第二章 能源的转换与利用

第二章能源的转换与利用

第一节能量转换的基本原理

1 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。

2 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。”

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

3 热力学第一定律

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。

4 能量贬值原理

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。

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。

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

4 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引起其他变化。

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。

5 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。

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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。

6 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；

（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%。

7 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

1 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）。

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。

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2 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；

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

3 不同燃料的燃烧特点

煤的燃烧

油的燃烧

气体燃料的燃烧

4 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。

5 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。

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6 油的燃烧

油的燃烧方法有内燃和外燃两种方式。

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。

7 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 。

8 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阶段，即混合、着火和正常燃烧。

9 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

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第三节 热能转换为机械能电能

1 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。

应用最广泛的热机有内燃机、蒸汽轮机、燃气轮机等。

2 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

3 燃气轮机

燃汽轮机和蒸汽轮机最大的不同是，它不是以水蒸气作工质而是以气体作工质。燃

料燃烧时所产生的高温气体直接推动燃汽轮机的叶轮对外做功，因此以燃汽轮机作为热机的火力发电厂不需要锅炉。

它包括三个主要部件：压气机、燃烧室和燃气轮机。

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