能量产生、转换、储存、节能与耦联.pdf

国际电气工程先进技术译丛能量产生、转换、储存、节能与耦联美 雅萨尔.德米雷尔（Yaar Demirel）著 闫怀志 等译机 械 工 业 出 版 社本书是能源领域的综合性图书，全书按照能量平衡和热力学的内在联系这条主线，以循序渐进、图文并茂的方式，全面、系统地阐述了能量产生、转换、储存、节能与耦联的诸多方面。其中，重点介绍了能源类型、机械能和电能、内能与焓、能量平衡、能量产生、能量转换、能量储存、节能和生物系统的能量耦联等问题。全书还结合各章重点内容，给出了130 道全解例题。本书可用作能源类专业本科生、研究生课程和相关培训的教材，也可作为能源发电、动力工程、工程热物理、电力工程、可再生能源以及相关行业的工程人员、研究人员和管理人员的参考资料。Translation from English language edition：Energy：Production，Conversion，Storage，Conservation，and CouplingBy Yaar Demirel.Copyright 2012 Springer London Springer London is a part of SpringerScience+Business Media.All Rights Reserved.本书中文简体字版由机械工业出版社出版，未经出版者书面允许，本书的任何部分不得以任何方式复制或抄袭。版权所有，翻印必究。北京市版权局著作权合同登记 图字：01-2013-4244 号。图书在版编目（CIP）数据能量产生、转换、储存、节能与耦联/（美）德米雷尔（Demirel，Y.）著闫怀志等译.北京：机械工业出版社，2015.6（国际电气工程先进技术译丛）书名原文：Energy：Production，Conversion，Storage，Conservation，andCouplingISBN 978-7-111-50132-9.能.德闫.能-研究.O31中国版本图书馆 CIP 数据核字（2015）第 091939 号机械工业出版社（北京市百万庄大街 22 号 邮政编码 100037）策划编辑：顾 谦 责任编辑：顾 谦责任校对：张 征 封面设计：马精明责任印制：北京振兴源印务有限公司印刷2015 年 7 月第 1 版第 1 次印刷169mm239mm.23.5 印张.453 千字00012500 册标准书号：ISBN 978-7-111-50132-9定价：89.00 元凡购本书，如有缺页、倒页、脱页，由本社发行部调换电话服务网络服务服务咨询热线：010-88361066机工官网：读者购书热线：010-68326294机工官博： 洋译者序 毫无疑问，我们当下正处于信息时代的信息社会。信息社会是指脱离工业化社会以后，信息将起主要作用的社会，其典型特征是信息技术和信息产业在经济和社会发展中的作用日益加强。因此有人认为，只有在从事大规模物质生产的农业社会和工业社会中，物质和能量才是主要的资源 而在信息社会中，信息成为比物质和能量更为重要的资源。因此，在某种意义上，能量的作用有被逐渐弱化的趋势，进而其地位也日益遭到人们不应有的忽视。实际上，现代科学认为，物质、能量和信息作为客观世界的三个基本要素，无论是从哲学还是从系统科学的角度来看，这三者之间的关系都非常紧密。世界万事万物都处于不断的发展运动之中，而能量是物质运动转换的测度（简称“能”），用以表征物理系统做功的本领。物质的运动形式不同，能量的形式也随之不同，它们可以通过一定的方式互相转换。物质是信息的源泉，任何信息运动的过程都离不开物质的运动过程。信息又与能量密不可分，信息的获取和传递离不开能量，能量的产生与转换也离不开信息。而且，信息、物质、能量三者之间可以相互转化。信息虽然既不是物质也不是能量，但在一定条件下，信息可以转化成物质和能量。因此，从这个意义上说，能量在任何社会都是不容忽视、不可或缺的基本资源，在目前的工业 4.0 时代，也不例外。在气候变暖、环境恶化和自然资源枯竭的危机不断加剧的今天，能源相关问题的重要性，无论是对于全球还是对于我国这样的发展中大国来说都是不言而喻的。寻求环境友好、可持续发展的能源解决方案一直是科学界和工程界不懈追求的目标之一。从物理学意义上来讲，能源的能量平衡是与热力学本质上联系在一起的。讨论能量问题，自然离不开其产生、转换、储存、节能与耦联等一系列问题。然而，目前国内外就上述问题系统、全面地专门著述的图书尚不多见。由国际知名的能源工程专家、美国内布拉斯加大学林肯分校（University of NebraskaLincoln）教授 Yaar Demirel 博士撰写并由全球著名科技出版商德国施普林格（Springer）集团出版的 Energy：Production，Conversion，Storage，Conservation，and Coupling 一书，是本领域难得的一本综合性专著。本书可用作能源类专业本科生、研究生课程和相关培训的教材，也可作为能源发电、动力工程、工程热物理、电力工程、可再生能源以及相关行业的工程人员、研究人员和管理人员的参考资料。以“为中华崛起传播智慧”为使命的机械工业出版社适时引进了本书的中文版权，并邀请我担纲本书主译，作为同样以传播知识为使命的科教工作者，我很愉快地接受了邀请。我们有理由相信，本书中译本的出版，必将有力地推动我国能源相关领域的教学和科研水平的提升。本书以能量平衡和热力学的内在联系为主线，采用循序渐进、图文并茂的方式，分 10 章全面、系统地阐述了在重要的物理、化学和生物过程中的能量产生、转换、储存、节能和耦联等诸多问题。全书首先介绍了能量的基本术语、性质、形式、来源和平衡等若干基本概念，随后逐章重点阐述了能源类型、机械能和电能、内能与焓、能量平衡、能量产生、能量转换、能量储存、节能和生物系统中的能量耦联等问题。全书每章都包含一系列支撑数据和热力学图表，并提供了130 道全解例题和 642 道习题。最后还在附录部分提供了包括蒸汽表在内的所有必要的数据，方便读者使用。需要说明的是，为了便于读者查询数据，原书附录全部以电子版形式放在机械工业出版社官网 上，搜索本书，在本书页面中单击“相关下载”即可下载，书中则不再出现附录。本书由闫怀志担任主译，在翻译过程中，牟启希、卢道英、闫振民、黄凯、顾帆、姚峰、成亮、赵茂祥、郝鹏飞、王冬、王维、李娟、宋杰、张小坤、杜智聪、高能、冯金生、秦暕和夏映辉等人分别参与了资料调研、图表绘制、文字校对和名词审核等部分工作，在此一并致谢！在本书的选题策划和编辑出版过程中，本人得到了机械工业出版社顾谦编辑的充分信任、大力支持和热情帮助，他的敬业态度和专业水准给译者留下了深刻印象。最后，本人要衷心感谢父母给予我的无限包容和作出的无私奉献，感谢小女给予我的热切期盼和带给我的无尽慰藉，感谢朋友们给予我的热情鼓励和真诚帮助。有了他们的理解和支持，本人才能以平和的内心，心无旁骛地做好自己想做的事。由于本书内容丰富，涉及专业领域众多，加之时间仓促和水平所限，翻译难免有不妥之处，还请广大读者批评指正。闫怀志bityhz001 2015 年初春于北京中关村能量产生、转换、储存、节能与耦联原 书 前 言 本书是旨在满足能源领域综合性需求的首次尝试。能源及其对日常生活影响的重要性不容置否，因此现在很多教育机构都会开设能源方面的主修或者辅修课程。本书是为背景各异而且有兴趣学习更多的能源知识并攻读该方向学位的学生准备的。虽然，本书是通过能量平衡与热力学自然地联系在一起的，但它涵盖了涉及速率和传输过程的系统中有关能源的许多问题。本书以由浅入深的方式循序渐进地分章介绍了有关能源的五大方面，主要内容涉及能量产生、转换、储存、节能与耦联等方面。在讨论这些内容之前，本书首先在第 1 章给出了绪论和基本概念 在第 2 章讨论了一次能源和二次能源类型 第 3 章论述了机械能和电能 第 4 章讨论了内能、焓、反应热、传热 而第5 章则讨论了能量平衡 第 6 章论述了主要是通过循环过程的能量生产 第 7 章以热效率为重点讨论了能量转换问题 第 8 章讨论了包括通过显热、潜热实现储热在内的储能技术 第 9 章论述了节能 第 10 章则是简述了生物系统中的能量耦联问题。全书各章共给出了 130 道全解例题，各章后总共列出了 642 道习题。这些例题和习题为读者提供了一个深入了解能量概念和各方面知识的机会。我要感谢帮助我准备、撰写以及改进本书的所有人。我要特别感谢 BradHailey 和 Nghi Nguyen 在准备图表、检查问题以及反复审读文字方面给我的帮助。显而易见，本书将会得益于学生和同事的建议而使得重印本不断成熟与完善。我特别期盼本书的使用者与我联系，为未来可能的再版提供宝贵的修订建议和意见。林肯，内布拉斯加州Yaar Demirelydemirel2 unl.edu缩略语 ATP 三磷酸腺苷ADP 二磷酸腺苷ASHRAE 美国供暖、制冷和空调工程师协会AUFE 年度燃料利用效率CAES 压缩空气储能COP 性能系数DOE 美国能源部EER 能量效率比EIA 能量信息管理EPA 美国环境保护署ETB 工程工具箱HP 热泵HVAC 暖通空调NREL 美国国家可再生能源实验室PCM 相变材料SEER 季节性能量效率比目录译者序原书前言缩略语第 1 章 绪论：基本定义1 1.1 系统1 1.2 物理性质与变量2 1.3 量纲与单位2 1.4 数量与分数的度量4 1.5 力5 1.6 温度6 1.7 压强7 1.8 体积10 1.9 状态12 1.9.1 热力学平衡状态12 1.9.2 理想气体状态方程12 1.9.3 饱和液态与饱和汽态13 1.9.4 蒸汽表13 1.9.5 饱和液-汽混合物16 1.9.6 分压强与饱和压强17 1.10 过程18 习题19 参考文献24第 2 章 能量与能源类型25 2.1 能量25 2.2 能源类型26 2.2.1 一次能源26 2.2.2 二次能源28 2.3 不可再生能源28 2.3.1 煤28 2.3.2 石油（原油）29 2.3.3 石油馏分30 2.3.4 天然气32 2.3.5 核能33 2.4 燃料的热值34 2.4.1 能量密度36 2.5 可再生能源40 2.5.1 水能41 2.5.2 太阳能42 2.5.3 生物质与生物质能44 2.5.4 风能51 2.5.5 地热能52 2.5.6 海洋能53 2.5.7 可再生能源贡献的预测53 2.6 氢53 2.7 电能54 2.8 磁能56 2.9 化学能56 2.10 能量与全球变暖57 2.11 应对全球变暖问题59 习题61 参考文献64第 3 章 机械能与电能66 3.1 机械能66 3.2 动能66 3.3 势能68 3.4 压力能69 3.4.1 压头70 3.5 表面能72 3.6 声能72 3.7 机械功72 3.7.1 功率73 3.7.2 边界功74 3.7.3 等熵过程功76 3.7.4 多变过程功77 3.7.5 轴功78 3.7.6 弹簧功79 3.8 电能80能量产生、转换、储存、节能与耦联 3.8.1 电势能80 3.8.2 电能的估算81 3.8.3 电功率81 3.8.4 电容82 3.9 其他形式的功83 习题83 参考文献88第 4 章 内能与焓89 4.1 内能89 4.2 焓91 4.3 热量95 4.3.1 显热96 4.3.2 潜热97 4.3.3 发生相变的加热过程98 4.3.4 反应热101 4.3.5 标准燃烧热104 4.4 温度对反应热的影响105 4.5 标准焓变107 4.6 绝热火焰温度108 4.7 来自燃烧过程的空气污染109 4.8 混合热110 4.9 使用量热计进行热量测量111 4.10 焓湿图113 4.11 热传递115 4.12 熵118 4.13 火用119 4.14 流体流动功120 习题121 参考文献128第 5 章 能量平衡1