2)

要把热能转化为机械能，即用热能做功，不仅要有高温热源，即热能的来源，还要有一个低温的热源，即低品位热能的去处。那么，如果高温热源和低温热源确定以后，我们最多可以将多少高温热源的热量（Q

1

）转化为机械能（W）呢？换句话说，最大转化效率(η)是多少呢？

这个问题早在1824年就由法国工程师卡诺给出了答案，这就是卡诺循环的效

率：

η=W Q 1=1−T

2T 1 (1-3-3) 也就是说，如果从高温热源中取出热量Q 1，那么最多只有（1-21

T T ）Q 1这么多热量用于做功，转化为机械能，其余的热量（

21

T T ）Q 1都将传给低温热源。这里面的温度指的是热力学温度，单位是K 。 不难看出，要让更多的热能转化为高品位的机械能，就要尽可能提高高温热源的温度T 1，尽可能降低低温热源的温度T 2。

在实践中，经常以环境大气（温度T 0）作为低温热源，那么高温热源的温度

越高，热能转化为机械能的效率就越高。

利用燃料燃烧做功也只能利用燃料所含热能的一部分，其余部分则要变成低品位的热能，这些低品位的热能最终扩散到大气环境中被浪费掉。如何利用这些被浪费掉的低品位热能是本书的重点之一。

以燃煤电厂为例，煤在锅炉炉膛中燃烧产生高于1000℃的高温烟气，烟气将热量传给锅炉内的水并将水加热为600℃（873K ）左右的水蒸汽，水蒸汽推动汽轮机做功，汽轮机带动发电机发电，最后水蒸汽变成40℃（313K ）左右的低温低压的乏汽，这些乏汽虽然温度很低，压力很低，不能再做任何功，但仍然是气体状态，所以我们称之为“乏汽”。这些乏汽必须被冷却成水才能送回锅炉继续循环做功，乏汽中所含有的大量汽化潜热必须被带走。冷却乏汽的方式有两种：一种是采用循环冷却水把热量带走，最后通过冷却水塔把热量排放到大气中，另一种则是采用空冷器利用空气直接冷却，后者的冷却效果受环境温度的影响较前者大，但更加节水。

汽轮机在做功发电时，高温热源的温度（T 1）就是从锅炉中出来的水蒸汽的

温度（按照600℃/873K 计算），低温热源的温度（T 2）就是乏汽的温度（按照40℃

/313K 计算），按照上面的计算方法，如果不考虑各种热能的损失，水蒸汽中的热能转化为电能的最大效率应为：

η=W Q 1=1−T 2T 1=1−313873

=64%

由于水蒸汽中的热量来源于煤燃烧产生的高温烟气，乏汽的热量最终扩散到大气环境中，所以如果水蒸汽的温度尽可能接近高温烟气的温度（按照1000℃/1273K 计算），乏汽的温度尽可能接近大气环境的温度（按照15℃/288K计算），热能转化为电能的效率最大可以达到：

η=W

Q1

=1−

T2

T1

=1−

288

1273

=77%

由于汽轮机发电时存在各种能量的损失，并且蒸气在做功时温度不断在变化，并

不是始终保持在T

1

这一温度上，所以这个效率只是一个理想值，但它对于定性地判断某一热源做功能力的大小具有一定的意义。

由于燃煤产生的烟气中含有硫和灰尘，具有一定的腐蚀性和磨损性，不能直接推动燃气轮机做功发电，而天然气燃烧产生的烟气要干净得多，可以直接推动

燃气轮机做功发电，这样就可以大幅度提高T

1

的温度，发电效率也可以大幅度提升。

（3）事实上，由于受各种热能的损失、汽轮机和发电机的效率等因素的影响，燃煤电厂的实际综合发电效率只有30-40%，也就是说，煤燃烧所释放出来的热量，只有30-40%变成电能，其余60-70%的能量都损失掉了。损失的热能中主要有两部分：一部分随烟气从烟囱跑到大气中，这部分热能大约占电厂消耗的总能量的1/6，烟气离开烟囱时的温度大约为150℃左右；另一部分随乏汽进入凝汽器，乏汽在凝汽器中冷凝成水，潜热释放出来，由循环冷却水带走，通过冷却水塔释放到大气中（有些电厂不用水冷却而是用空气直接冷却，这些热能就从空冷器跑掉），这部分热能大约占电厂消耗总能量的1/2，乏汽的温度大约40℃左右，冷却乏汽的循环冷却水的温度为20-40℃，所以循环冷却水中热能的品位比乏汽中的热能的品位还要低，但都高于环境空气的热能品位。