第二能源的转换与利用.ppt
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1、第二章 能源的转换与利用,第一节 能量转换的基本原理 第二节 化学能转换为热能 第三节 热能转换为机械能和电能 第四节 能量的传输 第五节 能量的储存,返回总目录,第一节 能量转换的基本原理,概述,从热力学的角度看,能量是物质运动的度量,运动是物质的存在的方式,因此一切物质都有能量。,能量守恒与转换定律,能量守恒和转换定律指出:“自然界的一切物质都具有能量;能量既不能创造,也不能消灭,而只能从一种形式转换成另一种形式,从一个物体传递到另一个物体;在能量转换与传递过程中,能量的总量恒定不变。”,能量相互转换,热力学第一定律:能量守恒 系统的内能=系统吸收的热量+对系统做功,James Joule
2、 (18181889),任何处于平衡态的热力学系统都有一个状态参数U(内能)。系统从一个平衡态变化到另一个平衡态时,内能等于系统吸收的热量和系统对外做功之和。,热力学第一定律,能量贬值原理,能量不仅有量的多少,还有质的高低。热力学第一定律只说明了能量在量上要守恒,并没有说明能量在“质”方面的高低。,自然界进行的能量转换过程是有方向性的。 不需要外界帮助就能自动进行的过程称为自发过程,反之为非自发过程。自发过程都有一定的方向。,水总是从高处向低处流动,气体总是从高压向低压膨胀,热量总是从高温物体向低温物体传递,热量传递有方向性,热力学第二定律的克劳修斯说法,不可能把热量从低温物体传到高温物体而不
3、引起其他变化。,热力学第二定律的克劳修斯说法,为了将热量从冷态输送到热态,您需要一个装置,例如热泵或冰箱,持续做功。,热力学第二定律的 开尔文 普朗克说法,不可能从单一热源吸取热量使之完全转变成功而不产生其他影响。,热力学第二定律的实质就是能量贬值原理。 热力学第二定律深刻地指明了能量转换过程的方向、条件及限度。,能量转换的效率,根据能量贬值原理,不是每一种能量都可以连续地、完全地转换为任何一种其他形式的能量。 各种不同形式的能量,按其转换能力可分为三大类: (1)无限转换能(全部转换能),如电能、机械能、水能、风能、燃料储存的化学能等; (2)有限转换能(部分转换能),如热能、流动体系的总能
4、 ; (3)非转换能(废能)。,在能量利用中热效率和经济性是非常重要的两个指标。 由于存在着耗散作用、不可逆过程以及可用能损失,在能量转换和传递过程中,各种热力循环、热力设备和能量利用装置的效率都不可能达到100%。,Energy efficiency of some common energy conversion device,火电站的能量转换效率是多少?,Overall efficiency: 88% 46% 98% = 40%,第二节 化学能转换为热能,概述,燃料燃烧是化学能转换为热能的最主要方式。 能在空气中燃烧的物质称为可燃物,但不能把所有的可燃物都称作燃料(如米和沙糖之类的食品)
5、。 所谓燃料,就是能在空气中容易燃烧并释放出大量热能的气体、液体或固体物质,是能在经济上值得利用其发热量的物质的总称。 燃料通常按形态分为固体燃料、液体燃料和气体燃料。,天然的固体燃料有煤炭和木材;人工的固体燃料有焦炭、型煤、木炭等。其中煤炭应用最为普遍,是我国最基本的能源。 天然的液体燃料有石油(原油);人工的液体燃料有汽油、煤油、柴油、重油等。 天然的气体燃料有天然气,人工的气体燃料则有焦炉煤气、高炉煤气、水煤气和液化石油气等。,固体燃料,液体燃料,气体燃料,燃料燃烧必须具备的条件,必须有可能燃烧的可燃物(燃料); 必须有使可燃物着火的能量(或称热源),即使可燃物的温度达到着火温度以上;
6、必须供给足够的氧气或空气(因为空气中也含有助燃的氧气)。,通过燃料燃烧将化学能转换为热能的装置称为燃烧设备,锅炉,不同燃料的燃烧特点,煤的燃烧 油的燃烧 气体燃料的燃烧,煤的燃烧,煤的燃烧基本上有两种:第一种是煤粉悬浮在空间燃烧,称为室燃或粉状燃烧;第二种就是煤块在炉排上燃烧,称为层燃或层状燃烧。,煤的燃烧技术,目前煤的燃烧方式主要是煤粉燃烧和流化床燃烧。我国大型锅炉和工业窑炉大多采用煤粉燃烧。 为了提高煤炭燃烧的效率和减少污染,发展了许多先进的燃烧技术,如煤粉燃烧稳定技术,包括各种新型的燃烧器,煤粉低氮氧化物燃烧技术,高浓度煤粉燃烧技术,流化床燃烧技术等。,油的燃烧,油的燃烧方法有内燃和外燃
7、两种方式。 所谓内燃,是在发动机气缸内部极为有限的空间进行高压燃烧,是一种瞬间的燃烧过程。 所谓外燃,就是不在机器内部燃烧,而在燃烧室内燃烧,并直接利用燃烧发出的热量,如锅炉、窑炉内进行的燃烧。 油燃烧的全过程包含着传热过程、物质扩散过程和化学反应过程。,油的燃烧技术,油是最常用的液体燃料。 油的燃烧实际上包含了油加热蒸发、油蒸气和助燃空气的混合以及着火燃烧三个过程。,为了实现油的高效低污染燃烧,应从以下来两方面着手: (1) 提高燃油的雾化质量; (2) 实现良好的配风 。,气体燃料的燃烧,气体燃料的燃烧可以分为容器内燃烧和燃烧器燃烧,它们和油的两种燃烧方式相近。 气体燃料的燃烧过程包括三个
8、阶段,即混合、着火和正常燃烧。,气体燃料的燃烧技术,气体燃料燃烧的效率主要取决于气体燃料燃烧器。对气体燃烧器的基本要求是: 不完全燃烧损失小,燃烧效率高; 燃烧速率高,燃烧强烈,燃烧热负荷高; 着火容易,火焰稳定性好,既不回火,又不脱火; 燃烧产物有害物质少,对大气污染小; 操作方便,调节灵活,寿命长,能充分利用炉膛空间。,常用的气体燃烧器有扩散式燃烧器;另一种是预混式燃烧器;此外还有一种部分预混式燃烧器,,第三节 热能转换为机械能电能,概述,将热能转换为机械能是目前获得机械能的最主要的方式。 热能转换成机械能的装置称为热机。因为热机能为各种机械提供动力,故通常又将其称为动力机械。 应用最广泛
9、的热机有内燃机、蒸汽轮机、燃气轮机等。,蒸汽轮机,蒸汽轮机,简称汽轮机,是将蒸汽的热能转换为机械功的热机。 汽轮机单机功率大、效率高、运行平稳,在现代火力发电厂和核电站中都用它驱动发电机。汽轮发电机组所发的电量占总发电量的80%以上。 此外汽轮机还用来驱动大型鼓风机、水泵和气体压缩机,也用作舰船的动力。,汽轮机发电过程,汽轮机示意图,汽轮机如何工作,Gas flow through the turbine,The diameter of the compressor stages gets progressively smaller as the gas pressure rises. Con
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