化工节能原理与技术ppt课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,化工节能原理与技术,主要内容,第一章 绪论,第二章 能源及能源利用现状,第三章 节能的热力学基础,第四章 流体输送过程的节能,第五章 传热过程的节能,第六章 传质分离过程的节能,第七章 热泵节能技术,第八章 化学反应过程节能,第九章 系统节能,夹点技术简介,主要参考书,1. 冯霄，王彧斐编著. 化工节能原理与技术（第四版.），北京:化学工业出版社，2015.,2. 雷志刚，代成娜 编著，化工节能原理与技术，北京：化工出版社，2012.,3. 孙伟民编著. 化工节能技术，北京：化工出版社，2010.,4.黄素逸，王晓墨编. 能源与节能技术（2nd.）, 北京：中国电子出版社，2008.,5.范文元主编. 化工单元操作节能技术，安徽：安徽科技出版社，2000,第一章 绪论,1.1,能源概念,-,概念掌握,1.2,能源与发展,-,关系紧密,1.3,能源形势,-,严峻,1.4,节能意义,-,重大,-,可持续发展,1.1,能源概念,1.,能源,-,Energy Source,：,?,能够为人类提供某种形式能量（机械能、热能、电能、化学能等）的自然资源及其转化物。或者说是能量的来源称为能源。如太阳能、风能、化石燃料、水力等。,2.,能源形式：,太阳能,风能,水能,生物质能,地热能,潮汐能,核能,（煤、气、油）矿物质能源、电能、氢能等,1.2,能源与发展,从日常生活中必需的电、煤、气、自来水等的供应，到交通运输、通信等现代社会的一切活动都离不开它。,能源为人类的生产和生活提供各种能力和动力的物质资源，是国民经济的重要物质基础。,能源的开发和有效利用程度以及人均消费量是生产技术和生活水平的重要标志。,能源、材料、信息是人类发展的三大支柱产业。,能源科学技术的每一次重大突破，都引起生产技术的革命，化学,(,工,),在能源的研究和利用过程中扮演重要角色。,2.,人类文明与能源利用,瓦特,(James Watt 17361819,年,),发明蒸汽机,(1769,年专利,),蒸汽机作为动力的纺织机械诞生于,18,世纪，但蒸汽机作为船舶和机车的动力而普及直至,19,世纪。,19,世纪中叶雷诺,(Etienne Lenoir l8221900,年,),发明了燃气发动机,19,世纪中叶又发明了内燃机，从而开发出了汽车,在,1903,年由汽车工人莱特兄弟制造的发动机动力飞机试飞成功,20,世纪初，通过火力发电和水力发电生产的大量电能，再通过输配电网络，使各种各样的用电产业获得惊人的进步和发展,在,20,世纪,50,年代到,70,年代间，从煤炭文明到石油文明的能源革命,20,世纪,90,年代，开始使用使用液化天然气和液化石油气作为汽车用燃料,1.3,能源形势,1.,全球能源危机,有关资料显示,：,目前在世界初级能源的产量和消费中，居第一位的是石油，其次是煤炭、天然气。,有关资料还显示,：,石油、煤炭、天然气等常规化石能源的储量日益减少，在可预见的不长时间内将被消耗殆尽，全球面临着严重的能源危机。,如果新的替代能源没有届时被发现，人类的生存面临严重挑战！,2.,能源竞争,能源是国民经济的命脉，是影响各国领导人战略决策的重要因素，是许多国家制定全球战略的首要问题。,近,20,年来，世界上发生的许多危机、冲突都是围绕争夺能源引发的（如两伊战争，前苏联出兵阿富汗，海湾战争，科索沃战争，美国推翻塔利班，伊拉克战争等）。,美国、俄罗斯、日本、欧盟、中国等许多国家针对中东、里海等石油资源展开了激烈的较量和错综复杂的斗争。,3.,中国面临“贫血”的威胁,我国煤炭储量居世界第,3,位，人均为世界平均水平的,50%,；,我国石油储量居世界第,6,位，人均为世界平均水平的,17%,；人均石油产量与消费量占世界平均水平的,21%22%,；,我国天然气储量居世界第,16,位，人均为世界平均水平的,10%,。,目前我国人年均能源消耗是,1000,公斤标准煤，美国是,11000,公斤，英、德、法等国家为,50006000,公斤；,2030,年以后，我国人年均能源消耗是,20003000,公斤标准煤，人口达,15,亿以上。,解决我国及世界能源危机的途径：,一是,节约使用能源,；,二是,加强新能源技术的研究、开发和利用，不断扩大利用新能源的比重,。,4.,中国能源现状,1949,年新中国成立时，全国一次能源的生产总量仅为,2374,万,t,标准煤，居世界第,10,位。,2004,年中国一次能源生产量达到,18.45,亿吨标准煤，全年能源消费总量,19.7,亿吨标准煤，,是世界上第二大能源消费国和能源生产国。,煤炭：,2004,年,煤炭,产量达到,19.56,亿吨（,第一,），同比增长,17.3%,，其中用于发电,9.8,亿吨左右；,从,1996,年开始，我国由原油出口国变成原油进口国；,2000,年我国进口石油占消耗量的,20%,；,美日等发达国家都建立了战略石油储备制度，可提供,36,个月的石油供应；我国没有战略石油储备。,2009,年以来，我国已成为世界能源生产和消费最大的国家。据国家统计局统计数据分析，我国,2012,年,能源消费总量为,36.2,亿,tce,，其中煤炭占,67,.,4,，石油,19,.0,，天然气,5,.,3,。水能、核能、风能等非化石能源约占,8,。另据,BP,统计数据显示，,2012,年我国除水能以外的可再生能源,(,如风能、太阳能、生物质能等,),消费总量只占,1,.,7,。近年来，虽然可再生能源得到了较快的发展，但我国的能源消费结构几乎没有改变。,解决我国及世界能源危机的途径：,一是,节约使用能源,；,二是,加强新能源技术的研究、开发和利用，不断扩大利用新能源的比重,。,5.,中国能源存在的问题,（,1,）人均能耗低,（,2,）人均能源资源不足,（,3,）能源效率低,（,4,）以煤为主的能源结构亟待调整,1,）大量燃煤严重污染环境,2,）大量用煤导致能源效率低下,3,）交通运输压力巨大,4,）能源供应安全问题提到议事日程上来,6.,我国能源工业面临的问题,环境污染严重；,能源建设周期长，耗能多；,能源价格未能反映其经济成本和能源资源的 稀缺性；,能源工业装备落后。,7.,解决我国能源问题的措施,努力改善能源结构；,提高能源利用率；,加速实施洁净煤技术；,合理利用石油和天然气；,加快电力发展速度；,积极开发利用新能源；,建立合理的农村能源结构，扭转农村严重缺能局面；,改善城市民用能源结构，提高居民生活质量；,重视能源的环境保护。,中国能源可持续发展的对策,三个手段：,加强政府的宏观决策和行政管理,运用市场机制的调节作用,利用经济增长的机遇,1.4,节能意义,什么是节能？,节能就是应用技术上可行、经济上合理、环境和社会可以接受的方法来有效地利用能源。所以，节能并不简单地意味着少用能源，其实质是充分有效地发挥能源的作用，使同样数量的能源，可以提供更多的有效能，从而生产出更多、更好的产品，创造出更多的产值和利润。,化学工业有一个重要的特点，就是煤、石油、天然气等既是化学工业的能源、又是化学工业的原料，该两项加起来占产品成本,2540,，在氮肥行业达,7080,。因此广义的化学工业是工业部门中的第一用能大户。这一特点使得节能工作在化学工业中有着极为重要的意义。,1.,我国的节能政策现况,党中央、国务院高度重视节能工作：,胡锦涛总书记、温家宝总理多次就节约能源资源工作做出重要指示,。,国家对节能工作的定位：,党的十六届五中全会提出把节约资源作为基本国策。,确定国家节能指标：,“十一五”规划,纲要,把“十一五”时期单位,GDP,能耗降低,20,左右作为约束性指标。,国家 “十二五”工业节能规划,2.,节能的意义,降低成本,合理利用资源，可减缓能源耗竭速度,降低污染物排放，利于环境保护,降低温室气体排放,3.,节能的途径,结构节能：,管理节能：,技术节能：,第二章 能源及能源利用现状,2.1,能量与能源,2.2,能源分类,2.3,能量转换过程及转换设备或系统,2.4,传统能源技术进展,2.5,可再生能源的开发,2.6,蓄能和换能技术, 可再生能源开发利用情况,2.1,能量与能源,能量,宇宙间一切运动着的物体，都有能量的存在和转化，人类一切活动都与能量及其使用紧密相关。,所谓能量，也就是“产生某种效果（变,化）的能力”。反过来说，产生某种效果（变化）必然要伴随能量的消耗和转换。,人类所认识的六种能量形式,机械能,热能,电能,辐射能,化学能,核能,2.2,能源分类,能源是指人类用来获取能量的自然资源,2.2.1.,按来源不同可把能源分为三类,（,1,）来自地球以外天体的能量（包括直接的太阳辐射能外，还包括间接来自太阳能能源，如化石能源、生物能、水能、风能、海洋能等）；,（,2,）地球的本身蕴藏的能量资源（如地热能等）,（,3,）地球与其他天体相互作用而产生的能量（如潮汐能等）,2.2.2,按形成条件不同，可把能源分为两类,（,1,）一次能源，指天然存在的、可直接利用的（如原煤、原油、天然气、水力、太阳能等）,（,2,）二次能源，在一次能源基础上加工而成的（如电力、汽油、煤气、沼气、氢气等）,2.2.3,按能否反复利用，把能源,(,一次,),分为两类,（,1,）再生能源（如太阳能、风能、水力等）；,（,2,）非再生能源（煤炭、石油、天然气等）。,2.2.4,按开发使用的程度，可把能源分为两类,常规能源，指已被广泛利用的能源；,新能源，指未被广泛利用、正在研究开发、有待推广的能源。,（辩证地看）,2.2.5,按能源本身的性质分,含能体能源,（燃料能源），如石油、煤、天然气、地热、氢等，它们可以直接储存；,过程性能源,（非燃料能源），它们无法直接储存，如风能、水能、海流、潮汐、波浪、火山爆发、雷电、电磁能和一般热能等。,2.2.6,按对环境的污染分,清洁能源,，即对环境无污染或污染很小的能源，如太阳能、水能、海洋能等；,非清洁能源,，即对环境污染较大的能源，如煤、石油等。,2.3,能量转换过程及转换设备或系统,能量的转换,广义地说，能量转换应包含三项内容：,能量的,形态,转换，即通常所谓的能量,转换,；,能量的,空间,转换，即能量的,传输,；,能量的,时间,转换，即能量的,储存,。,2.3.1,热能的产生,燃料燃烧,核能转换,太阳能转换,地热,电能转换,2.3.2,机械能的获取,2.3.3,电能的生产,热电转换,磁流体发电,热电偶温差发电,热电子发电,2.4,传统能源技术进展,传统能源主要是化石燃料，按埋藏的能量的数量的顺序分有煤炭类、石油、油页岩、天然气和油砂。,中文名称：,油页岩,oil shale;kerogen shale,其他名称：,油母页岩,定义,1,：,灰分高于,50%,的腐泥型固体可燃矿产。,应用学科：,电力,（一级学科）；,燃料,（二级学科）,定义,2,：,灰分高于,50%,的腐泥型固体可燃矿产。,应用学科：,煤炭科技（一级学科）；煤田地质与勘探（二级学科）；,成煤作用,（三级学科）,定义,3,：,是一种含有碳氢化合物的可燃泥质岩，经过加工可以提炼出以液态碳氢化合物为主要成分的人造石油。,应用学科：,资源科技（一级学科）；能源资源学（二级学科）,2.4.1,煤的转化,洁净煤技术 ：有两条途径，即一是先进燃烧和污染处理，二是气化和液化煤，将煤转化为含一氧化碳和氢的“合成气”：,（,1,）煤炭液化,对固体煤炭经过化学加工，使它转化为烃类；或把煤气合成为烃类（或醇类），转为液态。,（,2,）煤炭气化,以煤炭作为原料，控制氧化程度，使煤炭转化成为一氧化碳、氢和甲烷等可燃性气体。,2.4.2,石油的精炼,石油经过精制后可得到,汽油,、,煤油,、,柴油,和,重油,。,目的,1,：,是从复杂的原油中提取粘度较小的能充分燃烧的烃类。其中,辛烷,最好，因此汽油常根据辛烷值来标号。,目的,2,：,就是把不好的分子转变为好的分子。如长链烷烃容易引起汽缸爆震。精炼方法一般是先根据不同沸点把不同成分分离开，然后除硫再向高辛烷转变。,2.4.3,天然气液化,天然气是埋藏在地层深处的一种富含碳氢化合物的可燃气体。主要成分是甲烷，其次是乙烷、丙烷、丁烷和其他重质气态烃类。天然气是理想的气体燃料，但难以长途运输和妥善贮存。为解决这些问题，把气态天然气变成液态天然气。但液态天然气的制造成本高，而且不能直接用作燃料，还得使它蒸发变为气态，增加能耗。为了更经济合理，利用天然气作原料合成甲醇。甲醇性能稳定，象石油一样能直接当作燃料，使用时不污染环境，便于运输和贮存。,2.4.4,能源系统,能源系统指把全社会的能源利用看成一个系统，加以控制和平衡。包括热电联合系统，集中供热系统，综合用热系统，低温余热利用系统，总能系统等。,如在市中心建立一些集中供热的工厂，像电厂供电、水厂供水那样，就可节省大量燃煤。如这些供热工厂与电厂联合组成热电厂，既生产电力又生产热水或蒸气，燃料利用率会更高。再进一步，可把城市垃圾加工成燃料，支持热电厂。,2.5,可再生能源的开发,在,1995,年颁布的,电力法,“,总则”和明确提出，,国家鼓励和支持利用可再生能源和清洁能源来发电,。,1995,年，国家计委、国家科委、国家经贸委又根据上述法律及方针、战略制定印发了,新能源和可再生能源发展纲要,(19962010),，通过计划组织安排落实。,1992,年国务院批准的,中国环境发展十大对策,中明确提出，要“因地制宜地开发利用和推广太阳能、风能、地热能、生物质能等新能源”。,中国于,1997,年颁布了,节约能源法,，从,1978,年到,2004,年中国以年均增长,4.8%,的能源消费支撑了年均,9.4%,的经济发展速度，,1990,年至,2004,年中国每万元,GDP,能耗下降了,45%,，中国政府制定了,节能中长期发展规划,中国全国人大常委会已通过了,可再生能源法,，为我国可再生能源发展提供法律保证。,2.5.1,太阳能,太阳能的转换和利用方式有光,热转换、光,电转换和光,化学转换等。,光,热转换：,接收或聚集太阳能使之转换为热能，然后用于生产和生活的一些方面，是太阳能光热利用的基本方式。,光,电转换；,利用光生伏打效应原理制成的太阳能电池，可将太阳的光能直接转换成为电能，称为光一电转换，即,太阳能光电利用,。,光,化学转换；,光,-,化学转换目前尚处于研究开发阶段。,发展方向,太阳能建筑、太阳热水器要形成规模化生产；降低太阳能电池成本，提高光电转换效率；,大力推广应用小功率光伏电源系统；建立分散型和集中型联网光伏示范电站。,到,2010,年，太阳能利用总量达到,467,万,t,标准煤。,2.5.2,地热能,按目前钻井技术可钻到地下,10,公里的深度，估计地热能资源总量相当于世界年能源消费量的,400,多万倍。地热能约为全球煤热能的,1.7,亿倍。地热资源有两种：一种是地下,蒸汽或地热水,（温泉），这种电能已占总发电量的,0.3,。另一种是地下,干热岩体,的热能。,1904,年，意大利人在拉德瑞罗地热田建立世界上第一座地热发电站，功率为,550,千瓦，开地热能利用之先河。其后，意大利的地热发电发展到,50,多万千瓦。到,80,年代末，全世界运行的地热电站，其发电功率每年已超过,500,万千瓦，,1995,年达到,680,万千瓦,，年增,16,。中国最著名的地热电站，是西藏的羊八井地热电站，装机容量,2.5,万千瓦。,2.5.3,生物质能,全世界每年通过光合作用固化的太阳能，陆地为,1.91710,21,J,；海洋为,9.2110,20,J,。相当于全世界年耗能量的,10,倍,。一个,360,万平方公里,的陆地表面，假定太阳能转化率为,1,，从理论上讲，生产的生物质就足以解决全世界的能源需求了。,森林能源的直接效益（生产木材）和间接效益的价值之比为,1:9,。,*,燃料乙醇,巴西从,1975,年开始实施“酒精替代计划”，制定了一系列的经济资助和免税政策，现在已使温室气体排放减少了,20,。日本从,1983,年开始实施燃料乙醇的开发计划，重点开发使用农、林废物等未利用资源来直接发酵生产乙醇的技术。美国从,1992,年开始鼓励使用乙醇作新配方汽油的添加剂，欧盟则于,1993,年要求汽油燃料中掺混,5,的乙醇，并建议提高欧洲的燃料乙醇生产量。,2.5.4,水力能,水力发电技术是利用水体不同部位的势能之差，它跟落差和流量的乘积成正比。目前水力发电的发电量占世界能源的,7,，据专家估计，在,21,世纪将会有较大的发展。,法国、意大利水能资源开发程度超过,90,，美国、加拿大、日本、挪威、瑞士、瑞典、英国等，也达到了,40,60,。而我国已利用的还不到可利用资源的,6,。,（,1,）水电优点,a.,水力是可以再生的能源 。,b.,水电用的是不花钱的燃料，大中型水电站一般,3,5,年就可收回全部投资。,c,水电没有污染，是一种干净的能源。,d,有防洪灌溉、,航运,、养殖和旅游等综合效益。,e,施工工期也并不长，属于短期近利工程。,f,操作、管理不到火电的三分之一人员。,2.5.5,海洋能,全世界海洋能的理论可再生量超过,760,亿千瓦。其中，海水温差能约,400,亿千瓦，盐度差能约,300,亿千瓦，潮汐能大于,30,亿千瓦，波浪能约,30,亿千瓦。,现代海洋能源开发主要就是指利用海洋能发电。利用海洋能发电的方式很多，其中包括波力发电、潮汐发电、潮流发电、海水温差发电和海水含盐浓度差发电等。,潮汐发电,潮汐发电型式：,单库单向型，只能在落潮时发电。,单库双向型：在涨、落潮时都能发电。,双库双向型：可连续发电，但未见实际应用。,世界上最早的潮汐发电站建在法国（,1961,），,1966,年,法国朗斯潮汐电站,，装有,24,台,10,4,千瓦贯流式水轮发电机 ，年均发电量为,5.44,亿度。,1980,年建成的,江厦潮汐电站,是我国第一座双向潮汐电站，其总机容量为,3200,千瓦。,有,2%,的太阳能变成了风能。,全世界一年所耗的能量不及风力,1,年内提供的,1/100,。目前，尽管风能所能提供的电量还不足全球总发电量的,0.l,，但它将会很快成为人类可靠的动力来源之一。美国能源研究与发展局宣称，到,21,世纪初，风力发电将达,200,亿度，占全国总发电量的,10,左右。,2.5.6,风能,发展风力发电，储能是关键，因为风是间歇性的。简单的办法是用蓄电池。另一种办法是抽水法。,目前，最新型的风轮机每转可发电,300,750,千瓦，其体积只有普通火力发电千分之一。,发展前景：,.,小型风力机市场化；加速中大型风力机设计、制造国产化进程；,发展风力发电控制和管理系统；,加强和完善风电场的规划选点和勘察设计工作，建设若干个大型风电场。,2000,年和,2010,年全国风力发电装机容量分别达到,30,万,40,万,kW,和,100,万,110,万,kw,。,2.5.7,氢能,是指氢在发生化学变化和电化学变化过程中产生的能量；,氢作为能源的优点是储量丰富、热值高和清洁无污染；,氢的利用：,(1),直接用作燃料（如发射火箭等）；,(2),用作燃料电池（如用于航天飞机）；,(3),用作能源转换介质（能源中间载体）。,氢能优点,作为能源，氢有以下特点：,(1),所有元素中,氢重量最轻,当温度降至,-252.7,时,可变成液体,;,若将压力增大到数百个大气压,则液氢就可变为金属氢。,(2),所有气体中,氢气的导热性最好,比多数气体的导热系数高出,10,倍,因此在能源工业氢是极好的传热载体。,(3),氢是自然界存在最普遍的元素,水中制得，永无枯竭之虞；,据估计它构成了宇宙质量的,75,除空气中含有单质氢气外，它主要以化合物的形态贮存于水中，而水是地球上最广泛的物质。据推算，如把海水中的氢全部提取出来，它所产生的总热量比地球上所有石化燃料放出的热量还大,9000,倍。,(4),氢本身无毒,燃烧后产物没有污染,产物水无污染，属“清洁能源”；,由于燃烧产物是水蒸气，不会产生诸如,CO,、,CO,2,、碳氢化合物、铅化物和粉尘颗粒等对环境有害的污染物质，从而也就不会造成酸雨和温室效应。所以，氢是世界上,最清洁的能源之一。,燃烧生成的水还可继续制氢，循环使用。,(5),热值高；,氢能的燃烧热值远高于一次能源,除核燃料外，氢的发热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的,达,142.351kJ/kg,是汽油发热值的,3,倍。,(6),氢的燃烧性能好,点燃速度快，与空气混合时有广泛的可燃范围。现有汽车、飞机、舰船及其他运载工具，只需简单改装即可使用氢燃料。,氢能要,解决,的,问题,(1),廉价的制氢技术,。理想的氢能源循环体系：水在太阳能光分解催化剂的作用下分解成氢和氧；氢气作为燃料电池发电。,现行太阳能制氢技术包括：太阳能分解水制氢；太阳能电解水制氢；太阳能光化学分解水制氢；太阳能太阳能光电分解水制氢；模拟植物光合作用分解水；光合微生物制氢。,*2.5.8,核能技术,由单个质子和中子组成原子核时，会出现质量亏损 ：,=Zm,p,+(A-Z)m,n,-m,式中为,m,p,质子质量，,m,n,为中子质量。,由爱因斯坦的理论得，与质量亏损相对应的能量改变为：,E=,2,称之为结合能。,核能技术,就是利用原子的核变化释放出能量的技术。,裂变,1938,年德国的,哈恩,和奥地利女物理学家,梅特纳,发现铀分裂并产生的能量，比相同质量的化学反应放出的能量大几百万倍以上！,约里奥,伊丽夫,约里奥,居里夫妇,及其同事,哈尔班,等人又发现铀核裂变还放出两、三个中子来。,费米提出链式反应,费米,在,1934,年时，其实就已经用实验完成了原子的裂变，可惜他没能认识到。,哈恩,等发现裂变后，费米就提出原子裂变自持链式反应的概念。,1942,年,12,月,2,日,，,第一座核反应堆,首次实现自持的链式反应，宣告人类社会进入了,原子能时代,。,第一颗原子弹,于,1945,年,7,月,在新墨西哥沙漠中引爆,第一颗用于战争的原子弹，是,1945,年,8,月,6,日,投在,广岛的原子弹,。原子弹的威力比化学炸弹大,一百万到一亿,倍。,第一颗,氢弹,于,1952,年,在美国在太平洋马绍尔群岛首次爆炸试验成功，是投到广岛原子弹威力的,750,倍。,1954,年,苏联建成世界上,第一座核电站,。,原子弹原理,核燃料存在一个临界体积。当体积大于此临界体积时，核反应将得到放大，否则链式反应将终止。临界体积对应的质量称为临界质量。例如铀的临界质量为,30,磅，钚的临界质量为,5,磅,。,玻尔,研究指出，只有提炼出铀的同位素,U,235,，而且要达到一定的数量，才能发生链式反应。,可控核反应,一座百万千瓦级的压水堆核电站，一年仅需补充,30,吨核燃料，其中仅消耗,1,吨左右，,同样规模的热电厂，要燃原煤,250,万吨,可控核反应堆堆芯示意图,核电站和原子弹是核裂变能的两大应用，两者机制上的差异主要在于链式反应速度是否受到控制。,核反应堆按中子能量可分为：,热中子堆,和,快中子堆。,热中子堆：,中子能量在,0.1eV,左右。根据慢化剂和冷却剂和燃料不同，热中子堆可分为,轻水堆（,又分,压水堆,和,沸水堆,）、,重水堆,和,石墨水冷堆,。,前苏联切尔诺贝利核事故,1986,年,4,月,26,日前苏联切尔诺贝利核电站发生的事故，位于苏联大城市基辅以北,130,公里乌克兰大森林地带东部的切尔诺贝利核电站，第四号机组发生了事故，反应堆猛烈爆炸，大火被扑灭后，撤离了核电站毗邻地区及电站周围,30,公里地带的居民。,核事故之后,前苏联切尔诺贝利核事故发生后，为制止该电站第,4,机组废墟中残留的核燃料扩散，有关单位用厚厚的混凝土堆造了一个有复杂通风系统的多层大型建筑物，把第,4,机组的全部设施埋在其中，这个建筑物成了“石屋”。,在距核电站半径,30,公里以内地区的动植物基因发生了巨大变化，,30,公里以外地区变化很小。如纳罗季奇区有大约半数儿童甲状腺异常或淋巴腺肥大。成人癌症患者成倍增加。先天性畸形家畜急剧增加。动植物体积竟变得比平常大,3,倍以上，以致出现“,鼠大如猪,。”,福岛第一核电厂事故,是,2011,年,3,月,11,日,日本,宫城县,东方外海发生,矩震级,规模,9.0,级,大地震,后所引起的一次,核子,事故，,福岛第一核电厂,因此次地震造成有,炉芯熔毁,危险的事故。同时此事件也是人类史上第一次在沿海地区发生核电厂意外的事件，其相关的核污染对于整个太平洋及沿岸国家城市的影响仍待观察统计。,核聚变,核聚变,是两个轻原子核,(,如氢,),聚合成一个较重的核，从而释放出巨大的能量。,聚变是核裂变平均每个核子放出能量的四倍。,海水中氢与氘的原子数之比约为,1:0.00015,一克氘经聚变放出大约,105,千瓦时的能量,1,升海水中的氘核聚变放出的能量相当于燃烧,300,升汽油所放出的能量。,地球上所有海水中的氘可供人类使用数百亿年。,氢弹,氢弹是不可控的热核反应。,1967,年,6,月,17,日，中国第一颗氢弹爆炸成功,方案：高效炸药,+,裂变原料,+,氘化锂。,选氘氚反应，因为,d+T,反应截面比,d+d,反应大两个数量级,T,的制备,人类的希望,受控热核反应,受控核聚变必须具备以下,3,个条件：,(1),足够高的点火温度，需要几千万摄氏度甚至几亿摄氏度的高温；,(2),反应装置中的气体密度要很低，相当于常温常压下气体密度的几万分之一；,(3),充分约束，能量的约束时间要超过,1,秒钟。,等离子体的温度、密度和热能约束时间三者乘积称为,“,聚变三重积,”,，当它达到,10,22,时，聚变反应输出的功率等于为驱动聚变反应而输入的功率，必须超过这一基本值，聚变反应才能自持进行。,惯性约束,惯性约束：,激光惯性约束是在直径为,0.4mm,的小球内充以,30-100,大气压,的氘氚混合气体，用强激光（,10,12,-10,14,W,）均匀照射，使氘氚混合气体的,密度是液体的一千到一万倍,，温度达到,10,8,K,（恒星上至少要,700,万度）,而引发聚变。其它惯性约束方案：电子束、重离子束惯性约束。,磁约束,磁约束：,是利用强磁场可以很好地约束带电粒子这个特性，构造一个特殊的磁容器（托卡马克），建成聚变反应堆，在其中将聚变材料加热至数亿摄氏度高温，实现聚变反应。,二十世纪五十年代初期，前苏联科学家提出托卡马克的概念。托卡马克（,TOKAMAK,）在俄语中是由“环形”、“真空”、“磁”、“线圈”几个词组合而成，,2.5.9,其它,-,海水盐差发电,用一层多孔质隔膜置江河入海口处，二边插入电极，由于渗透压力差而产生电动势。,技术关键：多孔质隔膜如何能将淡水和海水隔开而又形成渗透压,磁流体发电示意图,2.6,蓄能和换能技术,电的蓄能技术大致分三类：一是直接储存电磁能，如：超导线圈蓄能系统，就属于这一类；二是把电能转化为化学能储存，如铅电池、钠硫电池、锌氯电池等；三是把电能转化为机械能储存，如制造压缩空气，在用电高峰时让它推动涡轮机发电。还有,抽水蓄能,技术，利用多余电力驱动水泵，把河里的水抽到高处的水池或水库中。,(1),显热蓄能技术,：利用比热容较大的物质，在物质形态不变的情况下，随着温度的变化，吸收或放出热量来蓄能。现在应用最广泛的就是冷、热水蓄能技术。,(2),潜热蓄能技术,：是利用物质相变时需要吸收或放出热量的特性来储存或释放能量，包括冰蓄冷技术和共晶盐蓄能技术。,(3),热化学蓄能技术,：在一定的温度范围内某些物质吸热或放热时，会产生某种热化学反应。利用这一原理构成的蓄冷技术称之为热化学蓄能技术。,2.6.1,电池,电池是一种将化学能转化为电能的装置。,（,1,）,原电池,：指电池放电时，活性物质不断地被消耗，到一定程度电池便停止工作,.,（,2,）,蓄电池,：又称二次电池，电池放电后通过充电方法使活性物质复原而供再次放电的电池 。,（,3,）,贮备电池,：贮备期间，活性物质不与电解质直接接触，使用时注入电解液或电解质熔化。,（,4,）,燃料电池,：电池供电时，活性物质输入电池能连续工作。,电池不同的分类,2.6.2,蓄电池,蓄电池,是,1859,年由普兰特,(Plante),发明的，至今已有一百多年的历史。铅酸蓄电池自发明后，在化学电源中一直占有绝对优势。这是因为其价格低廉、原材料易于获得，使用上有充分的可靠性，适用于大电流放电及广泛的环境温度范围等优点。,1975,年，,GatesRutter,公司发明,VRLA,的电池，成为当今主要使用的蓄电池。,蓄电池原理,把,A,、,B,两块铅板插入硫酸溶液中，铅与硫酸作用的结果，使,A,、,B,两块铅板上形成硫酸铅，溶液中也被硫酸铅饱和，这时还没有电势，给蓄电池充电时，在两极上发生的化学反应如下：,A;PbSO,4,+2H,2,O - 2e,-,PbO,2,+H,2,SO,4,+2H,+,;,B:PbSO,4,+2e,-,Pb+SO,4,2-,;,充电后，,A,板上的,PbO2,成为正极，,B,板上,Pb,成为负极。放电时两极发生的反应如下：,正极：,PbO,2,+H,2,SO,4,+2H,+,- 2e,-,PbSO,4,+2H,2,O-2e,-,;,负极：,Pb+SO,4,2-,PbSO,4,+2e,-,;,2.6.3,氢燃料电池,燃料电池工作时无噪声、无尘埃、无辐射、不污染环境，是一种清洁的能源。燃料电池的另一个特点是可以长时间连续工作，只要燃料供应不断，电池能持续不断向负载输出电能。供电功率比一般电池大得多。,燃料电池,的基本组成：电极、电解质、燃料和氧化剂。燃料电池的电极为多孔结构，由具有电化学催化活性的物质制成，它是电化学反应的载体和电流的传导体。电解质可以是固态或液态，液态电解质可以是水溶液或熔融的离子晶体。,第三章 节能的热力学基础,3.1,基本概念,3.2,热力学第一定律,3.3,和热力学第二定律,3.4,能量的计算,3.5,损失和衡算方程式,3.6,装置的效率和损失系数,3.7,合理利用能量的原则,3.1,基本概念,3,.1.1 热力系统,3,.1.2 平衡状态,3,.1.3 状态参数和状态方程式,3,.1.4 功和热量,3,.1.5 可逆过程,在对能量转换的现象或过程进行分析时，需要从相互作用的物体中取出研究的对象，该对象就称为热力系统，或简称,系统,。或简单地说,由某种边界包围，被取作研究对象的特定物质 或空间,热力系统可以是一种或几种物质的组合，也可以是空间的一定区域。系统的选取，完全依据分析研究的需要与方便，可以是一台设备也可以是一个车间、一个企业，甚至一个行业。,3.1.1,热力系统,系统一旦划定，系统之外的一切统称为,外界,。热力系统与外界的分界面称为系统的边界。系统的边界可以是固定的，也可以是移动的，可以是真实的，也可以是假想的。,热力系统与外界的相互作用，可以是能量交换，也可以是物质交换。能量交换有,热,和,功,两种形式，而物质的交换总伴随着能量的交换。,根据系统和外界物质和能量交换的特点，可以定义不同类型的热力系统，根据与外界有无物质的交换，可将系统分为,开口系统与闭口系统,：,与外界有物质交换的系统称为开口系统，开口系统内的物质质量可以是变化的，由于通过开口系统的边界有物质的流进和流出，因此开口系统也可称为,流动系统,。绝大多数的化工设备都有工作介质的流动，属于开口系统。,与外界没有任何物质交换的系统称为闭口系统。闭口系统内的物质质量是固定不变的，也称为定质量系统。化学工业中的蒸煮锅，在装料之后出料之前的阶段可视为闭口系统。,与外界没有,热量交换,的系统称为,绝热系统,。与外界既无物质交换也,无能量交换,的系统称为,孤立系统,。,3.1.2,平衡状态,热力系统某一瞬间的宏观物理状况称为系统的,热力状态,，简称状态。在不受外界影响的条件下，系统宏观性质,不随时间改变,的状态称为,平衡状态,。,所谓不受外界影响，是指系统与外界没有,任何相互作用,。,满足,力平衡、热平衡和化学平衡,的状态即为热力学平衡状态。力、温度和化学势都是系统发生状态变化的驱动力，统称为“势”。因此，概括地说，系统内部以及系统与外界之间,不存在任何不平衡势,是实现热力学平衡的,充分必要条件,。,3.1.3,状态参数和状态方程式,状态参数：描述热力系统所处宏观状态各个物理量。,状态参数的特性,状态的单值函数,物理描述,与过程无关；,数学描述,微分是全微分,温度、压力、比容、焓、熵,3.1.4,功和热量,热力系统与环境之间在不平衡势的作用下,会发生能量形式的转换,，其传递能量的方式有两种，,作功和传热,。,功,功的热力学定义为：如果系统对外界的单一效果,可以归结为,提升一个重物，则说系统作了功。,这里功如此定义并不一定意味着真的举起重物，而是说过程所产生的效果相当于或归结于提起一个重物，所以可以包括各种形式的功。,功是通过系统边界在传递,过程,中的一种能量形式。,功量不是系统所含有的能量，不是系统的状态参数，而是过程量。按照符号规则，系统对外界作功为正，得到功为负。,热力学是以系统状态的变化来分析计算功，功除了膨胀功外还包括电功、磁功等其他模式的功，此时当系统与外界发生功的作用时，不一定有可辨认的力和位移。,热量,仅仅由于温度的不同而从系统向外界或从外界向系统所传递的能量称为热量。热的传递不能像功的传递一样可以折合为举起重物的单一效果，所以它是与功不同的另一种能量传递方式。,热量是,过程量,，不是系统所含有的能量。热量一旦从热源传给了系统就转变为系统内部的能量。热量不是系统的状态参数，按照符号规则系统吸热为正，放热为负。,3.1.5,可逆过程,如果系统进行一个热力过程后，有可能使过程逆向进行，并使系统和外界,都恢复到,原来的状态而不遗留下任何变化，这样的热力过程称为可逆过程。,在可逆过程中，不允许存在任何一种内部或外部的,不可逆因素,。,过程不可逆因素,:,a.,通过摩擦使功变为热的效应称为,耗散效应,如：摩擦生热、固体的非弹性变形等，存在耗散效应的过程都是,不可逆过程,；,b.有限温差作用下的传热过程是不可逆过程；,c.有限压差的自然消失是不可逆过程；,d.混合过程也是不可逆过程。这种由于化学不平衡势而引起的还有自发的化学反应、扩散、渗透和溶解中的物质迁移等等都是不可逆过程。,b.c.d三种不可逆过程说明，系统内的以及系统与外界的不平衡势差(温差、压差和化学势差)若任其自然消失就有不可逆损失，就导致不可逆过程。这种损失是因物系的非平衡态引起的，因而称为,非平衡损失,。,既无非平衡损失又无耗散效应，过程就是可逆的。,可逆过程仅是理想化的极限过程，与同样条件下的不可逆过程相比，,可逆过程可以作出最大的功或消耗最少的功，这就为评价实际能量转换过程提供了理想的标准,。,3.2,热力学第一定律,能量平衡方程,进入的能量,E,1,=,系统能量的变化,E,+,离开的能量,E,2,3.3,和热力学第二定律,热力学第二定律的几种表述,克劳修斯说法：,不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起其他变化。,开尔文说法,:,不可能从单一热源取热使之完全变成功而不产生其他影响。,普朗克说法：,不可能制造一个机器，使之在循环动作中把一重物升高，而同时使一热源冷却。,3.3.1,1. 热力学第一定律确定各种形式的能量可以相互转换，在转换过程中总量保持不变；,2. 热力学第二定律指出能量转换过程具有方向性或不可逆性，因此并非任意形式的能量能全部无条件地转换成任意其他形式的能量，也就是说，数量相同而形式不同的能量其转换能力可能是不同的；,3. 能量的有用与否，完全在于这种,能量形式的可转换性,，而能量的转换又不是可以随意进行的，一旦当能量转变到再也不能转换的状态、它的价值也就丧失了。因此，可以将能量的转换能力，即转换为任意其他能量形式的能力理解为能量转换为功的能力或作功能力。,因此，可以把各种形式的能量分为三类：,第一类，具有完全转换能力的能量，如机械能、电能等；,第二类，具有部分转换能力的能量，如热能和物质的内能等；,第三类，完全不具有转换能力的能量，如处于环境温度下的热能等。,周围环境条件下，任一形式的能量中理论上能够转换为有用功的那部分能量称为该能量的,有效能,，能量中不能够转换为有用功的那部分能量称为该能量的,无效能,。,能量,=,+,= exergy + anergy,a.所谓有用功是指技术上可以利用的输给功源的功；,b.用,来表征能量转换为功的能力和技术上的有用程度，亦即能量的质量或品位。数量相同而形式不同的能量，,大的能量称其能质高或品位高,；,c. 根据热力学第二定律，高品位能总是能够自发地转变为低品位能，低品位能不能自发地转变为高品位能，能质的降低意味着,的减少。,在任何可逆过程中，的总量保持不变；在任何不可逆过程中，必然发生的转变，的总量减少。任何实际的过程都是不可逆过程，根据热力学第二定律，的这种减少是绝对的，不可能反向进行，是这部分的消失。所以，,将不可逆过程中的减少量称为不可逆过程引起的损失,，简称,损失,。,3.3.2,熵的概念和孤立系统熵增原理,由于熵是状态参数，只取决初、终态，与其间的过程无关，变化量可借用其间任何一个可逆过程来计算：,熵是状态参数，其定义式为：,Q,re,表示在微元可逆过程中加入工质的热量,可以看出，,系统热量的出入可以引起熵的变化,。系统从外界获得热量将使系统的熵增加，系统向外界放出热量，系统的熵将减少。,1.热流引起的熵的变化称为,熵流,，系统内部和系统外部的不可逆性引起系统熵的变化称为,熵产,，,熵产值恒大于零,。,2. 系统熵的变化，不是由于,热流引起,，就是由于,不可逆性引起,。,熵增原理:,孤立系统,或绝热系统的熵可以增大, 不变, 但绝对不会减少。,当孤立系统的,熵增大,时，说明发生了不可逆变化；孤立系统的,熵,理想上也可以保持不变，对应着可逆过程但孤立系统的,熵,决不能减小；,根据孤立系统,熵增原理,，可以判断过程进行的方向。,凡使孤立系统熵增大的过程，才有可能发生,；,孤立系统熵增大的程度，可以作为过程不可逆性的量度，用来衡量体系中作功能力的损失,。由于低温热源的温度以环境温度为限，所以不可逆性引起的作功能力损失为：,3.3.2,热力学第二定律的熵衡算方程式,由于熵不具有守恒性，过程的不可逆性会引起熵产。考虑到这一点，将,熵产,作为输入项，就可以建立任何系统的熵衡算方程式：,进入系统的熵+不可逆性引起的熵产量,离开系统的熵+系统熵的变化,进、出系统的,熵,包括进、出系统的物质流所携带的熵，以及,热量传递所引起的熵的变化,。其中因热量传递所引起的熵变,只计可逆传递热量,(,即在热源温度,T,H,下,),时的熵变，不可逆传热过程引起的熵产,(,即实际,熵,变大于可逆传热的,熵,变的部分,),计入熵产量。,3.4,能量的计算,3.4.1,环境与物系的基准状态,2. 在分析中所说的自然环境，是一种概念性的环境，既有客观的实在性，又有人为的规定性，还要根据所研究的具体对象而定。,3. 规定环境，主要是规定基准物系。目前具有一定理论基础、比较完备且得到国际公认的环境模型主要是波兰学者斯蔡古持提出的环境模型和日本学者龟山秀雄和吉田邦夫提出的龟山吉田模型。,1.,自然环境是,的自然零点。,一个系统与环境处于,热力学平衡,，可以是完全的热力学平衡(具有热平衡、力平衡和化学平衡)，也可以是不完全的热力学平衡(只有热平衡和力平衡)，这取决于所研究的问题。一般说来，当研究不涉及几种物质的混合、分离以及化学反应等的能量转换过程时，就可以考虑不完全平衡环境状态。,当取不完全平衡环境状态作为基准状态时，一个系统的能量具有的用称为该能量的物理,；当取完全平衡环境状态作为基准状态时，一个系统的能量具有的用是物理,和化学,之和。一个系统的能量的化学用是系统在P,0,、T。条件下相对于完全平衡环境状态因化学不平衡所具有的,。,3.4.2,机械能形式能量的,1.一个运动系统所具有的宏观动能和位能，是机械能，,理论上能够全部转变为有用功,，所以动能和位能全是，称为动能和位能。,2.当系统在环境中作功（W,12,）的同时发生容积变化时，系统与环境必然有功量交换，系统要反抗环境压力作环境功，这部分功在技术上不能利用，这就是容积功的wu部分。过程：,E,W,=W,12,-p,o,(V,2,-V,1,),3.,如果一个系统在热力过程中没有容积变化，或与环境交换的净功量为零，则通过系统边界所作的功全部是有用功，即全部是。,3.4.4,封闭系统的,封闭系统的：任一封闭系统从给定状态以可逆方式转变到环境状态，并只与环境交换热量时所能作出的最大有用功称为给定状态下封闭系统的。,任意封闭系统储有的能量有宏观动能、宏观位能和内能。,宏观动能和位能全是,。,3.4.5,稳流系统的,稳定流动系统的：稳定物流从任一给定状态经开口系统以可逆方式转变到环境状态，并且只与环境交换热量时所能作出的最大有用功：,由稳流能量方程,熵方程,在可逆条件,dS,产,0,：,从给定状态积分到环境状态，并己知环境状态下,c,o,0,，,z,0,0,：,在一定的环境条件下，稳定流动物系只与环境交换热量时，从状态1转变到状态2所能完成的最大有用功为初、终态值之差：,当不考虑或忽略不计宏观动能和位能时，或己知宏观动能和位能全是而只考虑稳定稳流的焓一种形式的能量的时，可得,稳定物流的,为,:,3.4.6,化学反应的最大有用功,当稳定流动系统进行一个化学反应过程时，其能量衡算式：,Q =,H - W,A,式中,Q,为化学反应系统与外界的热量交换，称为反应热；,H,H,2,-H,1,为化学反应系统焓的变化，简称反应焓，其中,H,l,为反应物流的总焓，是各反应物流焓之和，,H,2,为生成物流的总焓，是各生成物流焓之和。,如果化学反应在定混条件下进行，则化学反应系统的熵方程为：,则：,当化学反应过程在可逆的条件下进行时， ,S,产,=0,，系统作出最大反应有用功：,或,由上式可知，,在可逆定温系统作出的最大反应有用功等于系统自由焓的减少,。反应有用功的获得主要是由反应物在化学反应过程中释放的化学能转变来的。,实际的化学反应过程往往是变温变压的，即反应物的温度和压力与生成物的温度和压力是不同的。我们可以利用最大反应有用功是状态参数的特性，采用三个假想过程来计算上述化学反应过程的最大有用功。首先设想反应物的温度和压力变到,298.15K、1atm,，即标准态；其次在标准状态下进行定温定压的化学反应；最后将生成物的温度和压力从标准态变到反应终态时的温度和压力。第一、三假想过程无化学变化，仅是温度与压力的变化。对于第二假想过程，在标准态下进行化学反应的最大反应有用功为：,3.4.9,燃料的化学,燃料的化学：,p,o,、T,o,下的燃料与氧气一起稳定流经化学反应系统时，以可逆方式转变到完全平衡的环境状态所能作出的最大有用功称为燃料的化学，简称燃料，用E,f,表示。,燃料氧化过程也属化学反应过程，但燃料的化学并不是燃料可逆氧化过程的最大有用功，而为,:,燃料的组成大多非常复杂而且不固定。目前只有气体燃料,可以用理论计算式，而对液、固体燃料，要计算出精确的燃料,是不可能的。,燃料的化学,在数值上极其接近于其热值，这是由于燃烧反应的熵变较之反应热往往要小得多，作为工程计算、可用下列简化的近似公式计算燃料,：,（,1,）由两个以上碳原子构成的,气体燃料：,液体燃料：,固体燃料：,（,2,）一般液体和固体燃料：,式中：,Q,h,为,燃,料的高发热值，,Q,1,为燃料的低发热值，,r,为环境状态下水的汽化潜热，,为燃料中水的质量分率。,3.4.10,损失和衡算方程式,各种形式的能量中部分可以是不同的。是能量的一种固有特性。是能量中能够转变为有用功的那部分能量。如果采用可逆的方式实施能量转换，理论上能够将以有用功的形式提供给技术上应用。能量中的无效能部分则是无论采用什么巧妙的方式也不能转变为有用功的那部分能量，随着能量转换过程的进行，最终将转移给自然环境。,在任何可逆过程中，不发生向 的转变，的总量保持不变；在任何不可逆过程中，必然发生向 的转变，的总量减少。任何实际的过程都是不可逆过程，根据热力学第二定律的这种减少是绝对的，不可能反向进行，是消失。,将不可逆过程中的减少量称为不可逆过程引起的损失，简称,损失,。,输入系统 输出系统十 损失十系统的变化,3.5,损失和衡算方程式,3.5.1,损失和衡算方程式,3.5.2,封闭系统的损失和衡算方程式,3.5.3,稳流系统的损失和衡算方程式,3.5.1,损失和衡算方程式,各种形式的能量中,部分可以是不同的。,是能量的一种固有特性。是能量中能够转变为有用功的那部分能量。如果采用可逆的方式实施能量转换，理论上能够将,以有用功的形式提供给技术上应用。能量中的无效能部分则是无论采用什么巧妙的方式也不能转变为有用功的那部分能量，随着能量转换过程的进行，最终将转移给自然环境。,在任何可逆过程中，不发生,向,wu,的转变， 的总量保持不变；在任何不可逆过程中，必然发生,向,wu,的转变，,的总量减少。任何实际的过程都是不可逆过程，根据热力学第二定律，,的这种减少是绝对的，不可能反向进行，是消失。,将不可逆过程中,的减少量称为不可逆过程引起的,损失，简称,损失。,输入系统,输出系统,十,损失十系统,的变化,3.6,装置的效率和损失系数,3.6.1,效率的一般定义,3.6.2,效 率的不同形式,3.6.1,效率的一般定义,从,的概念出发，各类生产过程，不是耗费足够数量的能量就能实现，而是能量中有足够数量的,才能实现。,所谓的能量的合理利用，实质上是指能量中,的合理利用，因此，在实际的能量转换过程中应尽量减少其损失。,效率、而不是损失可用来衡量设备、过程或系统在能量转换方面的完善程度。,在系统或设备进行的过程中，效率定义为收益的与耗费的的比值，用,e,表示：,e,收益/耗费,由于耗费与收益之差即为不可逆过程所引起的 损失，即,:,E,L,=E,耗费,-E,收益,因此：,e,收益耗费,=,l-E,L,E,耗费,所以,：,e,l-,令损系数,：,=E,L,/E,耗费,从热力学第一定律得到的热效率，是从能量的数量出发去评价过程的优劣，只要没有散热损失或排放物质的排热损失，能量的利用效率就是,l,。,例如绝热节流过程，因没有能量的散失，其能量利用率为,1,，过程就算是完善的,。,从热力学第二定律的,分析出发,绝热节流过程,是不可逆过程，,效率小于,1,，过程是不完善的。这是从能量的质来评价过程的优劣，,用热力学上等价的能量进行比铰成为评价各种实际过程热力学完善审的统一标准,。,3.6.2,效 率的不同形式,要确定,e,，就必须确定系统或过程中的耗费,和收益,。,在系统所有的输入,和