2-能量的转换与储存-4学时

能量转换及其原理2能量的转换与储存主讲人：赖艳华（Ph.D/教授）山东大学能源与动力工程学院2014.9.18-25能源管理工程能量转换及其原理2020/2/112主要内容•0能源/能量转换概述•1能量转换的基本原理•2化学能转换为热能•3热能转换为机械能和电能•4能量的传输•5能量的储存能量的转换与储存能量转换及其原理0能源/能量转换概述为什么要进行能源/能量转换？什么是能源/能量转换？能源转换的方式有哪些？能量的转换与储存能量转换及其原理2020/2/114常用的四大能源：矿物能源（煤、石油、天然气等）、江河水力能（电力）；正在开发利用的能源：太阳能、风能、(原子)核能、地热能、海洋温差能、潮汐能及生物质能、氢能；有待开发利用的能源：可燃冰(天然气水合物)、核聚变能等。能源的形式知识点回顾能量的转换与储存能量转换及其原理2020/2/115能量形式机械能热能化学能核能辐射能电能知识点回顾能量的转换与储存能量转换及其原理2020/2/116我们的一切生产和生活活动都离不开生产资料和生活资料（资源），尤其是“能源”的消耗和利用。能源种类很多，并不是所有能源都可以直接利用。为什么要进行能源/能量转换？能量的转换与储存能量转换及其原理2020/2/117自然界中，各种自然资源如煤、石油、天然气、风能、水能、地热、核燃料等（一次能源），本身都拥有某种形式的能量，但其中能够直接用作终端能源（即通过用能设备供消费者直接使用的能源）的很少，一般不能直接利用（提供能量）。一次能源，需要转换成人们所需要的能源形式（二次能源，即能源产品）。为什么要进行能源/能量转换？能量的转换与储存能量转换及其原理2020/2/118为了供应适合消费者需要的能源，必须转换成容易运输、分配并在各种设备中能方便使用的形态。这就形成了“能源供应网”，如电力网、燃气网和区域供热网。液体燃料也趋向于建立分配网，以便于储存、携带和运输，如汽油和柴油。为什么要进行能源/能量转换？能量的转换与储存能量转换及其原理2020/2/119能源“利用”过程==能量“转换”过程!在工业生产和日常生活中，涉及到的主要能量形式有：热能、机械能、电能、化学能。为什么要进行能源/能量转换？能量的转换与储存能量转换及其原理2020/2/1110能源转换主要是指形态转换，如煤化工中的煤制油、制煤气、制甲醇、二甲醚等；能量转换主要是指形式转换，如煤的下列转换过程：电能通过电动机、电灯或电灶等设备转换为机械能、光能或热能。什么是能源/能量转换？化学能热能机械能电能锅炉汽轮机发电机能量的转换与储存能量转换及其原理能源管理工程2020/2/1111能量的转换过程就是能量的利用过程!能量的相互转换关系能量转换及其原理2020/2/1112广义地说，能源转换还包括：（1）能源的储存：能源在时间上的转移。（2）能源的输送：能源在空间上的转移。什么是能源/能量转换？能量的转换与储存能量转换及其原理2020/2/1113一次能源转换成二次能源有不同的方式。例如：燃煤电站生产电力，有时还进行区域供热/制冷；石油炼制成更方便的液体燃料——汽油、喷气燃料、柴油、石脑油等。能源转换设备有时是一个系统，如核裂变能，在核电站发电以前，要进行化学转换、同位素浓缩、核燃料制作等；有时则是简单的机器，如水电机或风电机。能源转换的方式能量的转换与储存能量转换及其原理1能量转换的基本原理（1）能量转换规律（2）能量的分类（3）能源转换效率能量的转换与储存能量转换及其原理2020/2/1115能量的性质：•状态性•可加性•传递性•转换性（热力学）•贬值性（热力学第二定律）做功性知识点回顾能量的转换与储存能量转换及其原理2020/2/1116从热力学的角度看，能量是物质运动状态的度量。只要物质运动状态一定，物质拥有的能量就确定了。而运动是物质的固有属性和存在的方式，因此，一切物质都有能量。能量的状态性物质的能量==物质运动状态能量的转换与储存能量转换及其原理2020/2/1117物质的运动状态多种多样，就其形态而论只有有序运动和无序运动两类，因而能量也可分为有序能和无序能。有序能：指一切宏观物体整体运动的能量；无序能：指物质内部微观粒子杂乱无章的热运动。有序能可以完全、无条件地转换为无序能；相反的转换是有条件的。这说明能量有量和质的区别。（1）能量转换规律能量的转换与储存能量转换及其原理2020/2/1118各种形式的能量可以相互转换（核能除外），但其转换难易程度均不相同。研究能量转换方式和规律的科学是热力学。能量在转换过程中，遵循热力学基本定律。（1）热力学第一定律，即能量转换与守恒定律；（2）热力学第二定律。能量转换规律能量的转换与储存能量转换及其原理2020/2/1119由能量贬值原理可知，不是每一种能量都可以连续地、完全地转换为任何一种其它的能量形式。为了衡量能量的可用性（可转换性），能量可分为“可用能”和“不可用能”两部分，可用能称为“火用”，用Ex表示；不可用能称为“火无”，用An表示。总能量：E＝Ex+An不同能量的可转换性不同，反映了其可利用性不同，也就是它们的品质不同。（2）能量的分类能量的转换与储存能量转换及其原理2020/2/1120根据转换能力不同，能量可分为三类：第一类，“高级能”或无限转换能：可以不受限制地、完全转换的能量。例如电能、机械能（水能、风能），称为全部转换能）。从本质上来说，高级能是完全有序运动的能量。它们在数量上和质量上是统一的。比如电。。E＝Ex，An＝0。能量的分类能量的转换与储存能量转换及其原理2020/2/1121第二类，“中级能”：具有部分转换能力的能量，或称有限转换能（部分转换能）。例如热能等。根据热力学第二定律，热能不可能连续地、全部变为功，热机的热功转换效率总是小于1。“中级能”的数量与质量是不统一的：EEx，E＝Ex+An.能量的分类能量的转换与储存能量转换及其原理2020/2/1122第三类，“低级能”：受自然环境所限，完全没有转换能力的能量，或称为非转换能（废能）。例如处于环境状态下的大气、海洋、岩石等所具有的热力学能和焓。虽然它们具有相当数量的能量，但在技术上无法使它转变为功。所以，“低级能”是只有数量而无质量的能量：Ex＝0，E＝An能量的分类能量的转换与储存能量转换及其原理2020/2/1123从物理意义上说，能量的品质高低取决于其有序性。第二、三类能量是组成物系的分子、原子的能量总和。这些微观粒子的运动是无规则的，因而不能全部转变为有序能。能量的品质能量的转换与储存能量转换及其原理2020/2/1124能源转换的最后阶段，是二次能源转换成终端使用的能源，即炉灶、汽车、计算机、灯泡等终端设备所用的能源。在能源的终端利用过程中，终端能源变成有效能，有效能就储存在产品中，或用于服务。（3）能源转换效率能量的转换与储存能量转换及其原理2020/2/1125一次能源转换成二次能源、终端能源过程中，无论如何转换都会有转换损失，把能源送到用户也会有输送损失。如，用煤发电，煤中有些能量残存在未燃尽的煤渣中，有些以热的形式从烟囱中损失掉，或成为锅炉或蒸汽管道的辐射热而散发掉，有些以废热的形态失去，有些成为摩擦损失，剩下的部分转变为电能。能源转换损失能量的转换与储存能量转换及其原理2020/2/1126•在能量转换和传递过程中，由于存在着耗散作用、不可逆过程及可用能损失，所以，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%。•因此，在能量利用中效率和经济性是非常重要的两个指标。能量转换的效率能量的转换与储存能量转换及其原理2020/2/1127效率：一般定义为效益与代价之比；对能量转换装置，就是取得的有效能（收益能）与供给装置耗费的能（支付能）之比。效率的定义能量的转换与储存能量转换及其原理2020/2/1128Energyefficiencyofsomecommonenergyconversiondevices转换效率能量的转换与储存能量转换及其原理2020/2/1129火电站的能源转换效率是多少？MechanicalenergyInturbineChemicalenergyIncoalThermalenergyinsteamelectricitycombustion88%Steamturbine88%46%98%Overallefficiency:88%×46%×98%=40%能量的转换与储存能量转换及其原理2020/2/1130各种能源的转换和利用途径能量转换及其原理2020/2/1131能量转换过程及实现转换所需的设备或系统能量转换及其原理2020/2/1132能量转换过程及实现转换所需的设备或系统能量转换及其原理2020/2/1133能量转换过程及实现转换所需的设备或系统能量转换及其原理2化学能转换为热能能量的转换与储存能量转换及其原理2020/2/1135在各种能源转换方式中，最重要的能量转换方式是：将燃料的化学能通过燃烧转换为热能，热能再通过热机转换为机械能。机械能既可直接利用（例如驱动泵、压缩机、汽车等各种运动机械），也可通过发电机再将机械能转化为更便于利用的电能。概述能量的转换与储存能量转换及其原理2020/2/1136将燃料的化学能转变为热能是在燃烧设备（锅炉和工业炉窑）中实现的。将热能转换为机械能是目前获得机械能的最主要方式，通常在热机中完成。概述能量的转换与储存能量转换及其原理2020/2/1137概述•化学能转换为热能的最主要方式：燃料燃烧。•可燃物：能在空气中燃烧的物质。•但不是所有的可燃物都可作为燃料（如米和沙糖之类的食品）。•燃料：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，且在经济上值得利用其发热量的物质的总称。能量的转换与储存能量转换及其原理2020/2/1138•液体燃料•气体燃料燃料的形态通常有：固体、液体和气体。•固体燃料能量的转换与储存能量转换及其原理2020/2/1139•天然的固体燃料有：煤炭和木材（一次能源）；人工的固体燃料有焦炭、型煤、木炭等（二次能源）。其中煤炭应用最为普遍。•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。天然燃料与人工燃料能量的转换与储存能量转换及其原理2020/2/1140各种燃料的热值固体燃料热值/103kJ·kg-1液体燃料热值/103kJ·kg-1气体燃料热值/103kJ·m-3木材13.8原油41.82天然气37.63泥煤15.89汽油45.99焦炉煤气18.82褐煤18.82液化石油气50.18高炉煤气3.76烟煤27.18煤油45.15发生炉煤气5.85木炭29.27重油43.91水煤气10.45焦炭28.43焦油37.22油气37.65焦块26.34甲苯40.56丁烷气126.45能量转换及其原理2020/2/1141燃料燃烧必须具备的3个条件：•1）必须有能燃烧的可燃物（燃料）；•2）必须供给足够的氧气或空气。•3）采用与燃料特性相适应的燃烧设备。保证空气和燃料良好接触混合，同时提供燃烧反应所必需的时间和空间。能量转换及其原理2020/2/1142燃烧设备：通过燃料燃烧将化学能转换为热能的装置。燃烧设备发电系统能量的转换与储存能量转换及其原理2020/2/1143链条炉结构示意图锅炉是能源转换设备。它将煤、油、气等一次能源转换成蒸汽、热水等载热体（二次能源）。链条锅炉加煤燃烧辐射传热对流传热余热回收鼓风能量转换及其原理2020/2/1144•将有机燃料燃烧的化学能转变为热能的设备称为锅炉。本体由“锅”和“炉”两部分组成。•炉是指锅炉的燃烧系统，包括炉膛、燃烧器、烟道、炉墙构架等，其作用在于提供尽可能良好的燃烧条件。•锅是指锅炉的汽水系统，由汽包、下降管、集箱、导管及各种受热面组成，其作用是吸收燃料系统放出的热量。煤粉锅炉喷煤燃烧辐射传