节能原理与技术2

节能原理与技术(2)中国矿业大学机电学院动力工程系韩东太二、节能原理1.热力学基本概念2.热力学第一定律3.热力学第二定律4.火用5.合理利用能量的原则1、热力学基本概念2.1热力学基本概念1.热力系统2.热力系统状态参数3.热力过程4.热力循环2.1.1热力系统定义：由某种边界包围，被取作研究对象的特定物质或空间。2.1.2热力系统状态参数状态参数：描述热力系所处宏观状态各个物理量。状态参数的特性——状态的单值函数物理描述——与过程无关；数学描述——微分是全微分0dx温度、压力、比容、焓、熵、火用2.1.3热力过程热力系由一个状态变化到另一个状态所经历的全部状态的集合2.1.4热力循环蒸气动力循环朗肯循环再热循环回热循环2.1.4热力循环内燃机循环定容加热循环定压加热循环混合加热循环2.1.4热力循环燃气轮机循环制冷循环2.1.4热力循环2.2热力学第一定律进入的能量E1=储存能量的增量△E+离开的能量E2δdδδdδQUWQUWquwquw闭口系能量方程Q=△U+∫pdVq=△u+∫pdv可逆过程稳定流动系能量方程及应用2.2热力学第一定律Q=△H+1/2m△cf2+mg△z+Ws=△H+Wtq=△h+1/2△cf2+g△z+ws=△h+wtQ=△H-∫Vdpq=△h-∫vdp可逆过程13稳定流动能量方程式的应用1.蒸汽轮机、汽轮机流进系统：1111hvpu流出系统：Swhvpu,2222内部储能增量：012Sthhww142、压气机，水泵类流入2f111,,2schgzw流出2f222,,2chgzq内增=021ctwwhhq2、压气机，水泵类163、换热器（锅炉、加热器等）(heatexchanger:boiler、heater)17流入：1221f1123f331212mmqhcgzqhcgz流出：1222f2224f441212mmqhcgzqhcgz内增：0若忽略动能差、位能差124312mmqhhhhq3、换热器（锅炉、加热器等）184、管内流动流入：流出：内增：021f111112ucgzpv22f222212ucgzpv2f1d02pucgz2.3热力学第二定律1.热力学第二定律的几种表述•克劳修斯说法：不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起其他变化。•开尔文说法:不可能从单一热源取热使之完全变成功而不产生其他影响。•普朗克说法：不可能制造一个机器，使之在循环动作中把一重物升高，而同时使一热源冷却。•熵增原理:孤立系统或绝热系统的熵可以增大,不变,但绝对不会减少。热力学第二定律告诉我们什么？能量的转换具有方向性和不可逆性！2.卡诺定理热效率卡诺定理1、在相同的高温热源和相同的低温热源之间的可逆热机的热效率恒高于不可逆热机的热效率2、在相同的高温热源个低温热源工作的可逆热机有共同的热效率，而与工质无关。3.熵增原理过程：克劳修斯不等式循环：克劳修斯积分不等式(绝热)孤立系统:熵增原理2.41.的基本概念热力学第一定律:在任何能量转换中，火用和火无的总量保持不变。热力学第二定律:每种能量都是由火用和火无两部分组成，且其中之一为零。2.热力系统火用的计算QTTQWEe0max1TTe01QEe2.热力系统火用的计算21QEe(1)封闭系统火用的计算00000,,,,;,,,,,shTvpshuTvp环境状态：初始状态：max0ddwvpuq0δdTqs化等于环境熵的变化可逆状态：系统熵的变sTvpuwedddδd00max封闭状态的火用等于(1)封闭系统火用的计算从给定状态到环境状态积分)(000000000000maxssTvvpuusTvpusTvpuwe封闭系统的火无等于:)(00000ssTvvpueua从状态1可逆转变到状态2所能完成的最大功为:)(2102102121maxssTvvpuueew(2)稳定流动开口系统火用的计算工质从给定状态以可逆方式转变到环境状态,并且只与环境交换热量时所做出的最大有用功由能量平衡方程式:max2dd2/1dδwzgchqgzcssThhwezczgcsThwe2000max0020max21)(0,0dd21ddδd相应的火无为:)(000ssTha从状态1可逆转变到状态2所能完成的最大功为:)()(21)(210212122212102121maxssThhzzgccssThheew(3)理想气体火用的计算)(000ssThhe利用理想气体状态方程也可以进行计算①温度火用TTTCTeTTpd)1()(00②压力火用00ln)(ppRTPe00000lnln),()(ppRTTTTTTCeCTePeePP为常数时：当(3)燃料火用的计算燃料与氧气完全燃烧反应后,以可逆方式转变到完全平衡的环境状态所能做出的最大功。标准燃料火用：1个大气压，25℃时的燃料火用燃料火用=标准燃料火用+物理显火用（高温高压）STQedw0应用朗特式简单算法•固体燃料化学火用•液体燃料化学火用•气体燃料化学火用WydwrQeKgw975.0QeKgw95.0QeK2.5合理利用能量的原则两个指标：热效率（数量损失）与火用效率（质量损失）计算方法：收益/代价目标：达到100%举例说明：假设环境温度为0℃，为使室内保持20℃，单位时间内需向室内供热10kJ，如果采用电炉供暖，在没有外部损失的情况下，比较热泵和电炉的两个效率？能量利用的经济指标代价收益效率能量品质动力循环制冷循环热泵循环间壁换热器热效率(数量)火用效率(质量)1QWtWQ2WQ112QQ1,,QxWxexEEWxQxexEE,,2WxQxexEE,,121,,QxQxexEE电炉热效率:电炉的火用效率:%100%100101012QQ%82.6%10010102015.27315.2731,,1WxQxexEE如果采用卡诺热泵,kJ318.9682.010kJ,682.065.14/1065.142730273202732022111QWTTTWQ卡诺热效率:%100%100682.0318.91012QQ电炉的火用效率:%100%100682.0102015.27315.2731,,1WxQxexEE三、能量平衡1.概述2.热平衡3.设备热平衡4.企业热平衡5.火用平衡1、热力学基本概念2.1概述能量平衡分两大类:国家和地区的能量平衡;企业和设备的能量平衡:目的从收支平衡出发得出两个指标:企业能量利用率和设备热效率最终降低产品的两大指标之一:成本输入能量=有效利用能量+损失能量