热能的节能技术.docx
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热能的节能技术
热能的节能技术
目录
第一节概述
第二节工程热力学——能量质量的节能
第三节关于量的节能理论
第四节节能的实施——关于技改
第五节节能的实施——关于优化运行
第六节结束语
第一节概述
一.节能是一门科学
“国家节约能源法”新草案关于节能的定义是：
“加强管理，采取技术上可行、经济上合理以及环境和社会可以承受的措施，从能源生产到消费的各个环节，降低消耗，减少损失，制止浪费，更加有效、合理的利用能源”。
（1970年世界能源委员会）什么样是可行，什么样是合理，什么样是可承受，好像需要一个定量的尺度、限度。
我国老一代最德高望重的科学家严济慈老先生在上世纪六十年代说过：
“所费多于所当费；所得少于所可得——就是浪费。
”
这句话揭示了节能的本质问题，“当费”和“可得”点明了节能需要定性和定量的内涵，——这就是节能这门学科的核心。
能源是万物运动的动力之源，因此这句话，甚至可以说是指明了：
（节约能源这个）事物发展的方向和人类（依赖于能源）活动可能的范围。
节能技术是一门科学，有它完整的理论和规律，是研究能源利用完善程度的定性和定量分析的一个学科。
认为面对各行各业而无能为力的观点、对能源的浪费熟视无睹的状态、或者伪科学——都是不对的。
二.节能的范畴和方向
节能的内涵，可以这样划分：
1.从范畴分：
有广义节能和狭义节能。
广义节能，包括所有材料的节约，因为任何一种材料也都以消耗一定数量的能源而取得的；本课题是指“节能技术”，称为狭义节能，仅指各种能源、能量的节约，也包含材料制造过程中的能源、能量的节约。
2.能而称为量，就有数量和质量之分：
显然需要节约能量的数量和质量，只有这两方面都节约了才能称为能量的利用完善了。
严济慈老先生的“所费多于所当费”，就是指数量的节能；而“所得少于所可得”，就是指质量的节能——这就从本质上指明了完善的、全面的、而且是定量的节能方向。
三.节能技术的理论体系
理论是指导节能工作的基础：
节约能的质量——可得必得，是宏观节能，是系统节能。
理论基础是：
“工程热力学”。
节约能的数量——当费则费，是微观节能，主要是设备节能。
理论基础是：
“传热理论”、“燃烧理论”、“传质（干燥）理论”及其基础理论（物理学、流体力学等）；
还有“工质特性理论”、“热机原理”等。
其中，工质是以地球上最易取得、无害的水和空气为主的物质特性理论；热机主要是指，汽油机、柴油机、汽轮机等，以热学、机械学、流体力学相结合的理论，本文重点介绍前三个基础理论。
注意：
1.把节能和热学、热力学紧密相连，是因为热学、热力学不仅只阐明了热能作为一种能源的本身的特性；而且自始至终，贯穿于热学的发展全过程，无论在深度和广度上，都紧扣能源节约这个核心，甚至还有斗争；这门学科既古老，又因为节能成为人类关注的焦点而生机勃勃，不紧跟甚至会很快会落伍，催人奋进。
很有意义。
2.称为理论，但一点也不抽象，它无时不刻地在指导和影响着我们周边的生产、工作和生活。
本文就以日常所见的生产、工作、生活为例，揭示节能的理论系统，展开课题，抛砖引玉，共同探讨深入。
第二节工程热力学——能量质量的节能
世界是运动的，运动就必然需要有推动力。
热而称为力，显然，热力
学在某种意义上来说，是揭示自然界运动的规律、揭示事物发展的方向和揭示人类活动可能范围的一门科学。
热力学的核心由热力学第零、第一、第二和第三四大定律组成。
一．热力学第一定律
1.热力学第一定律是在18世纪，瓦特发明蒸汽机后，人类发现自身可以有这么大的创造力，于是各种发明、创造风起云涌，其中包括占比例不小的各类永动机。
大量的现象、问题放在科学家面前需要解释、需要正确引导；需要说明什么是功？
什么是能？
如何转换？
有什么关系？
于是热力学第一定律，即能量转换和守恒定律应运而生。
热力学第一定律可以用一个很简单的公式表达：
功=常数×热量即W=A×Q
它说明:
功和热都是能量；
能量必有它的由来，必然由其他能量转换而来；能量可以互相转换，转换前后是相等的，也就是说转换前后是平衡的；不同能量间的转换，只需乘上一个经理论和大量试验证明的系数，就可以相互换算，这个系数称为当量值。
式中常数A就是功的当量值——功热当量。
第一定律指明了：
第一类永动机，即不需要输入能量，就能连续作功或能连续产生某种能量，及其它伪科学的不可能性。
2.热力学第一定律还可写为：
输入能量＝输出有用能量＋损失能量说明任何一个过程（从单台设备，到一个系统，一个企业，一个地域）在取得有效部分的同时，也必然伴随有某种能量或功的损耗，寻找这些损耗，就是节能和节能工作；
效率＝输出有用能量/输入能量%；
能量的多次转换：
总效率＝效率1×效率2×效率3×…；
研究这些等式的方法，就是热平衡和能量平衡方法——提高转换效
率的方法，或者减少损失的方法。
尽可能提高有用能量和尽可能减少损失能量——就是节能——热力学第一定律指明了节约能量数量的方向。
3.应用举例：
各种设备、系统、企业的热平衡和能平衡工作。
越是大型设备越有可能做得更完善，转换效率越高。
如集中供热、煤气化、坑口电站、大型发电站等。
各种能量可以互相转换，转换过程也都存在效率问题：
如：
火力发电站、三峡水电站，核电站；其他新能源——风力发电、潮汐发电、太阳能发电、垃圾发电等等。
关于能源资源的节约：
世界上的一切能源的来源都是太阳能，因此必
须关心不可再生能源和可再生能源问题。
太阳能转化矿物质能——不可再生能源，诸如：
煤炭、石油等，这是多少万年太阳能的积累。
燃烧这些能源后产生二氧化碳，排入大气后，还造成温室效应，威胁人类的生存条件，必须限制和制定世界的公约；太阳能转化为生物质能——可再生能源，即生物质能源，如：
作物秸秆、其他植物等，绿色植物生长过程中要吸收二氧化碳，因此国际社会公认燃用生物质能源作为二氧化碳的零排放。
可见节能和减排之间的关系密不可分。
当然环境科学，又是一门专门的学科，不能一一。
可见热力学第一定律在这发面建立了不可磨灭的功勋。
二.热力学第二定律
热力学第一定律没有进一步说明：
能量的自生不可能，还有些那些不可能？
热能里的“温度”这一重要概念为什么没有出现，没有被描述；
能量有转换方向吗？
高温到低温，低温到高温；热能到电能，电能到
热能都可逆吗？
功和热能完全等同描述吗？
功转变为热能，或热能变为热能的过程，可以用热力学第一定律的效
率来描述；那么热能转变为功，用热力学第一定律的效率来描述，为什么往往不如人意？
有序运动可方便的转变为分子无序的热运动，反之可以自由进行吗？
从瓦特发明热能到机械能的蒸汽机，推动了第一次工业革命；这时电
和它的机理，电和磁的关系也正在被很多科学家孜孜不倦、前赴后继地揭示出来，电加入到能量的大家庭，电能几乎无所不能。
赶快发电吧，但发电又是一个怎么样的能量的转换过程呢？
效率又可以多少呢？
人类又将进入一个新的时代，当然又有大量问题摆在了人们面前。
技术发展的需要和人类认识的深入，产生了热力学第二定律：
1.开尔文描述：
“不能制造出只与单一温度热源交换热量，对外作功，
又不引起其它变化的热力发动机”。
即仅从单一温度热源取得热量，就可以不断做功，热可以完全转化为功，是不可能的；必须同时还要向另一个低温热源排出一部分热量，才可以取得功。
即热能转换为功（机械能），存在另一个转换效率问题。
2.克劳修斯描述：
“热不可能从低温物体传向高温物体，而不引起其它
任何变化”。
即，要使低温物体转变为高温物体，必须另外加入能量。
第二定律需要定量，这就是卡诺循环及其效率的计算——指明热转化
为功的最高可能性：
η=1-T低/T高
举例：
火焰温度T1=1200℃
可产生的蒸汽温度T2=200℃（1.6MPa）
环境温度T3=30℃
充分利用火焰（1200℃）:
η=1-（30+273）/（1200+273）=79.4％
而如果利用蒸汽（200℃）：
η=1-（30+273）/（200+273）=35.9％
效率相差这样大，指明了另一个节能潜力的方向和最高可能性。
如有运行于如下参数的发电厂：
压力
MPa
温度
℃
卡诺
η%
锅炉
η%
汽机
η%
发电、厂用电η%
发电
η%
1.0
180
33.1
85
80
80
18.0
3.5
340
50.6
88
83
83
30.7
10.0
540
62.7
90
85
85
40.7
发电η=卡诺η×锅炉η×汽机η×电厂η
锅炉、汽机、发电厂厂用电部分，实际上是人们平时关注的重点。
明
显仅是节约的一部分,这是第一定律的范畴，但并非是节能的全部；而卡诺循环效率所揭示的是节能的另外一个大部份。
可见：
第一定律指明了从能源的下游节约，量的节约——“所费多于所当费”的问题；而第二定律指明了从能源的源头节约，质的节约——“所得少于所可得”的问题。
第二定律指明了：
1.超卡诺循环效率η不可能、第二类永动机不可能、所得多于所可得不可能；
2.能量转换不仅有数量问题，还有方向性问题、品位问题，数量不能体现能量转换的全部，也就是说能量还具有有质量问题。
能量取得的难易程度、消耗能源资源的多少和它的功能、功用代表了能量的品位和质量。
电能、机械能比热能品位高；温度愈高的热能，愈可以获得更多的高品位的电能、机械能，因此也质量愈高；
品位问题也揭示了能源利用完善性的另一面。
温度越高，卡诺循环效率越高，利用越多，即可得的越多。
集中供热比小锅炉效益高；热电联供效益更高，利用了高端能量，白白回收了电能；热电联供也是参数越高越好；联合循环发电效率更高。
这里说大型化，又高参数化，才获益越大。
而一种新的理念，甚至称为是第二代能源系统，即分布式能源系统。
它是以燃气（或其它新能源）、燃气-蒸汽联合循环、热电冷联供为核心的小型系统。
关键是：
大小型，对于燃气系统（或其它新能源）效率相差不大，接近负荷又减少了损失，这两者抵消；而联供的效益远高得多，所以被推崇。
燃煤则有粉碎问题、除尘问题等，还是一定的大型化为好。
3.按第一定律计算的是当量热值，反映能量的数量；反映能量质量的是被第二定律所决定的等价热值，它反映的是能量取得的难易程度，是能源的品位，是对于能源资源的消耗量的计量。
如：
电1kwh=3600kj=电加热放出的热量（这是当量值），而取得1kwh电，发电厂效率30～40%，需10550kj，即0.360kg标煤的热量，才产生1度电，这就是电的等价值；而如有蒸汽3600kj（这是当量值），锅炉效率80～90%，需4500kj的热量的煤才能产生，即0.15kg标煤，这是蒸汽的等价值。
上述计算，显然不能说锅炉效率高于发电厂效率的2倍；同时，可以
看到等价值是折算到能源消耗的计算，电的等价值高，功能也远非蒸汽所可比，因此品位高——等价值揭示了能量的品位本质——揭示能耗与国家资源的关系，节能对于国家资源的责任；
统计部门用当量值，是为了避免重复计算，这是两回事。
4.从统计学看：
热能是分子的无序运动，而电能是原子的有序运动。
从有序到无序很容易，而从无序到有序不容易。
有序性代表能源等级。
可见普遍意义上讲：
第一定律的热平衡已不能作为评价能量利用完善
性的可比尺度。
5.第二定律和卡诺循环的进一步推导，可以更完善各种过程的关于能量质量的：
质量的转换、质量的损失、质量转换的效率的计算。
这就是“火用”和“火用”平衡计算，这是对于能量的质量、内部损失的计算评价方法；而热平衡计算只考虑外部损失。
“火用”=Q×卡诺η—恒温热源
=△i-T△S—流动体系（变温）
=kwh—电或机械能·
——“火用”代表可以转化为功的能，称可用能。
焓=“火用”＋“火无”
“火无”=Q×（1-卡诺η）=T△S
——“火无”代表未能转化为功的能，是损失的能。
熵——S。
是内部损失程度度量方法、效率提高方向的一个有用参数，内涵十分丰富，本文不再深入，仅抛砖引玉了。
能量平衡只反映各种能源的数量利用程度；需要作“火用”平衡以考察质量的利用程度，就是从能源的源头节约的计算方法。
6.工作和日常生活中常见关于的所得少于所可得的问题:
阀的节流，热量没有损失，但压力下降了，可用能减少了，能量的
质量损失了，质量代表品位，代表更多的数量；
燃煤取暖，可以做到没有热损失，但燃烧温度达1200℃只为取暖的50
℃服务，如能发过电再供热，这部分电能岂非白白取得了？
高低品位能量的区别、权衡利用；
电解制氢——为了清洁能源，用高级能源，取得低等级的热能，氢
仅作为燃料用，不甚合理。
但如果能利用低谷电，倒可以权衡。
吸收式（溴化锂）制冷——利用低温热源以热代电是合理的，等等。
热泵问题是反向的卡诺循环（制冷循环），效率很高，；主要用于空调节能等，有利于低温热源的利用（包括地热、太阳能等）。
例：
空调制冷的两端温差越小，当然能耗越小。
如夏季空调运行时，室内26℃，室外38℃，温差12℃；如果想办法使室外温度为26℃以下，原则上可以不耗能了；而冬季空调运行时，室内20℃，室外0℃，温差20℃；如果想办法使室外温度为10℃，温差10℃原则上可以节能一半，利用井水也可以做到。
这就是低温热源的利用，同样还可广泛考虑太阳能、工厂低温热源的利用等等，效果良好。
与热电联产、联合循环等性质不同。
7.应用的关注点：
必须既从能源的下游节约，量的节约；又从能源的源头多利用，质的
节约，两方面并举才是对能源利用完善了；
热电联供及其高参数化、需要有序有规划地发展；
压力能的分级利用；
联合循环发电——最大可能地可得必得；
能源的源头利用或能源的分级合理利用，是企业领导级、地域区域级、
甚至国家级的事，必须有远见卓识的统筹规划——这是一个节能巨大潜力的领域；
新上项目能源评估应该有区域、地域性的用能评估，等等。
3.热力学第零定律
热力学第零定律：
“两物体达到热平衡，即两者间完全没有热量传递时就是温度相等”。
也就是说两物体间如果没有温差，就没有热量的传递；如果有热量的传递就有温差。
温度测量就是用这个原理，应保证温度计和被测物体间没有热量的传递时，两者间温度才一致了。
四.热力学第三定律
热力学第三定律：
“不论用什么方法都不可能把温度降到绝对零度”。
绝对零度就是：
分子原子都停止了运动。
排列整齐，已经有序了，所
以易于达到“超导”；
此时“焓”、“熵”、“火用”等热力参数也都等于零，也都以绝对零度为起点。
事实上绝对零度也就是用热力学的方法推导出来的。
“熵”是个非常有用的参数，在第二定律、第三定律里很重要。
一切
化学反应也都是朝着“熵”增方向进行的，可方便的确定化学反应的方向。
第三节关于量的节能理论
主要有：
传热（换热）理论；燃烧理论；传质（干燥）理论等；
工质特性理论：
水、饱和水蒸汽、过热水蒸汽特性、空气、湿空气特性、制冷剂特性等；
热机原理（热学、流体力学、机械学的结合）等。
本文主要介绍传热理论、燃烧理论和传质理论。
一.传热理论
传热理论的核心就是:
如何最大可能地加强传热和最大限度地阻止传热
剖析传热的机理，传热有三个途径：
流体的对流传热、固体的导热、辐射传热。
1.对流传热
是发生在流体（液体、气体）里的热量传递，热量搭载在流动的物体上，而被传递，这种流动称为对流：
流体对流传热的传热量为：
Q=α×△T×F
式中三项：
关于α：
传热系数，与工质特性和流速有关，它的倒数就是热阻1/α。
传热与电学的欧姆定律很相像：
I=U×R。
电流相应于热量，电阻相应于热阻1/（α×F），而电压相应于温差，因此也常称温差为温压。
关于对流传热系数α，可以从数量上感性的认识一下：
气体α=几十千卡/米2·时·度
液体α=几千千卡/米2·时·度
沸腾和冷凝时（相变时）α=几万千卡/米2·时·度
例如：
应当充分利用沸腾和冷凝传热；
需要合理使用疏水器和增加传热面积；
沸腾和冷凝传热的典型技术——热管技术（热短路）的应用；
利用相变技术——汗冷技术的应用；
关于传热面积F：
两种流体之间需要相隔，传热面积F就是这个相隔物体的面积。
如：
设计合理的流道、单位体积里尽可能多的传热面积、传热面积多了还需考虑小的流动阻力、还有膨胀问题、合理布置翅片密度与高度问题等；
关于传热温差△T：
除了温差越大，传热量也越大外；合理组织流体流向也有意想不到的效果，如：
逆流布置与顺流布置相比，它的传热温差大于顺流的传热温差；而且冷流体的最终温度还可以被加热得更高，或者说热流体的最终温度还可以被冷却得更低，设备利用率高。
2.导热
是指发生在固体里面的传热，由分子、原子承担传递：
固体里的导热传热的传热量为:
Q=（λ/d）×△T×F与对流传热公式一样，也是很相似的三项：
关于导热系数λ，也可以从数量上感性的认识一下：
金属λ=10～200千卡/米·时·度
非金属λ=0.01～0.9千卡/米·时·度
显然，金属是热的良导体，传热热阻可以忽略不计；而非金属热阻大得多，可做绝热材料。
和物体的导电性能很接近。
d是物体的厚度，F是传热的截面积；d/λ是热阻，与电学的电阻计算方法几乎一样。
△T也是温压的含义。
3.辐射传热，
热量除了可以借助以气体、液体、固体传输外，还可以在没有任何分子、原子的真空中传输，这就是辐射传热，与光线的照射特性很接近。
辐射传热量为：
Q=ξ（T14/100-T24/100）F
关于辐射系数ξ，它与穿过物质的入射、反射、透射、吸收、频谱有关；与接受辐射（照射）物质的入射、反射、透射、吸收、频谱以及表面黑度系数、表面形状等有关。
其热源如太阳、火焰、高温烟气、电加热器、微波炉等
关于面积，与热源的辐射面积、接受辐射物体的被照射面积、两者的位置、角度等有关，计算稍复杂。
1/ξ相当于热阻。
同时辐射传热量与温度4次方之差成正比，可见高温辐射的传热量也是很大的，等效来看数量级与沸腾传热、冷凝传热在一个层次上。
诸如：
太阳能电池板的表面镀膜，使入射＞对外辐射；
太阳能电池盖板的蜂眼特性，可以在内部折射，提高了太阳不同入射角时的效率；
太阳能热水器的镀膜，产生的温室效应；
而汽车的防晒薄膜，是使反射＞入射；
红外线的应用；
炉膛高温燃烧区的充分利用；黑度系数的提高，等等。
4.多层传热，热传导大多是多层的，有它的特性：
传热量=K×△T×F
K是总传热系数，等于多层热阻和的倒数：
K=1/（R1＋R2＋R3…）
每层的热阻R1、R2、R3…可以分别等于d/λ、1/α等（关于辐射层需要进行等效计算，也可以分别逐层进行计算）
可见多层传热又有它不同的特性：
热阻最大的层，占比例大，所以影响最大，应是注意力的集中地；多层传热的总传热系数，主要取决于热阻大的一项，着力于这一层的改进，会事半功倍，即投入小而收益大，如：
加大热阻大的一侧的流速、传热面积等等；
对流传热的热阻主要产生于附面层，经过一个流体层会加两个热阻：
所以疏松物体可做保温材料，但需填充合适和良好外保护；
保冷材料必须是密闭细胞型的，避免空气中水分源源不断的被冷凝，而破坏保温层，因为水的对流传热系数比空气大十倍到百倍；
热水瓶的设计考虑全面，很合理；
建筑节能被提到议事日程。
其中保温的簿弱环节在于玻璃，用双层玻璃保温性能比单层就好得多，还有中空玻璃、入射大于反射的特性玻璃；再加上墙体保温、可再生能源和太阳能利用、建筑物内外气流组织、空调管内冷热媒体组织、空调的热泵系统、自动控制、照明等构成节能型建筑。
建筑节能面广量大，最近我国已出台了新的建筑节能设计规范。
二.燃烧理论
燃烧是一个氧化反应，具有化学反应的共性：
在点火阶段是吸热反应，需要加热、稳定着火、以至用触媒，
保证稳定着火区和高温，甚至是革命性的；
燃料与助燃剂（空气）的混合、组织和空间；
合理的空气量（α）——对效率很敏感；
燃烧各个阶段（预混燃烧、扩散燃烧）的合理组织；
还有流体力学、污染物生成理论等的支持。
1.固体燃料
固定床——层燃燃烧，需要注意：
合理炉排、分层燃烧技术；
一二次风配比，预热；
煤的合理配比；合理的前后拱。
等等。
沸腾床、流化床燃烧：
热容量大，煤种适应性强。
粉煤燃烧—燃烧器合理预热、配风，大型电站锅炉；
水煤浆、油煤浆技术。
2.液体燃料—油的燃烧（品种很多）
关键是雾化、配风（氧）、预热、炉膛等。
——有很多成功的燃烧器设计。
3.气体燃料——配风（氧）、预热、炉膛等。
——重点在燃烧器设计。
4.新燃烧技术与理论：
如蓄热燃烧、纯氧燃烧、低NOx燃烧等。
三.传质（干燥）理论
——是传物质和传热的结合
主要途径分别有：
在固相和气相物体内的传质。
固相：
G=（δ/d）×△T×F
δ—传质系数，与物体的空隙度等有关，再加厚度d因素，和导热很相似。
△T、F—和传热很相似。
气相：
G=β×△ξ×F
β—扩散系数，与流速等有关。
△ξ—浓度差，相当于传热的温差、温压。
F—和传热很相似。
例如：
粉碎、喷雾、沸腾床、流动床等方法的应用；
合理组织气流的温度、干度（湿空气特性）和流动，等等。
第四节节能的实施——关于技改
节能的实施——技改和优化运行两大方面。
关于技改：
一.两大方向
节约能的质量—宏观节能、系统节能。
节约能的数量—微观节能、设备节能。
二.关于能量质量的节约
核心是“所得等于所可”，燃料的理论燃烧温度可达2000℃以上，而目前的利用，大多都远远达不到。
当今世界上最高参数的蒸汽轮机发电机组，蒸气温度达620℃，燃气轮机达1400℃，这些都是佼佼者，普遍水平还远达不到，有些是认识不到，甚至连一般合理参数的热电联供、联合循环发电还达不到。
潜力是巨大的，但需要资金、科技、远见、规划和决心。
对于一个区域，甚至国家，体现政府行为。
需要有一个“节能规划设计”或“可持续发展规划设计”的部门——这是全局能源利用完善程度的体现。
对于一个企业、一个系统，体现决策、规划和社会责任感。
特点也是层次深，需要技术、需要资金、工作重度大，需要逐步突破。
工作是大量和具体的，例如：
能源审计工作，建立能源的数据库；
区域能源数字地图的制作；
区域和企业的“火用”平衡、热平衡；
制订区域和企业的能源中远期规划；
新建项目与区域和企业整体的能源利用完善性评估——能源的区域区域性评估；
实现能源综合利用——热冷电气联供系统、电热煤气联供系统、联合循环发电系统；
低温热源规划利用系统；
最新节能理念、观念、发展势态的吸收引进。
例如逐步向建立更合理配置、合理参数、合理充分用能的：
“产品—热电冷”联产的一体化工厂方向发展。
变纯生产某产品，为生产某产品为主，同时生产用能的匹配产品，以及电、汽、冷等多种产品的企业，以充分综合利用能量，物尽其用，考虑综合效益的提高。
循环经济、清洁生产的实现；
新能源的规划利用，等等。
三.关于能量数量的节约
首先需要关注：
《国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》的《节能中长期专项规划》中的重要内容，是由国家发展改革委会同科技部、财政部、建
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