第二章 能源的转换与利用
第一节 能量转换的基本原理
1 概述
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方式，因此一切物质
都有能量。
2 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。”
热力学第一定律：能量守恒
系统的内能=系统吸收的热量+对系统做功
3 热力学第一定律
任何处于平衡态的热力学系统都有一个状态参数 U（内能）。系统从一个平衡态变化到
另一个平衡态时，内能等于系统吸收的热量和系统对外做功之和。
4 能量贬值原理
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为自发过程，反之为非自发过程。自发过程
都有一定的方向。
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。
水总是从高处向低处流动
气体总是从高压向低压膨胀
热量总是从高温物体向低温物体传递
热量传递有方向性
4 热力学第二定律的克劳修斯说法
不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其他变化。
为了将热量从冷态输送到热态，您需要一个装置，例如热泵或冰箱，持续做功。
5 热力学第二定律的开尔文 – 普朗克说法
不可能从单一热源吸取热量使之完全转变成功而不产生其他影响。
热力学第二定律的实质就是能量贬值原理。
热力学第二定律深刻地指明了能量转换过程的方向、条件及限度。
6 能量转换的效率
根据能量贬值原理，不是每一种能量都可以连续地、完全地转换为任何一种其他形
式的能量。
各种不同形式的能量，按其转换能力可分为三大类：
（1）无限转换能（全部转换能），如电能、机械能、水能、风能、燃料储存的化学能等；
（2）有限转换能（部分转换能），如热能、流动体系的总能 ；
（3）非转换能（废能）。
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的效率都不可能达到 100%。
7 火电站的能量转换效率是多少？
Overall efficiency: 88% ×46% × 98% = 40%
第二节 化学能转换为热能
1 概述
燃料燃烧是化学能转换为热能的最主要方式。
能在空气中燃烧的物质称为可燃物，但不能把所有的可燃物都称作燃料（如米和沙
糖之类的食品）。
所谓燃料，就是能在空气中容易燃烧并释放出大量热能的气体、液体或固体物质，
是能在经济上值得利用其发热量的物质的总称。
燃料通常按形态分为固体燃料、液体燃料和气体燃料。
天然的固体燃料有煤炭和木材；人工的固体燃料有焦炭、型煤、木炭等。其中煤炭
应用最为普遍，是我国最基本的能源。
天然的液体燃料有石油（原油）；人工的液体燃料有汽油、煤油、柴油、重油等。
天然的气体燃料有天然气，人工的气体燃料则有焦炉煤气、高炉煤气、水煤气和液
化石油气等。
Mechanical
energy
In turbine
Chemical
energy
In coal
Thermal
energy
in steam
electricity
combustion
88%
Steam
turbine
88%
46%
98%
2 燃料燃烧必须具备的条件
必须有可能燃烧的可燃物（燃料）；
必须有使可燃物着火的能量（或称热源），即使可燃物的温度达到着火温度以上；
必须供给足够的氧气或空气（因为空气中也含有助燃的氧气）。
通过燃料燃烧将化学能转换为热能的装置称为燃烧设备
3 不同燃料的燃烧特点
煤的燃烧
油的燃烧
气体燃料的燃烧
4 煤的燃烧
煤的燃烧基本上有两种：第一种是煤粉悬浮在空间燃烧，称为室燃或粉状燃烧；第
二种就是煤块在炉排上燃烧，称为层燃或层状燃烧。
5 煤的燃烧技术
目前煤的燃烧方式主要是煤粉燃烧和流化床燃烧。我国大型锅炉和工业窑炉大多采
用煤粉燃烧。
为了提高煤炭燃烧的效率和减少污染，发展了许多先进的燃烧技术，如煤粉燃烧稳
定技术，包括各种新型的燃烧器，煤粉低氮氧化物燃烧技术，高浓度煤粉燃烧技术，
流化床燃烧技术等。
6 油的燃烧
油的燃烧方法有内燃和外燃两种方式。
所谓内燃，是在发动机气缸内部极为有限的空间进行高压燃烧，是一种瞬间的燃烧
过程。
所谓外燃，就是不在机器内部燃烧，而在燃烧室内燃烧，并直接利用燃烧发出的热
量，如锅炉、窑炉内进行的燃烧。
油燃烧的全过程包含着传热过程、物质扩散过程和化学反应过程。
7 油的燃烧技术
油是最常用的液体燃料。
油的燃烧实际上包含了油加热蒸发、油蒸气和助燃空气的混合以及着火燃烧三个过
程。
为了实现油的高效低污染燃烧，应从以下来两方面着手：
（1） 提高燃油的雾化质量；
（2） 实现良好的配风 。
8 气体燃料的燃烧
气体燃料的燃烧可以分为容器内燃烧和燃烧器燃烧，它们和油的两种燃烧方式相近。
气体燃料的燃烧过程包括三个阶段，即混合、着火和正常燃烧。
9 气体燃料的燃烧技术
气体燃料燃烧的效率主要取决于气体燃料燃烧器。对气体燃烧器的基本要求是：
不完全燃烧损失小，燃烧效率高；
燃烧速率高，燃烧强烈，燃烧热负荷高；
着火容易，火焰稳定性好，既不回火，又不脱火；
燃烧产物有害物质少，对大气污染小；
操作方便，调节灵活，寿命长，能充分利用炉膛空间。
常用的气体燃烧器有扩散式燃烧器；另一种是预混式燃烧器；此外还有一种部分预
混式燃烧器
第三节 热能转换为机械能电能
1 概述
将热能转换为机械能是目前获得机械能的最主要的方式。
热能转换成机械能的装置称为热机。因为热机能为各种机械提供动力，故通常又将
其称为动力机械。
应用最广泛的热机有内燃机、蒸汽轮机、燃气轮机等。
2 蒸汽轮机
蒸汽轮机，简称汽轮机，是将蒸汽的热能转换为机械功的热机。
汽轮机单机功率大、效率高、运行平稳，在现代火力发电厂和核电站中都用它驱动
发电机。汽轮发电机组所发的电量占总发电量的 80%以上。
此外汽轮机还用来驱动大型鼓风机、水泵和气体压缩机，也用作舰船的动力。
汽轮机发电过程
3 燃气轮机
燃汽轮机和蒸汽轮机最大的不同是，它不是以水蒸气作工质而是以气体作工质。燃
料燃烧时所产生的高温气体直接推动燃汽轮机的叶轮对外做功，因此以燃汽轮机作
为热机的火力发电厂不需要锅炉。
它包括三个主要部件：压气机、燃烧室和燃气轮机。
燃烧器燃烧
容器内燃烧
气体燃料的燃烧
外燃
内燃
油的燃烧
层燃（层状燃烧）
室燃（粉状燃烧）
煤的燃烧
燃烧方式
轴流式燃气轮机
燃气轮机具有以下优点：
(1) 质量轻、体积小、投资省。
(2) 起动快、操作方便。
(3) 水、电、润滑油消耗少，只需少量的冷却水或不用水，因此可以在缺水的地区运行；
辅助设备用电少，润滑油消耗少，通常只占燃料费的 1%左右，而汽轮机要占 6%左右。
4 内燃机
内燃机包括汽油机和柴油机，是应用最广泛的热机。
大多数内燃机是往复式，有气缸和活塞。内燃机有很多分类方法，但常用的是根据
点火顺序分类或根据气缸排列方式分类。按点火或着火顺序可将内燃机分成四冲程
发动机和二冲程发动机。
5 四冲程发动机完成一个循环要求有四个完全的活塞冲程：
(1) 进气冲程；
(2) 压缩冲程；
(3) 膨胀冲程（即下行冲程）；
(4) 排气冲程。
四冲程发动机和二冲程发动机相比，经济性好，滑润条件好，易于冷却；但二冲程
发动机运动部件少，质量轻，发动机运动较平稳。
6 火力发电厂
发电机
(1) 将蒸汽轮机或燃气轮机的机械能转换成电能是通过同步发电机。
(2) 同步发电机由定子（铁心和绕组）、转子（钢心和绕组）、机座等组成。
7 火力发电厂的热力系统
火力发电厂有两种类型：只承担电能生产任务的凝汽式电厂和既能生产电能又提供
热能的热电厂。
从能源利用的角度讲，热电联产是公认的节能手段。
第四节 能量的传输
概述
能量的传输实质上是能量在空间的转移过程。
广义上的能量传输通常有两种含义：一种含义是指能量本身的传递，即能量从某一
处传至另一处。另一种含义是指能源的输运，即含能体如煤、石油、天然气等从生
产地向用能处输送。
热电联产系统
热电分产系统
8 能源输送是能源利用中的一个重要环节。
能源输送方式很多，通常有铁路、水路、公路、管道、输电线路等多种方式。不同
的输送方式有不同的特点和适用范围。
受资源分布、能源消费多寡、交通运输格局等诸多因素的影响，能源输送工作是一
项十分复杂的系统工程。
9 电能的输送
电能的特点是发电、传输、用电都是同时发生。
采用大机组发电，建设大电网，提高输电电压成为电力工业发展的趋势。
1. 电力产生；2. 通过升压变电站电压升高；3. 电能传送；
4. 通过降压变电所降低电压；5.分配电力；6.到达需要电力的地点
电能的输送
10 我国电能输送存在的问题
电压等级偏低，电压层次过多，造成重复容量多，线路长、线损高，事故多，调度
不灵。
输电方式单一，缺乏超高压直流输电。
电网容量小，联网发展缓慢，影响了电网整体效益的发挥。
变配电设备陈旧老化，难以适应电力输送发展的需要。
11 煤炭的铁路运输
我国煤炭输送主要是以山西、陕西和内蒙西部（所谓“三西”）为中心向全国缺煤省
市输送。
12 煤炭的水路运输
海运是北煤南运的主通道，华北煤炭供应华东和华南地区，海运约占 55%，铁路直
达运输约占 43%。
除了海运外，长江和大运河北段也是煤炭的主要水运通道。
13 煤炭的公路运输
公路主要承担短距离的煤炭运输，特别是乡镇煤矿生产规模小，布点分散，大量煤
炭靠汽车集运到铁路车站。由于铁路运力不足，公路运输作为辅助运输手段，对煤
炭的运输也起到了重要作用。
14 石油和天然气的运输
我国原油产地主要在长江以北，其中大庆、胜利和辽河油田的原油产量约占全国的
60%，而对炼油能力而言，辽宁、吉林、黑龙江约占 30%，京、津、冀占 11%，山
东占 8%，苏、浙、沪占 19%，长江中游 11%，广东 9%，西北 11%，西南地区则没
有大、中型炼油厂，成品油基本上以炼油厂为中心就地供应，但也有相当数量的长
距离跨省区输送。
我国原油的输送主要是通过管道、水运和铁路，其中管道是主力。
天然气则几乎全部采用管道送输。
15 石油输送
原油输送以管道输送为主，通常陆上油田向炼油厂输送原油的方式有三种：通过管
道直接输送到炼油厂；原油经管道输送再转海运或江运至炼油厂；原油管道运输转
铁路送至炼油厂。
16 天然气的输送
天然气主要是靠管道输送，主要的天然气管网有川渝天然气管网、陕甘宁输气管道、
青海输气管道、新疆输气管道等。
最大的天然气输送工程是“西气东输”工程，它是我国西部大开发的重要组成部分之
一，其目的是把西部地区丰富的天然气资源通过长距离的输气管道送至东部长江三
角洲地区。
第五节 能量的储存
1 能量的储存
• 机械能——以动能、势能形式储存。
• 热能——以潜热、显热形式储存。
• 电能——感应场能或静电场能。
• 化学能、核能——自身即为储能形式。
2 机械能的储存
以动能形式储存
（1）飞轮
以势能形式储存
（1）弹簧、扭力杆和重力装置
（2）压缩空气储能
（3）抽水蓄能电站：纯抽水蓄能电站 ，混合式抽水蓄能电站
3 电能的储存
蓄电池
• 发展方向：廉价、高效、能大规模储能。
静电场和感应电场
（1）电容器在直流电路中广泛用作储能装置，在交流电路中则用于提高电力系统或负荷的
功率因数，调整电压；
（2）高电压技术、高能核物理、激光技术、地震勘探等方面采用的直流高压电容器；
（3）超导磁铁蓄能。
4 热能的储存
显热储存
潜热储存
化学储存
地下含水层储存
5 显热式蓄热
蓄热装置设计、运行和管理简单方便；
装置体积庞大；
热损失大。
6 潜热储存
利用蓄热材料发生相变而储热；
储能密度高，装置体积小，热损失小；
过程等温或近似等温，易与运行系统匹配。
7 化学能储存
一种高能量密度的储存方法；
利用某些物质在可逆化学反应中的吸热和放热过程来达到热能的储存和提取；
技术上困难，目前尚难实际应用。
8 地下含水层储热
含水层储冷：冬季将净化过的冷水用管井灌入含水层里储存，到夏季抽取使用，叫“冬
灌夏用”。
含水层储热：夏季将高温水或工厂余热水经净化后用管井灌入含水层里储存，到冬
季时抽取使用，叫“夏灌冬用”。
