第十一讲能源工程

《科学技术概论》教案1§4.3能源工程一、概述1.能源概念“能源”这一术语，过去人们谈论得很少，正是两次石油危机和目前能源的短缺使它成了人们议论的热点。那么，究竟什么是“能源”呢？关于能源的定义，目前约有20种。例如：《科学技术百科全书》说：“能源是可从其获得热、光和动力之类能量的资源”；《大英百科全书》说：“能源是一个包括着所有燃料、流水、阳光和风的术语，人类用适当的转换手段便可让它为自己提供所需的能量”；《日本大百科全书》说：“在各种生产活动中，我们利用热能、机械能、光能、电能等来作功，可利用来作为这些能量源泉的自然界中的各种载体，称为能源”；我国的《能源百科全书》说：“能源是可以直接或经转换提供人类所需的光、热、动力等任一形式能量的载能体资源。”可见，能源是一种呈多种形式的，且可以相互转换的能量的源泉。确切而简单地说，能源是自然界中能为人类提供某种形式能量的物质资源。换一种说法，即为在自然界，凡能够提供机械能、热能、电能、化学能等各种形式的能量的自然资源，统称为“能源”。人们通常按能源的形态特征或转换与应用的层次对它进行分类。世界能源委员会推荐的能源类型（形式）分为：固体燃料、液体燃料、气体燃料、水能、电能、太阳能、生物质能、风能、核能、海洋能和地热能。其中，前三个类型统称化石燃料或化石能源。已被人类认识的上述能源，在一定条件下可以转换为们所需的某种形式的能量。比如薪柴和煤炭，把它们加热到一定温度，它们能和空气中的氧气化合并放出大量的热能。我们可以用热来取暖、做饭或制冷，也可以用热来产生蒸汽，用蒸汽推动汽轮机，使热能变成机械能；也可以用汽轮机带动发电机，使机械能变成电能；如果把电送到工厂、企业、机关、农牧林区和住户，它又可以转换成机械能、光能或热能。2.几个能源术语(1)一次能源一次能源又称天然能源。在自然界中现实存在没有经过加工转换而直接开采利用的能量资源。如原煤、原油、天然气、木柴、水能、风能、太阳能、海洋能、潮汐能、地热能、核燃料等均属这类能源。(2)二次能源二次能源又称人工能源。由一次能源经过加工直接或间接转换成其他形式的、符合人们生产生活使用条件的能源产品。如焦炭、煤气、电力、各种石油制品、蒸汽、热水、酒精、氢气、激光等都属于二次能源，生产过程中排出的余能、余热，如高温烟气、可燃废气、废蒸汽也属此类。(3)非再生能非再生能源经过亿万年形成的、短期内无法恢复、不能重复再生的自然能源。如煤炭、石油、天然气、裂变核燃料铀、钍等，它们都是不能再生的，用一些就少一些，终有用尽的时候。(4)再生能源再生能源又称可再生能源。在自然界可以不断再生并有规律地得到补充的能源，或一次能源中能重复产生的不依赖于储量有限的矿物燃料或核燃料的能源。例如太阳能、风能、水能、生物质能、潮汐能等均属再生能源。这类能源除潮汐能是来自地球自转外，其他都直接或间接来自太阳，都能供人类长期利用。(5)常规能源常规能源又称传统能源。在现阶段的科学技术水平条件下，人们已经广泛使用，而且技术比较成熟的能源。如煤炭、石油、天然气、水能等，以及由它们直接或间接转换成的能源，如煤气、焦炭、汽油、酒精、电力、蒸汽等。这是与新能源相对而言的。(6)燃料能源作为燃料使用，主要以热能形式提供的能源。燃料即是燃烧时能产生热能、光能的物质。燃料能源有矿物燃料，如煤、油、气等；生物燃料，如藻类、木料、沼气、各种有机废物等；以及核燃料如《科学技术概论》教案2铀、钍等。也可将其分为固体（煤、木料、铀等），液体（油、酒精）和气体燃料（天然气、氢气）三种。除核燃料包含原子能以外，其他燃料都包含着化学能，有的也同时包含着机械能。通过燃烧将燃料中的能量转换成热能直接加以利用，或者再由热能转换成机械能、电能加以利用。燃料能源是人类目前和今后相当长时期内的基本能源。(7)非燃料能源非燃料能源不作为燃料使用，直接产生能量提供人类使用的能源。如水能、风能、潮汐能、海洋能、激光能等，基中多数包含着机械能，有的也包含着热能、光能、电能。3.能源开发简史（1）钻木用火在古代，人们主要依靠消耗自身的肌肉的力量来进行劳动，获取生活资料，以维持生存。原始人关于火的神话传说十分丰富，最著名的有普罗米修斯协同雅典娜将火种盗给人间的故事。普罗米修斯认为人类没有火就只能在寒冷和黑暗中挣扎，是难以活命的，于是他不惜冒犯残暴的神王宙斯，用牺牲自己生命的高昂代价，从奥林匹斯山太阳神阿波罗的处所盗来火种带给人间，并教会人类使用和保存火种，从此黑暗消失，人间大放光明。我国古代也有“燧人氏”、“钻木用火”的传说。以上的故事尽管怎么说，但它却反映了远古人类对火的重要性有着深刻的认识。远古人类用火，大约经历了保留自然火和人工取火两个阶段。一是由于火山喷发，其次是雷电引起的燃烧。再就是原始森林中的茂密草从和堆积物的自燃。我们可以推测，在一次自燃火过后，可能会有一些“在劫难逃”的小动物被烧死烧焦，并发出浓烈的诱人的香味，凭着灵敏的嗅觉，某一个好奇的原始人会拾起来尝尝，立刻会感到烧熟的肉比血淋的尸体味美得多，终于，火的特殊的作用被他们认识了，于是产生了保留火种的强烈愿望。根据考古资料记载，生活在我国北京周口店龙骨山北坡山洞内的“中国猿人”，是世界上最早学会保存和使用火的人。而且他们还具有了采取连续添加木材和用灰土覆盖的方法来保存火种和管理火的能力。但火从何得来，我们可以从我国古籍中记载的“燧人氏”“钻木取火”的传说中得到启示。可以设想，人们在加工木料时，有钻、锯、刻等动作。当这些动作速度加快的时候，就会产生强烈的摩擦，使木头发热，有时还会冒出火花。有了这些启示，又经过长期的生活实践，人们终于发明了人工取火的技术。总的一句话，火的使用彻底改变了人类在自然中的地位。(2)风车水车的出现水车用作动力，是从水磨开始的。在欧洲，最古老的水磨出现于古希腊时代。它架在水上，轴竖直安放，下端是浸于水中的水轮，水轮具有数片轮翼，因流水推动而旋转。轴的上端，则与石磨连在一起，带动磨旋转磨粉。这种水磨，必须安装在水流较急且河水较深的地方。水磨以后由进一步改进。人们拦河筑坝，抬高水位，然后让流水从上部冲击水轮。这种“上击水磨”，比原先的“下击水磨”效率更高，适用的地方很多，在很大程度上摆脱了河流地形的限制。水车动力先是用于磨粉，而后又用于剧木、给炼铁炉鼓风、带动铁锤等，成了普遍应用的动力。风车用着动力，历史没有水车悠久。它大约七世纪时产生于波斯，十二世纪时传入欧洲。最初用作提水灌溉的动力，后来也用于磨粉。风车，最初的风车，其车轴是竖直而立的。传入欧洲后，欧洲人又发明了新型风车。车轴水平安置，车翼是用帆布或木板制成，可按照风向调整方向，它比波斯风车能更有效地利用风力。风车做动力，历史没有水车悠久。它大约七世纪时产生于波斯，十二世纪时传入欧洲。(3)蒸气机的发明蒸汽机是利用水蒸汽作为工作介质的热力发动机，是把热能转化成机械能的动力机。关于蒸汽有动力的科学思想，可远溯到公元前200多年，阿基米德曾设想利用水蒸汽做功，研制蒸汽动力大炮。公元50年，亚历山大里亚的希罗制造了一个用水蒸汽推动的旋转空心的装置，并发明了一种汽堆。1125年热贝尔在兰斯制造了一架由热水压缩的空气来鼓风的风琴。16世纪还有人试图利用希罗的汽堆来转动烤肉叉。奥尔良的贝松写过关于蒸汽动力的著作，达·芬奇（L.da.Vinci,1452～1519）曾描述《科学技术概论》教案3过一种蒸汽炮，他把水滴到一个灼热表面上，利用水汽化所产生的骤然膨胀把炮弹射出。1615年，法国的德考司在《动力的理论》一书中描述了一种借助蒸汽的膨胀力。1629年，罗马的布兰卡设计了用蒸汽冲击叶轮的叶片来使之转协的汽轮机。1630年，英国人戴维·拉姆齐（H.Davy,1778～1829）及土耳其人德雷都相继设计了利用蒸汽动力做功的装置。17世纪，牛顿还设想过利用蒸汽力开动的汽车模型。17世纪后半期，随着相关科学的进展，人们对蒸汽动力装置工作原理的认识逐渐成熟，制造蒸汽机的序幕也由此拉开了。蒸汽机的发明是对社会生产和人类生活产生重大而深远影响的技术本质的变革，它为人类提供了热能转化为机械能的手段，为机器大生产提供了相应的物质技术基础。它像力大无穷的巨人，以其粗壮的臂膀驱动着各种机器、车辆和船只，它空前地改变了生产面貌。1785年，瓦特在诺定昂郡建立了第一个蒸汽纺纱厂，把纺织工业的各个工序联合在一个大建筑物里，从而标志着近代大工业的出现，也标志着资本主义生产方式的诞生。近代产业资产阶级、无产阶级也正是这场技术革命的直接产物。1833年，英国的纺织机增至18年前的42倍，达10万台之多。1784年以后，蒸气机已作为一项成熟技术走向实用阶段。第一次把蒸汽机用在轮船上的发明者是美国的罗伯特·富尔顿（R.Fulton,1765～1815），1786年，他到伦敦，结识了瓦特，激发了用蒸汽机推动船舶行驶的热情。1803年在巴黎，他制造的第一艘蒸汽船在塞纳河试航，但没有成功。1807年，他回到美国后又设计制造了“克勒蒙特”号码轮船，在纽约市的哈德逊河下水，船长150英尺，宽30英尺，排水量为100吨，该船的发动机是由英国伯明翰的布尔顿和瓦特建造的。“克勒蒙特”号轮船作为哈德逊河上的定期班轮，曾往返于纽约和奥尔巴尼之间，全程约150海里，船速是帆船的3倍。18世纪蒸汽机的发明和利用，带来了资本主义产业革命，促使煤炭成为最主要的的工业能源。煤炭在能源结构中占的比例急剧上升，19世纪70年代为24%，20世纪初猛增到95%。这是人类历史上第一次大的能源革命。(4)内燃机的使用蒸汽机的燃料是在汽缸外燃烧，所以叫“外燃机”，“内燃机”是由于燃料的汽缸内燃烧而得名。1824年法国人卡诺（S.Carnot,1796~1832），提出了内燃机的设想。1860年，德国的技师奥托制成了一台“四冲程”的内燃机，这种发动机的汽缸中紧密地配着一个活塞，在工作时，活塞首先向外移动，将汽油与空气的混合气体吸入汽缸，然后活塞向内运动，压缩油气混合物，压缩得最厉害时，油气混合物被点火而爆燃，推动活塞向外运动，这就是开动内燃机的动力。苏格兰工程师克拉克，随即发明了一项改进措施，他在内燃机上装两个汽缸，当一个汽缸处于回复阶段时，让另一个汽缸爆燃做功，这样能使输出的动力较为均匀。内燃机的发明，导致了汽车，内燃机车，飞机的发明。1885年，德国工程师戴姆勒（G.Daimler）和本茨（K.Benz）二人分别独立制成了汽车。1892年，美国的J.弗罗希利奇造出第一台拖拉机。内燃机的最大成就在航空方面，1903年12月17日，赖特（Wright）兄弟在北卡罗莱纳州的基蒂霍克驾驶着一架用螺旋桨推进的滑翔机离开地面，在空中停留了五十九秒钟，飞行了260米。第一次世界大战以后，以内燃机为动力的移动式机械设备获得广泛应用，尤其是拖拉机，汽车，内燃机车，飞机等发展很快。美国1920年拖拉机保有量已达25万台，1929年生产汽车536万辆，飞机由原来采用活塞式内燃机做动力，后改进喷气式飞机，以后发明火箭，一级火箭，二级火箭，中程导弹，洲际导弹。(5)发电机的发明在公元1831年，法拉第将一个封闭电路中的导线通过电磁场，导线转动有电流流过电线，法拉第因此了解到电和磁场之间有某种紧密的关联，他建造了第一座发电机原型，其中包括了在磁场中回转的铜盘，此发电机产生了电力。在此之前，所有的电皆由静电机器和电池所产生，而这二者均无法产生巨大力量。但是，法拉第的发电机终于改变了一切。发电机包括一个能在二个或二个以上的磁场间迅速旋转的电磁铁，当二个磁场相互交错，就产生了电，由电线从发电机中导出。电子工程师依发电机线绕的方式和磁铁的安排，而获得交流电（AC）或直流电（DC），大部分发电机都是产生交流电，它比直流电更易由传输线作长距离的传送。《科学技术概论》教案4第二次能源革命是从20世纪初开始的，19世纪末发展起来的电力、钢铁工业以及汽车和内燃机的广泛使用，煤炭开始不能适应需要，石油、天然气登上了能源舞台，世界能源开始进入“石油时代”，石油也被称为工业国家的“血液”。(6)新型能源的开发上个世纪70年代的石油