能源與環(huán)境概論 教學課件 ppt 作者 李潤東 可欣 主編第七章 節(jié)能技術(shù)與環(huán)境保護

1、2024/4/1,1,第七章 節(jié)能技術(shù)與環(huán)境保護,能源與環(huán)境學院,能源與環(huán)境概論,2024/4/1,2,目錄,7.1 節(jié)能技術(shù)的基礎知識7.2 能源利用分析7.3 能源梯級利用7.4 余熱利用技術(shù)7.5 建筑節(jié)能7.6 交通節(jié)能7.7 城市與民用節(jié)能,2024/4/1,3,7.1 節(jié)能技術(shù)的基礎知識,7.1.1 節(jié)能定義1998年開始實施的《中華人民共和國節(jié)約能源法》第三條對節(jié)能的定義如下：“節(jié)能是指加強用能管理，采取技

2、術(shù)上可行、經(jīng)濟上合理以及環(huán)境和社會可以承受的措施，減少從能源生產(chǎn)到消費各個環(huán)節(jié)中的損失和浪費，更加有效、合理地利用能源?！?2024/4/1,4,節(jié)能定義的四個層面：（1）從管理的層面指出節(jié)能工作必須從管理抓起，加強用能管理。（2）從技術(shù)的層面指出節(jié)能工作必須是技術(shù)上可行，也就是說節(jié)能工作必須符合現(xiàn)代科學原理和先進工藝制造水平，它是實現(xiàn)節(jié)能的前提。（3）從經(jīng)濟的層面指出節(jié)能工作必須經(jīng)濟上合理。任何一項節(jié)能工作必須經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟論證，

3、只有那些投入和產(chǎn)出比例合理的項目才可以進行實施。 （4）從環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展的角度指出任何節(jié)能措施必須是符合環(huán)境保護的要求、安全實用、操作方便、價格合理、質(zhì)量可靠并符合人們的生活習慣。,7.1 節(jié)能技術(shù)的基礎知識,2024/4/1,5,7.1.2 節(jié)能的必要性 我國的能源政策是“資源開發(fā)與節(jié)約并舉，把節(jié)約放在首位”，依法保護和合理使用資源，保護環(huán)境，提高資源的利用效率，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。 對于各種企

4、業(yè)實施節(jié)能，不僅可以降低企業(yè)的能耗成本，提高企業(yè)的經(jīng)濟效益，而且有助于緩解政府能源供應和建設壓力，減少廢氣污染，保護環(huán)境。,7.1 節(jié)能技術(shù)的基礎知識,2024/4/1,6,1、從節(jié)能領域看，包括工業(yè)節(jié)能、交通節(jié)能、建筑節(jié)能、農(nóng)業(yè)節(jié)能及日常生活節(jié)能。 2、從節(jié)能形式看，包括節(jié)煤、節(jié)油、節(jié)氣、節(jié)電。 3、從廣義節(jié)能角度看，幾乎包含任何所有的物質(zhì)，因為幾乎沒有一種物質(zhì)的獲得不需要消耗能量，只要消耗了能量，那么我們節(jié)約這種物質(zhì)，就等于節(jié)約

5、了能源，如節(jié)約用水、節(jié)約糧食、重復利用資源等。 4、從節(jié)能方法措施領域看，包括管理節(jié)能、技術(shù)節(jié)能、結(jié)構(gòu)調(diào)整節(jié)能、合同能源管理（EMC）節(jié)能。技術(shù)節(jié)能又細分為工藝節(jié)能、控制節(jié)能、設備節(jié)能；結(jié)構(gòu)調(diào)整節(jié)能又可以分為產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整節(jié)能、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整節(jié)能。5、從能源轉(zhuǎn)換過程看，包括能源開采過程節(jié)能、能源加工、轉(zhuǎn)換和儲運過程節(jié)能及能源終端利用過程節(jié)能。,7.1.3 節(jié)能的內(nèi)容：,2024/4/1,7,7.1.4 節(jié)能的層次及準則,節(jié)能的四個層次：

6、 (1) 不使用能源 這是簡單易行的節(jié)能工作。但不是真正意義上的節(jié)能，對節(jié)能工作的宣傳教育意義大于實際的節(jié)能效果。(2) 降低能源的使用量 這是比較可行的節(jié)能方法，例如通過降低駕車的速度來減少汽油的消耗，但當時間價值大于所節(jié)約的能源價值時，該方法就顯得不可行。(3) 通過技術(shù)手段提高能源使用效率 通過各種技術(shù)手段，在不改變生產(chǎn)、生活質(zhì)量的前提下，減少能源的消耗。開發(fā)和推廣應用先進高效的能源節(jié)約和替代技術(shù)、綜合利用技術(shù)及新能源

7、和可再生能源利用技術(shù)。 (4) 通過調(diào)整經(jīng)濟和社會結(jié)構(gòu)提高能源利用效率 通過調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和社會的能源消費結(jié)構(gòu)，淘汰落后技術(shù)和設備，加快發(fā)展以服務業(yè)為主要代表的第三產(chǎn)業(yè)和以信息技術(shù)為主要代表的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，用高新技術(shù)和先進適用技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，促進產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和升級換代，提高產(chǎn)業(yè)的整體技術(shù)裝備水平。,2024/4/1,8,節(jié)能的準則： 準則就是標準和原則，目前世界和我國均出臺了不少節(jié)能的法規(guī)和標準，例如1997年全國人大通

8、過，1998年實施并于2007年修訂的《中華人民共和國節(jié)約能源法》；2005年全國人大通過，2006年實施的《中華人民共和國可再生能源法》；2007年國務院發(fā)布的《民用建筑節(jié)能條例》等。除了國家層面上的法律規(guī)定之外，還有各種層面的有關(guān)節(jié)能的標準，如GB 50189-2005《公共建筑節(jié)能設計標準》、GB/T 13234-2009《企業(yè)節(jié)能量計算方法》、GB/T 15320-2001《節(jié)能產(chǎn)品評價導則》、JC/T713-2007《燒結(jié)磚瓦

9、能耗等級定額》等。,7.1.4 節(jié)能的層次及準則,2024/4/1,9,7.1.5 節(jié)能的方法及措施,1、 管理節(jié)能 管理節(jié)能，就是通過能源的管理工作，減少各種浪費現(xiàn)象，杜絕不必要的能源轉(zhuǎn)換和輸送，在能源管理調(diào)配環(huán)節(jié)進行節(jié)能工作。管理工作方法如下：經(jīng)濟方法是指依靠利益驅(qū)動，利用經(jīng)濟手段，通過調(diào)節(jié)和影響被管理者物質(zhì)需要而促進管理目標實現(xiàn)的方法，該法特點是利益驅(qū)動性、普遍性、持久性。行政方法是指依靠行政權(quán)威，借助行政手段，直

10、接指揮和協(xié)調(diào)管理對象的方法。該法的特點是強制性、直接性、垂直性和無償性，通過命令、計劃、指揮、監(jiān)督、檢查等手段實現(xiàn)管理目標的實現(xiàn)。法律方法是指借助國家法規(guī)和組織制度，嚴格約束管理對象為實現(xiàn)組織目標而工作的一種方法。該法特點是高度強制性及規(guī)范性。社會心理方法指借助社會學和心理學原理，運用教育、激勵、溝通等手段，通過滿足管理對象社會心理需要的方式來調(diào)動其積極性的方法，該法特點是自覺自愿性及持久性。,2024/4/1,10,2、技術(shù)節(jié)能

11、 技術(shù)節(jié)能就是在生產(chǎn)中或能源設備使用過程中用各種技術(shù)手段進行節(jié)能工作。工業(yè)技術(shù)節(jié)能可分為工藝節(jié)能、控制節(jié)能、設備節(jié)能，其困難程度從高到低。 工藝節(jié)能是工業(yè)節(jié)能過程中難度大、投資大但也是節(jié)能效果顯著的節(jié)能措施。由于工藝節(jié)能需要改變工藝操作過程，一般很難單獨進行，常常需要控制節(jié)能和設備節(jié)能配合起來。 控制節(jié)能工廠容易接受，須注意以下問題：①要考慮每臺耗能設備的正常可靠運行；②要考慮車間、工廠實現(xiàn)自動化的經(jīng)濟目的，特別是節(jié)約能耗、提

12、高產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量等；③要考慮車間、工廠的能源(油、煤、氣、水、風、電)進行集中監(jiān)測、管理、調(diào)度和控制等問題；④要考慮各種耗能設備的性質(zhì)和狀態(tài)；⑤要考慮控制技術(shù)實現(xiàn)的可能性、可靠性及穩(wěn)定性；⑥要考慮控制系統(tǒng)總的發(fā)展趨勢 設備節(jié)能就是耗能設備進行改造、替換、采用新材料新技術(shù)以及加強管理等各項措施使耗能設備的能源消耗降低下來。,7.1.5 節(jié)能的方法及措施,2024/4/1,11,3、結(jié)構(gòu)調(diào)整節(jié)能 結(jié)構(gòu)調(diào)整節(jié)能就是調(diào)整產(chǎn)業(yè)規(guī)模結(jié)構(gòu)、產(chǎn)

13、業(yè)配置結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等進行節(jié)能工作。它涉及范圍較廣，帶來的節(jié)能效果十分巨大。如我國許多產(chǎn)業(yè)的規(guī)模結(jié)構(gòu)不合理，生產(chǎn)規(guī)模偏小，需要在逐步淘汰小規(guī)模企業(yè)的前提下，建立符合能源最佳利用生產(chǎn)規(guī)模的企業(yè)。產(chǎn)業(yè)配置包括同一產(chǎn)業(yè)在全國地理位置上的配置，也包括不同產(chǎn)業(yè)所占比例的配置問題。 總之結(jié)構(gòu)調(diào)整節(jié)能工作具有全局性及超前性，它需要在企業(yè)生產(chǎn)前落實具體的節(jié)能工作，反之，一旦企業(yè)已經(jīng)投入生產(chǎn)，再進行結(jié)構(gòu)調(diào)整節(jié)能工作將碰到很大的困難和阻力。

14、,7.1.5 節(jié)能的方法及措施,2024/4/1,12,7.2 能源利用分析,7.2.1 能源定義及基本概念（1）能源 自然界中能為人類提供某種形式能量的物質(zhì)資源。凡是能被人類甲乙利用以獲得有用能量的各種來源都成為能源。（2）能量轉(zhuǎn)換 能量形態(tài)上的轉(zhuǎn)換，如經(jīng)過燃燒，燃料的化學能轉(zhuǎn)換成熱能，經(jīng)過熱機，熱能轉(zhuǎn)換成機械能。廣義的轉(zhuǎn)換還包括能量在空間和時間上的轉(zhuǎn)換，即傳輸和儲存。能量轉(zhuǎn)換過程必須遵守能量轉(zhuǎn)換和守恒定律，即：輸入能量-輸出

15、能量=儲存能量的變化（3）能量傳遞 由物質(zhì)交換和質(zhì)量遷移兩種途徑實現(xiàn)：?傳熱—溫差引起；?做功—非溫差引起。,2024/4/1,13,7.2.2 主要的能量轉(zhuǎn)換過程,1 化學能轉(zhuǎn)換為熱能,天然的固體燃料有煤炭和木材；人工的固體燃料有焦炭、型煤、木炭等。天然的液體燃料有石油（原油）；人工的液體燃料有汽油、煤油、柴油、重油等。天然的氣體燃料有天然氣，人工的氣體燃料則有焦爐煤氣、高爐煤氣、水煤氣和液化石油氣等。,燃料中的可燃元素碳、

16、氫、硫和空氣中的氧激劇化合時發(fā)出顯著的光和熱。通過燃料燃燒將化學能轉(zhuǎn)換為熱能的裝置稱為燃燒設備。鍋爐是典型的燃燒設備，它通過化石燃料的燃燒將燃料的化學能轉(zhuǎn)換為高溫煙氣的熱能，并用熱能加熱水使之變?yōu)檎羝?2024/4/1,14,液體燃料,,固體燃料,氣體燃料,2024/4/1,15,7.2.2 主要的能量轉(zhuǎn)換過程,2 熱能轉(zhuǎn)換為機械能,蒸汽輪機 鍋爐產(chǎn)生具有一定壓力和溫度的蒸汽通過汽輪機的噴嘴后，壓力降低，速度增高；這股高速汽流沖

17、到裝在葉輪上的動葉片，方向有了改變，動量發(fā)生變化，從而對動葉片產(chǎn)生作用力，推動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，將熱能轉(zhuǎn)換成由主軸輸出的機械功。燃氣輪機 空氣進入壓氣機，被壓縮升壓進入燃燒室，噴入燃油即進行燃燒；燃燒所形成的高溫燃氣與燃燒室中的剩余空氣混合后進入燃氣輪機的噴管，膨脹加速而沖擊葉輪對外做功。內(nèi)燃機 是將液體或氣體燃料與空氣混合后，直接輸入汽缸內(nèi)部的高壓燃燒室燃燒爆發(fā)產(chǎn)生動力。內(nèi)燃機具有體積小、質(zhì)量小、便于移動、熱效率高、起動性能好的特

18、點。但是內(nèi)燃機一般使用石油燃料，同時排出的廢氣中含有害氣體的成分較高。,2024/4/1,16,compressor,Combustion chamber,turbine,,,,,7.2.2 主要的能量轉(zhuǎn)換過程,2024/4/1,17,7.2.2 主要的能量轉(zhuǎn)換過程,3 機械能轉(zhuǎn)換為電能,世界上幾乎所有的電能都是通過發(fā)電機由機械能轉(zhuǎn)換而來將機械能轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電機都是同步發(fā)電機。同步發(fā)電機可以用汽輪機、燃氣輪機、內(nèi)燃機、水輪機

19、、風力機等動力機械驅(qū)動，它們的轉(zhuǎn)換效率從小發(fā)電機的50%到大型電站交流發(fā)電機的90%以上。根據(jù)采用匯電環(huán)還是整流器，同步發(fā)電機可以輸出交流電或直流電。根據(jù)動力機械的特點，同步發(fā)電機有立式和臥式兩種。由汽輪機和內(nèi)燃機驅(qū)動的發(fā)電機多為臥式；大型低速水輪機驅(qū)動的發(fā)電機則為立式；中速以上的中、小型水輪機驅(qū)動的發(fā)電機則有立式，也有臥式。,2024/4/1,18,7.2.3 能源利用分析,自然界基本定律：能量守恒與轉(zhuǎn)換定律熱力學第一定律是

20、能量守恒與轉(zhuǎn)換定律在熱現(xiàn)象上的應用，它揭示了能量在量上的特性。熱力學第二定律涉及能量傳遞的方向和深度的問題，是能量在質(zhì)上的特性。能的質(zhì)量指能的品位或能的可用性。能量在其傳遞或轉(zhuǎn)換過程中，品質(zhì)是逐漸降低的，即能量貶值。能量在數(shù)量上的守恒性和在質(zhì)量上的貶值性（不可逆）是其最重要兩個特性。,2024/4/1,19,熱平衡法是建立在熱力學第一定律基礎上的能量分析方法，主要考察系統(tǒng)熱量的平衡關(guān)系，揭示能在數(shù)量上的轉(zhuǎn)換和利用情況，從而確定系

21、統(tǒng)的能利用率或能效率（熱效率）。,7.2.3.1 熱平衡法,一 基本概念熱平衡的分類:設備熱平衡+企業(yè)熱平衡;燃料發(fā)熱量及熱值:高位發(fā)熱量和低位發(fā)熱量,1KG標準煤的發(fā)熱量為29270kJ/kg;等價熱量和當量熱量: ①一次能源直接用熱值帶入, ②二次能源包括:電力\蒸汽\石油制品\焦碳\煤氣; ③耗能工質(zhì):壓縮空氣、氧氣、水 后兩者需折合為一次能源計算，折算系數(shù)稱為等價熱量,2024/4/1,20

22、,當量熱量是指用能過程中所使用的二次能源在工藝過程中實際完全轉(zhuǎn)換的能量，熱、功、能的當量熱量值都等于1；對二次能源，在計算系統(tǒng)輸入熱量時，應使用等價熱量，在計算實際放出的熱量時，應使用當量熱量；耗能工質(zhì)不是熱源，在生產(chǎn)過程中，作為原料或消耗工質(zhì)使用，只有等價熱量而無當量熱量。,7.2.3.1 熱平衡法,2024/4/1,21,7.2.3.1 熱平衡法,二 熱平衡技術(shù)指標,1能耗①單耗：單位產(chǎn)量或單位產(chǎn)值所消耗的某種能量折算為標

23、準煤的數(shù)量；②綜合能耗：消耗的總能耗/產(chǎn)品總產(chǎn)量或總產(chǎn)值2 能量利用效率①設備熱效率,2024/4/1,22,②裝置能量利用率（包含有熱量回收，全入熱）,③企業(yè)能源利用率（整個企業(yè)的用能指標）,3 回收率（反映企業(yè)由于余熱回收和利用所帶來的節(jié)能效益指標,7.2.3.1 熱平衡法,2024/4/1,23,7.2.3.1 熱平衡法,三 熱平衡模型及類型,,,,,,,,1 熱平衡模型,2024/4/1,24,2 熱平衡類型（觀

24、察目的不同）,,2024/4/1,25,供入熱平衡（外界供入熱的情況）,3 計算公式,全入熱平衡（余熱利用情況）,凈入熱平衡（加給體系的熱量利用程度）,2024/4/1,26,7.2.3.1 熱平衡法,四 設備熱平衡,1 鍋爐熱平衡方程,2024/4/1,27,2 鍋爐熱效率,正平衡熱效率反平衡熱效率燃燒效率毛效率與凈效率,2024/4/1,28,3 鍋爐各項熱損失的確定,1.）機械不完全燃燒熱損失⑴燃煤鍋爐,

25、2024/4/1,29,⑵燃油鍋爐：碳黑粒子會污染受熱面，引起尾部再燃燒,1.）機械不完全燃燒熱損失,2024/4/1,30,2.）化學不完全燃燒熱損失,燃料燃燒時，CO，H2，CH4未來得及燃燒隨煙氣排出所造成的熱損失。,2024/4/1,31,3.）排煙與散熱損失（20%以上）,①排煙熱損失,2024/4/1,32,分析：排煙熱損失取決于排煙溫度和過量空氣系數(shù)；排煙溫度每升高12-15℃，排煙熱損失增加1%；空氣過剩系數(shù)每增

26、加0.1，排煙熱損失增加0.7%；10噸以上鍋爐排煙溫度應低于160℃,3.）排煙與散熱損失（20%以上）,2024/4/1,33,②散熱損失：經(jīng)驗選取，一般在2%-3%當鍋爐在滿負荷工作時：按下表查出,當鍋爐在非額定負荷工作時：按下式計算,2024/4/1,34,4.）燃煤爐灰渣物理熱損失(渣溫600-800℃帶走部分熱量),3 鍋爐各項熱損失的確定,2024/4/1,35,一 什么是和,1 概念熱力學第一定律：能量轉(zhuǎn)換過程

27、的數(shù)量關(guān)系。 實質(zhì)：能量可以互相轉(zhuǎn)換、傳遞，不同形 式的能量是等價的。,能量既不可能創(chuàng)造，也不可能消滅，只能從一種形式轉(zhuǎn)換成另一種形式。在轉(zhuǎn)換中，能的總量不變。,7.2.3.2 分析法,2024/4/1,36,一 什么是和,例如：摩擦過程：功可以自發(fā)轉(zhuǎn)為熱，但熱不能自發(fā)轉(zhuǎn)為功傳熱過程：熱量只能自發(fā)從高溫傳向低溫,2024/4/1,37,例如：自由膨脹過程：絕熱自由膨脹為

28、無阻膨脹，但壓縮過程卻不 能自發(fā)進行混合過程：兩種氣體混合為混合氣體是常見的自發(fā)過程,,,,,,p,p外,2,,1,,,,,,,p1,2,1,,p2,一 什么是和,2024/4/1,38,燃燒過程：燃料燃燒變?yōu)槿紵a(chǎn)物(煙氣),只要達到燃燒條 件即可自發(fā)進行。,功量,,摩擦生熱,熱量,100%,熱量,,發(fā)電廠,功量,40%,,放熱,一 什么是和,2024/4/

29、1,39,1 概念熱力學第二定律：能量轉(zhuǎn)換的方向、條件與限度。 實質(zhì)：能量非但有數(shù)量多少之分 還有質(zhì)量高低之別 結(jié)論： 能量在使用過程中不斷貶值、變廢，是能源危機主要原因。為了正確評價能源的價值，可以從能量“質(zhì)”的角度出發(fā)。,一 什么是和,2024/4/1,40, 有效能： 1873年J.W.Gibbs和1875年J.C.Maxwell 一種評價

30、能量價值的物理量 量和質(zhì)的角度評價能量 指明了合理用能的方向什么可以稱之為呢？如何描述？數(shù)值上是多少？,,,一 什么是和,2024/4/1,41,什么可以稱之為呢？ 以給定的環(huán)境為基準，理論上能夠最大限度轉(zhuǎn)換為“具有完全轉(zhuǎn)換能力的能量”的那部分能量，稱之為。 或(Ex）：系統(tǒng)任一狀態(tài)變化到與給定環(huán)境狀態(tài)相平衡時 所做的最大理論功。(Ax)：與的概念相反。

31、 凡一切不能轉(zhuǎn)換為的能量。,,一 什么是和,2024/4/1,42,二 分析,的實質(zhì)： 1）評價能量的統(tǒng)一尺度（”量”與”質(zhì)”）。 2）能量的“量”的大小， “質(zhì)”的高低。 無論是能量、熱、焓等，都不是滿意的量度，只有參數(shù)才是合適的量度。 1、可逆性分析 2、轉(zhuǎn)換能力分析,,2024/4/1,43,1、可逆性分析a)可逆過程：熵產(chǎn) 沒有功損失，能量不貶值，火用總

32、量保持不變。b)不可逆過程:熵產(chǎn) 出現(xiàn)功損，總量減少，?？偭坎粩嘣黾蛹床豢赡孢^程伴隨損。有三個命題： (A)在一切不可逆過程中，轉(zhuǎn)化為。(B)只有可逆過程， 才守恒。(C)由轉(zhuǎn)化為是不可能的。,,,,二 分析,2024/4/1,44,2、轉(zhuǎn)換能力分析根據(jù)能量轉(zhuǎn)換是否受熱力學第二定律制約，能量可以分為三類：第一，完全轉(zhuǎn)化能力的能量；(高級能量)機械能，電能，勢能，動能。 “質(zhì)”與“量”統(tǒng)一；

33、 第二，具有部分轉(zhuǎn)化能力的能量；(低級能量)熱能，物質(zhì)內(nèi)能。只能部分轉(zhuǎn)換。第三，完全不具有轉(zhuǎn)化能力的能量；(無效能)如環(huán)境溫度下的大氣、海洋、巖石所具有的能量，雖然它蘊藏的能量是無限大，但在環(huán)境條件下無法轉(zhuǎn)換為其他形式的能量。,,,,二 分析,2024/4/1,45,1 機械形式能量的第一，系統(tǒng)在熱力過程中沒有容積變化，與環(huán)境無功交換。機械能或電能完全能轉(zhuǎn)化為功。其有效能就是它本身。 式中，EX代

34、表，下標w代表是以功的形式傳遞，W表示以功的形式傳遞的任何一種機械能或電能；第二，系統(tǒng)在熱力過程中有容積變化，與環(huán)境有功交換。系統(tǒng)反抗環(huán)境壓力做功，這部分功屬于。系統(tǒng)的為：,,,三 能量的計算,2024/4/1,46,2 熱量和冷量溫度為T的恒溫熱源的熱量Q所能做的最大功量，由工作在T和環(huán)境溫度T0間的卡諾熱機效率決定：,,,,由的定義可知，熱量Q的 為：,,熱量Q的：,,,表明:熱能僅部分變?yōu)楠ⅲ粶囟?/p>

35、愈接近環(huán)境溫度， 所占比率越小。,三 能量的計算,2024/4/1,47,2 熱量和冷量取微元熱量為研究對象,熱量和在T－S圖上可表示為：,對于冷源，T<T0,但仍為正值，雖然,但相對冷源來說，體系實際是放熱，所以Q亦為負。,三 能量的計算,2024/4/1,48,分析結(jié)論：1、如何計算的數(shù)值： 1）恒溫：T為常量 2）變溫：2、熱源的溫度愈高，或冷源的溫度愈低，則值愈大；3、什么時候熱

36、量值為零？,,2 熱量和冷量,三 能量的計算,2024/4/1,49,四 封閉系統(tǒng)的,封閉系統(tǒng)的：任一封閉系統(tǒng)從紿定狀態(tài)以可逆方式轉(zhuǎn)變到環(huán)境狀態(tài)，并只與環(huán)境交換熱量時所能作出的最大有用功稱為給定狀態(tài)下封閉系統(tǒng)的。 封閉系統(tǒng)儲有的能量＝動能 ＋ 位能 ＋ 內(nèi)能 P、T、u、s P0、T0、u0、s0 給定狀態(tài) 環(huán)境狀態(tài) 封閉系統(tǒng)由給定狀態(tài)到環(huán)境狀態(tài)可能作

37、的最大功為 ，系統(tǒng)從環(huán)境吸熱 ，則封閉系統(tǒng)在此過程中的能量方程為： 對于可逆過程：則為：,,,,,2024/4/1,50,對于可逆過程：,則為：,即：,狀態(tài)1－2,為：,四 封閉系統(tǒng)的,2024/4/1,51,穩(wěn)定物流從任一給定狀態(tài)開口系統(tǒng)以可逆方式轉(zhuǎn)變到環(huán)境狀態(tài)，并且只與環(huán)境交換熱量時所能作出的最大有用功就是。。。穩(wěn)定流動方程：,,熵方程：,（可逆過程）,得到為：,五 穩(wěn)定流動系統(tǒng)的,已知環(huán)境中c=0

38、,z=0；積分后為：,2024/4/1,52,,已知環(huán)境中c=0,z=0；積分后為：,相應為：,,不考慮動能、位能時，,狀態(tài)1－2,五 穩(wěn)定流動系統(tǒng)的,2024/4/1,53,六 損失和衡算,思考問題： 的基本含義是 。 A、以環(huán)境為基準時系統(tǒng)的理論做功能力 B、實際過程中做出的最大功 C、系統(tǒng)由初態(tài)變化到與環(huán)境平衡狀態(tài)實際完成的有用功 任何實際過程都是由于不可逆因素

39、導致的損失。 分析可逆過程與不可逆過程中的總量的變化？ 的衡算：輸入系統(tǒng)的 ＝輸出系統(tǒng)的 ＋ 損失＋系統(tǒng)的變化,,,,,2024/4/1,54,1.封閉系統(tǒng)的衡算,為：,,,2024/4/1,55,1.封閉系統(tǒng)的衡算,,,其中：,,,當,＝ 0時，,故：,,2024/4/1,56,1.封閉系統(tǒng)的衡算,,分析： 1、 >0時，實際Wa小于可逆過程最大有用功。 2、不可逆因素引起的最大有用功的

40、減少就是損失。,2024/4/1,57,不可逆過程,的求解過程如下：能量衡算：,熱源熵變：,環(huán)境熵變：,帶入下式：,得到：,1.封閉系統(tǒng)的衡算,2024/4/1,58,2.穩(wěn)定流動系統(tǒng)的衡算,能量的衡算方程：,熱源給加熱系統(tǒng)的熱量：,物流焓流差：,損失：,對于多股流：,2024/4/1,59,分析一些不可逆穩(wěn)定流動過程的損失。1）有限溫差傳熱 2）絕熱節(jié)流過程損失,,絕熱、忽略動位能、無功量交換,溫差越大，

41、 損失越大。,2.穩(wěn)定流動系統(tǒng)的衡算,2024/4/1,60,3）不可逆絕熱壓縮（膨脹）過程 定壓過程,,2.穩(wěn)定流動系統(tǒng)的衡算,2024/4/1,61,七 效率及節(jié)能理論的新進展,1. 效率,不可逆過程引起的損失：,是非常寶貴的。實現(xiàn)生產(chǎn)活動：能量中有足夠的 。能量的合理利用就是能量中的合理利用。減少的損失是節(jié)能的關(guān)鍵。 用來衡量熱力學完善程度； 效率的由來？,2024/4/1,62,損系數(shù),損失

42、份額和利用份額的不同？,利用平衡方程式分析某些系統(tǒng)的損失，揭示其損失的部位、大小和原因，為改善過程的能量利用指出方向和途徑，這是進行分析的主要目的。命題： 輸入之和是耗費火用；輸出之和是收益火用。（×）,接近理想過程的程度 熱力學完善度,,1. 效率,2024/4/1,63,2. 節(jié)能理論的新進展,1) 損失的可避免性無能量的損失，但引起能量質(zhì)的降低。如溫差傳熱、節(jié)流、絕熱燃燒等。由于驅(qū)動力的存在，

43、 損失不可避免。因此，將損失劃分為兩部分： 可避免損失（AVO）和不可避免損失(INE),不可避免損失定義為技術(shù)上和經(jīng)濟上不可避免的最小損失。如果一個過程的損失小于其不可避免損失，要么技術(shù)上無法實現(xiàn)，要么經(jīng)濟不可行。因此，不可避免損失受到技術(shù)進步和經(jīng)濟環(huán)境的影響。實際效率：,2024/4/1,64,2. 節(jié)能理論的新進展,2) 熱經(jīng)濟學與以熱力學第一定律為基礎的焓分析方法相比、 分析方法對用能過程進行了

44、較全面的技術(shù)分析。然而，從工程角度出發(fā)， 分析方法得出的結(jié)論不能作為投資決策的依據(jù)、面只能作為指導性建議，這是因為分析方法還存在很多不足之處：第一； 分析方法屬于純技術(shù)分析，技術(shù)只能是獲取經(jīng)濟利益的工具，只有與經(jīng)濟分析相結(jié)合，達到技術(shù)與經(jīng)濟的統(tǒng)一之后，才能獲得工程應用；第二； 效率與過程的可逆程度有關(guān)，而可逆過程都是推動力無限小的過程速度極慢，產(chǎn)量極低；,2024/4/1,65,2. 節(jié)能理論的新進展,2) 熱經(jīng)濟學第三；

45、 值相同的物質(zhì)在價值上并不等價，如l kJ電、l kJ煤、l kJ蒸汽的價格是不等的。熱經(jīng)濟學就是一種集技術(shù)與經(jīng)濟于一體的分析方法。熱經(jīng)濟學的研究內(nèi)容是： 單價與能量品質(zhì)之間的關(guān)系；通過建立數(shù)學模型及求解，確定產(chǎn)品成本最低的條件，進而做出投資決策。,2024/4/1,66,2. 節(jié)能理論的新進展,3) 積累理論不合理的分析：電爐取暖和煤爐取暖的效率問題。煤是一次能源，電卻不是。自然資源是一次 。衡量上述問題時，應該考慮

46、到：一次能源煤——電能——熱能 而 一次能源煤——熱能兩個過程的能量轉(zhuǎn)換時，需要能量損失。結(jié)論：煤爐取暖優(yōu)于電爐取暖完整的全生命周期分析方法。從自然界存在的能源為出發(fā)點，衡量系統(tǒng)的各種因素（原料、能源、廢棄物、產(chǎn)品等），建立積累的能量衡算，以產(chǎn)品積累火用最小為目標函數(shù)，進行系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化分析。,2024/4/1,67,7.3 能源梯級利用,能源梯級利用（energy cascad

47、e use）：是能源合理利用的一種方式。由于熱能不可能全部轉(zhuǎn)換為機械功，因而，與機械能、電能相比，其品位較低。熱功轉(zhuǎn)換效率與溫度高低有關(guān)，高溫熱能的品位高于低溫熱能。一切不可逆過程均朝著降低能量品位的方向進行。能源的梯級利用可以提高整個系統(tǒng)的能源利用效率，是節(jié)能的重要措施。,2024/4/1,68,化石燃料的能源梯級利用,1 石油加工的工業(yè)體系,從利用石油資源增加經(jīng)濟效果來說, 石油化工生產(chǎn)利潤較高，在我國目前價格政策的情況下,

48、粗略的估計,作為燃料的石油加工工業(yè)的產(chǎn)值約為原油的兩倍,而石油化工產(chǎn)品的產(chǎn)值,即使在目前綜合利用率不高的情況下,合成纖維半成品的產(chǎn)值約為原油的六倍, 塑料和有機中間體的產(chǎn)值約為原料的八倍, 合成橡膠的產(chǎn)值約為原料的十二倍。作為能源,凡是可用煤的場合,應盡可能用煤。,2024/4/1,69,煤基多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的美好構(gòu)想,2 煤基多聯(lián)產(chǎn)---煤炭清潔利用的必然趨勢,煤的綜合利用,2024/4/1,70,3 熱電聯(lián)產(chǎn)和集中供熱,熱電聯(lián)產(chǎn)：發(fā)電廠

49、既生產(chǎn)電能，又利用汽輪發(fā)電機作功后的蒸汽對用戶供熱，是指同時生產(chǎn)電、熱能的工藝過程，較之分別生產(chǎn)電、熱能方式節(jié)約燃料。集中供熱：可選擇大容量高效率的鍋爐替代眾多低效高污染的小型鍋爐。在熱電聯(lián)產(chǎn)的建設中，從以燃煤為主的熱電廠向燃氣的熱、電、氣三聯(lián)供熱電廠發(fā)展；分布式熱電冷聯(lián)產(chǎn)也得到迅猛發(fā)展。,2024/4/1,71,3-1 以煤熱解為基礎的熱電氣多聯(lián)產(chǎn)技術(shù),將煤在熱解氣化爐中熱裂解析出揮發(fā)分, 產(chǎn)生的熱解氣可作為工業(yè)用氣和民用煤氣,

50、 熱解煤氣和焦油可通過進一步加工獲得苯、萘、蒽、菲及目前尚無法人工合成的多種稠環(huán)芳香烴類化合物及雜環(huán)化合物, 熱解產(chǎn)生的半焦可直接送到燃燒爐中, 作為燃料燃燒產(chǎn)生蒸汽, 可發(fā)電或供熱。,2024/4/1,72,3-1 以煤熱解為基礎的熱電氣多聯(lián)產(chǎn)技術(shù),2024/4/1,73,3-2 以煤部分氣化為基礎的熱電氣多聯(lián)產(chǎn)技術(shù),針對煤中不同成分實現(xiàn)分級利用,將煤部分氣化后所得的煤氣用作燃料或化工原料,剩下的半焦通過燃燒加以利用。,2024

51、/4/1,74,3-2 以煤部分氣化為基礎的熱電氣多聯(lián)產(chǎn)技術(shù),2024/4/1,75,3-3 以煤完全氣化為基礎的熱電氣多聯(lián)產(chǎn)技術(shù),煤在氣化單元完全轉(zhuǎn)化, 將固相炭燃料轉(zhuǎn)化為合成氣, 合成氣可以用于燃料、化工原料、聯(lián)合循環(huán)發(fā)電及供熱制冷, 實現(xiàn)以煤為主要原料, 聯(lián)產(chǎn)多種高品質(zhì)產(chǎn)品, 如電力、清潔燃料、化工產(chǎn)品以及為工業(yè)服務的熱力。,2024/4/1,76,3-3 以煤完全氣化為基礎的熱電氣多聯(lián)產(chǎn)技術(shù),技術(shù)特點,多種技術(shù)的有機結(jié)

52、合, 以目前已相對成熟的煤炭完全氣化技術(shù)為核心, 使煤炭在氣化爐中轉(zhuǎn)化為煤氣, 使得該技術(shù)在目前階段可與已成熟的技術(shù)相組合直接應用, 隨著合成氣其它利用技術(shù)的發(fā)展與成熟, 可對系統(tǒng)進行進一步的優(yōu)化組合;在系統(tǒng)中, 顆粒物、SO2 , NOX 和固體廢物等污染物 可以有效的得到控制。,2024/4/1,77,3-4 燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán),燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)利用了燃氣側(cè)高溫吸熱和蒸汽側(cè)低溫放熱的特點,使得聯(lián)

53、合動力裝置的總效率比常規(guī)的高參數(shù)純蒸汽動力裝置的效率(最高約為40%)高得多。由于聯(lián)合循環(huán)熱效率達55%和天然氣中含有大約25% (重量比)的氫氣這兩個因素，使得天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠單位發(fā)電量所產(chǎn)生的溫室氣體CO2減小了50％。 整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC）發(fā)電系統(tǒng)，是將煤氣化技術(shù)和高效的聯(lián)合循環(huán)相結(jié)合的先進動力系統(tǒng)。它由兩大部分組成，即煤的氣化與凈化部分和燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電部分。,2024/4/1,78,IGCC的特點,

54、1. 燃料的適應性廣。 2. 具有進一步提高效率的前景。 3. 優(yōu)良的環(huán)保性能。 4. 耗水量較少，節(jié)水效果顯著。 5. 充分利用煤炭資源，組成多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。 6. 宜大型化，并能與其他先進發(fā)電技術(shù)結(jié)合。 7．便于分段、分步建設電站。,3-4 燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán),2024/4/1,79,3-5 熱電冷三聯(lián)產(chǎn),熱電冷三聯(lián)產(chǎn)(CCHP)是一種將制冷、供熱( 包括采暖和熱水) 及發(fā)電一體化，建立在能量梯級利用基礎上的多聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng)，

55、可廣泛應用于同時具有電力、熱力、制冷需求的場所。燃料燃燒高品位的熱能通過汽輪機或燃氣輪機發(fā)電，低品位的能量可以根據(jù)用戶需要用來直接供熱，或者將此熱量通過吸收式制冷系統(tǒng)制冷，實現(xiàn)冷、熱、電的聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供。典型熱電冷三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)主要包括發(fā)電( 動力裝置和發(fā)電機) 、供熱( 余熱回收裝置) 和制冷等系統(tǒng)。,2024/4/1,80,CCHP的特點,能量利用效率高：傳統(tǒng)的大型發(fā)電廠的發(fā)電效率一般為 28%～43% ; 而三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)使能源利用效率從常

56、規(guī)發(fā)電系統(tǒng)的 40% 左右提高到 70%～80% ，甚至更高80% ～90% 輸變電投資減少供電可靠性提高：提高供電安全性；緩解電力高峰負荷環(huán)保性能突出，CCHP系統(tǒng)CO2排放僅為傳統(tǒng)能源系統(tǒng)30%～50%,3-5 熱電冷三聯(lián)產(chǎn),2024/4/1,81,7.4 余熱利用技術(shù),余熱分類,余熱資源按其溫度劃分可分為三類：,高溫余熱（溫度高于500℃的余熱資源） 中溫余熱（溫度在200-500℃的余熱資源） 低溫余熱（溫度低于20

57、0℃的煙氣及低于100℃的液體）,2024/4/1,82,1、高溫煙氣，其余熱應優(yōu)先由本設備或本系統(tǒng)加以利用。   2、余熱余能可利用來生產(chǎn)蒸汽或熱水，以及生產(chǎn)動力等。   3、進行企業(yè)綜合熱效率及經(jīng)濟可行性分析。  4、應對必須回收余熱的熱源載體，制定利用具體管理標準。,7.4 余熱利用技術(shù),余熱回收利用原則,2024/4/1,83,7.4 余熱利用技術(shù),余熱回收利用技術(shù),1

58、 換熱器2 熱管換熱器3 熱泵4 蓄熱器5 余熱鍋爐6 余熱發(fā)電,2024/4/1,84,1 換熱器,按工作原理，可以分成三種類型： 氣—氣換熱器 氣—氣換熱器在余熱利用中用得最多的是用煙氣余熱來加熱燃燒用空氣。也有的用煙氣余熱加熱燃燒用煤氣。管式空氣預熱器和回轉(zhuǎn)式空氣預熱器氣—液和液—液換熱器 氣—液換熱器通常是利用煙氣的余熱來生產(chǎn)熱水供采暖和生活用，或用來加熱鍋爐給水。也有用來加熱

59、有機流體作中間載熱介質(zhì)或供熱介質(zhì)。按傳熱方式分類 ，可分為：直接接觸式（混合式）蓄熱式間壁式,2024/4/1,85,接觸式換熱器,冷卻塔旋風預熱器澡堂蒸汽加熱器,2024/4/1,86,蓄熱式換熱器,回轉(zhuǎn)式空氣預熱器各種蓄熱室,2024/4/1,87,間壁式換熱器,管殼式（管板式、浮頭式、填料函式、U型管式）板式（板翅式、螺旋板式、波紋板式）管式（管箱式、套管式、噴淋管式）板殼式,2024/4/1,88,2 熱管換

60、熱器,熱管是60年代中期出現(xiàn)的一種高效傳熱元件。由熱管組成的換熱器具有體積小、重量輕、傳熱功率大、流阻低等優(yōu)點，在余熱回收利用中得到越來越廣泛的應用。,2024/4/1,89,3 熱泵,熱泵是利用逆卡諾循環(huán)的原理，使載熱工質(zhì)從低溫余熱中吸取熱量，并在溫度較高處放出熱量的熱回收裝置。熱泵的制造與制冷機相同，只是目的不同而已。由于熱泵能將低溫位熱能轉(zhuǎn)換成高溫位熱能，從而提高能源的有效利用率，因而是回收低溫位余熱的重要途徑之一。,2024/

61、4/1,90,4 蓄熱器,蓄熱器是鍋爐與使用蒸汽側(cè)兩者之間必要的儲存能量的“熱庫”，這就是蓄熱器所起的作用。當負荷波動劇烈，尖峰負荷與最低負荷反復出現(xiàn)時，對于生產(chǎn)蒸汽與使用蒸汽兩方面都是不經(jīng)濟的。有了蓄熱器，在鍋爐產(chǎn)生蒸汽富裕的時候，把蒸汽儲存起來，蒸汽不足的時候，再取出來使用。蓄熱器對鍋爐經(jīng)濟運行和有效的使用蒸汽兩方面都極其重要。,2024/4/1,91,5 余熱鍋爐,余熱鍋爐是回收和利用各種工業(yè)爐窯和石油化工工藝氣余熱的主要設備

62、余熱鍋爐利用廢氣為熱源，因此無需燃燒系統(tǒng)(除非有補燃要求)余熱鍋爐可在多壓狀態(tài)下產(chǎn)生蒸汽以提高熱回收效率熱傳導靠對流而不是靠輻射余熱鍋爐不采用膜式水冷壁結(jié)構(gòu)余熱鍋爐采用翅片管最大限度地強化傳熱,2024/4/1,92,余熱鍋爐的分類,1、使用場合分類，如燒結(jié)余熱鍋爐、加熱爐余熱鍋爐、合成氨余熱鍋爐、 硫酸余熱鍋爐等。2、按操作條件分類，如高溫高壓余熱鍋爐、中壓或低壓余熱鍋爐。3、按照汽水循環(huán)的特性分類，分為自然循環(huán)余熱鍋爐

63、、強制循環(huán)余熱鍋爐、直流式余熱鍋爐。4、按照傳熱管內(nèi)流通的介質(zhì)是煙氣或水可分，煙管式和水管式余熱鍋爐。5、按照布置形式分，可以分管殼式余熱鍋爐與煙道式余熱鍋爐6、按照安裝方式分，可分為立式余熱鍋爐和臥式余熱鍋爐,5 余熱鍋爐,2024/4/1,93,7.5 建筑節(jié)能,7.5.1 建筑節(jié)能的概念,1、定義 就一般而言，建筑節(jié)能是指在建筑材料生產(chǎn)、房屋建筑施工及使用過程中，合理的使用、有效地利用能源，以便在滿足同等需

64、要及達到相同目的的條件下，盡可能降低能耗，以達到提高建筑舒適性和節(jié)省能源的目標。,2024/4/1,94,2、含義 一是建筑節(jié)能涉及建筑物的整個生命周期過程，包含建筑的設計、建造、使用等過程；二是建筑節(jié)能的前提條件是在滿足同等需要及達到相同目的情況下，能源消耗減少，即不能通過減低建筑的舒適性來節(jié)能，如減少照明強度，縮短空調(diào)使用時間，這些都不是積極意義上的節(jié)能；三是建筑節(jié)能不能簡單地認為少用能，其核心是提高能源使用效率。,2024

65、/4/1,95,7.5.2 建筑節(jié)能的必要性及意義,1、必要性建筑能耗總量大（占總能耗1/3）節(jié)能建筑比例低（1％）城鎮(zhèn)民用建筑將增長舒適度要求提高（2020年全國制冷電力高峰將達到約1.8億KW，相當于10個三峽電站的滿負荷出力）,2024/4/1,96,2、意義,開展既有建筑的節(jié)能改造，有利于發(fā)展國民經(jīng)濟，啟動內(nèi)需，增加就業(yè)；有利于改善室內(nèi)熱環(huán)境，提高健康水平。有利于改善當?shù)卮髿猸h(huán)境有利于緩解地球變暖的威脅；是提高

66、經(jīng)濟效益的重要措施；,2024/4/1,97,7.5.3 建筑設計節(jié)能技術(shù),所謂建筑設計節(jié)能技術(shù)，就是在設計階段引入節(jié)能技術(shù)，使建筑物在以后的運行節(jié)能工作更好地開展。,1 建筑格局朝向設計節(jié)能技術(shù),坐北朝南，東西走向，圖中最佳為B,2024/4/1,98,2 外形結(jié)構(gòu)設計節(jié)能技術(shù),,,,,同體積建筑的5種不同的體形,,建筑物的體形系數(shù)就是指建筑物與室外大氣接觸的外表面積 A（m2）與其所包圍的體積 V （m3）的比值。外表面積中，不包括

67、地面和不采暖樓梯間隔墻和戶門的面積。在其他條件相同的情況下，建筑物耗熱量指標隨體形系數(shù)的增長而增長。研究表明，體形系數(shù)每增大 0.01 ，能耗指標大約增加 2.5％。從有利于節(jié)能出發(fā)，體形系數(shù)應盡可能地小，一般宜控制在0.30 及 0.30 以下。在相同體積的建筑中，以立方體的形體系數(shù)為最小,2024/4/1,99,表面面積系數(shù)與節(jié)能,所謂“表面面積系數(shù)”就是建筑物其他外表面面積之和 A1與南墻面面積A2之比，這一比值更能有效地反映建筑

68、體形對太陽能利用的影響，其中地面面積按其30％計入其他外表面面積A1中。建筑物的南墻面積就是建筑物面向南面的外立面積，如圖中，南墻面積就是正面朝向大家部分的面積,,長軸為東西向的長方形體形最好,2024/4/1,100,3 熱工參數(shù)優(yōu)化設計節(jié)能技術(shù),（1）定義 所謂建筑物熱工參數(shù)就是建筑物在制冷和供暖時的工作參數(shù)，它包括建筑物室外的熱工參數(shù)、建筑物本體的熱工參數(shù)、建筑物室內(nèi)的熱工參數(shù)。建筑物熱工參數(shù)的改變，對建筑物的能源消耗有較大的影