节能的基本原理

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1、节能的基本原理要搞好节能，就要了解造成能量损耗和损失的原因、能量损耗和损失的分布、科学用能的基本原则、技能的对策等。首先要了解热力学的基本原理和基本定律，为节能工作做好准备。一、基本概念1、热力系统在对能量转换的现象或过程进行分析的时候，需要从相互作用的物体中提取研究对象，该对象就是热力系统，简称系统。一般来说，根据分析研究的需要，热力系统可以是一台设备，也可以是一个车间、一个企业，甚至是一个地区等。一个热力系统如果和外界只有能量交换而无物质交换，则该系统称为闭口系统，又称作控制质量。如果热力系统和外界不仅有能量交换而且有物质交换，则该系统叫做开口系统，又称作控制容积，或控制体。当一个热力系统

2、和外界间无热量交换时，该系统称为绝热系统。当一个热力系统和外界既无能量交换又无物质交换时，则该系统就称为孤立系统。图1 一个热力系统的简图热力工程中常见的热力系统是由可压缩流体（如水蒸气、空气、燃气等）构成的，这类系统又称作简单可压缩系统。2、热力学第一定律能量守恒与转换定律：自然界中的一切物质都具有能量，能量不可能被创造，也不可能被消灭；但是能量可以从一种形态转换为另一种形态，且在能源的转换过程中能量的总量保持不变。热力学第一定律是能量守恒和转换定律在热现象中的应用，确定了热力过程中热力系统与外界进行能量交换时，各种形态能量数量上的守恒关系。在热力学中，可以表述为热是能的一种，机械能变热能，

3、或热能变机械能的时候，他们之间的比值是一定的。能量从一个物体传递到另一个物体有两种方式：做功和传热。3、卡诺循环1824年法国青年工程师卡诺设想了一部理想热机。该热机由两个温度不同的可逆定温过程(膨胀和压缩)和两个可逆绝热过程(膨胀和压缩)构成的循环过程卡诺循环。图2 T-S图上的卡诺循环4、热力学第二定律能量在使用过程中是不断贬值的、以致最后完全无用。热力学第二定律就是用来说明过程进行的方向、条件及限制。热力学第二定律的不同表述：克劳修斯说法：不可能把热从低温物体传至高温物体，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，使之完全变成有用功而不产生其它影响。普朗克说法：不可能制造一

4、个机器，使之在循环动作中，把一种物体温度升高，而同时使一热源冷却。卡诺定理：在不同温度的恒温热源间工作的所有热机，不可能有任何热机的效率比可逆热机的效率更高。卡诺循环的热效率：5、熵的基本概念热力学第二定律告诉我们，哪些自然过程（包括非循环过程与循环过程）是可能进行的，哪些是不可能进行的，即说明自然过程是有方向性的，是不可逆的。不过，迄今为止的所有有关论证都是定性的。为了把这种分析提高到定量的阶段，下面我们将在以上讨论的基础上，导出一个新的热力学参数“熵”，它的变化将直接与过程方向性相关。图3 导出熵参数的示意图设有一个如图3所示的任意系统X。它在经历一个微元可逆状态的变化中，由外界吸热Q，同

5、时对外作功Wi，Wi为内部功，表示由系统本身对外界所作的功。为了利用热力学第二定律推论I的条件，设想热量Q是由一台工作在系统X与热源d之间的可逆机提供的。可逆机在向系统X排出热量 Q时，将完成若干个完整循环，并向外界作出外部功Wi（是指相对于系统X来说的）。热源的温度Td 完全是任意的，在这里我们假定TdT。但若TdT，则只要把可逆热机换成可逆致冷机或热泵，那么最后的结论将是完全一样的。 若系统X由稳定状态1可逆地变化到稳定状态2，可写出积分式为 系统X与可逆热机一起构成一个扩大的系统Y。对于确定的状态变化来说，系统Y向外界所作总功Wg与系统X和可逆机所作的功Wi+We是相同的，从而所吸收的热

6、量Qd 也是相同的，由此可见，上式右边Qd/Td只取决于系统X的初始状态与最终状态，而与过程路径无关，这就是说，被积函数满足状态参数的基本判据，因此，我们可以定义一个状态参数熵S，令 dS =Q/T式中，Q 是在系统温度T下可逆地传给系统的热量。 只和单一热源交换热量的系统，经过一有限可逆过程后，熵的变化为 若系统完成一个循环过程，可得到上式再次表明，熵是一个状态参数。现在，我们可以利用状态参数熵来研究过程的方向性，即不可逆性问题。所考察的系统X如图4所示，以下标与分别表示可逆过程与不可逆过程。图4 可逆与不可逆过程示意图假定图中热源为变温热源，以保证在一个无限小的温差下向系统供给热量。当系统

7、在两个无限邻近的稳定状态之间进行一个可逆或不可逆过程时，根据热力学第二定律推论，由于dW1 dWR ，因此必定有 dQ1dQR。对于微元过程，熵的变化为上式可改为式中等号用于可逆过程，不等号用于不可逆过程。对于在两个稳定状态1与2之间进行的有限过程，则为式中的不等号表示了不可逆性对系统熵的影响。当系统完成一个可逆或不可逆循环时，系统熵的变化为零，于是可以得到这个公式称为克劳修斯不等式。它告诉我们，任何循环的克劳修斯积分总小于零，极限（可逆）时才等于零。同时还应指出，在进行以上推论时，我们曾假定不论是可逆还是不可逆过程，在热量的传递中系统边界处接受热量的局部温度是与热源温度相等的。但是，我们并没

8、有限制热源温度是否恒定，因此所得到的方程具有普遍性，即它既可认为是单一热源，也可以是变温热源，对于孤立系统，Q =0。 上式叫做孤立系统熵增原理。它表明，自发过程只能向熵增加的方向发展，只有在可逆的极限情况下，熵才保持不变。二、火用参数的基本概念、热量火用1、能量的可转换性热力学第二定律限制了某些能量向另一种形态的转变。各种形态的能量相互转换时具有明显的方向性，如机械能、电能等可全部转化为热能，理论上转换效率近100%。这类可无限转换的能量成为火用，机械能全部为火用。但是，反方向的热能转换为机械能、电能等，却不可能全部转换，转换能力受到热力学第二定律的制约。所以，从技术使用和经济价值角度，前者

9、的品味（质量）更高、更为宝贵。热量本身也具有质量的差别。由高于（或低于）环境温度的物体提供的热量中，部分可转换为机械能。以其为高温热源、环境为低温热原，通过可逆机可作出有用功（循环净功），这是技术上可实现的可转换的最大量。这类热能属于可有限转换的能量。供热体温度越高，热量质量也就越高。由于由单一热源提供的热量是不能连续做功的，因为由它们提供的热量无法转变为机械功，它们是不可转换的能量，从动力的观点称其为废热，或者火无。2、火用和火无的定义热力学中的定义：在环境条件下，能量中可转化为有用功的最高份额称为该能量的火用。或者：热力系统只与环境相互作用，从任意状态可逆地变化到与外界相平衡的状态时，做出

10、最大的有用功称之为该热力系统的火用。在环境条件下，不可能转化为有用功称之为热力系统的火无。任何能量（E）都是由火用（EX）和火无（AN）两部分组成的。能量=火用+火无即 可无限转换的能量，AN=0，如机械能、电能全部为火用，E=EX；不可转换的能量，EX=0，如环境介质中的热量全部是火无。不同形态的能量或物质，处于不同状态时，包含的火用和火无的比例也不一样。三、热量火用和冷量火用1、热量火用温度为T0的环境温度下，系统（TT0）所提供的热量中可转化为有用功的最大值是热量火用，用表示。2、冷量火用温度低于环境温度T0的系统（TT0），吸入的热量Q0时所作出的最大有用功称为冷量火用，用表示。图5

11、热量火用和热量火无四、火用损失和能量贬值原理体系的火用值是指其处于环境条件下经完全可逆过程过渡到与环境平衡时所作出的有用功，这时它的做功能力最大。与此同时，任何的不可逆循环或者不可逆过程，必然会有机械能损失，体系的做功能力降低，必然有机械能损失，体系的做功能力降低，或者说必然有火用损失，火无增量。不可逆程度越严重，做功能力降低越多，火用损失越大。图6 一个孤立系统的熵增和火用损假设：以A为热源、环境为冷源，其间工作的可逆机作出的最大循环净功Wmax(A)，即为体系A放出的热量Q中的热量火用，即：体系B放出的热量，则它所包含的热量火用为：由此可以看出，孤立系统发生了不可逆传热而引起的火用损失：可

12、以看出，热量Q从A传到B，热量的数量并未减少，但是Q中的热量火用减少了，热量的“质量”降低了，称之为能量贬值。孤立系统中进行热力过程时，火用只会减少不会增大，极限情况下（可逆过程）火用保持不变，这就是能量贬值原理。由于实际过程中，总有某种不可逆因素，不可避免地能量中的一部分火用将退化为火无，而且一旦退化为火无就将再也无法转变为火用，因而火用损失是真正意义上的损失。减少火用损失（有限度地）是合理用能及节能的指导方向。五、举例分析以某炼油厂的加热炉为例，进行火用分析工艺过程的热平衡、热效率不能全面反映热能转换过程中热能的利用情况，也不能用来分析、考察热能转换过程中各种热能的传递、转变和降级(能量变

13、质)的情况。所以，仅从能量的数量来分析、评价是不够的，应对能量的质量进行分析和评价，才能从根本上分析和评价用能的好坏。火用效率(E)能够正确地指出过程的用能情况，又能用以分析、考察过程中各种形式能量的传递、转换、降级变质情况的物理量。这是因为，火用效率是建立在热力学第一定律和热力学第二定律这两者基础上的，它更能全面、深刻地反映过程进行的情况。所谓火用(EX)就是在给定环境条件下，能量中理论上能够转变为最大有用功的那部分能量。从火用的概念出发，生产中进行的各种过程不是消耗足够的能量就能实现的，而必须在能量中有足够数量的火用才能实现，一般所谓的用能，实际上是用火用。在一个过程或设备中, 被利用或获

14、得的火用与支付或耗费的火用的比值, 就是所谓的火用效率, 即E=EX出/ EX入；在火用效率的计算式中，分子、分母属于真正的同类项, 不管过程中使用的各种能量的具体形式如何，它们具有的火用在理论上完全是同质、等价的。此外，可根据火用效率对用能的情况作出具体的分析。通过火用效率可以确定各单元过程火用效率对总过程火用效率的影响, 从而确定各单元过程在总过程中的节能地位。在提高过程总效率时，可以指出主要矛盾所在，分析各单元过程的条件对单元过程火用的影响，从而确定提高火用效率应采取的工艺条件。所以，可将火用效率作为一项主要指标，对生产方法、工艺流程的合理性及设备的优劣进行正确的评价。1、炼油厂加热炉的

15、火用分析加热炉在炼油厂中应用广泛，它是一种提供热源的火力加热设备，加热炉中燃料燃烧以后，放出的热量传给炉内炉管中的介质，使介质达到工艺要求的温度。按加热炉的功能，加热炉大体上可分为：燃料燃烧、辐射、对流三部分，下面就对这三部分进行讨论。（1）燃烧段的火用分析燃烧段火用效率计算式为：E燃= EX燃得/EX燃总 (1)式中：E燃燃烧段火用效率, %；EX燃得燃烧段总得火用，kcal/h；EX燃总燃烧段总供火用，kcal/h。由式(1)可知：只有增大燃烧段烟气的火用值，才能增大燃烧段的火用效率，而决定烟气火用值的主要因素是燃烧段的热力学平均温度，即理论燃烧最高温度和入炉平均温度, 要提高燃烧段火用效

16、率，就必须提高理论燃烧最高温度和入炉平均温度。理论燃烧最高温度计算式为：t最高= Q总/(W gC烟) (2)式中：t最高理论燃烧最高温度，；Q总燃料、空气、雾化蒸汽的显热以及燃料燃烧热的总和，kcal/h；Wg烟气量，kg/h；C烟烟气的比热，kcal/(kg)。由式(2) 可知：影响理论燃烧最高温度的因素主要有燃料燃烧热和燃料、空气、雾化蒸汽显热的总和Q总以及烟气量Wg；所以，要提高理论燃烧最高温度，其一加热炉必须配有高效燃烧器，使空气和燃料充分混合，完全燃烧；其二减小过剩空气系数及雾化蒸汽量，使烟气量Wg降低。此外，提高燃料、空气的入炉温度，也可使燃烧段的热力学平均温度升高，就是说， 使

17、燃烧后生成的烟气的得火用增加，这就使得燃烧段火用效率增大。提高燃料油的入炉温度，最好是直接烧热油，粘度小、易雾化，也可少用雾化蒸汽；再者，燃油粘度小，与空气混合充分，燃烧完全。提高空气的入炉温度有两种措施：一是空气和对流段排出的热烟气换热：二是空气和馏分热油换热。空气入炉温度高，有利于使燃料完全燃烧，也能减少雾化蒸汽用量。（2）辐射段的火用分析辐射段火用效率计算式为：E辐= EX辐得/EX辐总 (3)式中：E辐辐射段火用效率，%；EX辐得辐射段总得火用，kcal/h；EX辐总辐射段总供火用，kcal/h。从式(3)可看出，提高辐射段的火用效率，一要减少辐射段总供火用，其措施是提高冷流介质入辐射

18、段的温度，这样，可减少加热炉的总热负荷，从而降低燃料消耗；二是要求炉体保温良好，减少辐射段的散热损失，因为散热火用是算在辐射段的火用损中的；三是炉子密封性要好，减少空气漏入。烟气离开辐射段的温度越高，则辐射段供火用就越少，火用效率相应提高；但是，这一温度太高，辐射段中炉管烧穿和结焦的可能性就越大。所以，这一温度应控制在一定范围内。若辐射管中要注入蒸汽，注入位置应适当，注汽点尽量接近介质气化点，相应降低注汽量，减少辐射段的供火用，这样也可提高辐射段的火用效率。（3）对流段的火用分析对流段可能只有一种介质被加热，也可能有两种以上的介质被加热，为此，视被加热介质数目的多少，把对流段划分为若干段来分别

19、进行讨论，对每一对流段火用效率的计算方法完全与辐射段的计算和分析方法相同，在此，不多加赘述。2、加热炉的火用损和火用效率全炉的总供火用和总得火用之差即为全炉的火用损(EX损) ；即表示为：EX损= EX总供- EX总得；全炉的火用效率(E炉) 为全炉的总得火用与全炉的总供火用之比；即表示为：E炉= EX总得/EX总供；根据各段及全炉火用效率的计算结果，找出薄弱环节，从而采取各种节能措施。目前，全国各炼油厂的加热炉热效率都高达85%以上，有的甚至在90% 以上，但是火用效率才只有50% 左右，这主要是燃烧过程的高度不可逆性引起的。虽说也相应采取了一些技术措施，但仍不能从根本上解决低火用效率的问题

20、。现在仍有相当数量的加热炉火用效率只有20%30%，所以要提高这些加热炉的火用效率, 仍有许多工作要做。3、加热炉热效率及火用效率的计算结果对比分析下面对一常减压装置的减压炉火用的计算结果进行分析。图7给出了该加热炉的工艺操作条件，表1给出了减压炉的热平衡及火用平衡的计算结果。从表1可以看出，此减压炉的热效率高达82.2%。但是，全炉的火用效率只有41.3%。该减压炉的火用损部位主要在燃烧段和辐射段，这主要是由于燃烧过程为一种高度不可逆过程以及辐射段传热温度太高造成的。图7 减压炉操作条件示意图针对上述情况，可以从两方面来采取措施：其一，尽可能提高燃料油、空气入炉温度，特别是提高空气的温度。因

21、为空气量比燃料量大，提高空气的温度可降低烟气的升温温差，从而提高燃烧段的火用效率。其二。降低该减压炉的过剩空气系数。此减压炉过剩空气系数高达1.25，这就导致烟气量增大，使炉膛理论燃烧最高温度降低，烟气的物理火用减少，燃烧过程的火用损增大，同时，也降低了三原子气体的浓度，使辐射能力降低，从而引起辐射火用损增加。另外，也使得烟气向大气排火用增加。表1 减压炉各段热平衡及火用效率计算结果4、结论及建议为了提高加热炉用能的合理性, 首先要从质量上提高加热炉用能的合理性, 这就必须进行火用分析。据各段及全炉火用效率的比较结果, 把火用效率作为目标函数, 找出薄弱环节，获得优化加热炉的条件，制定出相应的解决措施。为提高加热炉的火用效率，在操作、维护和设备技术改进等方面应采用自动仪表，降低烟气含氧量；将蒸汽雾化改为温度较高的空气雾化；提高炉壁及看火门密封性；将普通喷嘴改为低过剩空气喷嘴；炉内壁涂高温辐射物质；用陶纤作炉衬减少炉壁散热损失等措施。在可能的情况下，可采用功热联产利用燃料能量的方法。即燃料先在烟气轮机中燃烧做功，使高温烟气进入加热炉供热，或者利用其中尚含16% 左右的高温烟气来燃烧燃料，这样也可提高加热炉燃烧过程的火用效率。