热力学第一定律第二定律在节能技术上的应用

题目：专业：班级；学号：姓名： 武汉工程大学 能源与节能技术论文

热力学第一定律和第二定律在节能技术中的应用过程设备与控制工程12级03级1203020305崔梦元 前言

能源是国民经济的命脉。它与人们的生活和人类的生存环境密切相关。它在社会可持续发展中发挥着重要作用。然而，目前，能源短缺和资源利用率低是一个大问题。为了解决能源短缺问题，我们同时从两个方面着手：第一，开发新能源；2、 开展节能研究。显然，从尽快收到实际效果的角度来看，开展节能研究更具有现实意义。

节能研究主要包含两方面的内容：一、如何提高现有的能量转换系统和装置（包括各种类型的热机、热交换器、泵及风机等）的效率，以最大限度地发挥其潜在能力；二、研究利用常规能源（如煤、石油、天然气）的新的能源转换系统（如燃气轮机―蒸汽轮机联合循环装置，磁流体发电设备―常规火电厂联合发电系统，供取暖的新型热泵系统等）。 研究能量性质及其转化规律的科学是热力学。从热力学的角度来看，能量是物质运动的量度，运动是物质存在的形式。因此，所有物质都有能量。从广义上讲，热力学能包括分子热运动形成的内部动能、分子间相互作用形成的内部势能、维持一定分子结构的化学能和原子核内的核能。热物理学家在能量守恒方面的主要任务显然不是试图在一般概念中减少热能的损失，而是充分利用热力学第一定律和第二定律中的能量。从热力学的角度来看，“花的比应该花的多，或得到的比可用的少，都是浪费”。能量可用性的损失与各种过程的不可逆性直接相关。因此，节能的首要任务是“对抗不可逆性”。

为评价能量转换装置的工作性能，目前都采用传统的基于热力学第一定律的效率概念。近年来，由于能源短缺日益严重及人们逐步认识到节能工作在解决能源问题中的重大意义，以热力学第二定律为基础的效率概念引起了广泛的重视。我国正在大力开展节能工作，并取得了很大的成绩。利用热力学第一定律即能量守恒与转换定律和热力学第二定律即能量贬值定理，并将此应用到节能工作上，将为节能工作带来更大的进步与发展。 一、 热力学第一定律和第二定律

总所周知，能量在量方面的变化，遵循自然界最普遍、最基本的规律，即能量守恒与转换定律。能量守恒和转换定律指出：“自然界的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。”

热能是自然界广泛存在的一种能源。其他形式的能量（如机械能、电能和化学能）可以很容易地转化为热能。热能和其他形式能量之间的转换也必须遵循能量守恒和转换定律——热力学第一定律。热力学第一定律指出，作为能量，热能可以与其他形式的能量转换，在转换过程中总能量保持不变。

能量不仅有量的多少，还有质的高低。热力学第一定律只说明了能量在量上要守恒，并没有说明能量在“质”方面的高低。另一方面热力学第一定律只告诉我们某一个变化过程中的能量关系，并没有告诉我们这个变化过程进行的方向。自然界进行的能量转换过程是有方向性的，不需要外界帮助就能自动进行的过程称之为自发过程，反之为非自发过程。自发过程都有一定的方向，若要使自发过程反向进行并回到初始状态，则需要花费代价，所以自发过程都是不可逆过程。

就像热力学第一定律一样，热力学第二定律也是长期实践经验的总结。热力学第二定律的本质是能量折旧原理。指出能源转换过程总是朝着能源贬值的方向发展。能量传递过程总是沿着能量质量下降的方向自发进行的。热力学第二定律深刻地指出了能量转换过程和能量传递过程的方向、条件和极限。 二、节能概述

能源是国家的基础产业，是国民经济和社会发展的重要物质基础，是改善和改善人民生活的必要条件。它的开发利用是衡量一个国家经济发展和科技水平的重要标志。 节能，从能源的角度顾名思义就是节约能源消费，即从能源生产开始，一直到最终消费为止，在开采、运输、加工、转换、使用等各个环节上都要减少损失和浪费，提高其有效利用程度。节能，从经济的角度则是指通过合理利用、科学管理、技术进步和经济结构合理化等途径，以最少的能耗取得最大的经济效益。

中国是最大的发展中国家。节能对中国经济和社会发展具有更特殊的意义。主要体现在：（1）节能是中国经济持续高效发展的保障；（2） 节能就是调整

国民经济结构、提高经济效益的重要途径；（3）节能将缓解我国运输的压力；（4）节能将有利于我国的环境保护。

三、 热力学第一定律效率和第二定律效率

在能量利用中热效率和经济性是非常重要的两个指标。由于存在着耗散作用、不可逆过程以及可用能损失，在能量转换和传递过程中，各种热力循环、热力设备和能量利用装置，其效率都不可能是100%的。根据热力学原理，对于一切热工设备有： 经济指标？所得收入 花费的代价 如果热设备有问题

热效率?? 用于动力循环 对理想的卡诺循环

有效利用供热热效率？？输出功供热？？1.式中T2为低温热源的温度；T1是高温热源的温度。制冷循环

制冷系数?c?从低温热源“抽”走的热消耗功对理想的逆向卡诺制冷循环

? Ct2t0？式中T2:t0和T2分别为高温热源（如大气）和低温热源（如冷库）的温度。加热循环

供暖系数?n?供给高温热源的热消耗功对理想的逆向卡诺热泵循环

? Nt1t1？式中t0:T1和t0分别为高温热源（如室温）和低温热源（如大气）的温度。 以上?、?c、?n不仅指出了在同样温度范围内实际的动力循环、制冷循环和供暖循环的经济指标的极限值，同时也指明了提高其经济性指标的途径。 四、第一定律和第二定律在能量守恒中的应用实例 1．热泵节能与应用

热泵是将低温热源的热能转移到高温热源的装置。热泵装置中常用的低温热源是我们周围的介质——空气、河水、海水或工业生产设备排出的工作介质。这些工作液的温度通常接近周围介质的温度。热泵装置的工作原理与压缩式制冷机的工作原理一致；在小型空调中，为了充分发挥其效率，在夏季使用同一套设备对空调进行冷却或在冬季进行取暖。冬季供暖时，空调中的蒸发器和冷凝器通过换向阀切换。

在夏季空调降温时，按制冷工况运行，由压缩机排出的高压蒸汽，经换向阀进入冷凝器，制冷剂蒸汽被凝结成液体，经节流装置进入蒸发器，并在蒸发器中吸热，将室内空气冷却，蒸发后的制冷剂蒸汽，经换向阀后被压缩机吸入，这样周而复始，实现制冷循环。在冬季取暖时，先将换向阀转向热泵工作位置，于是由压缩机排出的高压制冷蒸汽，经换向阀后流入室内蒸发器（作冷凝器用），制冷剂蒸汽冷凝时放出的潜热，将室内空气加热，达到室内取暖目的。

2.基于热力学第二定律减少二氧化碳排放的燃煤发电技术

温室气体的排放给全球气候带来了巨大灾难，而燃煤发电所造成的co2排放量巨大，因此，对燃煤发电系统进行co2减排刻不容缓。

首先，对我国典型的600mw燃煤机组的传统发电系统、燃烧后捕集变换系统和氧气/燃料燃烧变换系统进行了仿真。研究计算发现，CO2压缩系统的能耗仅次于再沸器和空分

系统的热耗，压缩过程中各阶段压缩气体的温度可达1200℃左右。氧气/燃料系统的发电效率略高于燃烧后捕集系统。

其次基于热力学第二定律对减排co2的燃煤发电系统进行详细的火用分析计算和比较。研究结果表明，燃烧后co2捕集整合系统的火用效率为35.59%，氧/燃料燃烧系统的火用效率为37.75%，相较传统燃煤发电系统均有大幅度下降。锅炉设备在燃烧后捕集系统与传统燃煤系统中，均为火用损失最大的设备，这是由于燃烧和传热的不可逆造成的。 然后运用矩阵模型的热经济学方法对传统燃煤发电系统、燃烧后捕集变换系统和氧气/燃料燃烧变换系统的热经济性进行了分析，并分析了发电成本的形成过程和系统中各子系统的热经济性。研究结果表明，传统燃煤发电系统为0.28￥/kWh，氧气/燃烧后捕获转化系统为0.53￥/kWh，氧气燃料燃烧转化系统为0.40￥/kWh。矩阵模型热经济学对CO2减排燃煤发电系统具有良好的适应性，能够进行科学合理的成本核算。 最后基于夹点分析技术对燃烧后捕集改造系统、氧/燃料燃烧改造系统与

对多级CO2压缩系统的热能进行了分析和综合，提出了合理的换热网络设计，以达到热能回收和降低系统能耗的目的。通过对后燃集热发电系统进行夹点优化改造，节约了42.55%的供热工程热量和70.15%的制冷工程消耗。通过对氧气/燃料燃烧发电系统进行夹点优化改造，节约了约58.15%的外加热公用工程和88.93%的外冷却公用工程。对多级压缩系统进行优化后，多级压缩系统的发电效率约为8MW，提高约10.0%。

节能，从能源的角度顾名思义就是节约能源消费；从经济的角度则是指通过合理利用、科学管理、技术进步和经济结构合理化等途径，以最少的能耗取得最大的经济效益。显然节能时必须考虑环境和社会的接受能力，即节能“是指加强用能管理，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，减少能源生产到消费各个环节中的损失和浪费，更加有效、合理地利用能源”。同时我们在节能中要学会利用热力学第一定律和第二定律，运用科学理论知识以达到科学节能的目的。