基于一般知識,鍋爐運行介質(zhì)吸收的熱量與燃料燃燒產(chǎn)生熱量(化學(xué)能)之比即鍋爐熱效率不可能大于100%,出力越大的鍋爐熱效率越高。大型電站鍋爐熱效率可達到92%以上,但距100%還差之甚遠。
燃料化學(xué)能未被利用的部分稱為鍋爐熱損失,它包括:
排煙損失--煙氣帶走的熱量;
灰渣損失--灰渣帶走的熱量;
機械不完全燃燒損失--固體未被燃燒部分;
化學(xué)不完全燃燒損失--氣體不充分燃料部分;
散熱損失--爐體等表面散熱量。
由于上述損失不可避免,根據(jù)能量守衡原理,燃料的化學(xué)能就不可能100%的被利用。
既然鍋爐效率連100%都無法達到,又何談200%呢?
有一個單位自己搞了一套電加熱采暖系統(tǒng),其原理是利用電熱絲將電能轉(zhuǎn)成熱能進行采暖,并稱這套設(shè)備的效率是100%,是最節(jié)能的設(shè)備。實際上是這樣嗎?
我們不妨反問這樣一個問題:如果利用電直接生產(chǎn)熱能有沒有一種方法能使效率低于100%?回答是否定的。如果以采暖為目的,沒有人能夠只讓一部分電能變成熱能而讓另一部分浪費掉。這也是能量守恒原理。既然不能低于100%,那么應(yīng)該說100%就是最低的,換句話說,就是最不節(jié)能的狀態(tài),這是符合常規(guī)邏輯的。
許多讀者讀到這里感到怪異,平時100%是最高效率,如今怎么又變成最低了?任何一個初中生都知道,能量不會自行產(chǎn)生,也不會自行消滅,任何裝置的效率永遠不可能超過100%。永動機是不會被制造出來的。那么前面談到的100%效率最低,難道會有一種辦法讓它超過100%嗎?回答是肯定的。請不要驚訝!
一個空調(diào)裝置,冬天制熱的時候,并不是說,消耗1KW的電力能制出1KW的熱量。目前技術(shù)水平下,1KW電能制出了3~4KW的熱量是常見的。有許多非專業(yè)人員說這是不可能的,因此不妨看一看任何一臺空調(diào)的銘牌,便能確認(rèn),而且還可以看到制冷量是遠大于耗電量的。難道說能量守恒定律在這里是不好用不成?
并不是不好用,有這樣兩個平衡式恰恰反映了能量的守恒:
制冷時:制冷量=散熱量-耗電量
制熱時:制熱量=散冷量+耗電量
從中可以看出:無論制冷量還是制熱量不一定要小于耗電量,也并不是象有人理解的那樣。
效率=制冷量(或制熱量)/耗電量
實際上上式得出結(jié)果,叫做制冷系數(shù)或制熱系數(shù),一般遠大于1.制熱系數(shù)經(jīng)常在2~4之間。
可能有人會問,制熱系數(shù)大于1,熱量除來自電能之外,還從何而來?實際上,這些熱量來自室外。是通過讓本來就是低溫的空氣溫度變的更低而獲得的能量。以空氣作為低溫?zé)嵩吹闹茻嵫b置叫做氣源熱泵,當(dāng)然以水作為低溫?zé)嵩矗绾K?、地下水等,這樣的制熱裝置叫做水源熱泵。熱泵工作時,電能不是起到直接加熱作用,而是起到熱量的逆向搬運作用,即從溫度低的地方向溫度高的地方搬運。不管怎么說,我們完全相信,消耗一度電,可以獲得相當(dāng)幾度電的熱量。
由此自然而然地可以聯(lián)想到:鍋爐運行提供的熱量在轉(zhuǎn)變成供熱所需要的熱量時,是否一定要按1:1的比例或低于100%的效率進行轉(zhuǎn)換。傳統(tǒng)的概念和做法是否合理,有沒有可能對其進行革命?假如這種革命真的成功,技術(shù)上將是多大的突破?我們將迎來多么令人振奮,甚至說是翻天覆地的節(jié)能前景!
從理論上講,這場革命是可以獲得成功的。理論的依據(jù)就是熱力學(xué)第二定律。
我們知道熱力學(xué)第一定律就是能量守恒定律,主要強調(diào)量的平衡,而熱力學(xué)第二定律是強調(diào)能量的質(zhì)量概念。同樣數(shù)量(焓)的能量,由于質(zhì)量(溫度、壓力)的不同,其所具有的做功能力或者叫做可用能(?)也不同??茖W(xué)家已經(jīng)把?(字典上無此字,讀作yong),定義成一個狀態(tài)參數(shù)。?值越高說明能量的可用能部分比例高,即質(zhì)量越高。能量有可用能部分,自然也有不可用部分(火無,字典上也無此字,讀作wu)?;馃o的概念是環(huán)境狀態(tài)下,工質(zhì)所具有的能量。
也就是說工質(zhì)從某一狀態(tài)變化至環(huán)境狀態(tài)所釋放的能量就是其具有的可用能。顯然:
能量=?+火無
而可用能又稱做功能力,做功不同于熱交換。單純的熱交換效率最高只能是100%,而做功則不一樣,從獲得熱量的角度上講,做功所獲得的熱量一定是大于100%的。(前已有述)要做功,工質(zhì)所處的狀態(tài)必須高于環(huán)境狀態(tài),工質(zhì)的溫度越高做功能越強。通過做功使工質(zhì)的溫度降低,是對能量的有效利用,反過來說如果不做功,單純的熱交換是對做功能力的浪費,是對能量的最低效的利用形式,任何溫差下的熱交換,都意味著做功能力的損失,某種意義上講都是一種浪費。
請留意一下,目前正在運行的所有鍋爐(將被稱為傳統(tǒng)鍋爐),都是以熱傳遞的形式將高溫狀態(tài)下能量轉(zhuǎn)換成較低溫狀態(tài)下的能量,大量的做功能力在這種熱傳遞中損失掉了。燃料燃燒過程中產(chǎn)生1700℃以上的高溫是能夠?qū)崿F(xiàn)的,但水蒸汽的溫度最多不會超過700℃??梢娤逻@里有多大的傳熱溫差,多大的能源浪費,多大的節(jié)能潛力可挖!雖然說在這個溫差下設(shè)置熱機做功,由于材料科學(xué)限制等原因,在技術(shù)上存在很大的難度,但起碼我們發(fā)現(xiàn)了這個巨大的節(jié)能空間!
在這個空間下還有另一個空間可以挖掘,而且在技術(shù)上難度不大,這就是在高溫蒸汽轉(zhuǎn)變成較低溫度下的采暖用熱水過程中由于溫差的存在,產(chǎn)生了做功能力的損失,在這個溫差下設(shè)置熱機通過做功使熱量轉(zhuǎn)移,并且同時吸收低溫?zé)嵩吹哪芰浚湍軌蚴鼓芰坷寐蚀蟠蟪^100%。
目前采用噴射類換熱產(chǎn)品就是利用部分蒸汽做功能力,不僅獲得了高溫?zé)崴疫€獲得了壓力,使能量的利用率有所提高,但由于沒有從低溫?zé)嵩次諢崃浚拐羝淖龉δ芰θ杂写罅繐p失。我們相信交換站中的熱交換總有會被一種先進的熱泵裝置所代替。到那時候要獲得1kJ的熱量將不再需要消耗1kJ的熱量,可能是0.7kJ就夠用。
前面談到了兩大溫差空間造成了大量的做功能力損失,如果隨著科技的發(fā)展,有一部分損失能夠被利用起來,世界將會怎樣?簡單意義理解上鍋爐效率超過200%,不就完全可以實現(xiàn)了嗎?