能源动力类导论 期末试题.doc

1、能源动力类导论 期末试题（2010 级用）一、内燃机专业方向：1.简述两冲程内燃机和四冲程内燃机的特点以及各冲程的作用；柴油机和汽油机在结构上的主要区别。内燃机压缩比的定义。答：（1）二冲程是指在两个行程内完成一个工作循环，此期间曲轴旋转一圈。首先，当活塞在下止点时，进、排气口都开启，新鲜充量由进气口充入气缸，并扫除气缸内的废气，使之从排气口排出；随后活塞上行，将进、排气口均关闭，气缸内充量开始受到压缩，直至活塞接近上止点时点火或喷油，使气缸内可燃混合气燃烧；然后气缸内燃气膨胀，推动活塞下行做功；当活塞下行使排气口开启时，废气即由此排出，活塞继续下行至下止点，即完成一个工作循环。如果在两个冲程

2、里完成进气、压缩、做功、排气这些循环动作，就叫二冲程，相应的内燃机叫二冲程内燃机。四冲程是指在进气、压缩、做功（膨胀）和排气四个行程内完成一个工作循环，此间曲轴旋转两圈。进气行程时，此时进气门开启，排气门关闭。流过空气滤清器的空气，或经化油器与汽油混合形成的可燃混合气，经进气管道、进气门进入气缸；压缩行程时，气缸内气体受到压缩，压力增高，温度上升；膨胀行程是在压缩上止点前喷油或点火，使混合气燃烧，产生高温、高压，推动活塞下行并作功；排气行程时，活塞推挤气缸内废气经排气门排出。此后再由进气行程开始，进行下一个工作循环。 二冲程内燃机各冲程作用：第一冲程：活塞自下止点向上移动，三个气孔同时被关闭后

3、，进入气缸的混合气被压缩；在进气孔露出时，可燃混合气流入曲轴箱。 第二冲程：活塞压缩到上止点附近时，火花塞点燃可燃混合气，燃气膨胀推动活塞下移作功。这时进气孔关闭，密闭在曲轴箱内的可燃混合气被压缩；当活塞接近下止点时排气孔开启，废气冲出；随后换气孔开启，受预压的可燃混合气冲人气缸，驱除废气，进行换气过程。四冲程内燃机各冲程作用： 吸气冲程 ：进气门打开，排气门关闭，活塞向下运动，汽油和空气混合物进入汽缸。 压缩冲程 ：进气门和排气门都关闭，活塞向上运动，燃料混合物被压缩。 做功冲程： 压缩冲程结束时，火花塞产生电火花，使燃料猛烈燃烧，产生高温高压的气体。高温高压气体推动火花塞向下运动，带动曲轴

4、转动，对外做功。 排气冲程 ：进气门关闭，排气门打开，活塞向上运动，把废气排出汽缸。 （2）汽油机由两大机构和五大系统组成，即由曲柄连杆机构，配气机构、燃料供给系、润滑系、冷却系、点火系和起动系组成；柴油机由以上两大机构和四大系统组成，即由曲柄连杆机构、配气机构、燃料供给系、润滑系、冷却系和起动系组成，柴油机是压燃的，不需要点火系。（3）内燃机压缩比的定义：内燃机压缩比是内燃机气缸最大容积与压缩容积的比值，是内燃机的重要结构参数。活塞处于下止点时气缸有最大容积，用 V 表示；活塞处于上止点时气缸内的容积称为压缩容积，用 V 表示。内燃机的压缩比为几何压缩比，它表示活塞从下止点移动到上止点时气缸

5、内气体被压缩的程度。活塞位于下止点时进气门或进、排气口尚未关闭，故有时须用有效压缩比 0 的概念。0 指内燃机进、排气门(口) 开始全部关闭瞬时的气缸容积与气缸压缩容积之比。凡未经特别指明的压缩比均指几何压缩比。压缩比对内燃机性能有多方面的影响。压缩比越高，热效率越高，但随压缩比的增高，热效率增长幅度越来越小。压缩比增高使压缩压力、最高燃烧压力均升高，故使内燃机机械效率下降。汽油机压缩比过高容易产生爆震。柴油机压缩比过低会使压缩终点温度变低，影响冷起动性能。压缩比能使内燃机排气中有害成分（如 NOX、烃类、CO 等）的含量发生变化。现代柴油机的压缩比一般在 1222 之间，但超高增压柴油机的压

6、缩比可低至 8。现代汽油机压缩比为 610。2.车用混合动力的节能途径是什么？答：在启动以及低档运转时，不使用内燃机而使用电机驱动汽车，当车速行驶至 30 麦以上，切换至内燃机驱动。这样就可以达到节省燃料的目的。在车辆行驶之初，蓄电池处于电量饱满状态，其能量输出可以满足车辆要求，辅助动力系统不需要工作。电池电量低于 60时，辅助动力系统起动：当车辆能量需求较大时，辅助动力系统与蓄电池组同时为驱动系统提供能量； 当车辆能量需求较小时，辅助动力系统为驱动系统提供能量的同时，还给蓄电池组进行充电。由于蓄电池组的存在，使发动机工作在一个相对稳定的工况，使其排放得到改善。这样一来，一台汽车配有内燃机和电

7、机两台引擎，同时还有一个大容量的蓄电池。当减速或点刹时，电动机反挂在齿轮上，制动力反转齿轮进行发电，以供低档启动时用。这样，即可使发动机一直工作在最高效率状态。另外，发电机系统还可以将刹车能量转化为电能储存。从而达到节能的目的。1)选择较小的发动机( downsize) ,从而提高发动机负荷率; ( 2)改善控制策略使发动机工作在高效区,以改善整车的燃油消耗; (3)取消发动机怠速以节省燃油消耗; ( 4)对制动能量进行回收。二涡轮机专业方向：1.何谓热能动力装置？以核电站及水力发电站为例，分别说明两电站中四大主要系统，并间接蒸汽轮机、水轮机的主要作用。答：（1）热能动力装置是将热能转化为机械

8、能而产生原动力的成套热力设备。热能动力装置一般由热交换器、第一热电模块、第二热电模块、蒸发器、汽轮机、冷凝器、液体泵、充满循环介质的管道、保温材料组成。热能动力装置包括汽轮机动力装置、内燃机动力装置、燃气轮机动力装置和核能动力装置等。它们主要是由原动机（汽轮机、内燃机、燃气轮机）及其辅助设备组成。火力发电就是利用热能动力装置所产生的原动力来驱动发电机生产电能。 火电厂热能动力装置主要由以下 3 部分组成： 燃烧系统、汽水系统、控制系统 （2）核电站：核反应堆系统、蒸汽轮机系统、发电系统、控制设备系统水力发电站：人工坝体系统、水轮机系统、发电系统、控制设备系统（3）蒸汽轮机全称叫蒸汽涡轮发动机（

9、Steam turbine）是一种撷取（将水加热后形成的）水蒸汽之动能转换为涡轮转动的动能的机械。蒸汽轮机大幅改善了热效率，更接近热力学中理想的可逆过程，并能提供更大的功率，至今它几乎完全取代了往复式蒸汽机。蒸汽轮机特别适用于火力发电和核能发电，世界上大约 80%的电是利用蒸汽轮机所产生。水轮发电机指以水轮机为原动机将水能转化为电能的发电机。水流经过水轮机时，将水能转换成机械能，水轮机的转轴又带动发电机的转子，将机械能转换成电能而输出。是水电站生产电能的主要动力设备。水轮发电机由水轮机驱动。它的转子短粗，机组的起动、并网所需时间较短，运行调度灵活 ，除一般发电外，特别宜于作为调峰机组和事故备用

10、机组。水轮发电机组的最大容量已达 70 万千瓦。 2.以航空涡轮发动机为例，指出其三大主要部件，并说明其主要作用。 答：航空涡轮发动机包括涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴发动机。由压气机、燃烧室和涡轮三个核心部件及其他一些发动机附属设备组成的。其中,压气机、燃烧室和涡轮三大核心部件构成我们所说的“核心机“ 。压气机：压气机的作用是将来自涡轮的能量传递给外界空气,提高其压力后送到燃烧室里参与燃烧。因为外界空气的单位体积含氧量太低,远小于燃烧室中的燃油充分燃烧所需的耗氧量。如果外界空气不经过压缩,那么发动机的热力循环效率就太低了。燃烧室：压气机后面紧跟的是燃烧室。经过压气机

11、压缩后的高压空气与燃料混合之后将在燃烧室中燃烧,生高温高压燃气来推动燃气涡轮运转并从尾喷口高速喷出从而产生推力。航空发动机对燃烧室的要求是:第一,燃烧室单位体积的发热量或热容强度要很高。通俗地讲,就是要燃烧室在尽可能小的容积里完成高压空气与燃料的混合与充分燃烧。第二,要保证足够高的燃烧效率。第三,保证经过燃烧室燃烧后的气体达到所需的温度并要求出口温度场相当均匀。燃烧室后面是涡轮,如果气流温度不均匀,有的地方特别热,有的地方特别冷,涡轮受不了一一同一个涡轮叶片,转到热的地方就膨胀,转到冷的地方就收缩,一来二去,叶片很快就发生金属疲劳,降低了使用寿命。涡轮：涡轮实际上就是一个“风车“, 在燃烧室来

12、流的冲击下转动。涡轮的作用就是将一部分高温高压燃气的能量通过传动轴传递给前的压气机,使其能够正常工作。在涡扇/涡桨发动机上,涡轮还要驱动风扇叶片。涡轮是发动机三大核心部件的“苦力“, 它“干的活最重“、“ 自身压力最大“而且“工作环境最差“。说它“干的活最重“,是指每级涡轮要发出很大的功率,在现代航空涡轮发动机上,通常只有不超过三级的涡轮,可是就这么几级涡轮却要发出上万匹马力的功率；“自身压力最大 “是说涡轮叶片在高速旋转时由于其本身重量,会受到相当大的离心力,大到当涡轮全速旋转时其离心力相当于在每个叶片上吊挂了一辆 5 吨重卡车;说它“工作环境最差“则是指,涡轮的工作条件可以用“ 高温“ 高

13、压“高速“三个“ 高“来形容。现代航空涡轮发动机的涡轮进口温度最高达到 180OK 甚 200OK(约 1727 摄氏度,超过大多数金属材料的熔点);涡轮进口气压达几十个大气压; 在涡轮叶片边缘的气流速度通常可以接近甚至超过音速。只有这样的气流冲击到涡轮上,才能使涡轮发出足够大的功率。换句话说“能在三高条件下稳定工代航空涡轮发动机对涡轮性能提出的最基本要求。对于气流而言,温度、速度和压力是密切相关的三个参量,于是,“三高“ 要求最终就体现在尽可能提高涡轮进口温度上面。而涡轮进口温度也就成了衡量发动机性能好坏的一个关键性指标。矛盾恰好也在这里,涡轮进口温度提高导致发动机性能改善,但是与此同时,涡

14、轮开始叫苦不堪了。三、热能工程专业方向：1.地热能的存在形式和利用方式，以及地源热泵的作用？答：（1）热能是由地壳抽取的天然热能，这种能量来自地球内部的熔岩，并以热力形式存在。地热能的利用可分为地热发电和直接利类。热能利用在以下四方面起重要作用。1地热发电地热发电是地热利用的最重要方式。高温地热流体应首先应用于发电。 地热发电和火力发电的原理是一样的，都是利用蒸汽的热能在汽轮机中转变为机械能，然后带动发电机发电。所不同的是，地热发电不象火力发电那样要备有庞大的锅炉，也不需要消耗燃料，它所用的能源就是地热能。地热发电的过程，就是把地下热能首先转变为机械能，然后再把机械能转变为电能的过程。要利用地

15、下热能，首先需要有“载热体”把地下的热能带到地面上来。目前能够被地热电站利用的载热体，主要是地下的天然蒸汽和热水。按照载热体类型、温度、压力和其它特性的不同，可把地热发电的方式划分为蒸汽型地热发电和热水型地热发电两大类。2地热供暖将地热能直接用于采暖、供热和供热水是仅次于地热发电的地热利用方式。因为这种利用方式简单、经济性好，倍受各国重视，特别是位于高寒地区的西方国家，其中冰岛开发利用得最好。此外利用地热给工厂供热，如用作干燥谷物和食品的热源， 用作硅藻土生产、木材、造纸、制革、纺织、酿酒、制糖等生产过程的热源也是大有前途的。3地热务农地热在农业中的应用范围十分广阔。如利用温度适宜的地热水灌溉

16、农田，可使农作物早熟增产；利用地热水养鱼，在 28水温下可加速鱼的育肥，提高鱼的出产率；利用地热建造温室，育秧、种菜和养花；利用地热给沼气池加温，提高沼气的产量等。4地热行医地热在医疗领域的应用有诱人的前景，目前热矿水就被视为一种宝贵的资源，世界各国都很珍惜。由于地热水从很深的地下提取到地面，除温度较高外，常含有一些特殊的化学元素，从而使它具有一定的医疗效果。如合碳酸的矿泉水供饮用，可调节胃酸、平衡人体酸碱度；含铁矿泉水饮用后，可治疗缺铁贫血症； 氢泉、硫水氢泉洗浴可治疗神经衰弱和关节炎、皮肤病等。 （2） 是一种利用浅层地热资源（也称地能，包括地下水、土壤或地表水等）的既可供热又可制冷的高效

17、节能空调设备。地源热泵通过输入少量的高品位能源（如电能） ，实现由低温位热能向高温位热能转移。地能分别在冬季作为热泵供热的热源和夏季制冷的冷源，即在冬季，把地能中的热量取出来，提高温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量取出来，释放到地能中去。通常地源热泵消耗 1kWh 的能量，用户可以得到 4kWh 以上的热量或冷量。热泵实质上是一种热量提升装置，工作时它本身消耗很少一部分电能，却能从环境介质（水、空气、土壤等）中提取 4-7 倍于电能的装置，提升温度进行利用，这也是热泵节能的原因。 地源热泵是热泵的一种，是以大地或水为冷热源对建筑物进行冬暖夏凉的空调技术，地源热泵只是在大地和室内之间“转移

18、”能量。利用极小的电力来维持室内所需要的温度。 在冬天，1 千瓦的电力，将土壤或水源中 4-5 千瓦的热量送入室内。在夏天，过程相反，室内的热量被热泵转移到土壤或水中，使室内得到凉爽的空气。而地下获得的能量将在冬季得到利用。如此周而复始，将建筑空间和大自然联成一体。以最小的低价获取了最舒适的生活环境。2.什么是 O2/ CO2 气氛燃烧技术（烟气再循环燃烧技术）？答：分离烟气再循环技术又称 O2/ CO2 燃烧技术,是利用空气分离获得的 O2 和部分循环烟气的混合物来代替空气与燃料组织燃烧, 从而提高排烟中 CO2 的浓度。通过循环烟气来调节燃烧温度,同时循环烟气又替代空气中的氮气来携带热量以

19、保证锅炉的传热和热效率。与传统燃烧方式不同,O2/ CO2 燃烧技术具有以下特点: (1) 在 O2/ CO2 气氛下,为了获得与空气气氛相似的绝热火焰温度, 气氛中氧浓度需高达 30 %, 同时为保证燃烧, 烟气中 O2 过量系数约为 3 %5 %; (2)高浓度 CO2 和 H2O 的存在使得混合气体具有较高的比热和辐射特性,锅炉的辐射换热与空气气氛燃烧有较大差异; 另外, 由于 CO2 与 N2 摩尔质量的差异也使得烟气的密度大大增加; (3) O2/CO2 燃烧过程中,大比例的烟气循环使得锅炉的排烟量降低 80 %左右,锅炉排烟热损失大大降低 ; (4) 与空气气氛相比,O2/CO2

20、燃烧技术中烟气的多次循环使得炉内存在着较高的 SO2 浓度,更适于炉内高温脱硫;同时烟多次循环使得NOx 排放大大降低。锅炉尾部排烟的一部分烟气经再循环系统送至炉前，与空气分离装置制取的氧气(Oz 含量在 95以上 )按一定比例混合后，携带燃料经燃烧器送入炉膛，在炉内组织与常规空气燃烧方式类似的燃烧过程，并完成传热过程。四、能源与环境工程专业方向：1.试论燃煤烟气电站脱除 CO2 的技术选择方案CO2 捕集方法有吸收法、吸附法、膜分离法和低温蒸馏法等，但目前世界上所有商业化应用的方法都是以单乙醇胺(MEA)溶剂为基础的化学吸收法，化学吸收法也被认为是目前最有效的捕集技术。气体膜分离法：(又称膜

21、分离法 )依靠混合气体与薄膜材料之间的溶解与扩散作用，使得一种组分快速溶解并通过该薄膜，从而将混合气体分成穿透气流和剩余气流两部分。分离膜材科多种多样，如：聚苯醚、醋酸纤维、陶瓷、金属氧化物等，还有一些材料仍处于实验室阶段。分离膜按材料种类可分为有机聚合物膜和无机膜。有机聚合物膜已逐步进入了应用阶段，但受其自身材质的影响限制了这类膜在高温、高腐蚀性环境中的应用。而且在使用过程中有机聚合物膜容易老化，不大适合于矿物燃料产生的 CO2 气体脱除。无机膜具有耐高温、耐腐蚀性等特点，很适合在电力企业中使用，但与聚合物膜相比，装配较难，体积较大，投资成本较高，无机膜材料的选择性和渗透性也还达不到大规模工

22、业应用的要求。目前气体分离膜技术已经成功应用于炼油尾气、合成氨弛放气氯回收、H2CO 合成气比例调节、从提高石油采收率(EOR)和生物气中回收 CO2 等领域。膜吸收法：膜气体吸收法是化学吸收技术(高选择性) 和膜分离技术 (设备紧凑)相结合的过程，通常使用疏水微孔中空纤维膜将气体与吸收液隔开。用于分隔气液两相的疏水微孔膜的材料有：聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚醚砜、聚砜等。与气体膜分离技术不同的是：膜气体吸收技术中气体和吸收液不直接接触，分别在膜两侧流动，膜本身对气体没有选择性，只起隔离气体和吸收液的作用(聚丙烯膜孔径在 O2pan 左右，N2、O2、co2 分子直径小于 371

23、0 一 gm)，通过吸收液的选择性吸收达到气体分离的目的。液膜吸收法：液膜有乳化液膜和支撑液膜两种。支撑液膜是将液膜牢虽然膜法应用于减缓电厂烟气碳排具有应用前景，但是也存在许多问题限制了膜法技术 电厂烟气碳排的工业化应用。主要问题有：(1)膜气体吸收法新型吸收液及吸收液的解吸问题。气体吸收膜虽然结合了化学吸收技术特点(高选择性) 和膜分离技术特点 (设备紧凑)，但目前所用几种吸收液中 CO2 的解吸回收都还存在成本问题。(2)膜材料的选择问题。需要开发耐温、耐腐蚀、抗污染的新型膜材料及其组件，使 CO，吸收和回收过程经济可行，进一步降低成本，成为一种有发展前途的新技术。利用氨水喷淋脱除燃煤烟气

24、中的 c0)温室气体是一种新的 c02 捕集方法。在烟气中喷淋氨水吸收 c02 形成碳酸氢铵是一个复杂的气一液化学反应，其总的化学反应过程为：NH3+H2O+CO2=NH4HCO3 (1)实际反应过程比较复杂，要经过一系列中间阶段。其反应过程大致为：2NH3+C02=NH2COONH4 (2)NH2COONH4 进一步水解：NH2COONH4+H2O=NH4HCO3+NH3 (3)同时，NH3 和 H20 反应生成 NO-4OH：NH3+H20=NH4OH (4)水解产生的 NH4HCO3 与 NH4OH 反应生成(NH4)2CO3 ：NH4HCO3+NH4OH：(NH4)2CO3+H2O (

25、5)(NH4)2c03 吸收 c02 形成碳酸氢铵：(NH4)2CO3+H2O+CO2=2NHaHCO3 (6)以上反应均为可逆。随着吸收不断进行，水解生成的 NH4HCO3 浓度不断增大，当超过它在氨水中的饱和溶解度时，就会结晶析出，从而获得副产品碳酸氢铵。(1)当条件控制在合理的范围内时，氨水喷淋法可实现较高的 c02 脱除率(85 以上)和较快的脱除速率；(2)随着氨水浓度的增大，反应达到平衡状态所需的时间和平衡状态时的脱除率都要增加。实验证明稀氨水完全可以实现高效脱除，与合成氨工艺中 164 193的氨水相比，采用稀氨水作为吸收剂可大大降低运行成本；(3)随着烟气中 c02 初始浓度的

26、升高，c02 脱除率逐渐降低；(4)温度对 cO2 脱除率的影响显著，反应温度选择 40左右较为适宜：最高脱除率出现在40附近；从 22到 40，虽然脱除率有小的波动，但大体趋势为逐渐升高；从 40到46 ，脱除率随温度升高而降低；从 46开始，脱除率随温度升高而缓慢上升；(5)经 FFIR 分析证明反应产物为碳酸氢铵晶体，该产物为我国农业上广泛应用的氮肥，具有一定的经济效益。2.简述煤炭火力发电及煤气化联合循环发电的能量转换过程答：发电厂的生产过程概括起来就是通过高温燃烧把燃料的化学能转变成热能，从而将火加热成具有一定压力温度的蒸汽，然后把热能转化为机械能，通过发电机的电磁感应将机械能转化为电能。即：燃料化学能 蒸汽热能 机械能 电能 简单的说就是利用燃料（煤）发热，加热水，形成高温高压过热蒸汽，推动气轮机旋转，带动发电机转子（电磁场）旋转，定子线圈切割磁力线，发出电能，再利用升压变压器，升到系统电压，与系统并网，向外输送电能。 煤气化联合循环发电就是使煤在气化炉中气化成为中热值煤气或低热值煤气，然后经过处理，把粗煤气中的灰分、含硫化合物