【文章內容簡介】 熱，也可能有兩種以上的介質被加熱，為此，視被加熱介質數(shù)目的多少，把對流段劃分為若干段來分別進行討論，對每一對流段火用效率的計算方法完全與輻射段的計算和分析方法相同，在此，不多加贅述。加熱爐的火用損和火用效率全爐的總供火用和總得火用之差即為全爐的火用損(ΔEX損) ；即表示為：ΔEX損= EX總供 EX總得；全爐的火用效率(ηE爐) 為全爐的總得火用與全爐的總供火用之比；即表示為：ηE爐= EX總得/EX總供；根據(jù)各段及全爐火用效率的計算結果，找出薄弱環(huán)節(jié)，從而采取各種節(jié)能措施。目前，全國各煉油廠的加熱爐熱效率都高達85%以上，有的甚至在90% 以上，但是火用效率才只有50% 左右，這主要是燃燒過程的高度不可逆性引起的。雖說也相應采取了一些技術措施，但仍不能從根本上解決低火用效率的問題。現(xiàn)在仍有相當數(shù)量的加熱爐火用效率只有20%～30%，所以要提高這些加熱爐的火用效率, 仍有許多工作要做。加熱爐熱效率及火用效率的計算結果對比分析下面對一常減壓裝置的減壓爐火用的計算結果進行分析。圖17給出了該加熱爐的工藝操作條件，表11給出了減壓爐的熱平衡及火用平衡的計算結果。從表11可以看出，%。但是，%。該減壓爐的火用損部位主要在燃燒段和輻射段，這主要是由于燃燒過程為一種高度不可逆過程以及輻射段傳熱溫度太高造成的。圖17 減壓爐操作條件示意圖針對上述情況，可以從兩方面來采取措施：其一，盡可能提高燃料油、空氣入爐溫度，特別是提高空氣的溫度。因為空氣量比燃料量大，提高空氣的溫度可降低煙氣的升溫溫差，從而提高燃燒段的火用效率。其二。降低該減壓爐的過剩空氣系數(shù)。，這就導致煙氣量增大，使爐膛理論燃燒最高溫度降低，煙氣的物理火用減少，燃燒過程的火用損增大，同時，也降低了三原子氣體的濃度，使輻射能力降低，從而引起輻射火用損增加。另外，也使得煙氣向大氣排火用增加。表11 減壓爐各段熱平衡及火用效率計算結果結論及建議為了提高加熱爐用能的合理性, 首先要從質量上提高加熱爐用能的合理性, 這就必須進行火用分析。據(jù)各段及全爐火用效率的比較結果, 把火用效率作為目標函數(shù), 找出薄弱環(huán)節(jié)，獲得優(yōu)化加熱爐的條件，制定出相應的解決措施。為提高加熱爐的火用效率，在操作、維護和設備技術改進等方面應采用自動儀表，降低煙氣含氧量；將蒸汽霧化改為溫度較高的空氣霧化；提高爐壁及看火門密封性；將普通噴嘴改為低過?？諝鈬娮欤粻t內壁涂高溫輻射物質；用陶纖作爐襯減少爐壁散熱損失等措施。在可能的情況下，可采用功熱聯(lián)產利用燃料能量的方法。即燃料先在煙氣輪機中燃燒做功，使高溫煙氣進入加熱爐供熱，或者利用其中尚含16% 左右的高溫煙氣來燃燒燃料，這樣也可提高加熱爐燃燒過程的火用效率。第二節(jié) 典型例題分析例題1 求解下列兩種情況下，由不可逆?zhèn)鳠嵩斐傻幕鹩脫p失，設Q=100kJ，環(huán)境溫度T0=23℃，見圖16。（1）tA=420℃，tB=420℃；（2）tA=70℃，tB=50℃。解：（1）TA=（420+273）K=693K，TB=（400+273）K=673K因為TA＞TB＞T0，熱量從A傳向B，故（2）TA=（70+273）K=343K，TB=（50+273）K=323K因為TA＞TB＞T0，熱量從A傳向B，故由此可以看出，同樣大小的傳熱溫差ΔT，低溫傳熱時火用損失更大。工程上，在不降低（或減少降低）傳熱效果的同時，盡量減少傳熱溫差，對低溫換熱器尤為重要。例題2 某蒸汽動力系統(tǒng)流程如圖21所示，能量平衡與火用分析計算見表21。圖21 蒸汽動力系統(tǒng)流程圖表21 某蒸汽動力系統(tǒng)能量平衡與火用分析項目能量平衡火用分析能量kJ/kg百分率%火用kJ/kg百分率%輸入燃料供給能3704100100輸出系統(tǒng)凈輸出能鍋爐損失汽輪機內部損失汽輪機摩擦損失凝汽器損失管道損失發(fā)電機損失系統(tǒng)效率從表23可以看出，蒸汽動力系統(tǒng)中造成火用損失最大的設備是鍋爐，%。鍋爐的火用損失主要是燃燒不可逆損失和燃燒產物與工質的熱交換損失。盡管凝汽器的能量損失很大（%），但由于溫度很低，火用損失僅占5%，改進凝汽器的效率對提高整個系統(tǒng)的火用效率作用不大。由此可見，提高蒸汽動力系統(tǒng)能量利用率的關鍵在于提高鍋爐的火用效率。例如提高蒸汽的壓力和溫度，以減少爐內傳熱過程的火用損失等，這樣可以在發(fā)電作功量相同的條件下，減少燃料的供入量。同時為了減少凝汽器的能量損失，可以通過熱電聯(lián)產，將汽輪機排汽壓力提高作為供熱熱源用，才可使燃料能量得到充分利用。例題3 、℃的空氣源和196℃、℃ 的空氣流，質量流量qm＝20kg/s。裝置示意圖見圖22。求：（1）冷卻器每秒的放熱量（2）整個系統(tǒng)的熵增，判斷該方案能否實現(xiàn)。已知空氣的氣體常數(shù)Rg＝()，比熱容cp＝()，絕熱指數(shù)к＝。圖22 例題3附圖解： T1＝(+)K=T3=(+)K=Tr=(196＋)K=（1）由熱力學第一定律能量守恒式確定每秒的放熱量qQ節(jié)流前后焓值相同，故h2＝h1。又理想氣體的焓取決于溫度，所以T2＝T1冷卻器不對外作功，放熱量等于焓降，所以＝20kg/s(kgK)（）＝負值表示放熱。（2）由控制體積、冷源、物質源組成的一個孤立系，孤立系的熵變等于三者熵變的代數(shù)和，即穩(wěn)定流動控制體積的，而＝20kg/s[ kJ/(kgK) ln－(kgK) ln＝＝＝0該方案能夠實現(xiàn)，是不可逆過程。例題4 同樣的冷源（196℃）、同樣的空氣源（、℃），達到同樣的目的：、℃ 的空氣，質量流量qm＝20kg/s。現(xiàn)改進方案，以渦輪機代替節(jié)流閥，同樣起到降壓的作用。設渦輪機內進行的是絕熱膨脹過程，其相對內部效率ηT＝（相對內部效率ηT是實際功和理論功的比值）。圖23 例題4的附圖求：（1）渦輪機的輸出功率PT；（2）冷卻器的放熱量qQ：（3）整個系統(tǒng)的熵增；（4）兩個方案的火用損失。從熱力學能源利用的角度分析，哪一個方案更合理？環(huán)境溫度t0＝25℃.解：T1=(+)K=T3=(+)K=Tr=(196＋)K=P2=P3=渦輪機的理論技術功率為而渦輪機輸出的功率=20kg/s(kgK)（）＝ kJ/s（2）=20kg/s(kgK)（）＝(負值為放熱)（3）＝20kg/s[ kJ/(kgK)(kgK)ln＝ kJ/(kgs)=＝ kJ/(kgs) +0+( kJ/(kgs))＝ kJ/(kgs)0新方案也是可行的。（4）兩種方案的火用損方案Ⅰ的= kJ/(kgs)＝（25＋）K kJ/(kgs)＝ kJ/s＝（25＋）K kJ/(kgs)＝ kJ/s計算結果表明：方案2通過渦輪機做出有用功，火用損失比方案1小得多，因而更為合理。例題5 蒸汽減溫減壓過程火用損失與余壓發(fā)電應用實例分析某鋼鐵廠煉鐵部1號鍋爐房現(xiàn)有2臺燃用高爐煤氣的中溫中壓鍋爐，每臺鍋爐產汽(一次蒸汽)量為18 t/h， MPa，溫度為435℃。原設計中，利用一次蒸汽通過凝汽式汽輪機發(fā)電，帶動送風機向高爐送風?，F(xiàn)計劃用這2臺鍋爐替代焦化廠鍋爐，向焦化廠輸送蒸汽，送風機改用外網電力驅動。焦化廠工藝設備用汽(即二次蒸汽) MPa，溫度為260℃。為達到焦化廠工藝設備的用汽參數(shù)要求，一次蒸汽須經減溫減壓后變?yōu)榉瞎に囋O備要求的二次蒸汽。 MPa，溫度為104℃。分析：蒸汽在減溫減壓過程中的火用損失（1）減溫水及二次蒸汽流量① 能量平衡方程忽略減溫減壓過程中熱量損失，能量平衡方程為： （1）式中：——二次蒸汽比焓，；——二次蒸汽質量流量，kg/h；——一次蒸汽比焓， kJ/kg；——一次蒸汽質量流量，36000kg/h；——減溫水比焓，；——減溫水質量流量，kg/h。② 質量平衡方程 （2）由式（1）和（2）計算可得，二次蒸汽質量流量=，減溫水的質量流量=。（2）一次蒸汽火用降將減溫減壓過程的蒸汽流動簡化為穩(wěn)定流動。① 一次蒸汽比火用降 （3）式中，——一次蒸汽比火用降，kJ/kg；——環(huán)境溫度，；——一次蒸汽比熵，(kgK)；——二次蒸汽比熵，(kgK)。由式（3）計算可得到，減溫減壓過程一次蒸汽比火用降Δes,p=。② 單位時間一次蒸汽火用降 （4）式中，——單位時間一次蒸汽火用降，kJ/h。由式（4）計算得到，減溫減壓過程單位時間的一次蒸汽火用降=。（3）減溫水的火用升由于減溫水被加熱變?yōu)槎握羝?，因此應分別計算出一次蒸汽減溫減壓前減溫水的比火用和一次蒸汽減溫減壓后減溫水生成的二次蒸汽比火用。① 減溫減壓前減溫水的比火用 （5）式中，——減溫減壓前減溫水的比火用，kJ/kg；——環(huán)境狀態(tài)下的減溫水比焓，；——減溫減壓前減溫水的比熵， kJ/(kgK)；——環(huán)境狀態(tài)下的減溫水的比熵， kJ/(kgK)。由式（5）計算可得到，減溫減壓前減溫水的比火用=。② 減溫減壓后減溫水的比火用 （6）式中，——減溫水生成的二次蒸汽的比火用，kJ/kg；——環(huán)境狀態(tài)下蒸汽的比焓，；——環(huán)境狀態(tài)下蒸汽的比熵，(kgK)；——環(huán)境狀態(tài)下的減溫水的比熵， kJ/(kgK)。由式（6）計算可得，減溫水生成的二次蒸汽的比火用=。③ 單位時間減溫水火用升 （7）式中，——單位時間減溫水火用升，KJ/h。由式（7）計算可得到，單位時間減溫水火用升=。（4）一次蒸汽火用損失率① 單位時間一次蒸汽實際火用降 （8）式中，——單位時間一次蒸汽實際火用降，KJ/h。由式（8）計算可得，單位時間一次蒸汽實際火用降=。② 一次蒸汽的比火用 （9）式中，——一次蒸汽的比火用，kJ/kg。由式（9）計算可得，一次蒸汽的比火用=。③ 一次蒸汽火用損失率 （10）式中，——一次蒸汽火用損失率。由式（10）計算可得，一次蒸汽火用損失率==15%。節(jié)能措施為了有效利用工質的做功能力，避免高品質能源的浪費，將一次蒸汽先通入背壓式汽輪機發(fā)電，再將排汽供工藝設備使用，即余壓發(fā)電。余壓發(fā)電可使熱能得到充分利用，可提高能源利用率，是一項有效的節(jié)能措施。在煉鐵部1號鍋爐房中溫中壓鍋爐改造過程中，選擇1臺背壓式汽輪機代替減溫減壓裝置，、435℃。蒸汽在汽輪機內絕熱膨脹后排出。① 蒸汽理想比焓降 （11）式中，——蒸汽理想比焓降，kJ/kg；——汽輪機進汽比焓，；——汽輪機排汽比焓。② 蒸汽有效比焓降 （12）式中，——一次蒸汽的有效比焓將，kJ/kg；——汽輪機相對內效率。由式（11）、（12）計算可得，蒸汽有效比焓降=。③ 汽輪機實際排汽比焓 （13）式中，——汽輪機實際排汽比焓，kJ/kg。由式（13）計算得到，汽輪機實際排汽比焓=，℃（此溫度高于工藝設備要求的溫度，可增減減溫裝置進行減溫）。④ 汽輪機組輸出的電功率 （14）式中，——汽輪機組輸出的電功率，kW；——機械效率，；——發(fā)電機效率。由式（14）計算可得，汽輪機組輸出的電功率=。⑤ 年經濟效益汽輪機組年運行時間為6000 h/a，10kWh/a。(kWh)計算，104元/a，改造工程造價約900104元。結論分析（1）蒸汽的減溫減壓雖為絕熱過程，減溫減壓前、后總熱量不變，但減溫減壓后蒸汽火用損失很大，造成蒸汽品質下降。合理使用蒸汽不但應著眼于蒸汽熱量的利用，更應注重蒸汽火用的充分利用。高品質蒸汽先用于發(fā)電，再用于工藝生產，是提高蒸汽能量利用率的有效途徑。（2）對于該廠煉鐵部1號鍋爐房采用減溫減壓裝置制取二次蒸汽。（3）在該廠煉鐵部1號鍋爐房改造工程中，采用背壓式汽輪機代替減溫減壓裝置進行余壓發(fā)電，10 kWh/a，104元/a。綜上所述，綜合運用熱力學第一定律分析法和熱力學第二定律分析法對工業(yè)企業(yè)的用能情況進行分析，才能找出企業(yè)用能的主要問題，并從中尋找解決的辦法，確定最為合理的用能方案，減少能量在“量”的方面和“質”的方面的損失，提高能量的利用率，利用能源創(chuàng)造更大的經濟效益。第三節(jié) 節(jié)能的基本概念一、當量單位和等價單位不同的能源的實物量是不能直接進行比較的。由于各種能源都有一種共同的屬性，即含有能量，且在一定條件下都可以轉化為熱。為了便于對各種能源進行計算、對比和分析，我們可以首先選定某種統(tǒng)一的標準燃料作為計算依據(jù)，然后用各種能源實際含熱值與標準燃料熱值相比，即能源折算系數(shù)，計算出各種能源折算成標準燃料的數(shù)量。所選標準燃料的計量單位即為當量單位。低位熱值與高位熱值燃料燃燒會釋放出一定數(shù)量的熱量，單位質量(指固體或液體)或單位體積(指氣體)的燃料完全