第四章-能量的转换和储存

第四章能量的转换和储存主要内容能量的基本性质能量转换的主要燃料热能的产生机械能的获取电能的生产能量的运输能量的储存第一节能量的基本性质不完全、有条件无序能有序能无序有序运动“量”的多少能量守恒与转换定律“质”的高低能量贬值原理能量之间的转换一、能量守恒与转换定律自然界一切物质都具有能量；能量既不能创造，也不能消灭，而只能从一种形式转换成另一种形式，从一个物体传递到另一个物体；在能量转换与传递过程中能量的总量恒定不变。19世纪自然科学的三大发现热力学第一定律热能作为一种能量，可以与其它形式的能量相互转换，在转换过程中能量总量保持不变。“永动机”第一类用动机是不可能制成的中世纪时代设想的永动机装有自由滚的钢球的永动机美国洛杉矶市的假想的永动机见怪不怪要维持斜面上的一个物体不动，一定要在竖直面的方向上加一个力量，这个力量跟物体重量的比等于这个斜面的高度跟它的长度的比。二、能量贬值原理一大桶温水煮熟一个鸡蛋一勺沸水烫伤人热量能量不但有量的多少，还有质的高低能量转换是有方向性的高温物体低温物体热量孤立系统机械能热能自发过程非自发过程摩擦生热自发过程：不需要外界帮助就能自动进行的过程。有序能无序能“量”的属性遵循热力学第一定律“质”的属性遵循热力学第二定律热力学第二定律的实质：能量贬值原理。即能量转换过程总是朝着能量贬值的方向进行。高品质能量可以全部转换成低品质的能量；能量传递过程也总是自发的朝着能量品质下降的方向进行。能量传递过程的方向、条件和限度热力学第二定律各说法克劳修斯说法：“不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其它变化。”开尔文说法：“不可能从单一热源吸取热量使之完全转变成功而不产生其它影响。”第二类永动机的例子以海洋为热源，海洋共有6.88×1020t的海水，如果海水的温度下降1℃，可放出2.88×1024KJ的热量，约合9.8×1016t标准煤，相当于目前全世界每年能耗的10万倍。第二节能量转换的主要燃料一、定义燃料：能够通过燃烧过程而将化学能转换为热能的物质。所有化石燃料及由化石燃料加工而成的其它含能体；所有生物燃料以及由生物燃料加工而成的含能体。二、主要燃料的转换过程及设备或系统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第三节热能的产生一、热能的获取燃料燃烧获取热能的最主要方式核能转换太阳能转换地热电能转换1.燃料燃烧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2.核能转换核裂变和核聚变。反应堆是将核裂变能转换成热能的装置，是核电站的核心。3.太阳能转换物体吸收太阳辐射后就会发热。可以通过各种集热器将太阳能转换成热能。4.地热以热水或者蒸汽的形式提供热能。5.电能转换通过电阻将电能转换成热能。二、有关燃烧的知识1.燃料燃烧的必要条件有能燃烧的可燃物（燃料）；有使可燃物着火的能量（或称热源），即使可燃物的温度达到着火温度以上。需供给足够的氧气或空气2.燃烧所需的空气量理论空气量根据燃烧的化学反应是，单位燃料完全燃烧时理论上所需的干空气量。实际空气量实际燃烧时，燃料中的可燃元素与空气中的氧不可能有理想的混合、接触或化合。3.燃烧产生的烟气量理论烟气量燃烧过程产生的热能都包含在烟气中。只有CO2、SO2、N2、H2O。实际烟气量实际的燃烧过程是在不同的过量空气系数下进行的。4.燃烧温度燃料燃烧时燃烧产物达到的温度。燃烧温度与燃料的种类和成分、燃烧条件、传热情况等多种因素有关。三、燃烧设备（将化学能转化为热能的装置）锅炉工业炉窑化学能热能1.锅炉分类按锅炉所用的燃料分：固体燃料锅炉（煤）、液体燃料锅炉（重油）、气体燃料锅炉（天然气）、废料锅炉（垃圾、甘蔗渣等）卧式燃油(气)蒸汽锅炉按锅炉的用途分：电站锅炉（发电）采暖及工业锅炉船用锅炉车用锅炉按锅炉工质出口的状态分：蒸汽锅炉热水锅炉按锅炉出口的压力分：低压锅炉（1.27MPa）高压锅炉（3.822MPa）超高压锅炉（13.72MPa）亚临界压力锅炉（16.66MPa）超临界压力锅炉（22.11MPa）。按锅炉排渣的方式分为：固体排渣锅炉、液态排渣锅炉按锅炉锅筒的数目可分为：单锅筒锅炉、双锅筒锅炉2.锅炉的主要部件•燃烧设备将燃料和助燃空气送入炉膛，并保证着火稳定和燃烧良好。•炉膛使燃料在其内燃尽，并使出口烟气冷却到对流受热面能安全工作的温度。•锅筒与上升及下降管一起组成自然循环锅炉的循环回路；其内储存汽水，以适应负荷的变化。水冷壁布置在炉膛四周，吸收炉膛的辐射热，用以加热其内的工质，并对炉墙起保护作用。过热器饱和蒸汽在其内加热成具有额定温度的过热蒸汽。省煤器布置在锅炉尾部，利用尾部烟气的余热加热给水，以降低排烟温度，节约燃料。空气预热器布置在锅炉尾部，利用尾部烟气的余热加热助燃空气，用以强化着火和燃烧，达到进一步降低排烟温度，提高锅炉效率。再热器将汽轮机高压缸的排气在加热到较高的温度，然后送入汽轮机的中、低压缸做功，借以提高发电站的热效率。炉墙构架锅炉的外壳，用以支撑和固定锅炉的各部件，并起密封和保温作用。大型自然循环锅炉示意图第四节机械能的获取机械能的获取机械能化学能一、热能的转换（一）热机效率热能转化为机械能通常借助于热机来实现。根据能量贬值原理，热能不可能全部转换为机械能。也就是依靠单一热源做工的热机是没有的。因此所有的热机都是工作在一个高温热源和一个低温冷源之间。高温热源温度越高，低温冷源温度越低，热即将热能转换成机械能的数量就越多，即热机的效率越高。热机工作过程：气体从高温热源吸收热量后体积膨胀，膨胀气体推动活塞做功，同时气体温度下降；然后气体再将部分热量传给低温冷源，再经适当压缩即可使气体回到原来的状态，从而完成一个热力循环。根据卡诺定律有一系列可逆工作过程组成的理想热力循环，当采用理想气体作为工质时，其最大的理论热效率为：热机的效率恒小于1。（二）热机分类内燃机——往复运动热机燃气轮机——外燃式热机蒸汽轮机——将蒸汽热能转换为机械功的热机1.内燃机组成：气缸和活塞四冲程发动机二冲程发动机分类（点火或着火顺序）工作过程四冲程发动机进气冲程：活塞下行，进气门打开，空气被吸入而充满气缸。压缩冲程：气门关闭，活塞上行压缩空气，在接近压缩冲程终点时，开始喷射燃油。膨胀过程（工作冲程）：气门关闭，燃烧的混合气膨胀，推动活塞下行，是唯一一个做工的冲程。排气冲程：排气门打开，活塞上行将燃烧后的废气排出气缸，开始下一个循环。二冲程发动机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完成。二冲程发动机工作过程2.燃气轮机燃气轮机装置示意图燃烧室发电机燃料空气废气燃气轮机压气机燃气机优点：（1）重量轻、体积小、投资省；（2）启动快、操作方便；（3）水、电、润滑油消耗少应用领域：航空领域燃气轮机小而轻，启动快，马力大。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做主机或启动辅机。舰船领域目前已在高速水面舰艇、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，海上钻采石油平台也广泛采用了此。陆上领域发电。在机车、油田动力和坦克等方面也得到了广泛应用。3.蒸汽轮机（汽轮机）将蒸汽的热能转换为机械功的热机。汽轮机的工作原理（a）冲动式（b）反动式二、水能和风能的转换通过水轮机可以将水的位能转换成机械能。通过风力机可以将风能转换成机械能。电动机是通过定子磁场（励磁绕组）和转子磁场（电枢绕组）之间的相互作用而转动的。三、电能的转换异步电动机同步电动机交流电动机复励式并励式串励式直流电动机电动机中的磁场第五节电能的生产电能的生产电能辐射能化学能差磁流体发电、热电偶温机械能发电机电能一、机械能的转换机械能发电机电能同步电机汽轮机燃气轮机内燃机水轮机风力机39万千瓦燃气轮发电机二、热能转换磁流体发电热电偶温差发电热电子发电1.磁流体发电工作原理：将热能直接转换成电能。是以高温的导电流体(在工程技术上常用等离子体)高速通过磁场，以导电的流体切割磁感线产生电动势。导电的流体起到了金属导线的作用。组成燃烧室、发电通道和磁体燃烧室燃料燃烧的地方，燃烧所产生的高温气体经喷管提高流动速度，以高温高速进入发电通道，切割磁感线产生电磁感应。这种燃烧室与一般工业用燃烧室相比，具有温度高、体积小、热效率高等特点。但由于加入了低电离电位物质（“种子”）,这就要求燃烧室能耐碱金属的侵蚀。布置在燃烧室后面的超声速喷嘴使气体加速到800m／s以上，然后进入发电通道。发电通道磁流体发电机的核心部件。发电通道由绝缘壁和电极组成。当高温导电气体通过发电通道时,切割磁感线,电极壁的两极就形成电动势,把电离气体的热能转换成电能输出。磁体由铁芯电磁铁或超导线圈组成。有三种型式：铁心电磁铁、无铁心铜线圈磁体和超导线因磁体优点（1）系统简单，结构紧凑，造价低，起动快，适于尖峰负荷电站和特殊电源。（2）与蒸汽发电组成联合循环，燃烧产生的热能先后二次被用来发电，加之工质初温高，从而可使热效率提高到50％-60％。（3）对环境的排热少，减少了对环境的热污染；另外发电过程中加入的碱金属极易和燃气中的硫化合，从而减少了对环境的硫污染。磁流体发电的应用1959年，美国的阿夫柯1号磁流体发电机发出11.4KW的电力，点亮了228盏50W的灯泡，运行了10s。1966年，美国空军研制成功一台实际输出电功率18MW的磁流体发电机，每天大约运行3次，每次1min。1964年，我国建成第一台小型模拟磁流体发电试验机组，燃烧汽油和纯氧，发电功率为80W,运行1min。1978年我国第一台民用长时间磁流体发电机组研制成功,电功率为12KW,累计运行1000h。2.热电偶温差发电工作原理根据塞贝克效应，即当任意两种不同的导体联结成一个闭合回路时，若两接点处的温度不同，在两结点间就会形成一个电位差并能在外电路中输出电能；两接点间产生的电位差的大小和两接点处的温差成正比。放射性同位素作燃料的温差发电器示意图放射性同位素温差发电器优点：结构紧凑、比功率高、寿命长、不需维修和不受环境影响。应用：阿波罗登月装置深海自动装置无人自动气象站海底勘探心脏起搏器3.热电子发电工作原理：利用被加热后的金属表面会发射出热电子。热电子发电，其热效率从理论上讲可超过20％。优点：比功率高，电流密度大，可达５０～100Wcm2；体积小，重量轻，无运动部件。缺点：工作温度很高，发射极和集电极之间的间隙又极小，极易形成结晶而引起短路；另外工艺复杂，加工精度很高，也限制了推广应用。应用：军事和太空领域。三、化学能转换蓄电池燃料电池燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置。用于电动自行车的金属储氢装置１．蓄电池与燃料电池的异同点相同点：都是将化学能直接转换成电能的装置；构造相同，两者都由包括两个被电解液或电糊隔离的电极组成。不同点：蓄电池含有的燃料或化学能是一个固定的量，而燃料电池则可在运行