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这门学科既古老,又因为节能成为人类关注的焦点而生机勃勃,不紧跟甚至会很快会落伍,催人奋进。
很有意义。
2.称为理论,但一点也不抽象,它无时不刻地在指导和影响着我们周边的生产、工作和生活。
本文就以日常所见的生产、工作、生活为例,揭示节能的理论系统,展开课题,抛砖引玉,共同探讨深入。
世界是运动的,运动就必然需要有推动力。
热而称为力,显然,热力
学在某种意义上来说,是揭示自然界运动的规律、揭示事物发展的方向和揭示人类活动可能范围的一门科学。
热力学的核心由热力学第零、第一、第二和第三四大定律组成。
一.热力学第一定律
1.热力学第一定律是在18世纪,瓦特发明蒸汽机后,人类发现自身可以有这么大的创造力,于是各种发明、创造风起云涌,其中包括占比例不小的各类永动机。
大量的现象、问题放在科学家面前需要解释、需要正确引导;
需要说明什么是功?
什么是能?
如何转换?
有什么关系?
于是热力学第一定律,即能量转换和守恒定律应运而生。
热力学第一定律可以用一个很简单的公式表达:
功=常数×
热量即W=A×
Q
它说明:
功和热都是能量;
能量必有它的由来,必然由其他能量转换而来;
能量可以互相转换,转换前后是相等的,也就是说转换前后是平衡的;
不同能量间的转换,只需乘上一个经理论和大量试验证明的系数,就可以相互换算,这个系数称为当量值。
式中常数A就是功的当量值——功热当量。
第一定律指明了:
第一类永动机,即不需要输入能量,就能连续作功或能连续产生某种能量,及其它伪科学的不可能性。
2.热力学第一定律还可写为:
输入能量=输出有用能量+损失能量说明任何一个过程(从单台设备,到一个系统,一个企业,一个地域)在取得有效部分的同时,也必然伴随有某种能量或功的损耗,寻找这些损耗,就是节能和节能工作;
效率=输出有用能量/输入能量%;
能量的多次转换:
总效率=效率1×
效率2×
效率3×
…;
研究这些等式的方法,就是热平衡和能量平衡方法——提高转换效
率的方法,或者减少损失的方法。
尽可能提高有用能量和尽可能减少损失能量——就是节能——热力学第一定律指明了节约能量数量的方向。
3.应用举例:
各种设备、系统、企业的热平衡和能平衡工作。
越是大型设备越有可能做得更完善,转换效率越高。
如集中供热、煤气化、坑口电站、大型发电站等。
各种能量可以互相转换,转换过程也都存在效率问题:
如:
火力发电站、三峡水电站,核电站;
其他新能源——风力发电、潮汐发电、太阳能发电、垃圾发电等等。
关于能源资源的节约:
世界上的一切能源的来源都是太阳能,因此必
须关心不可再生能源和可再生能源问题。
太阳能转化矿物质能——不可再生能源,诸如:
煤炭、石油等,这是多少万年太阳能的积累。
燃烧这些能源后产生二氧化碳,排入大气后,还造成温室效应,威胁人类的生存条件,必须限制和制定世界的公约;
太阳能转化为生物质能——可再生能源,即生物质能源,如:
作物秸秆、其他植物等,绿色植物生长过程中要吸收二氧化碳,因此国际社会公认燃用生物质能源作为二氧化碳的零排放。
可见节能和减排之间的关系密不可分。
当然环境科学,又是一门专门的学科,不能一一。
可见热力学第一定律在这发面建立了不可磨灭的功勋。
二.热力学第二定律
热力学第一定律没有进一步说明:
能量的自生不可能,还有些那些不可能?
热能里的“温度”这一重要概念为什么没有出现,没有被描述;
能量有转换方向吗?
高温到低温,低温到高温;
热能到电能,电能到
热能都可逆吗?
功和热能完全等同描述吗?
功转变为热能,或热能变为热能的过程,可以用热力学第一定律的效
率来描述;
那么热能转变为功,用热力学第一定律的效率来描述,为什么往往不如人意?
有序运动可方便的转变为分子无序的热运动,反之可以自由进行吗?
从瓦特发明热能到机械能的蒸汽机,推动了第一次工业革命;
这时电
和它的机理,电和磁的关系也正在被很多科学家孜孜不倦、前赴后继地揭示出来,电加入到能量的大家庭,电能几乎无所不能。
赶快发电吧,但发电又是一个怎么样的能量的转换过程呢?
效率又可以多少呢?
人类又将进入一个新的时代,当然又有大量问题摆在了人们面前。
技术发展的需要和人类认识的深入,产生了热力学第二定律:
1.开尔文描述:
“不能制造出只与单一温度热源交换热量,对外作功,
又不引起其它变化的热力发动机”。
即仅从单一温度热源取得热量,就可以不断做功,热可以完全转化为功,是不可能的;
必须同时还要向另一个低温热源排出一部分热量,才可以取得功。
即热能转换为功(机械能),存在另一个转换效率问题。
2.克劳修斯描述:
“热不可能从低温物体传向高温物体,而不引起其它
任何变化”。
即,要使低温物体转变为高温物体,必须另外加入能量。
第二定律需要定量,这就是卡诺循环及其效率的计算——指明热转化
为功的最高可能性:
η=1-T低/T高
举例:
火焰温度T1=1200℃
可产生的蒸汽温度T2=200℃(1.6MPa)
环境温度T3=30℃
充分利用火焰(1200℃):
η=1-(30+273)/(1200+273)=79.4%
而如果利用蒸汽(200℃):
η=1-(30+273)/(200+273)=35.9%
效率相差这样大,指明了另一个节能潜力的方向和最高可能性。
如有运行于如下参数的发电厂:
压力
MPa
温度
℃
卡诺
η%
锅炉
汽机
发电、厂用电η%
发电
1.0
180
33.1
85
80
18.0
3.5
340
50.6
88
83
30.7
10.0
540
62.7
90
40.7
发电η=卡诺η×
锅炉η×
汽机η×
电厂η
锅炉、汽机、发电厂厂用电部分,实际上是人们平时关注的重点。
明
显仅是节约的一部分,这是第一定律的范畴,但并非是节能的全部;
而卡诺循环效率所揭示的是节能的另外一个大部份。
可见:
第一定律指明了从能源的下游节约,量的节约——“所费多于所当费”的问题;
而第二定律指明了从能源的源头节约,质的节约——“所得少于所可得”的问题。
第二定律指明了:
1.超卡诺循环效率η不可能、第二类永动机不可能、所得多于所可得不可能;
2.能量转换不仅有数量问题,还有方向性问题、品位问题,数量不能体现能量转换的全部,也就是说能量还具有有质量问题。
能量取得的难易程度、消耗能源资源的多少和它的功能、功用代表了能量的品位和质量。
电能、机械能比热能品位高;
温度愈高的热能,愈可以获得更多的高品位的电能、机械能,因此也质量愈高;
品位问题也揭示了能源利用完善性的另一面。
温度越高,卡诺循环效率越高,利用越多,即可得的越多。
集中供热比小锅炉效益高;
热电联供效益更高,利用了高端能量,白白回收了电能;
热电联供也是参数越高越好;
联合循环发电效率更高。
这里说大型化,又高参数化,才获益越大。
而一种新的理念,甚至称为是第二代能源系统,即分布式能源系统。
它是以燃气(或其它新能源)、燃气-蒸汽联合循环、热电冷联供为核心的小型系统。
关键是:
大小型,对于燃气系统(或其它新能源)效率相差不大,接近负荷又减少了损失,这两者抵消;
而联供的效益远高得多,所以被推崇。
燃煤则有粉碎问题、除尘问题等,还是一定的大型化为好。
3.按第一定律计算的是当量热值,反映能量的数量;
反映能量质量的是被第二定律所决定的等价热值,它反映的是能量取得的难易程度,是能源的品位,是对于能源资源的消耗量的计量。
电1kwh=3600kj=电加热放出的热量(这是当量值),而取得1kwh电,发电厂效率30~40%,需10550kj,即0.360kg标煤的热量,才产生1度电,这就是电的等价值;
而如有蒸汽3600kj(这是当量值),锅炉效率80~90%,需4500kj的热量的煤才能产生,即0.15kg标煤,这是蒸汽的等价值。
上述计算,显然不能说锅炉效率高于发电厂效率的2倍;
同时,可以
看到等价值是折算到能源消耗的计算,电的等价值高,功能也远非蒸汽所可比,因此品位高——等价值揭示了能量的品位本质——揭示能耗与国家资源的关系,节能对于国家资源的责任;
统计部门用当量值,是为了避免重复计算,这是两回事。
4.从统计学看:
热能是分子的无序运动,而电能是原子的有序运动。
从有序到无序很容易,而从无序到有序不容易。
有序性代表能源等级。
可见普遍意义上讲:
第一定律的热平衡已不能作为评价能量利用完善
性的可比尺度。
5.第二定律和卡诺循环的进一步推导,可以更完善各种过程的关于能量质量的:
质量的转换、质量的损失、质量转换的效率的计算。
这就是“火用”和“火用”平衡计算,这是对于能量的质量、内部损失的计算评价方法;
而热平衡计算只考虑外部损失。
“火用”=Q×
卡诺η—恒温热源
=△i-T△S—流动体系(变温)
=kwh—电或机械能·
——“火用”代表可以转化为功的能,称可用能。
焓=“火用”+“火无”
“火无”=Q×
(1-卡诺η)=T△S
——“火无”代表未能转化为功的能,是损失的能。
熵——S。
是内部损失程度度量方法、效率提高方向的一个有用参数,内涵十分丰富,本文不再深入,仅抛砖引玉了。
能量平衡只反映各种能源的数量利用程度;
需要作“火用”平衡以考察质量的利用程度,就是从能源的源头节约的计算方法。
6.工作和日常生活中常见关于的所得少于所可得的问题:
阀的节流,热量没有损失,但压力下降了,可用能减少了,能量的
质量损失了,质量代表品位,代表更多的数量;
燃煤取暖,可以做到没有热损失,但燃烧温度达1200℃只为取暖的50
℃服务,如能发过电再供热,这部分电能岂非白白取得了?
高低品位能量的区别、权衡利用;
电解制氢——为了清洁能源,用高级能源,取得低等级的热能,氢
仅作为燃料用,不甚合理。
但如果能利用低谷电,倒可以权衡。
吸收式(溴化锂)制冷——利用低温热源以热代电是合理的,等等。
热泵问题是反向的卡诺循环(制冷循环),效率很高,;
主要用于空调节能等,有利于低温热源的利用(包括地热、太阳能等)。
例:
空调制冷的两端温差越小,当然能耗越小。
如夏季空调运行时,室内26℃,室外38℃,温差12℃;
如果想办法使室外温度为26℃以下,原则上可以不耗能了;
而冬季空调运行时,室内20℃,室外0℃,温差20℃;
如果想办法使室外温度为10℃,温差10℃原则上可以节能一半,利用井水也可以做到。
这就是低温热源的利用,同样还可广泛考虑太阳能、工厂低温热源的利用等等,效果良好。
与热电联产、联合循环等性质不同。
7.应用的关注点:
必须既从能源的下游节约,量的节约;
又从能源的源头多利用,质的
节约,两方面并举才是对能源利用完善了;
热电联供及其高参数化、需要有序有规划地发展;
压力能的分级利用;
联合循环发电——最大可能地可得必得;
能源的源头利用或能源的分级合理利用,是企业领导级、地域区域级、
甚至国家级的事,必须有远见卓识的统筹规划——这是一个节能巨大潜力的领域;
新上项目能源评估应该有区域、地域性的用能评估,等等。
3.热力学第零定律
热力学第零定律:
“两物体达到热平衡,即两者间完全没有热量传递时就是温度相等”。
也就是说两物体间如果没有温差,就没有热量的传递;
如果有热量的传递就有温差。
温度测量就是用这个原理,应保证温度计和被测物体间没有热量的传递时,两者间温度才一致了。
四.热力学第三定律
热力学第三定律:
“不论用什么方法都不可能把温度降到绝对零度”。
绝对零度就是:
分子原子都停止了运动。
排列整齐,已经有序了,所
以易于达到“超导”;
此时“焓”、“熵”、“火用”等热力参数也都等于零,也都以绝对零度为起点。
事实上绝对零度也就是用热力学的方法推导出来的。
“熵”是个非常有用的参数,在第二定律、第三定律里很重要。
一切
化学反应也都是朝着“熵”增方向进行的,可方便的确定化学反应的方向。
主要有:
传热(换热)理论;
燃烧理论;
传质(干燥)理论等;
工质特性理论:
水、饱和水蒸汽、过热水蒸汽特性、空气、湿空气特性、制冷剂特性等;
热机原理(热学、流体力学、机械学的结合)等。
本文主要介绍传热理论、燃烧理论和传质理论。
一.传热理论
传热理论的核心就是:
如何最大可能地加强传热和最大限度地阻止传热
剖析传热的机理,传热有三个途径:
流体的对流传热、固体的导热、辐射传热。
1.对流传热
是发生在流体(液体、气体)里的热量传递,热量搭载在流动的物体上,而被传递,这种流动称为对流:
流体对流传热的传热量为:
Q=α×
△T×
F
式中三项:
关于α:
传热系数,与工质特性和流速有关,它的倒数就是热阻1/α。
传热与电学的欧姆定律很相像:
I=U×
R。
电流相应于热量,电阻相应于热阻1/(α×
F),而电压相应于温差,因此也常称温差为温压。
关于对流传热系数α,可以从数量上感性的认识一下:
气体α=几十千卡/米2·
时·
度
液体α=几千千卡/米2·
沸腾和冷凝时(相变时)α=几万千卡/米2·
例如:
应当充分利用沸腾和冷凝传热;
需要合理使用疏水器和增加传热面积;
沸腾和冷凝传热的典型技术——热管技术(热短路)的应用;
利用相变技术——汗冷技术的应用;
关于传热面积F:
两种流体之间需要相隔,传热面积F就是这个相隔物体的面积。
设计合理的流道、单位体积里尽可能多的传热面积、传热面积多了还需考虑小的流动阻力、还有膨胀问题、合理布置翅片密度与高度问题等;
关于传热温差△T:
除了温差越大,传热量也越大外;
合理组织流体流向也有意想不到的效果,如:
逆流布置与顺流布置相比,它的传热温差大于顺流的传热温差;
而且冷流体的最终温度还可以被加热得更高,或者说热流体的最终温度还可以被冷却得更低,设备利用率高。
2.导热
是指发生在固体里面的传热,由分子、原子承担传递:
固体里的导热传热的传热量为:
Q=(λ/d)×
△T×
F与对流传热公式一样,也是很相似的三项:
关于导热系数λ,也可以从数量上感性的认识一下:
金属λ=10~200千卡/米·
非金属λ=0.01~0.9千卡/米·
显然,金属是热的良导体,传热热阻可以忽略不计;
而非金属热阻大得多,可做绝热材料。
和物体的导电性能很接近。
d是物体的厚度,F是传热的截面积;
d/λ是热阻,与电学的电阻计算方法几乎一样。
△T也是温压的含义。
3.辐射传热,
热量除了可以借助以气体、液体、固体传输外,还可以在没有任何分子、原子的真空中传输,这就是辐射传热,与光线的照射特性很接近。
辐射传热量为:
Q=ξ(T14/100-T24/100)F
关于辐射系数ξ,它与穿过物质的入射、反射、透射、吸收、频谱有关;
与接受辐射(照射)物质的入射、反射、透射、吸收、频谱以及表面黑度系数、表面形状等有关。
其热源如太阳、火焰、高温烟气、电加热器、微波炉等
关于面积,与热源的辐射面积、接受辐射物体的被照射面积、两者的位置、角度等有关,计算稍复杂。
1/ξ相当于热阻。
同时辐射传热量与温度4次方之差成正比,可见高温辐射的传热量也是很大的,等效来看数量级与沸腾传热、冷凝传热在一个层次上。
诸如:
太阳能电池板的表面镀膜,使入射>对外辐射;
太阳能电池盖板的蜂眼特性,可以在内部折射,提高了太阳不同入射角时的效率;
太阳能热水器的镀膜,产生的温室效应;
而汽车的防晒薄膜,是使反射>入射;
红外线的应用;
炉膛高温燃烧区的充分利用;
黑度系数的提高,等等。
4.多层传热,热传导大多是多层的,有它的特性:
传热量=K×
F
K是总传热系数,等于多层热阻和的倒数:
K=1/(R1+R2+R3…)
每层的热阻R1、R2、R3…可以分别等于d/λ、1/α等(关于辐射层需要进行等效计算,也可以分别逐层进行计算)
可见多层传热又有它不同的特性:
热阻最大的层,占比例大,所以影响最大,应是注意力的集中地;
多层传热的总传热系数,主要取决于热阻大的一项,着力于这一层的改进,会事半功倍,即投入小而收益大,如:
加大热阻大的一侧的流速、传热面积等等;
对流传热的热阻主要产生于附面层,经过一个流体层会加两个热阻:
所以疏松物体可做保温材料,但需填充合适和良好外保护;
保冷材料必须是密闭细胞型的,避免空气中水分源源不断的被冷凝,而破坏保温层,因为水的对流传热系数比空气大十倍到百倍;
热水瓶的设计考虑全面,很合理;
建筑节能被提到议事日程。
其中保温的簿弱环节在于玻璃,用双层玻璃保温性能比单层就好得多,还有中空玻璃、入射大于反射的特性玻璃;
再加上墙体保温、可再生能源和太阳能利用、建筑物内外气流组织、空调管内冷热媒体组织、空调的热泵系统、自动控制、照明等构成节能型建筑。
建筑节能面广量大,最近我国已出台了新的建筑节能设计规范。
二.燃烧理论
燃烧是一个氧化反应,具有化学反应的共性:
在点火阶段是吸热反应,需要加热、稳定着火、以至用触媒,
保证稳定着火区和高温,甚至是革命性的;
燃料与助燃剂(空气)的混合、组织和空间;
合理的空气量(α)——对效率很敏感;
燃烧各个阶段(预混燃烧、扩散燃烧)的合理组织;
还有流体力学、污染物生成理论等的支持。
1.固体燃料
固定床——层燃燃烧,需要注意:
合理炉排、分层燃烧技术;
一二次风配比,预热;
煤的合理配比;
合理的前后拱。
等等。
沸腾床、流化床燃烧:
热容量大,煤种适应性强。
粉煤燃烧—燃烧器合理预热、配风,大型电站锅炉;
水煤浆、油煤浆技术。
2.液体燃料—油的燃烧(品种很多)
关键是雾化、配风(氧)、预热、炉膛等。
——有很多成功的燃烧器设计。
3.气体燃料——配风(氧)、预热、炉膛等。
——重点在燃烧器设计。
4.新燃烧技术与理论:
如蓄热燃烧、纯氧燃烧、低NOx燃烧等。
三.传质(干燥)理论
——是传物质和传热的结合
主要途径分别有:
在固相和气相物体内的传质。
固相:
G=(δ/d)×
F
δ—传质系数,与物体的空隙度等有关,再加厚度d因素,和导热很相似。
△T、F—和传热很相似。
气相:
G=β×
△ξ×
β—扩散系数,与流速等有关。
△ξ—浓度差,相当于传热的温差、温压。
F—和传热很相似。
例如:
粉碎、喷雾、沸腾床、流动床等方法的应用;
合理组织气流的温度、干度(湿空气特性)和流动,等等。
节能的实施——技改和优化运行两大方面。
关于技改:
一.两大方向
节约能的质量—宏观节能、系统节能。
节约能的数量—微观节能、设备节能。
二.关于能量质量的节约
核心是“所得等于所可”,燃料的理论燃烧温度可达2000℃以上,而目前的利用,大多都远远达不到。
当今世界上最高参数的蒸汽轮机发电机组,蒸气温度达620℃,燃气轮机达1400℃,这些都是佼佼者,普遍水平还远达不到,有些是认识不到,甚至连一般合理参数的热电联供、联合循环发电还达不到。
潜力是巨大的,但需要资金、科技、远见、规划和决心。
对于一个区域,甚至国家,体现政府行为。
需要有一个“节能规划设计”或“可持续发展规划设计”的部门——这是全局能源利用完善程度的体现。
对于一个企业、一个系统,体现决策、规划和社会责任感。
特点也是层次深,需要技术、需要资金、工作重度大,需要逐步突破。
工作是大量和具体的,例如:
能源审计工作,建立能源的数据库;
区域能源数字地图的制作;
区域和企业的“火用”平衡、热平衡;
制订区域和企业的能源中远期规划;
新建项目与区域和企业整体的能源利用完善性评估——能源的区域区域性评估;
实现能源综合利用——热冷电气联供系统、电热煤气联供系统、联合循环发电系统;
低温热源规划利用系统;
最新节能理念、观念、发展势态的吸收引进。
例如逐步向建立更合理配置、合理参数、合理充分用能的:
“产品—热电冷”联产的一体化工厂方向发展。
变纯生产某产品,为生产某产品为主,同时生产用能的匹配产品,以及电、汽、冷等多种产品的企业,以充分综合利用能量,物尽其用,考虑综合效益的提高。
循环经济、清洁生产的实现;
新能源的规划利用,等等。
三.关于能量数量的节约
首先需要关注:
《国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》的《节能中长期专项规划》中的重要内容,是由国家发展改革委会同科技部、财政部、建
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