第章能源概述(1)new

能源工程与动力机械基础程文龙，叶桃红联系电话：63600305（程）63603048（叶）Email:[e-mail]办公室：力学1楼515主要内容•能源概况及基本原理•有关热能利用与动力机械在能量转换与利用的规律、系统、形式、性能、环境等方面的共同性技术基础内容。•典型动力机械及系统•内燃动力•蒸汽轮机•燃气轮机•火箭及喷气发动机•热力发电•热发生及传递装置•锅炉及换热器•热利用•新能源利用•制冷与空调•系统辅助装置•泵与风机开课目的？考试形式•考察•每人一个学术报告•报告•回答问题•提问参考资料参考书籍：1.李汉炎，吴胜春，刘嘉智，陈滢编，热工设备，2.王中铮编著，热能与动力机械基础，机械工业出版社，2000年3.魏保太主编，能源工程，华中理工大学出版社，19854.李业发、杨廷柱编著，能源工程导论，中国科学技术大学出版社，19995.王革华主编，新能源概论，2006年8月6.汤学忠主编，热能转换与利用（第二版），化学工业出版社，2002学术期刊：1.工程热物理学报2.太阳能学报3.热能动力工程4.制冷学报5.中国电机工程学报6.内燃机学报7.内燃机工程8.航空动力学9.推进技术10.汽轮机技术11.工业锅炉12.燃烧科学与技术13.Energy14.AppliedEnergy15.AppliedThermalEngineering16.SolarEngineering第一章能源概况程文龙能量形式机械能：通常以做功的形式出现，可方便有效地转化为其它形式的能。如动能、势能、弹性能、表面张力能等热能：一种基本的能量形式，与微观粒子运动相关的能量，在宏观上以温度的高低来表示，其它能量可完全转化为热能电能：与电子的流动与积累有关的能量，以静电场能和感应电场能的形式存在，以电流的形式传递。可方便有效地转化为其它形式的能•能量有哪些形式？能量形式化学能：是一种仅以贮存能的形式存在的能量，当不同物质的原子和(或)分子相结合时释放出来。例如，燃料燃烧就是物质间发生放热的化学反应，使化学能转换成热能。核能：核能(原子能)又是一种仅以贮存能形式存在的能量形式。它是蕴藏在原子核内部的能量，又称核内能，在粒子相互作用或原子核中的粒子相互作用，即发决原子核反应时释放出来。原子核反应通常有放射性衰变、核裂变和核聚变三种类型，其中核裂变和核聚变反应可释放大量能量。有广阔的应用前景。辐射能：以电磁波的形式发射的能量(电磁能)，热辐射是一种由原子振动所产生的电磁能能量单位•能量的单位：•能量单位与功的单位一致：焦耳、千瓦时等•煤当量（标准煤）：1kg标准煤的发热量为29.3MJ(kgce)（7000kcal）•注：我国、日本、前苏联、西欧大陆国家以及联合国：7000kcal；英国、美国（据用作能源的煤的加权平均热值确）：26.4MJ•油当量（标准油）：1kg标准油的发热量为41.8MJ(kgoe)，10000kcal（我国和OECD）•也可用吨标煤（tce）以及吨标油（toe）表示能量单位——近似热当量Mbdoe：millionsofbarrelsperdayoilequivalent日产石油百万桶当量能量转换能源分类•什么是能源？所谓能源就是能够直接或经过转换而获取某种能量的自然资源。能源分类•能源分类之一：来源第一类：来自于太阳能，除太阳辐射外，还包括：煤炭、石油、天然气、生物质能、水能、海洋能第二类：来自于地球本身，如地热能以及铀、钍等核燃料第三类：月亮和太阳等天体对地球吸引力所产生的能量能源分类•能源分类之二：成因一次能源：凡自然界现已存在的、并可直接取得而不改变其基本形态的能源，如煤炭、石油、大然气、水能、生物质能、地热能、风能、太阳能等。二次能源：由一次能源加工或转换而成的另一种形态的能源产品，如电力、蒸气、焦炭、煤气、氢气、各种石油制品等。可再生能源：可不断再生并有规律得到补充的能源。如水能、生物质能、风能、太阳能等。非再生能源：短期内无法恢复的能源。煤炭、石油、天然气等。非再生能源日益减少，终会枯竭！！能源分类•能源分类之三：使用情况常规能源：煤炭、石油、天然气、水能等。新能源：太阳能、地热能、生物质能、风能、海洋能、核聚变能等。能源分类•能源的分类能源概况•各种能源折标准煤参考系数能源概况能源概况•十一五能源发展指标单位2005年2010年年均增长率（%）一次能源生产总量亿吨标准煤21.629.76.6其中：煤炭亿吨23.532.46.6原油亿吨1.822.1天然气亿立方米49394814非化石能源亿吨标准煤1.62.811.8一次能源消费总量亿吨标准煤23.632.56.6其中：煤炭亿吨23.231.26.1石油亿吨3.34.35.4天然气亿立方米467.61075.818.1全社会用电量亿千瓦时2494041934.511.0全口径发电量亿千瓦时250034207211.0其中：水电亿千瓦3970722212.7火电亿千瓦204733331910.2核电万千瓦5317396.8风电万千瓦−−446−−电力装机规模亿千瓦5.29.713.3其中：水电亿千瓦1.22.212.9火电亿千瓦3.97.112.7核电万千瓦68510829.6风电万千瓦126310089.8表1“十一五”能源发展主要成就表2005—2010年单位国内生产总值能源消费量2005—2010年一次能源生产、消费总量情况能源概况•能量转换过程ChemicalElectricalMechanicalThermalWindHydroHeatEnginesFrictionCombustionFusionFissionMotorsGeneratorsMHDThermionicsResistanceHeatPumpsPhotovoltaicsFuelCellsElectrolysisReactionBatteriesGasDischargeDiffusionPeltierThermophoresis热能资源•热能是人类使用最广泛的一种能量形式，约有85-90%的能量是转化为热能以后在加以利用的。•在一次能源中，热能资源也占了大部分。•最主要的常规能源：化石燃料•新能源：太阳能、核能、地热能、海洋热能非再生能源——燃料化学能•石油•天然气•煤不可再生能源——燃料化学能•燃料化学能•煤炭、石油、天然气是使用量最大、最主要的常规能源，约占总能耗的90%•不可再生•煤炭储量大，但开采、运输、储存不方便，燃烧时污染大非再生能源——燃料化学能•化石燃料利用过程中的重要课题•燃料改质•煤的气化与液化，包括新的气化方法及地下气化•水煤浆（CWM）的制备、运输储存及燃烧研究•煤油混合燃料（COM）•油的掺水乳化•油砂、油页岩中油的利用•煤层气的利用等•燃料燃烧研究•固体燃料的沸腾燃烧、旋风燃烧•液体燃料的物化燃烧、分层燃烧•新型燃烧装置的开发等非再生能源——燃料化学能石油非再生能源——燃料化学能天然气非再生能源——燃料化学能煤非再生能源——核能•利用核反应释放热能•种类•核裂变（技术成熟）•1kgU235核裂变释放热能69.5×1010kJ，如果利用10%的话，相当于2400t标准煤的发热量•1kW造价2000美元，火电的1.5~2倍，但是发电成本为火电的50~90%（1995年数据）•不可再生能源•核聚变•原料是重氢（氘），1t水含140g重水，1桶水中重水所储藏的能量相当于400桶石油•难点：反应温度几千万度，反应区温度40×106K，低温核聚变以及高温情况下热能回收技术还远没有成熟非再生能源——核能裂变聚变•低温室气体排放•放射性废料•低温室气体排放•废料少•商业可行性不明非再生能源——可燃冰（天然气水合物）•天然气水合物存在于海底或陆地冻土带内，是由天然气与水在高压低温条件下结晶形成的固态笼状化合物。纯净的天然气水合物呈白色，形似冰雪，可以像固体酒精一样直接被点燃，因此，又被形象地称为“可燃冰”。1立方米天然气水合物可以释放出164立方米的天然气。•1立方米可燃冰可转化为164立方米的天然气和0.8立方米的水。科学家估计，海底可燃冰分布的范围约4000万平方公里，占海洋总面积的10%，海底可燃冰的储量够人类使用1000年。•困难：•温室气体，比二氧化碳大20倍•陆缘海边开采困难，一旦井喷，可能引起海啸、海底滑坡、海水毒化等灾难非再生能源——页岩气•特点•特指赋存于页岩中的非常规气。页岩亦属致密岩石，故也可归入致密气层气•储集空间以裂缝为主，并以吸附气和水溶气形式赋存，为低(负)压、低饱和度(30%左右)，因而为低产•储量•美国：28．3万亿立方米•中国：15～30万亿立方米•仅美国开采成功非再生能源——油砂•特点•油砂是指富含天然沥青的沉积砂。因此也成为“沥青砂”。•沥青：10～12%•沙和粘土：80～85%•水：3～5%•储量•石油储量的66%•加拿大阿尔伯特：85%面临的问题•问题？1.能源问题？2.环境问题？能源问题——世界能源利用Source:Anderson,1997能源问题——每人每年用量（t石油当量）能源问题——主要地区能源结构2002能源问题——我国能源结构能源问题——世界人口增长能源问题——世界人口分布,1800–2050能源问题——经济增长Source:BirolandArgiri,1999能源问题——我国的用能水平•我国的单位能耗与发达国家相比差距较大，平均高出40%左右•节能潜力巨大能源问题——世界石油与煤产量Source:Hubbert,M.King.1971.TheEnergyResourcesoftheEarth.InEnergyandPower(1971),W.H.Freeman,SanFrancisco(originallypublishedastheSeptember1971issueofScientificAmerican).能源问题环境问题——温室气体•大气中H2O和CO2的存在使得地球表面的平均温度保持在0℃以上（适度的温室气体是一件好事），在这个意义上说，水是一种决定性的温室气体。•由于化石燃料的使用，其它工业行为以及森林的砍伐，大气中的二氧化碳快速增加•其它温室气体(CH4,N2O,CFC,HFC,PFC,SF6)与可影响地球辐射平衡的其它气体(CO,NO2,SO2,O3)的含量也增加.•大多数气体在自然过程中也会排放，但是工业活动可加速它们的排放速度.•地球表面温度的升高可影响海平面、气候、生态系统以及与之相关的如：疾病、饥荒等环境问题——大气对太阳辐射的吸收能源问题——地球辐射平衡如果没有大气层…有大气层…太阳辐射对空间进行红外辐射被分子吸收及散射反射吸收生物圈内物质的相互作用质流1C2.5CH2O1.5H2O2.67O2CO2+H2O+CH4Non-replacementReplacement地球大气Natural森林砍伐fixedC2.67O22.67O23.67CO23.67CO2sequestered环境中CO2假想模型05001000150020002500300020002100220023002400250026002700YearCO2inAtmosphere(ppmv)Emissionsstabilization,nosinksEmissionsstabilizationwithsinksEmissionsreductionswithsinksEmissionsgrowth(withsinks)大气中CO2浓度31032033034035036037038019551960196519701975198019851990199520002005YearConcentration(ppm)MaunaLoaObservatory,HawaiiWorldCostCurveforCarbonSource:Rogner,1997酸雨分布