長(zhǎng)春工程學(xué)院能源與節(jié)能技術(shù)論文題目：熱力學(xué)第一定理第二定理在節(jié)能技術(shù)上的應(yīng)用專業(yè)：過(guò)程武器與控制工程班級(jí)；12級(jí)03學(xué)號(hào)：姓名：****民經(jīng)濟(jì)的命脈，與人民生活和人類的生存環(huán)境休戚相關(guān)，在社會(huì)可持續(xù)發(fā)展中起著舉足輕重的作用。并且目前能源緊缺，資源借助率低是一個(gè)很大的問(wèn)題。為解決能源緊缺問(wèn)題，目前正同時(shí)從兩條途徑著手：一、開(kāi)發(fā)新能源；二、開(kāi)展節(jié)能的研究。其實(shí)，從能否早日的收到實(shí)效的角度出發(fā)，舉辦節(jié)能研究更具有現(xiàn)實(shí)意義。節(jié)能研究主要包含兩方面的內(nèi)容：一、如何提升現(xiàn)有的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和裝置（包括各種類型的熱機(jī)、熱交換器、泵及風(fēng)機(jī)等）的效率，以最大限度地發(fā)揮其潛在能力；二、研究借助常規(guī)能源（如煤、石油、天然氣）的新的能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（如煤氣輪機(jī)—蒸汽輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)裝置，磁流體發(fā)電設(shè)備—常規(guī)火電站聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，供采暖的新型熱泵系統(tǒng)等）。研究能量屬性及其轉(zhuǎn)換規(guī)律的科學(xué)是熱力學(xué)。從熱力學(xué)的角度看，能量是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的測(cè)度，運(yùn)動(dòng)是物質(zhì)的存在的方式，因而一切物質(zhì)都有能量。熱力學(xué)能廣義上講包括分子熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的內(nèi)動(dòng)能、分子間互相作用所產(chǎn)生的內(nèi)位能、維持一定分子結(jié)構(gòu)的物理能和原子核內(nèi)部的核能。熱化學(xué)工作者在節(jié)能中的主要任務(wù)似乎不是設(shè)法降低通常概念的熱能的損失，而是必須從熱力學(xué)第一定理和第二定理出發(fā)，使能量的可用度得到最充分的借助。
就熱力學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)說(shuō)，“所費(fèi)少于所當(dāng)費(fèi)，或所得多于所可得，都是浪費(fèi)”。能量的可用度的損失，和各類過(guò)程的不可逆性直接有關(guān)。為此，節(jié)能的首要任務(wù)在于“和不可逆性做斗爭(zhēng)”。為評(píng)價(jià)能量轉(zhuǎn)換裝置的工作性能，目前都采用傳統(tǒng)的基于熱力學(xué)第一定理的效率概念。近些年來(lái)，因?yàn)槟茉催^(guò)剩愈發(fā)嚴(yán)重及人們逐漸認(rèn)識(shí)到節(jié)能工作在解決能源問(wèn)題中的重大意義，以熱力學(xué)第二定理為基礎(chǔ)的效率概念導(dǎo)致了廣泛的注重。我國(guó)正在大力舉辦節(jié)能工作，并取得了很大的成績(jī)。借助熱力學(xué)第一定理即能量守恒與轉(zhuǎn)換定理和熱力學(xué)第二定理即能量貶值定律，并將此應(yīng)用到節(jié)能工作上，將為節(jié)能工作帶來(lái)更大的進(jìn)步與發(fā)展。一、熱力學(xué)第一定理和第二定理總所周知，能量在量方面的變化，遵守自然界最普遍、最基本的規(guī)律，即能量守恒與轉(zhuǎn)換定理。能量守恒和轉(zhuǎn)換定理強(qiáng)調(diào)：“自然界的一切物質(zhì)都具有能量；能量既不能創(chuàng)造，也不能剿滅，而只能從一種方式轉(zhuǎn)換成另一種方式，從一個(gè)物體傳遞到另一個(gè)物體；在能量轉(zhuǎn)換與傳遞過(guò)程中能量的總數(shù)恒定不變。”熱能是自然界廣泛存在的一種能量，其他方式的能量（如機(jī)械能、電能、化學(xué)能）都很容易轉(zhuǎn)換成熱能。熱能與其他方式能量之間的轉(zhuǎn)換也必然遵守能量守恒和轉(zhuǎn)換定理——熱力學(xué)第一定理。
熱力學(xué)第一定理強(qiáng)調(diào)：熱能作為能量，可以與其他方式的能量互相轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換過(guò)程中能量總數(shù)保持不變。能量除了有量的多少，還有質(zhì)的高低。熱力學(xué)第一定理只說(shuō)明了能量在量上要守恒，并沒(méi)有說(shuō)明能量在“質(zhì)”方面的高低。另一方面熱力學(xué)第一定理只告訴我們某一個(gè)變化過(guò)程中的能量關(guān)系，并沒(méi)有告訴我們這個(gè)變化過(guò)程進(jìn)行的方向。自然界進(jìn)行的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程是有方向性的，不須要外界幫助能夠手動(dòng)進(jìn)行的過(guò)程稱之為自發(fā)過(guò)程，反之為非自發(fā)過(guò)程。自發(fā)過(guò)程都有一定的方向，若要使自發(fā)過(guò)程反向進(jìn)行并回到初始狀態(tài)，則須要耗費(fèi)代價(jià)，所以自發(fā)過(guò)程都是不可逆過(guò)程。如同熱力學(xué)第一定理一樣，熱力學(xué)第二定理也是常年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。熱力學(xué)第二定理的實(shí)質(zhì)是能量貶值原理。它強(qiáng)調(diào)，能量轉(zhuǎn)換過(guò)程總是朝著能量貶值的方向進(jìn)行。能量傳遞過(guò)程也總是自發(fā)地朝著能量品質(zhì)下滑的方向進(jìn)行。熱力學(xué)第二定理深刻地指明了能量轉(zhuǎn)換過(guò)程以及能量傳遞過(guò)程的方向、條件及限度。二、節(jié)能概述能源是國(guó)家的基礎(chǔ)工業(yè)，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，是增強(qiáng)和改善人民生活的必要條件。它的開(kāi)發(fā)和借助是評(píng)判一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志。節(jié)能，從能源的角度顧名思義就是節(jié)省能源消費(fèi)，即從能源生產(chǎn)開(kāi)始，仍然到最終消費(fèi)為止，在開(kāi)采、運(yùn)輸、加工、轉(zhuǎn)換、使用等各個(gè)環(huán)節(jié)上都要降低損失和浪費(fèi)，增強(qiáng)其有效借助程度。
節(jié)能，從經(jīng)濟(jì)的角度則是指通過(guò)合理借助、科學(xué)管理、技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)合理化等途徑，以最少的煤耗取得最大的經(jīng)濟(jì)效益。我國(guó)是最大的發(fā)展中國(guó)家，節(jié)能對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展更有著特殊的意義，主要表現(xiàn)在：（1）節(jié)能是實(shí)現(xiàn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)、高效發(fā)展的保證；（2）節(jié)能是調(diào)整消耗功供給低溫?zé)嵩吹臒峁嵯禂?shù)國(guó)民經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、提高經(jīng)濟(jì)效益的重要途徑；（3）節(jié)能將減輕我國(guó)運(yùn)輸?shù)膲毫Γ唬?）節(jié)能將有利于我國(guó)的環(huán)境保護(hù)。三、熱力學(xué)第一定理效率和第二定理效率在能量借助中熱效率和經(jīng)濟(jì)性是極其重要的兩個(gè)指標(biāo)。因?yàn)榇嬖谥纳⒆饔谩⒉豢赡孢^(guò)程以及可用能損失，在能量轉(zhuǎn)換和傳遞過(guò)程中，各類熱力循環(huán)、熱力設(shè)備和能量借助裝置，其效率都不可能是100%的。依據(jù)熱力學(xué)原理，對(duì)于一切熱工設(shè)備有：如對(duì)熱設(shè)備有對(duì)動(dòng)力循環(huán)對(duì)理想的卡諾循環(huán)為低溫?zé)嵩吹臐穸取?duì)制熱循環(huán)對(duì)理想的逆向卡諾制熱循環(huán)分別為低溫?zé)嵩矗ㄈ绱髿猓⒌蜏責(zé)嵩矗ㄈ缋鋷?kù)）的氣溫。對(duì)供水循環(huán)耗費(fèi)的代價(jià)獲得的利潤(rùn)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)供給熱有效借助熱熱效率供給熱輸出功熱效率從高溫?zé)嵩础俺椤弊叩闹茻嵯禂?shù)分別為低溫?zé)嵩矗ㄈ鐪囟龋┖透邷責(zé)嵩矗ㄈ绱髿猓┑臍鉁亍Ｒ陨稀⒉粌H強(qiáng)調(diào)了在同樣氣溫范圍內(nèi)實(shí)際的動(dòng)力循環(huán)、制冷循環(huán)和暖氣循環(huán)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的極限值，同時(shí)也指明了提升其經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的途徑。
四.第一定理和第二定理在節(jié)能上的應(yīng)用舉例1．熱泵節(jié)能與應(yīng)用熱泵是一種將高溫?zé)嵩吹臒崮苻D(zhuǎn)移到低溫?zé)嵩吹难b置。一般用于熱泵裝置的高溫?zé)嵩词俏覀冎車慕橘|(zhì)——空氣、河水、海水，或則是從工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備中排出工質(zhì)，這種工質(zhì)常與周圍介質(zhì)具有相接近的體溫。熱泵裝置的工作原理與壓縮式制熱機(jī)是一致的；在大型空調(diào)器中，為了充分發(fā)揮它的效能，在夏天空調(diào)降溫或夏季烤火，都是使用同一套設(shè)備來(lái)完成的。在夏季烤火時(shí)，將空調(diào)器中的蒸發(fā)器與冷凝器通過(guò)一個(gè)換向閥來(lái)調(diào)換工作。在夏天空調(diào)降溫時(shí)，按制熱工況運(yùn)行，由壓縮機(jī)排出的高壓蒸氣，經(jīng)換向閥步入冷凝器，制熱劑蒸氣被凝結(jié)成液體，經(jīng)節(jié)流裝置步入蒸發(fā)器，并在蒸發(fā)器中放熱，將室外空氣冷卻，蒸發(fā)后的制熱劑蒸氣，經(jīng)換向閥后被壓縮機(jī)吸入，這樣周而復(fù)始，實(shí)現(xiàn)制熱循環(huán)。在夏季烤火時(shí)，先將換向閥轉(zhuǎn)向熱泵工作位置，于是由壓縮機(jī)排出的高壓制熱蒸氣，經(jīng)換向閥后流入室外蒸發(fā)器（作冷凝器用），制熱劑蒸氣冷凝時(shí)放出的熱容，將室外空氣加熱，達(dá)到室外烤火目的。2．基于熱力學(xué)第二定理的降耗CO的燃煤發(fā)電技術(shù)溫室二氧化碳的排放給全球氣候帶來(lái)了巨大災(zāi)難，而燃煤發(fā)電所導(dǎo)致的CO排放量巨大，因而能量守恒定律與能源，對(duì)燃煤發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行CO降耗刻不容緩。
首先對(duì)一國(guó)外典型的600MW燃煤機(jī)組的傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)、燃燒后捕集整修系統(tǒng)、氧/燃料燃燒整修系統(tǒng)進(jìn)行了模擬仿真估算。在研究估算中發(fā)覺(jué)CO壓縮系統(tǒng)消耗的能量?jī)H次于再沸器熱耗和空分系統(tǒng)，其壓縮過(guò)程中每一級(jí)壓縮二氧化碳的體溫可達(dá)120CO的燃煤發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行詳盡的火用剖析估算和比較。研究結(jié)果表明，燃燒后CO捕集整合系統(tǒng)的火用效率為35.59%，氧/燃料燃燒系統(tǒng)的火用效率為37.75%，相較傳統(tǒng)燃煤發(fā)電系統(tǒng)均有大幅度增長(zhǎng)。爐窯設(shè)備在燃燒后捕集系統(tǒng)與傳統(tǒng)燃煤系統(tǒng)中，均為火用損失最大的設(shè)備，這是因?yàn)槿紵蛡髻|(zhì)的不可逆導(dǎo)致的。之后運(yùn)用矩陣模式的熱經(jīng)濟(jì)學(xué)方式對(duì)傳統(tǒng)燃煤發(fā)電系統(tǒng)、燃燒后捕集整修系統(tǒng)、氧/燃料燃燒整修系統(tǒng)進(jìn)行熱經(jīng)濟(jì)性剖析，剖析其發(fā)電成本的產(chǎn)生過(guò)程和系統(tǒng)中各個(gè)子系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性好壞。研究結(jié)果表明，傳統(tǒng)燃煤發(fā)電系統(tǒng)為0.28￥/KWh，氧/燃燒后捕集整修系統(tǒng)為0.53￥/KWh，氧燃料燃燒整修系統(tǒng)為0.40￥/KWh，矩陣模式熱經(jīng)濟(jì)學(xué)對(duì)降耗CO的燃煤發(fā)電系統(tǒng)有良好的適應(yīng)性，才能科學(xué)合理的對(duì)其進(jìn)行成本核算。最后基于夾點(diǎn)剖析技術(shù)對(duì)燃燒后捕集整修系統(tǒng)、氧/燃料燃燒整修系統(tǒng)與CO多級(jí)壓縮系統(tǒng)進(jìn)行了熱能剖析與整合，提出了合理的換熱網(wǎng)路設(shè)計(jì)，達(dá)到了熱能回收減少系統(tǒng)煤耗的目的。
通過(guò)對(duì)燃燒后捕集發(fā)電系統(tǒng)的夾點(diǎn)優(yōu)化整修，節(jié)省了42.55%的加熱工程熱量和70.15%的冷卻工程藥量。通過(guò)對(duì)氧/燃料燃燒發(fā)電系統(tǒng)的夾點(diǎn)優(yōu)化整修，節(jié)省了約58.15%外加熱公用工程和88.93%的外加冷卻公用工程量。優(yōu)化設(shè)計(jì)以后的CO多級(jí)壓縮與CCS發(fā)電系統(tǒng)的整合系統(tǒng)，間接增加發(fā)電量約為10.8MW左右，提升系統(tǒng)發(fā)電效率約為0.78%。節(jié)能，從能源的角度顧名思義就是節(jié)省能源消費(fèi)；從經(jīng)濟(jì)的角度則是指通過(guò)合理借助、科學(xué)管理、技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)合理化等途徑，以最少的煤耗取得最大的經(jīng)濟(jì)效益。其實(shí)節(jié)能時(shí)必須考慮環(huán)境和社會(huì)的接受能力，即節(jié)能“是指強(qiáng)化用能管理，采取技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理以及環(huán)境和社會(huì)可以承受的舉措，降低能源生產(chǎn)到消費(fèi)各個(gè)環(huán)節(jié)中的損失和浪費(fèi)，愈發(fā)有效、合理地借助能源”。同時(shí)我們?cè)诠?jié)能中要學(xué)會(huì)借助熱力學(xué)第一定理和第二定理能量守恒定律與能源，運(yùn)用科學(xué)理論知識(shí)以達(dá)到科學(xué)節(jié)能的目的。