热力学第一定律第二定律在节能技术上的应用

武汉工程大学

能源与节能技术论文

题目：热力学第一定律第二定律在节能技术上的应用专业：过程装备与控制工程

班级；12级03班

学号：**********

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前言

能源是国民经济的命脉，与人民生活和人类的生存环境休戚相关，在社会可持续发展中起着举足轻重的作用。但是目前能源短缺，资源利用率低是一个很大的问题。为解决能源短缺问题，目前正同时从两条途径着手：一、开发新能源；

二、开展节能的研究。显然，从能够尽快的收到实效的角度出发，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）。

研究能量属性及其转换规律的科学是热力学。从热力学的角度看，能量是物质运动的度量，运动是物质的存在的形式，因此一切物质都有能量。热力学能广义上讲包括分子热运动形成的内动能、分子间相互作用所形成的内位能、维持一定分子结构的化学能和原子核内部的核能。热物理工作者在节能中的主要任务显然不是设法减少一般概念的热能的损失，而是必须从热力学第一定律和第二定律出发，使能量的可用度得到最充分的利用。就热力学的观点来说，“所费多于所当费，或所得少于所可得，都是浪费”。能量的可用度的损失，和各种过程的不可逆性直接有关。因此，节能的首要任务在于“和不可逆性做斗争”。

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量，其他形式的能量（如机械能、电能、化学能）都很容易转换成热能。热能与其他形式能量之间的转换也必然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：热能作为能量，可以与其他形式的能量相互转换，在转换过程中能量总量保持不变。

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。热力学第二定律的实质是能量贬值原理。它指出，能量转换过程总是朝着能量贬值的方向进行。能量传递过程也总是自发地朝着能量品质下降的方向进行。热力学第二定律深刻地指明了能量转换过程以及能量传递过程的方向、条件及限度。二、节能概述

能源是国家的基础工业，是国民经济和社会发展的重要物质基础，是提高和改善人民生活的必要条件。它的开发和利用是衡量一个国家经济发展和科学技术水平的重要标志。

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。

我国是最大的发展中国家，节能对我国经济和社会发展更有着特殊的意义，主要表现在：（1）节能是实现我国经济持续、高效发展的保证；（2）节能是调整

消耗功

供给高温热源的热

供暖系数=n ε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：

如对热设备有

对动力循环

对理想的卡诺循环

式中：2T 为低温热源的温度；1T 为高温热源的温度。

对制冷循环

对理想的逆向卡诺制冷循环

式中：0T 、2T 分别为高温热源（如大气）、低温热源（如冷库）的温度。

对供热循环

花费的代价获得的收益经济性指标=供给热有效利用热热效率=η供给热输出功热效率=η12

1T T -

=η消耗功

热

从低温热源“抽”走的制冷系数=c ε2

02

T T T c -=ε

对理想的逆向卡诺热泵循环

式中：1T 、0T 分别为高温热源（如室温）和低温热源（如大气）的温度。

以上η、c ε、n ε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节能上的应用举例

1．热泵节能与应用

热泵是一种将低温热源的热能转移到高温热源的装置。通常用于热泵装置的低温热源是我们周围的介质——空气、河水、海水，或者是从工业生产设备中排出工质，这些工质常与周围介质具有相接近的温度。热泵装置的工作原理与压缩式制冷机是一致的；在小型空调器中，为了充分发挥它的效能，在夏季空调降温或冬季取暖，都是使用同一套设备来完成的。在冬季取暖时，将空调器中的蒸发器与冷凝器通过一个换向阀来调换工作。

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的减排2CO 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2CO 排放量巨大，因此，对燃煤发电系统进行2CO 减排刻不容缓。

首先对一国内典型的600MW 燃煤机组的传统发电系统、燃烧后捕集改造系统、氧/燃料燃烧改造系统进行了模拟仿真计算。在研究计算中发现2CO 压缩系统消耗的能量仅次于再沸器热耗和空分系统，其压缩过程中每一级压缩气体的温度可达120C 0左右。氧/燃料方式的系统发电效率略高于燃烧后捕集方式。

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T T T n -=ε