正文课件第一章导论

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1、第一章 导 论,1.1 能源(热能)及其利用,1.3 能量转换与利用的基本定律,1.2 能源利用与循环经济,1.4 能源有效利用的评估,1.5 热能与动力装置的组成和工作条件及基本要求,1.7 热能与动力技术和环境,1.6 动力机械与动力传动,你知道吗: 能源有多少种，如何转变成可用的能量？ 能源利用的设备,如汽油机、锅炉、汽轮机、喷气发动机、制冷是如何工作的？有共同的规律吗？ 如何来使用它们为人类服务？ 本章，就将围绕能源及其有效利用这一中心，讲解共同性的内容：,能源、能量利用的概念； 能源利用与经济的关联度; 能量转换与利用的基本定律； 如何评估能源的有效利用； 热能与动力装置的工作条件几

2、及基本要求； 热能利用中的环境问题。,1.1 能源(热能)及其利用,1.1.1 能源及其分类 1能源可以直接或经过转换而能获得某种能量的自然资源。 2分类 1）能源按其形成和来源大致可分为三大类 第一类来自太阳的能量，有煤炭、石油、天然气、生物质能、水能、风能、海洋能、（直接的）太阳辐射能等。 第二类是来自地球本身的能量，有地热能、核燃料 (即原子能)。 第三类是月球和太阳等天体对地球引力作用所产生的能量，如潮汐能。,2）按是否经过转换来分 一次能源凡自然界现已存在的、并可直接取得而不改变其基本形态的能源，有水能、太阳能、生物质能、风能、地热能、海洋能等可再生能源。 煤炭、石油、天然气、核燃料

3、等非再生能源。 二次能源由一次能源经过加工或转换而成为另一种形态的能源产品，如电力、蒸汽、焦炭、煤气、氢气、各种石油制品等等。此外，在生产过程中排出的余能、余热，如高温烟气、可燃废气、排放的乏汽和有压流体。,3）按能源利用状况来分 常规能源煤炭、石油、天然气和水能等。 新能源结合我国的国情，有太阳能、地热能、生物质能、风能、海洋能、核能、氢能等(图1-1)。 4）按能源的性质来分 燃料能源凡须经过燃烧或反应才能被利用的，有矿物燃料、生物燃料(柴草、沼气等)、化工燃料(丙烷、甲醇、酒精等)、核燃料四种。 非燃料能源水能、风能、潮汐能、地热能、海洋能和太阳光能等。,图1-1 多种新能源,1.1.2

4、 能量的形式 能量产生某种效果或变化的一种能力，它是为能源所拥有的。而且，产生某种效果或变化的过程必然要伴随着能量的消耗和转化。例如，煤燃烧发生热，在这一过程中，可燃物质的化学能以热能的形式释放。 能量的形式可分为六种： 机械能。它包括物质的动能、势能、弹性能及表面张力能等。 热能。它是与构成物质的原子和分子的运动(振动)有关的一种能量。它的宏观表现是温度的高低。热能是一种基本的能量形式，所有其他能量形式都能完全转换为热能。,电能。它是和电子的流动和积累有关的一种能。电能也能方便而有效地转换为其他形式的能。 辐射能。也称电磁能。这种能量仅以传递如光速变迁能量的形式存在。辐射能常依电磁波的波长分

5、为几种不同的电磁射线，热辐射是其中一种由原子振动而产生的电磁能，包含紫外线、可见(光)射线和红外线。 化学能。这是一种仅以贮存能的形式存在的能量，当不同物质的原子和(或)分子相结合时释放出来。 核能。核能(原子能)又是一种仅以贮存能形式存在的能量形式。它是蕴藏在原子核内部的能量，又称核内能。核裂变和核聚变反应可释放大量能量，有广阔的应用前景。,1.1.3 热能的发生 热能的发生途径： 1直接产生，如地热能和海洋热能； 2通过转换产生，方法有 化学能的转换。 通过燃料中可燃质的发热化学反应即燃烧反应，使它们的化学能转换成热能释放出来。,电能的转换。 根据焦耳效应，因电路中电阻的存在，电流流过时必

6、产生热。 辐射能的转换。 这主要是指能使被照射的物体产生热效应的热辐射。 核能的转换。 这主要是指在核裂变和核聚变反应中，大量的核能释放转换成热能。 机械能的转换。 这一典型过程就是摩擦，通常由此产生的热能都不能被利用。,1.1.4 热能的储存、传递与转换 1储存热能是可以储存的能量形式之一。热能的储存有三种基本方式： 显热贮存。这是利用升高固体或液体的温度来蓄热。 潜热贮存。当物体发生相变时会吸收或释放大量的热，实际应用中通常是利用材料从固体到液体的相变蓄热。 热化学法储存。其特点是利用化学反应或浓度差或化学结构变化，将热能转换为化学能。,2传递热能也是可以输送和传递的。热能常依靠携带能量的

7、物质通过管道实现远距离输送。热能可以利用换热器这种热传递装置进行不同工作物质和温度水平之间的热传递。 3转换人类利用的各种形式的能量基本上都是由一次能源经过一次或多次转换而来的。表1-1显示了各种能源的不同能量间的转换。 对于热能，通过一次转换可成为三种能量形式： 机械能，如推动内燃机、汽轮机。 电能，如热电发电。 化学能，如吸热反应。,1.1.5 热能的利用 热能在一些主要工农业方面的应用，如： 1)电力工业，如燃烧煤、天然气、油等火力发电及使用核燃料的核发电等。 2)钢铁工业，如平炉、转炉、电炉炼钢，轧钢加热炉、高炉炼铁等。 3)有色金属工业，如铝、铜等各种有色金属的冶炼。 4)化学工业，

8、如酸、碱、合成氨等生产过程。,5)石油工业，如油的开采、炼制、输送等。 6)建材工业，如水泥、陶瓷等行业中各种窑炉的大量耗热。 7)机械工业，如各种设备制造过程中所需要的铸造、锻压、焊接等。 8)轻纺工业，如造纸、制糖、化纤、印染等过程中需要消耗大量蒸汽。 9)交通运输，如汽车、火车、船舶、飞机等的动力拖动。,10)航天领域，如宇宙飞船、航天飞机等火箭的推进。 11)农业及水产养殖业，如电力灌溉、温室培植、鱼池加温等。 12)生活需要，如供暖、空调、烹饪等。 有关热能利用方面需要关注两大问题： 提高能源利用率。 减少环境污染。在全社会的持续发展中，这是首要关注的问题。,1.2 能源利用与循环经

9、济、低碳经济,1.2.1我国能源利用所面临的挑战 我国是能源资源的大国，但是人均拥有量的小国； 能源生产和消费的大国，但却是利用效率不高的“小国”。 总体能源利用率只有33%左右，单位GDP能耗是世界平均水平的1.9倍、发达国家的3倍至4倍，约67%的能源在工业生产中被直接排放。我们不能以消耗大量能源为代价来获得经济的小幅增长(插图1-1).,插图1-1,我国正处在工业化和城镇化的发展阶段，需要大量的能源为支撑。我国的能源面临着严峻的挑战: 1.总量需求的巨大压力 我国已是全球第一大煤炭消费国和第二大石油、电力消费国。到2050年，我国的能源消耗总量起码要控制在65亿吨标准煤以内。 2.能源安

10、全问题日趋突出 我国已经成为煤炭、石油、天然气和铀资源全品种的净进口国，总体对外依存度超过10%，其中石油对外依存度近60%，天然气超过30%。 3.生态环境日益恶化 长期高强度的煤炭资源开采严重影响矿区及周边,地区的土地资源、水资源和生态环境. 目前我国有30%40%的地区出现酸雨现象. 近年来，雾霾问题更成为举国之痛.已影响到我国25个省份，受影响人口达6亿。予计到2015年，我国化石能源的利用比例还高达92%以上（见图1-2）。 4. 温室气体减排压力空前严峻 目前我国温室气体排放已居世界第2位，温室气体的排放量还会继续增加。 总体来看，我们在资源的开发和利用上都是粗放式的，这不仅造成浪

11、费，还会带来更严重后果。 我们在经济发展上应该遵循循环经济和低碳经济的模式，以保持社会的可持续发展。,图1-2 2015年我国能源利用比例(预测),1.2.2循环经济与低碳经济的含义 传统经济的模式: 由“资源产品污染排放”所构成的物质单向流动的线性经济(图13). 特征是: “高开采、低利用、高排放”。 后果是: 引发全球资源枯竭、环境恶化，带来 种种人类生存和社会发展的问题。 循环经济(现代经济)的模式: 减量化再使用再循环(资源化)的物质循环流动的循环经济. 特征是: “低开采、高利用、低排放”。,后果是: 社会可持续发展. 图1-3 传统经济与循环经济模式图,低碳经济的模式: 以低能耗

12、、低污染、低排放为基础的经济模式. 是新世纪新阶段应对气候变化而催生的经济发展模式 低碳经济的实质: 能源高效利用、清洁能源开发和追求绿色GDP 循环经济的实质: 减少资源消耗和减轻环境恶化。 是适应工业化和城市化全过程的经济发展模式. 低碳经济是循环经济理念在能源领域的延伸，循环经济是发展低碳经济的基础。对我国均必须.,1.2.3 循环经济模式与低碳经济施行现状 目前世界各国发展循环经济可归纳为四个阶段和四种模式： 单一企业内部的循环经济模式 区域生态工业园区模式 城市层面上的循环经济发展模式 全社会的循环经济模式，把整个社会建成循环型社会,我国十分重视发展循环经济， 2009年1月1日就开

13、始施行循环经济促进法。如，2006年国家发改委等六部委正式起动了曹妃甸工业区、天津经济技术开发区等十三个国家循环经济试点园区的工作。 通过试点，总结凝炼出包括区域、园区和企业3个层面的60个循环经济典型模式（在能源利用上都体现了低碳）案例。 2015年4月又印发了2015年循环经济推进计划.,1.2.4 能源的合理有效利用原则 为保障我国国民经济的稳定、持续发展，建立起资源节约型、环境友好型的社会，必须发展与推行循环经济，在能源利用上要遵循低碳经济。因而，对于能源的合理、有效利用应遵循以下原则： 最小外部损失原则。 高能源利用效率原则。 最佳推动力原则，使过程在最佳热力势差（温度差、压力差、化

14、学位差等）推动下完成。,回收利用原则。 综合利用原则。 节约优先，适度消费原则。 积极开发与利用可再生能源和清洁能源的原则，以减少不可再生能源和易污染能源的消耗和污染。,1.3 能量转换与利用的基本定律,1.3.1 热力循环 热力循环就是工质从某一热力状态起始，经过一系列状态变化后又回到原来初始状态的热力过程。在状态参数坐标图上，循环成为一封闭曲线，如，图14。 循环有正循环和逆向循环之分。,图1-4 循环在p-v图上表示,正循环（热机循环）如图1-1所示，当循环按顺时针1a2b1的方向时。该循环净功大于零，即 （| w1a2| w2b1|） 0，如，实现火力发电的循环。 逆向循环当循环按逆钟

15、向即1b2a1进行时。该循环净功(|w1b2| w2a1|)0,如，制冷循环。 工程上实际的热力循环有多种形式(如，单一工质的水蒸汽热力发电循环；双工质的水蒸汽-燃气热力发电循环)，但从其进行的总方向或总结果来看可分属这两种或为这两者的复合。,1.3.2 热力学第一定律 热力学第一定律就是能量转换与守恒定律在伴有热效应的物理及化学等过程中的应用，它广泛地适用于热能和其他能量形式之间的转换。 今以一简单的具有代表性的例子说明热能向机械能 的转换。图1-5表示一个热力系，根据能量守恒与转换定律，工质能量的增量E必等于工质从外界吸收的热量Q和工质的膨胀作功W之差 EQW 或 QEW 该式就是热力学第

16、一定律的数学表达式。,图15 气体受热膨胀作功,对于图1-5，可忽略工质宏观的动能和位能变化。 这样，则 QUW 对于微小变化过程，则有 QdUW 如工质为单位质量，则上式为 qduw,图1-5所示的热力系为闭口系。工质的膨胀功大部分用于推动重块，对外界作出有用功Wu。少量用于克服大气压力所作功为大气压力p0与体积变化V之乘积，即p0V，因它不用于推动重块，故称无用功。它们的关系可以表达为 Wu = W- p0V 当工质的膨胀为可逆过程时，则,工程应用的热力设备中能量转换情况概念性地表示 于图1-6，并讨论其能量转换与守恒问题。对于这样的稳定流动系统，能量变化有： 热力学能变化 动能变化 重力位能变化,图1-6 稳定流动热力系,工质