热能与动力机械基础复习题.docx

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热能与动力机械基础复习题

热能与动力机械基础

循环经济——是由“资源—产品—再生资源”所构成的物质反复流动的经济发展模式。

它要求在经济活动中以“3R原则”作为行为准则：

（1）减量化（Reduce）原则。

用较少的原料和能源投入来达到既定的生产或消费的目的。

（2）再使用（Reuse）原则。

产品和包装容器能以初始的形式被反复使用。

（3）再循环（Recycle）原则。

生产出来的物品在完成其使用功能后能重新变成可以利用的资源，而不是不可恢复的垃圾。

循环经济的特征——低开采、高利用、低排放，它是一种与环境和谐相处的经济发展模式。

通过循环经济，使资源的使用减量化、产品能反复使用和废弃物资源化，从而实现“最佳生产、最适消费、最少废弃”。

1．单位GDP（国内生产总值）能耗

是指某一年或某一个时期，实现单位国民经济产值所平均消耗的能源数量。

单位GDP能耗即单位产值能耗，属于宏观经济领域的指标，其表达式为

r﹦E/M

式中，E—能源消耗量（指标准煤）；M—同期国民经济生产总值。

单位为吨标准煤/万元。

2．单位产品能耗

是指每单位产品产量所消耗的能量，属于微观经济领域的指标。

它又分为单耗和综合能耗两种，可用一个式子来表达

C﹦Ep/A

式中，A为产品产量；Ep为产品能耗。

当Ep是指某种能的消耗量时，C为单耗，如生产1kWh电的煤耗；

如果Ep是指生某种产品过程中所消耗的各种一次能源、二次能源的总消耗量，则C为综合能耗。

3．能源利用效率

它为被有效利用的能量（或获得的能量）与消耗的能量（或投入的能量）之比。

它被用来考察用能的完善程度，其定义式为

η﹦Ee/Ec

η—为能源利用效率；Ee—有效利用的能量；

Ec—消耗的能量。

（火用）效率

我们可以广义地定义（火用）损失。

对于某一个系统或设备，投入或耗费的（火用）Exi与被利用或收益的（火用）Exg之差，即为该系统或设备的（火用）损失ExL，可表示为

ExL=Exi﹣Exg而被有效利用（或收益）的（火用）与投入（或耗费）的（火用）之比，则为该系统或设备的（火用）效率ηex，也称为有效能效率

环境污染的防治

1）改善动力机械和热能利用的各种设备的结构，并研制新型高效装置。

2）采用高效、低污染的新型动力循环。

如煤气化燃气一蒸汽联合循环。

3）采用代用燃料与代用工质，并禁用某些工质。

如以天然气代替煤气。

4）开发利用新能源和可再生能源。

如太阳能、风能、生物质能等。

5）研制性能优良的技术部件。

如新型的燃烧器、高效的脱硫除尘器。

如插图1—6为一种联合的脱硫脱硝工艺。

6）建立“噪声综合控制区”和进行“环境噪声达标区”的建设。

7）综合治理环境。

合理排放和处理废气、废水、废液、废料。

8）从可持续发展的战略目标出发，发展循环经济，推行环境无害化技术和清洁生产。

锅炉的基本构造

锅炉本体——炉膛、燃烧设备、锅筒、水冷壁、过热器、省煤器、空气预热器和炉墙构架。

辅助设备——燃料供给、煤粉制备、送引风、水处理及给水、除尘除灰和自动控制等装置。

（1）收到基。

以收到状态的燃料为基准计算燃料中全部成分的组合称为收到基。

以下角标ar表示。

（2-1）

闪点及燃点

燃油的闪点——当油气和空气的混合物与明火接触而发生短促闪光时的油温。

燃点——油面上的油气和空气的混合物遇到明火能着火燃烧并持续5s以上的最低油温。

热平衡基本原理

所谓锅炉热平衡是指锅炉的输入热量与输出热量（包括有效利用热和各项热损失）之间的平衡。

图2-6为锅炉热平衡示意图

根据图2-6可以写出如下热平衡方程式：

正平衡效率根据锅炉有效利用热占输入锅炉热量的百分数来表示，即

②反平衡效率把输入锅炉的热量可作为百分之一百，然后扣除锅炉的各项热损失，即

火床燃烧设备

火床燃烧是指燃料主要在火床（又称炉排）上完成燃烧全过程的一种燃烧方式。

特点是燃料按一定厚度均匀地铺在炉排面上燃烧。

火炉的种类有：

固定炉排炉、链条炉排炉、抛煤机翻转炉排炉、抛煤机倒转链条炉、振动炉排炉等，

炉膛容积热负荷—单位容积和单位时间内燃料燃烧的放热量，即

表2-9（略）为火床炉炉排面积热负荷与炉膛容积热负荷的推荐值。

火室燃烧是指燃料在炉膛空间中以悬浮状态完成燃烧全过程的一种燃烧方式。

它可以燃用固体、液体及气体燃料。

燃用固体燃料的火室炉通常称为煤粉炉，煤粉炉燃烧的煤粉必须很细，粒径一般在以下，以有利于燃烧。

火室燃烧是指燃料在炉膛空间中以悬浮状态完成燃烧全过程的一种燃烧方式。

它可以燃用固体、液体及气体燃料。

燃用固体燃料的火室炉通常称为煤粉炉，煤粉炉燃烧的煤粉必须很细，粒径一般在以下，以有利于燃烧。

汽轮机类型

蒸汽参数表示方法

型号示例

凝汽式

中间再热式

一次调节抽气式

二次调节抽气式

背压式

抽气背压式

主蒸汽压力/主蒸汽温度

主蒸汽压力/主蒸汽温度/中间再热温度

主蒸汽压力/调节抽气压力

主蒸汽压力/高压抽气压力/低压抽气压力

主蒸汽压力/背压

主蒸汽压力/抽气压力/背压

N50-8.28/535

N600-16.7/537/537

C50-8.82/0.118

CC12-

3.43/0.98/0.118

B50-8.82/0.98

CB25-

8.82/1.47/0.49

级内损失和级的效率

1.汽轮机的级内损失

计算级的损失需要根据其实际情况而定。

（1）叶高损失叶高损失用半经验公式计算

（3-44）

（2）扇形损失扇形损失的计算公式如下

（3-45）

（3）叶轮摩擦损失摩擦耗功的经验

（4）部分进汽损失

（5）漏汽损失

（6）湿汽损失

回热循环

吸收热量：

公式（118）

放出热量：

公式（119）

功量：

公式（1110）

热效率：

公式（1111）

能量平衡方程：

公式（1112）

抽汽量：

公式（1113）

功率：

公式（1114）

耗热量：

公式（1115）

排热量：

再热循环

吸收热量：

公式（1117）

放出热量：

公式（1118）

功量：

公式（1119）

热效率：

公式（1120）

功率：

公式（1121）

耗热量：

公式（1122）

排热量：

公式（1123）

采用再热循环可以提高平均吸热温度，因此可以提高循环热效率。

热电联产循环

热电联产既供热又供电，常用两个指标来确定其经济性：

（1）热电厂的燃料利用系数η

某厂的热电站功率12ＭＷ，使用背压式汽轮机，Ｐ1＝3.5MPa，t1＝435℃，Ｐ2＝0.8ＭＰa，排汽全部用于供热。

假设煤的发热值为20000KJ/kg，计算电厂的循环热效率及耗煤量。

设锅炉效率为85％。

如果热电分开生产，电能由Ｐ2=7kPa的凝汽式汽轮机生产，热能（0.8MPa的230℃的蒸汽）由单独的锅炉供应，其他条件同上，试比较其耗煤量。

设锅炉效率同上。

燃气—蒸汽联合循环

注蒸汽燃气轮机循环

湿空气燃汽轮机（ＨＡＴ）循环

轻水堆是指用加压的普通纯净水慢化和冷却的反应堆。

如果不允许水在堆内沸腾，则称压水堆；如果允许水在堆内沸腾，则称沸水堆。

轻水堆是目前最主要的堆型。

重水堆是指用重水慢化的反应堆。

气冷堆是指用石墨慢化，二氧化碳或氦气冷却的反应堆。

世界上核电站以压水堆为主。

我国都是压水堆核电站。

其原因如下：

⑴压水堆的投资低。

⑵压水堆技术上最成熟。

⑶压水堆安全。

⑷我国已初步具备建设压水堆的工业技术基础。

核聚变

快中子反应堆

发电能力为100万千瓦的轻水堆，每天使用约3公斤铀-235。

虽然用量不多，但是由于天然铀储量有限现探明约可使用1000年，其中铀-235约只占0．7％，而99．3％是铀-238。

铀-235和铀-238都是铀的同位素，它们的原子核都会裂变，但铀-235有其独特的裂变方式，当中子撞击其原子核时，原子核会分裂成重量几乎相等的两部分，而铀-238却不具备上述裂变方式，所以不能用作轻水堆的燃料。

因此，当今核电站的核燃料中，铀-235如同"优质煤"，而铀-238却像"煤矸石"，只能作为核废料堆积在那里，成为污染环境的"公害"。

　为了解决上述问题，使铀资源得到充分利用，科学家正在开发研究、设计另一种形式的反应堆---快中子反应堆，简称"快堆"。

快堆不用铀-235，而用钚-239作燃料，不过在堆心燃料钚-239的外围再生区里放置铀-238。

钚-239产生裂变反应时放出来的快中子，被装在外围再生区的铀-238吸收，铀-238就会很快变成钚-239。

这样，钚-239裂变，在产生能量的同时，又不断地将铀-238变成可用燃料钚-239，而且再生速度高于消耗速度，核燃料越烧越多，快速增殖，所以这种反应堆又称"快速增殖堆"。

据计算，如快中子反应堆推广应用，将使铀资源的利用率提高50-60倍，大量铀-238堆积浪费、污染环境问题将能得到解决。

安全性

核电站是安全的，因为

第一，核反应堆大多采用低浓度裂变物质作燃料，不具备发生核爆炸的条件。

第二，核反应堆内有安全控制手段。

第三，反应堆有自稳定的特性。

核反应堆也会产生一些废气、废液和废物。

但于燃煤电站相比，核电站可称为清洁的能源。

1、柴油机

⑴YZ6102Q——六缸直列、四冲程、缸径102mm、水冷、汽车用（YZ为扬州柴油机厂代号）；

⑵10V120FQ——10缸V型气缸排列、四冲程、缸径120mm、风冷、汽车用；

⑶12VE230ZCZ——12缸、V型、二冲程、缸径230mm、水冷、增压、船用主机、左机基本型。

2、汽油机

⑴1E65F——单缸、二冲程、缸径65mm、风冷、通用型；

⑵EQ6100-1——六缸、直列、四冲程、缸径100mm、水冷，区分符号1表示第一种变型产品（EQ为第二汽车制造厂代号）；

⑶BJ492QA——四缸、直列、四冲程、缸径92mm、水冷、汽车用，区分符号A表示变型产品（BJ为北京汽车制造厂代号）。

1、上止点、下止点及活塞行程

活塞顶端离曲轴旋转中心最远处，称为上止点。

活塞顶端离曲轴中心最近处，称为下止点。

上、下止点间的距离S称为活塞行程。

连杆轴颈中心到曲轴轴颈中心的距离R为曲柄半径。

对气缸中心线通过曲轴中心线的内燃机，其活塞行程等于曲柄半径的两倍，即S=2R。

2、气缸工作容积

上、下止点所包容的气缸容积称为气缸工作容积，用表示。

式中D——气缸直径（mm）；

S——活塞行程（mm）。

3、内燃机排量

内燃机所有气缸工作容积的总和称为内燃机排量，用表示。

式中i——气缸数；

——气缸工作容积（L）。

内燃机排量表示内燃机的作功能力，在内燃机其他参数相同的前提下，内燃机排量越大内燃机所发出的功率就越大。

4、燃烧室容积

活塞位于上止点时的气缸容积称为燃烧室容积，也称压缩容积。

用Vc表示。

5、气缸总容积

气缸工作容积与燃烧室容积之和称为气缸总容积，用Va表示。

Va=Vs+Vc

6、压缩比

气缸总容积与燃烧室容积之比称为压缩比，用ε表示。

四冲程汽油机与四冲程柴油机的共同点是：

1）每个工作循环都包含进气、压缩、作功和排气等四个活塞行程，每个行程各占180°曲轴转角，即曲轴每旋转两周完成一个工作循环。

2）四个活塞行程中，只有一个作功行程，其余三个是耗功行程。

显然，在作功行程曲轴旋转的角速度要比其它三个行程时大得多，即在一个工作循环内曲轴的角速度是不均匀的。

为了改善曲轴旋转的不均匀性，可在曲轴上安装转动惯量较大的飞轮或采用多缸内燃机并使其按一定的工作顺利依次进行工作。

两者不同之处是：

1）汽油机的可燃混合气在缸外部开始形成并延续到进气和压缩行程终了，时间较长。

柴油机的可燃混合气在气缸内部形成，从压缩行程接近终了时开始，并占小部分作功行程，时间很短。

2）汽油机的可燃混合气用电火花点燃，柴油机则是自燃。

所以又称汽油机为点燃式内燃机，称柴油机为压燃式内燃机。

内燃机的构造和组成，随发动机的用途、生产厂家和生产年代的不同而千差万别。

但就其总体结构而言，却都是由机体组、曲柄连杆机构、配气机构、进排气系统、燃油系统、冷却系统、润滑系统、起动系统和有害排放物控制装置组成。

如果是汽油机，还包括点火系统。

若为增压发动机，还应有增压系统。

1—发生器2—冷凝器3—节流阀4—蒸发器5—吸收器6—泵

吸收式制冷系统组成示意图

1—冷凝器

2—发生器

3—蒸发器

4—冷剂泵

5—吸收器

6—溶液泵

7—引射器

8—换热器

图6-25单效双筒式溴化锂吸收式制冷机的工作原理图

.地源热泵系统应用的优势

（1）较低的能量消耗。

地源热泵比空气源热泵节省能源40％以上，比电采暖节省能源70％以上。

（2）免费或低费用的提供生活热水。

在夏季可以免费提供热水，在冬季获得热水的费用可节省一半。

（3）改善了建筑外观。

因为通常没有室外压缩机或冷却水塔。

（4）较低的环境影响。

比燃煤锅炉与电驱动地源热泵所排放的CO2量，可减少30％。

（5）较低的维护费用。

平均维护费用约为传统系统的三分之一。

（6）运行灵活、经久耐用。

地源热泵本身通常寿命在20年以上。

（7）全年满足温、湿度要求。

因机组可自主决定供热、制冷空调的时间。

（8）分区供热和制冷。

（9）设计特性明显。

影响地源热泵系统有效使用的最大障碍是不适当的设计和安装。

（一）太阳能的特点

1．数量巨大但却非常分散

2．时间长久但却不连续不稳定

3．清洁安全、免费使用但初投资高

（二）太阳能利用的方式

1．太阳能转换为热能

2．太阳能转换为电能

3．太阳能转换为化学能

5.风速频率与风玫瑰图

风速频率是指某地一年（或一个月）之内具有相同风速的总时数的百分比。

用各方向上平均风速频率和平均风速立方值的乘积，绘制成风玫瑰图，可显示风能资源情况及能量集中的方向，如图7－15所示。

1．潮汐能利用

海水潮汐是一种自然现象。

它是在月球和太阳引潮力作用下所发生的海水周期性涨、落运动。

一般情况下，每昼夜有两次涨落，一次在白天，一次在晚上，人们把白天的海水涨落称“潮”，晚上的海水涨落称“汐”，合起来称为“潮汐”。

潮汐能主要源于地球与月球、太阳之间的相互作用，不像其他海洋能主要来源于太阳能，而且其开发技术相对比较成熟。

所谓潮汐能就是指海水在涨落潮运动中包含着的大量的动能和势能的总和。

2．氢的制备

为了实现氢能的大规模应用，最关键的是要找到一种廉价低能耗的制氢方法。

制备氢的基本方法：

（1）甲烷等与水蒸汽反应制氢

（2）电解水制氢

水电解过程就是使直流电通过导电水溶液（通常加H2SO4或KOH）使水分解成H2和O2,电解的反应式为

为了提高制氢效率，水的电解通常在3.0－5.0MPa的压力下进行。

近年来，采用煤辅助水电解的方法,可以使电解的能耗比常规下降100%。

（3）热化学制氢

从水中制氢也可以通过高温化学反应的方法进行。

按照反应中所涉及的中间载体物料，可以分成氧化物体系，卤化物体系、含硫体系和杂化体系四种反应体系。

如，氧化物体系：

其中Me为金属Mn、Fe、Co等。

对于四种体系的反应过程都可以写成一种通用形式

总反应为

反应式中X是反应的中间媒体（如，氧化物，卤化物），它在反应中并不消耗，仅参与反应。

整个过程仅仅消耗水和一定的热量，热化学反应的温度约为1073～1273K。

4）生物质制氢

固态生物质制氢的基本工艺为将生物质生成合成气。

合成气中的碳氢化合物再与水蒸气发生催化重整反应，生成H2和CO2。

整个反应式为：

3．规模化制氢技术

（1）核能热利用制氢

（2）太阳能热分解水制氢

（3）太阳能电解水制氢

（4）太阳能直接光解水制氢

（5）人工光合成作用制氢

（6）生物制氢

4．氢的储存

氢的储存难度很大，目前可以采用的储氢方法有下列三种。

1）高压储存

将氢气压缩成高压（15～20MPa），装入钢瓶中储存和运输。

但由于氢气密度很小，不能解决大量氢的储存问题。

2）液态储存

将氢气冷却到20K，氢气将被液化，储存在绝热的低温容器中。

3）金属氢化物储存

当氢和金属形成氢化物时，氢就以固态的形式存储于氢化物中。

当需要用氢时，通过加热，氢化物就可以放出氢气。

金属氢化物储存使用方便，运输简单，是氢气储存中最方便且有发展前景的一种储氢方法。

纳米碳管储氢已成为当前研究热点。

4）质子交换膜型（PEMFC）。

PEMFC通常被认为是在交通运输领域最有希望的燃料电池技术。

该技术具有快速起动和适应变工况等特点。