熱能節(jié)能基礎(chǔ)

本章內(nèi)容：能量轉(zhuǎn)換與平衡、能質(zhì)及有效能、有效能計(jì)算、有效能損失及有效能效率。

熱能利用是一個(gè)大的系統(tǒng)工程，它涉及能源的開采、加工、轉(zhuǎn)化、運(yùn)輸、儲(chǔ)存、使用和

回收等環(huán)節(jié)，限于篇幅和目的，本課程略去前五個(gè)環(huán)節(jié)，而主要對(duì)后兩個(gè)環(huán)節(jié)的分析與完善

進(jìn)行闡述，熱能利用的實(shí)質(zhì)是能源的轉(zhuǎn)換與熱能的傳遞。

如前所述，熱能利用的具體方式多種多樣，但從熱能形態(tài)的角度來(lái)看，則只有間接使用

和直接使用兩種方式。在這兩種方式中，都有能量的轉(zhuǎn)換與平衡。

2.1能量的轉(zhuǎn)換與平衡

自然界是由不斷運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)構(gòu)成的，而物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)形態(tài)是多種多樣的。物質(zhì)的每一種運(yùn)

動(dòng)都具有做功能力，即具有“能”。不同運(yùn)動(dòng)形式的能分別被稱為“機(jī)械能”、“熱能”、

“化學(xué)能”、“電能”、“光能”、“原子能”等。

1.能量轉(zhuǎn)換的形式

1)熱能提供各種化學(xué)反應(yīng)中還原過(guò)程所需熱量，物料加熱融化所需熱量，以及提供

生產(chǎn)工藝所需加熱源(水蒸氣等)。它主要是利用燃料的燃燒熱能，是企業(yè)消耗的最主要能

源之一。

2)機(jī)械能用于流體的輸送和壓縮如鼓風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)和泵等；物料的運(yùn)輸、提升、壓

延、破碎、機(jī)械加工等。機(jī)械能大部分是由電能轉(zhuǎn)換而來(lái)，也有利用蒸汽動(dòng)力裝置直接拖動(dòng)。

3)電能主要是通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，同時(shí)可提供照明、電熱等。但電能本身大多

數(shù)實(shí)際是由熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能、再由機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的。

4)化學(xué)能最常見的是燃料燃燒，將燃料蘊(yùn)藏的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成熱能，氧化反應(yīng)就是將

化學(xué)能轉(zhuǎn)換成熱能。這四種能量的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下表所列

輸入輸出能

能熱能化學(xué)能機(jī)械能電能

熱能傳熱吸熱反熱力發(fā)熱電

過(guò)程應(yīng)電機(jī)偶

化學(xué)燃燒化學(xué)反肌肉、電池

能過(guò)程應(yīng)滲透壓

機(jī)械摩擦機(jī)械傳發(fā)電

能動(dòng)機(jī)

電能電熱電解電動(dòng)機(jī)變壓

器

不同形式能量之間的轉(zhuǎn)換，有些是可能的，有些是不可能的，有些可以全部轉(zhuǎn)換，有些只能

部分轉(zhuǎn)換，有的在理論上正向逆向都可轉(zhuǎn)換，有的需要一定條件。例如，電能與機(jī)械能之間,

理論上可以百分之百地相互轉(zhuǎn)換，且都可以全部轉(zhuǎn)換成熱能。反之，熱能絕不可能百分之百

的轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。并且，熱能只可能由高溫處向低溫處傳遞。

由一次能源向常用形式的能源轉(zhuǎn)換及其裝置列于下表。

能源種類轉(zhuǎn)換方式轉(zhuǎn)換裝置

煤、石油等化學(xué)能f熱能燃燒裝置、

化石燃料、鍋爐

氫、酒精等化學(xué)能一熱能f機(jī)各種熱力發(fā)

二次燃料械能動(dòng)機(jī)

化學(xué)能->熱能f機(jī)熱力發(fā)電廠

械能T電能

化學(xué)能T熱能T電燃料電池、

能磁流體發(fā)

電、熱電發(fā)

電

水能、風(fēng)能、機(jī)械能-機(jī)械能水車、風(fēng)車、

潮汐能、油

浪能機(jī)械能T■電能水力發(fā)電

機(jī)、風(fēng)力發(fā)

電機(jī)

太陽(yáng)能光能T熱能太陽(yáng)能熱水

器

光能->熱能T機(jī)械太陽(yáng)能熱機(jī)

能

光能f熱能T機(jī)械熱力發(fā)電裝

能_>電能置

光能T熱能->電能熱電子發(fā)電

光能T電能太陽(yáng)能電

池、光化學(xué)

電池

地?zé)崮軣崮躥機(jī)械能T電蒸汽透平發(fā)

能電

核能核裂變T熱能f機(jī)現(xiàn)有核電站

械能T電能

核裂變f熱能T電磁流體發(fā)

能電、熱電子

發(fā)電

一次能源具有不同的特性。例如，太陽(yáng)能絕對(duì)數(shù)量極大，但輻射到地面上的能流密度很

小，且隨時(shí)間地點(diǎn)而變：水力資源能量比較集中，但受地域限制，就地不能全部利用，有?

個(gè)能量的儲(chǔ)存與輸送問(wèn)題；化石燃料具有現(xiàn)成的化學(xué)能，但不能直接利用，要通過(guò)燃燒轉(zhuǎn)變

成熱能才便于使用。H前，絕大多數(shù)一次能源都首先經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換成熱能形式或者直接使用，滿

足各種T藝流程和生活所需；或者通過(guò)熱機(jī)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為機(jī)械能和電能后再利用。經(jīng)過(guò)熱能

這個(gè)重要環(huán)節(jié)而被利用的能量，在我國(guó)占90與以上，世界各國(guó)平均也超過(guò)85船因此，分析和

研究熱能轉(zhuǎn)換的特點(diǎn)，對(duì)有效利用能量有著重要意義。

2.能量轉(zhuǎn)換的要求

在實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換時(shí)，對(duì)轉(zhuǎn)換裝置有以下幾項(xiàng)基本要求：

1）轉(zhuǎn)換效率要高。指轉(zhuǎn)爽后得到的能量（收益）與轉(zhuǎn)換前耗費(fèi)的能量（支付）之比?？梢?/p>

指一臺(tái)設(shè)備，也可以指一個(gè)系統(tǒng)。能量可以指數(shù)量而言，也可以指質(zhì)量而言（有效能）。例

如，煤氣的燃燒效率比煤要高得多，但是，城市煤氣多數(shù)也是由煤轉(zhuǎn)換而來(lái)。在比較轉(zhuǎn)換效

率時(shí)，要對(duì)燥T燥氣f熱能的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)與燥T熱能的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進(jìn)行比較才有意義。由于煤氣

的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的效率比煤直接燃燒的效率高，因此，城市的煤氣化是節(jié)能的一個(gè)重要方向。

2）轉(zhuǎn)換速度要快，能流密度要大。一般都希望能最轉(zhuǎn)換裝置用盡最緊湊的設(shè)備轉(zhuǎn)換更多的

能量。例如，一般的換熱雅希望換熱強(qiáng)度盡可能大，單位面積上傳遞的熱量盡可能多，可以

用最小的裝置滿足熱交換的要求。尤其在一些移動(dòng)式設(shè)備上，如汽車、火車等，要求裝置盡

可能緊湊。目前，內(nèi)燃機(jī)比燃料電池的轉(zhuǎn)換速度和能流密度都要大得多，所以燃料甩池還不

適于用在汽車上。

3）具有良好的負(fù)荷調(diào)節(jié)性能。一種能量轉(zhuǎn)換裝置往往需要根據(jù)用能一方的要求來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換

能量的多少，電能是調(diào)節(jié)最方便的二次能源，因此使用最為廣泛，為了調(diào)節(jié)負(fù)荷的需要，必

要時(shí)，需采用蓄能裝置。

4）滿足環(huán)境的要求和經(jīng)濟(jì)上的合理。燃燒過(guò)程的污染是造成環(huán)境污染的主要根源，防止燃

燒污染是當(dāng)前能量轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的重要課題。但是這一要求通常與經(jīng)濟(jì)性又有矛盾。太陽(yáng)能，風(fēng)

能等均為清潔能源，但是要大規(guī)模利用在經(jīng)濟(jì)上還不合理（成木太高）。所以應(yīng)當(dāng)把降低污

染與經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一作為努力的方向。

能量守恒定律通常又叫熱力學(xué)第一定律，因?yàn)槟芰康娜魏芜^(guò)程幾乎都伴隨著熱能的變

化。能量守恒定律、細(xì)胞學(xué)說(shuō)與進(jìn)化論并稱為19世紀(jì)三大發(fā)現(xiàn)。它表達(dá)了能量守恒這一自然

規(guī)律。即：能量可以由一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式，從一個(gè)物體傳遞給另一個(gè)物體，但在轉(zhuǎn)

換與傳遞過(guò)程中，能量的總量保持不變。在這一定律提出前，曾有很多人幻想制造出不消耗

任何能量卻能源源不斷得到機(jī)械能的永動(dòng)機(jī)，這類永動(dòng)機(jī)被叫作第一類永動(dòng)機(jī)，所以熱力學(xué)

第一定律又可以說(shuō)成：第一類永動(dòng)機(jī)是不可能制造成功的。

對(duì)任何能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，有

［輸入能量］-［輸出能量］=［貯存能量的變化］

1.對(duì)封閉系統(tǒng)。用Q表示輸入熱量，W表示輸出功量，AE表示貯存能量的變化（包括宏觀運(yùn)

動(dòng)的動(dòng)能、位能及熱力學(xué)內(nèi)能或焰），則封閉系統(tǒng)發(fā)生變化時(shí)，有

Q=AE+W

2.穩(wěn)定流動(dòng)開放系統(tǒng)。生產(chǎn)實(shí)際中的生產(chǎn)系統(tǒng)，在正常情況下，其物流和能流都可當(dāng)作穩(wěn)

定的，在忽略其宏觀動(dòng)能和位能的情況下，有

式中，Q=Qi-Qe,

W=W,L\Vi,

當(dāng)計(jì)入動(dòng)能與重力勢(shì)能的變化時(shí)，為

Q=AH+l/2mAv2+mgAZ+W

在一些設(shè)備內(nèi)，能量平衡往往可以簡(jiǎn)化。

1）換熱器內(nèi)

Q=AH

2）泵、壓縮機(jī)鼓風(fēng)機(jī)內(nèi)

△H=W

3）噴管內(nèi)絕熱穩(wěn)定流動(dòng)

AH=l/2mAv2

3.能量的貶值

能量在轉(zhuǎn)換與傳遞過(guò)程中雖然總的數(shù)量保持不變，但能量在使用中質(zhì)量卻是不斷下降

的。這一規(guī)律也是在大量的自然現(xiàn)象中得到的，被叫作然力學(xué)第二定律。

能質(zhì)=機(jī)械能/總能量

AFEX/E

處于某一狀態(tài)下的任何熱力系統(tǒng)，可逆地變化到與周圍環(huán)境狀態(tài)相平衡時(shí)，對(duì)外界所作

出的最大有用功稱為該熱力系統(tǒng)的有效能，以符號(hào)Ex表示，單位為［kJ］。單位質(zhì)量工質(zhì)的有

效能，稱為比有效能，以已x表示，單位為kJ/kg。

可逆變化只是熱力學(xué)上的理想假定，實(shí)際的任何過(guò)程都是不可逆的，但這一假定對(duì)于量

化分析能量的可用性有重大作用，所以這一定義有重要的理論和實(shí)際意義。

從上述定義出發(fā)，由熱力學(xué)第一定律和第二定律可以導(dǎo)出各種系統(tǒng)或工質(zhì)優(yōu)效能的計(jì)算

公式。這在工程熱力學(xué)中已有詳細(xì)論述，在此不多討論。

一份能量可以寫成

E=Ex+An

Ex表示有效能，An表示無(wú)效能，用總能量中可以轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的數(shù)量與總能量的比值來(lái)表示

能質(zhì)的大小

機(jī)械能、電能、化學(xué)能、核能等，都全部是有效能，無(wú)效能為零，因而其九都等于一，

都是高級(jí)能。

而環(huán)境中的能量全部是無(wú)效能，即其中Ex二0,人都等于0,熱能介于這兩種能之間。

2.3有效能的計(jì)算

有效能的計(jì)算在能源利用和節(jié)能中有著重要意義，根據(jù)實(shí)際的已知情況的不同，有效能

的計(jì)算可分為針對(duì)能流和針對(duì)物流而進(jìn)行。例如，換熱器中高溫的蒸汽通過(guò)冷凝而放熱，使

另一側(cè)的低溫流體吸熱。高溫側(cè)的熱流給定時(shí)，有效能計(jì)算就是針對(duì)能流進(jìn)行。當(dāng)高溫側(cè)熱

流沒(méi)有給定時(shí)，就要有高溫側(cè)的蒸汽的狀態(tài)變化來(lái)確定熱流，此時(shí)的有效能計(jì)算就是針對(duì)物

流有效能進(jìn)行。

1機(jī)械能、電能

動(dòng)能、勢(shì)能、彈性能、張力能等機(jī)械能和電能在無(wú)摩擦或無(wú)阻力時(shí)可全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣?，?/p>

全部是有效能

Ex.=W,E產(chǎn)W

Ex,表示以功的形式傳遞的有效能，W表示以功的形式傳遞的任何一種形式的機(jī)械能或電能。

其能質(zhì)

九=Ex/E=ExyW=l

2熱量的有效能

溫度為T的恒溫?zé)嵩吹臒峋所能做出的最大功最，由工作在溫度為T的熱源和溫度為T。

的環(huán)境之間的卡諾熱機(jī)決定。

卡諾熱機(jī)效率

H=l-To/T

EXQ=W=Q(1-TO/T)

如為變溫?zé)嵩?，即在放出熱量Q的過(guò)程中，熱源溫度由“變?yōu)?,則有

7；

EXQ=W=i(\-TQ/T)6Q

能質(zhì)

九=Ex/E=(1-To/T)^/(1-7b/T)6Q/Q<1

工

一、物流有效能組成及基本計(jì)算式

1.組成

對(duì)于沒(méi)有核、磁、電與表面張力效應(yīng)的過(guò)程，穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程物流的有效能Ex由以下四個(gè)

部分組成：動(dòng)能Ex」、勢(shì)能Ex”、物理Exph、化學(xué)Ex<h。

物體的動(dòng)能和勢(shì)能可全部轉(zhuǎn)化為功，因此，物體的動(dòng)能和勢(shì)能都是有效能。

物體因溫度和壓力與環(huán)境不同而具有的有效能為物理有效能。

物體因化學(xué)組成不同，可發(fā)生化學(xué)反應(yīng)達(dá)到與環(huán)境平衡而具有的有效能為化學(xué)有效能。

通常，物體化學(xué)有效能的做功過(guò)程包括化學(xué)反應(yīng)和物理擴(kuò)散兩個(gè)過(guò)程?；瘜W(xué)反應(yīng)是將原

物體的物質(zhì)轉(zhuǎn)化成環(huán)境物質(zhì)一一基準(zhǔn)物，物理擴(kuò)散是將生成的基準(zhǔn)物濃度調(diào)節(jié)(擴(kuò)散)至環(huán)

境的濃度。

例如，要確定溫度為1273K,壓力為1.OMpa的CO氣體的做功能力。假定環(huán)境溫度T°為298K,

壓力P。為0.l()13MPa。我們先將CO的溫度降至298K,放出的熱量可用卡諾熱機(jī)做功，然后再

將其通過(guò)膨脹機(jī)等溫可諾做功。這樣C0就達(dá)到與環(huán)境在溫度與壓力上的平衡，其物理有效能

就都放出了。

此后，C0還可還可與環(huán)境中的氣進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，放出熱量通過(guò)卡諾熱機(jī)做功，生成的

CO」分壓力比環(huán)境中的C0?分壓力大，還可通過(guò)膨脹機(jī)做功，這兩項(xiàng)就組成了其化學(xué)能。

因此，物流的有效能為

Ex=Exd+Ex;,+Exph+Exch

通常，稔定流動(dòng)系統(tǒng)流體的進(jìn)出口動(dòng)能與勢(shì)能的變化都很小，因此動(dòng)能有效能和勢(shì)能有效能

往往可忽略不計(jì)。

2.物流有效能的基本計(jì)算式

處于某一狀態(tài)的物流，可逆地變化到與環(huán)境相平衡時(shí)所能做出的最大功為物流的有效

能。對(duì)物理有效能和化學(xué)有效能都適用。

物流從自己的狀態(tài)P,T,H,S變到與環(huán)境相平衡的狀態(tài)To,Ho,So,不考慮動(dòng)能與勢(shì)能的

有效能。

首先，在一相應(yīng)設(shè)備內(nèi)可逆變化，放熱膨脹做功，變至環(huán)境狀態(tài)，此設(shè)備可由一卡諾熱

機(jī)和一膨脹機(jī)組成，則物流的能量方程為

Qi=H-Ho-W.

此熱量又可通過(guò)卡諾熱機(jī)做一部分功

Q1=W2+QO

H=HD+WI+WZ+Q。

Ex=W1+W2=H-HO-QO

ASa二AS體+AS環(huán)=S°—S+Q°/TO=O

Qo=To(S—So)

該式由熱力學(xué)第二定律而來(lái)。

Ex=H-Ho-To(S-So)

對(duì)單位物流則為

ex=h-ho-To(s-so)

能質(zhì)

X=(H-Ho-To(S-So))/(H-Ho)

上式對(duì)物流的物理有效能與化學(xué)有效能的計(jì)算都適用。

當(dāng)體系從某一狀態(tài)1變化到另一狀態(tài)2時(shí)，其有效能的變化即為此兩個(gè)狀態(tài)的有效能之差

AEx=HI-H2-TO(SI-S2)O

1)溫度有效能一物體因具有一定的溫度而具有的最大的做功能力，對(duì)單位質(zhì)量或體積

dh=cPdT

ds=8q/T=c1,dT/T

當(dāng)定壓比熱容近似為常數(shù)時(shí)，有

如果物體溫度從「變到T2,則其有效能變化4ex,為

如果質(zhì)量或體積己知，則各種情況下的有效能乘以質(zhì)量或體積即為總值。如總質(zhì)量為心則

ExT=meXT

2)潛熱有效能

相當(dāng)于恒溫?zé)嵩?，r為潛熱，對(duì)單位工質(zhì)，其有效能為

而其總能量即為r,故

3)壓力有效能

指氣體物質(zhì)溫度與環(huán)境相同，壓力P與環(huán)境做不同時(shí)所具有的有效能，考慮單位氣體。

i)開口系統(tǒng)

在這一變化過(guò)程中，氣體能量方程為

Q=AH+W

對(duì)理想氣體，溫度不變，焙也不變，故

Q=W

對(duì)單位氣體

故

式中Rg為氣體常數(shù)J/(kg.K)。

當(dāng)氣體壓力從R變到也時(shí)，有效能的變化

ii)封閉系統(tǒng)

對(duì)于封閉體系中的氣體，處于T。,p,V的狀態(tài)，它等溫可逆膨脹的功

式中n為摩爾數(shù)，R為摩爾氣體常數(shù)，R=8.314J/(mol.K),

4)混合氣體有效能

氣體的混合過(guò)程是不同分子相互擴(kuò)散的過(guò)程，是一個(gè)不可逆過(guò)程，系統(tǒng)的總上增大，可

用能減少。設(shè)混合前兩種氣體具有相同的溫度T和壓力P，分別由nl摩爾(mol)和n2摩爾(mol)。

混合前總的有效能為

EX=EXI+EX2

而兩種成分各自的有效能分別為

混合后的溫度和總壓力不變，分壓力分別為pi和S，則混合物的有效能分別為

E；|=』Cp|(T—To)—CpEln；+RTo】n叫Ex2=n/cp2(T-To)-cp2T0In+RT0In

,0PoJL1。Po_

則混合后的總有效能為

對(duì)一摩爾混合氣

物理有效能在化工單元操作中的加熱、冷卻、壓縮、和膨脹等過(guò)程只需考慮物理有效能。

計(jì)算時(shí)，利用熱力學(xué)圖表或公式求得系統(tǒng)的H和S及其II。和S。，代入物流有效能計(jì)算式即

可。

二、化學(xué)有效能

因環(huán)境模型尚未統(tǒng)一，目前一般通過(guò)計(jì)算物體狀態(tài)和環(huán)境狀態(tài)的焙差及端差，再代入有

效能的定義公式來(lái)計(jì)算。

2.4有效能損失及有效能效率

對(duì)一個(gè)體系、一個(gè)過(guò)程做出物料和能量平衡，求出其有效能后，可以進(jìn)行有效能衡算，

確定其有效能損失，查明有效能轉(zhuǎn)化、傳遞、利用和損失的情況，以便確定節(jié)能改造的最佳

途徑，達(dá)到合理用能的目的。在完全可逆的情況下，理論上對(duì)某一耗能產(chǎn)物做有效能衡算，

可以確定該產(chǎn)品的理論能耗或過(guò)程的理想功，作為衡量實(shí)際能耗的理論依據(jù)。

實(shí)際過(guò)程都是不可逆過(guò)程，都要引起有效能的損失，因此有效能衡算與能最衡算不一樣。

對(duì)一個(gè)系統(tǒng)或一個(gè)過(guò)程，輸入的有效能與輸出的有效能相差一個(gè)數(shù)，這個(gè)差值就是有效能的

損失。根據(jù)過(guò)程的特點(diǎn)，此差值有大有小，

1.直接計(jì)算法

直接通過(guò)計(jì)算過(guò)程各物流和能流的有效能來(lái)計(jì)算有效能的進(jìn)出口之差，即為有效能損

失。

Ex恨火=ZExin

2.間接計(jì)算法

在很多情況下，直接計(jì)算法往往很麻煩，這時(shí)采用間接法往往簡(jiǎn)單明了。有效能損失是

由過(guò)程的不可逆性造成的，這反映在一定環(huán)境條件下，過(guò)程燃的增大上。

Ex損失=T°AS總

如過(guò)程完全可逆，沒(méi)有效能損失，則年產(chǎn)1，

如過(guò)程完全不可逆，貝心力0，

一般過(guò)程介于兩者之間，

例1：有一鍋爐，燃燒氣