能量的转换和储存

第二章能量的转换本章主要内容主要的能量转换过程能量的储存第一节主要的能量转换过程概述化学能转换为热能热能转换为机械能机械能转换为电能能量的转换能量转换是能量最重要的属性，也是能量利用中的最重要的环节。通常所说的能量转换是指能量形态上的转换。能量转换包括：能量在空间上的转移，即能量的传输；能量在时间上的转移，即能量的储存。能量转换过程必须遵守能量转换和守恒定律，即：输入能量-输出能量=储存能量的变化能量的转换在国民经济和日常生活中用得最多、最普遍的能量形式是热能、机械能和电能。它们可以由其它形态的能量转换而来，它们之间也可以互相转换。任何能量转换过程都需要一定的转换条件，并在一定的设备或系统中完成。能源能源形态转换过程转换机械或系统石油、煤炭、天然气等矿物燃料氢和酒精等二次能源化学能热能化学能热能机械能化学能热能机械能电能化学能电能热能化学能电能炉子、燃烧器各种热力发动机热机、发电机，磁流体发电，EGD发电（压电效应）热力发电，热电子发电燃料电池能量转换过程及转换设备或系统能源能源形态转换过程转换机械或系统水力、风力、潮汐、海流、波浪太阳能机械能机械能机械能机械能电能光能热能光能热能机械能电能光能热能电能光能电能光能化学能光能生物能电磁波电能水车、风车。水轮机——发电机，波力发电、风力发电、潮汐发电、海流发电热水器，采暖、制冷、光化学反应，太阳灶太阳热发动机太阳热发电热力发电，热电子发电光电池、光化学电池光化学反应（水分解）光合成能量转换过程及转换设备或系统能源能源形态转换过程转换机械或系统核能核分裂热能机械能电能核分裂热能核分裂热能电能核分裂电磁能电能核聚变热能机械能电能电能光（激光）热能电能热能聚变核发电，磁流体发电核能炼钢热力发电，热电子发电光电池核聚变发电能量转换过程及转换设备或系统概述在能源利用中最重要的能量转换过程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成机械能。机械能可以直接利用，也可以转换成电能。将燃料的化学能转变为热能是在燃烧设备中实现的。主要的燃烧设备有锅炉和各种工业炉窑。概述将热能转换为机械能是目前获得机械能的最主要的方式。转换过程通常是在热机中完成。应用最广的热机是内燃机、蒸汽轮机、燃气轮机等。内燃机主要为各种车辆、工程机械提供动力。蒸汽轮机主要用于发电厂中，也可作为大型船舶的动力，或拖动大型水泵、压缩机、风机。燃气轮机除了用于发电外，还是飞机的主要动力源，也可用作船舶的动力。化学能转换为热能燃料燃烧是获取热能的最主要方式。能在空气中燃烧的物质称为可燃物，但不能把所有的可燃物都称作燃料（如米和沙糖之类的食品）。所谓燃料，就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，是能在经济上值得利用其发热量的物质的总称。燃料通常按形态分为固体燃料、液体燃料和气体燃料。化学能转换为热能天然的固体燃料有煤炭和木材；人工的固体燃料有焦炭、型煤、木炭等。其中煤炭应用最为普遍，是我国最基本的能源。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。液体燃料固体燃料气体燃料化学能转换为热能燃烧反应是一个氧化反应。燃料中的可燃元素碳、氢、硫和空气中的氧激剧化合时发出显著的光和热。通过燃料燃烧将化学能转换为热能的装置称为燃烧设备。其中锅炉就是典型的燃烧设备，它是通过化石燃料的燃烧将燃料的化学能转换为高温烟气的热能，并用热能加热水使之变为蒸汽。有关燃烧的知识燃料燃烧的必要条件燃烧所需的空气量燃烧产生的烟气量燃料燃烧的必要条件必须要有能燃烧的可燃物（燃料）；必须要有使可燃物着火的能量（热源），即使可燃物的温度达到着火温度以上；必须供给足够的氧气和空气。为了维持燃烧，还必须保证：（1）必须把温度水平维持在燃料着火温度以上；（2）必须把适当的空气量以正确的方法供应给燃料，使燃料能充分地与空气接触；（3）必须及时而妥善地排走燃烧产物；（4）必须提供燃烧所必须的足够空间（燃烧室）和时间。不同燃料的燃烧特点煤的燃烧油的燃烧气体燃料的燃烧煤的燃烧煤的燃烧基本上有两种形式：第一种是煤粉悬浮在空间燃烧，称为室燃或粉状燃烧；第二种就是煤块在炉排上燃烧，称为层燃或层状燃烧。煤的燃烧技术目前煤的燃烧方式主要是煤粉燃烧和流化床燃烧。我国大型锅炉和工业窑炉大多采用煤粉燃烧。为了提高煤炭燃烧的效率和减少污染，发展了许多先进的燃烧技术，如煤粉燃烧稳定技术，包括各种新型的燃烧器，煤粉低氮氧化物燃烧技术，高浓度煤粉燃烧技术，流化床燃烧技术等。油的燃烧油的燃烧方法有内燃和外燃两种方式。所谓内燃，是在发动机气缸内部极为有限的空间进行高压燃烧，是一种瞬间的燃烧过程。所谓外燃，就是不在机器内部燃烧，而在燃烧室内燃烧，并直接利用燃烧发出的热量，如锅炉、窑炉内进行的燃烧。油燃烧的全过程包含着传热过程、物质扩散过程和化学反应过程。油的燃烧技术油是最常用的液体燃料。油的燃烧实际上包含了油加热蒸发、油蒸气和助燃空气的混合以及着火燃烧三个过程。为了实现油的高效低污染燃烧，应从以下来两方面着手：（1）提高燃油的雾化质量；（2）实现良好的配风。气体燃料的燃烧气体燃料的燃烧可以分为容器内燃烧和燃烧器燃烧，它们和油的两种燃烧方式相近。气体燃料的燃烧过程包括三个阶段，即混合、着火和正常燃烧。气体燃料的燃烧技术气体燃料燃烧的效率主要取决于气体燃料燃烧器。对气体燃烧器的基本要求是：不完全燃烧损失小，燃烧效率高；燃烧速率高，燃烧强烈，燃烧热负荷高；着火容易，火焰稳定性好，既不回火，又不脱火；燃烧产物有害物质少，对大气污染小；操作方便，调节灵活，寿命长，能充分利用炉膛空间。气体燃烧器常用的气体燃烧器有扩散式燃烧器；另一种是预混式燃烧器；此外还有一种部分预混式燃烧器燃烧设备燃烧器燃烧容器内燃烧气体燃料的燃烧外燃内燃油的燃烧层燃（层状燃烧）室燃（粉状燃烧）煤的燃烧燃烧方式燃烧设备锅炉工业炉窑化学能热能燃煤锅炉设备的示意图热能转换为机械能蒸汽轮机燃气轮机内燃机蒸汽轮机蒸汽轮机，简称汽轮机，是将蒸汽的热能转换为机械功的热机。汽轮机单机功率大、效率高、运行平稳，在现代火力发电厂和核电站中都用它驱动发电机。汽轮发电机组所发的电量占总发电量的80%以上。此外汽轮机还用来驱动大型鼓风机、水泵和气体压缩机，也用作舰船的动力。汽轮机示意图汽轮机的工作原理（a）冲动式汽轮机（b）反动式汽轮机汽轮机的工作原理锅炉产生具有一定压力和温度的蒸汽通过汽轮机的喷嘴后，压力降低，速度增高；这股高速汽流冲到装在叶轮上的动叶片，方向有了改变，动量发生变化，从而对动叶片产生作用力，推动转子转动，将热能转换成由主轴输出的机械功。蒸汽轮机大型汽轮机通常有多级叶片，并将汽轮机分为高压缸和低压缸。根据汽轮机的排汽压力通常有所谓凝汽式汽轮机和背压式汽轮机之分。汽轮机还可根据是否从中抽汽，分为抽汽式汽轮机和非抽汽式汽轮机。前者抽出的蒸汽既可供其它热用户使用，也可用来加热给水，以提高整个电厂的循环效率。燃气轮机燃汽轮机和蒸汽轮机最大的不同是，它不是以水蒸气作工质而是以气体作工质。燃料燃烧时所产生的高温气体直接推动燃汽轮机的叶轮对外做功，因此以燃汽轮机作为热机的火力发电厂不需要锅炉。它包括三个主要部件：压气机、燃烧室和燃气轮机。燃烧室发电机燃料空气废气compressorCombustionchamberturbine工作原理空气进入压气机，被压缩升压进入燃烧室，喷入燃油即进行燃烧；燃烧所形成的高温燃气与燃烧室中的剩余空气混合后进入燃气轮机的喷管，膨胀加速而冲击叶轮对外做功。燃气轮机所做的功一部分用于带动压气机，其余部分（净功）对外输出，用于带动发电机或其它负载。燃气轮机的优点重量轻、体积小、投资省。燃气轮机的重量及所占的容积一般只有汽轮机装置或内燃机的几分之一或几十分之一，因此它消耗材料少，投资费用低，建设周期短；起动快，操作方便。从冷态起动到满载只需几十秒或几十分钟，同时由于燃气轮机结构简单、辅助设备少，运行时操作方便，能够实现遥控，自动化程度可以超过汽轮机或内燃机；水、电、润滑油消耗少，只要少量的冷却水或不用水，可以在缺水地区运行。燃气轮机的应用领域航空领域。由于燃气轮机小而轻，起动快，马力大，因此在航空领域中已占绝对优势，涡轮喷气发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮风扇发动机都是以燃气轮机作主机或起动辅机；舰船领域。已在高速水面舰艇、水翼艇、气垫船等中占压倒优势，在巡航机、特种舰船中得到了批量采用；陆上领域。在发电方面，燃气轮机用于尖峰负荷应急发电站和移动式电站，在机车、油田动力和坦克等方面也得到广泛应用。内燃机包括汽油机和柴油机，是应用最广泛的热机。大多数内燃机是往复式，有汽缸和活塞。内燃机有很多分类方法，但常用的是根据点火顺序分类或根据气缸排列方式分类。按点火或着火顺序可将内燃机分成四冲程发动机和二冲程发动机。应用广泛•四冲程发动机完成一个循环要求有四个完全的活塞冲程：(1)进气冲程；(2)压缩冲程；(3)膨胀冲程（即下行冲程）；(4)排气冲程。二冲程发动机是将四冲程发动机完成一个工作循环所需要的四个冲程纳入二个冲程中完成。四冲程发动机和二冲程发动机相比，经济性好，滑润条件好，易于冷却；但二冲程发动机运动部件少，质量轻，发动机运动较平稳。内燃机内燃机只能将燃料热能中的25—45%转换成机械能，其余大部分大多被排气或冷却介质冲程发动机带走。因此如何利用内燃机排气中的能量就成了提高内燃机动力性和经济性中的主要问题。近百年来，内燃机废气涡轮增压技术得到了迅速发展，现在国外60%以上车用柴油机都采用涡轮增压技术，车用汽油机采用涡轮增压技术也日益增多。由于废气涡轮增压能回收25—40%的排气能量，所以采用增压技术不仅提高发动机的功率，而且还能降低油耗和改善内燃机的排放性能。电能是与电荷的流动和积聚有关的一种能量。由于电能能够容易地以高转换效率转换成其它形式的能量，因此电能是非常有用的一种能量形式。电能可以通过多种途径生产，最主要的途径是通过发电机将机械能直接转换成电能。另外，可在燃料电池和蓄电池中由化学能直接转换成电能；在太阳能电池中由辐射能直接转换成电能；核能转换成电能是在核电池中实现的。磁流体发电、热电偶温差发电可将热能直接转变成电能。机械能转换为电能世界上几乎所有的电能都是通过发电机由机械能转换而来的。将机械能转换成电能的发电机都是同步发电机。同步发电机可以用汽轮机、燃气轮机、内燃机、水轮机、风力机等动力机械驱动，它们的转换效率从小发电机的50%到大型电站交流发电机的90%以上。根据采用汇电环还是整流器，同步发电机可以输出交流电或直流电。根据动力机械的特点，同步发电机有立式和卧式两种。由汽轮机和内燃机驱动的发电机多为卧式；大型低速水轮机驱动的发电机则为立式；中速以上的中、小型水轮机驱动的发电机则有立式，也有卧式。发电机工作原理同步发电机由定子（铁芯和绕组）、转子（钢芯和绕组）、机座等组成。转子绕组中通入直流电并在汽轮机的带动下高速旋转，此时转子磁场的磁力线被定子三相绕组切割，定子绕组因感应会产生电动势。当定子三相绕组与外电路连接时，则会有三相电流产生。这一电流又会同步产生一个顺转子转动方向的旋转磁场，带有电流的的转子绕组在其作用下，将产生一个与转子旋转方向相反的力矩，阻止汽轮机旋转。为了维持转子在额定转速下旋转，汽轮机一定要克服该力矩而作功，也就是说汽轮机的机械能通过同步发电机的电磁相互作用而转变为定子绕组中的电能。发电机的冷却由于存在磁滞和涡流等损耗，发电机必须进行冷却。通常小型发电机多采用开启式通风冷却；100Kw以上就需要采用管道通风；4000kW以上则要采用带空气冷却器的闭式循环空气冷却。对50—200MW的汽轮发电机一般采用氢外冷；对于300MW以上的汽轮发电机定子和转子都需要采用氢冷。