熱能與動力機械基礎(chǔ)復(fù)習(xí)題.doc

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熱能與動力機械基礎(chǔ) 循環(huán)經(jīng)濟——是由“資源—產(chǎn)品—再生資源”所構(gòu)成的物質(zhì)反復(fù)流動的經(jīng)濟發(fā)展模式。它要求在經(jīng)濟活動中以“3 R原則”作為行為準(zhǔn)則： (1)減量化(Reduce)原則。用較少的原料和能源投入來達到既定的生產(chǎn)或消費的目的。 (2)再使用（Reuse)原則。產(chǎn)品和包裝容器能以初始的形式被反復(fù)使用。 (3)再循環(huán)(Recycle)原則。生產(chǎn)出來的物品在完成其使用功能后能重新變成可以利用的資源，而不是不可恢復(fù)的垃圾。 循環(huán)經(jīng)濟的特征——低開采、高利用、低排放，它是一種與環(huán)境和諧相處的經(jīng)濟發(fā)展模式。通過循環(huán)經(jīng)濟，使資源的使用減量化、產(chǎn)品能反復(fù)使用和廢棄物資源化，從而實現(xiàn)“最佳生產(chǎn)、最適消費、最少廢棄”。 1．單位GDP（國內(nèi)生產(chǎn)總值）能耗 是指某一年或某一個時期，實現(xiàn)單位國民經(jīng)濟產(chǎn)值所平均消耗的能源數(shù)量。 單位GDP能耗即單位產(chǎn)值能耗，屬于宏觀經(jīng)濟領(lǐng)域的指標(biāo)，其表達式為 r﹦E/M 式中，E—能源消耗量 (指標(biāo)準(zhǔn)煤)； M—同期國民經(jīng)濟生產(chǎn)總值。 單位為噸標(biāo)準(zhǔn)煤/萬元 。 2．單位產(chǎn)品能耗 是指每單位產(chǎn)品產(chǎn)量所消耗的能量，屬于微觀經(jīng)濟領(lǐng)域的指標(biāo)。它又分為單耗和綜合能耗兩種，可用一個式子來表達 C﹦Ep/A 式中，A為產(chǎn)品產(chǎn)量；Ep為產(chǎn)品能耗。 當(dāng)Ep是指某種能的消耗量時，C為單耗，如生產(chǎn)1kWh電的煤耗； 如果Ep是指生某種產(chǎn)品過程中所消耗的各種一次能源、二次能源的總消耗量，則C為綜合能耗。 3．能源利用效率 它為被有效利用的能量(或獲得的能量)與消耗的能量(或投入的能量)之比。它被用來考察用能的完善程度，其定義式為 η﹦Ee/Ec η—為能源利用效率；Ee—有效利用的能量； Ec—消耗的能量。 (火用)效率 我們可以廣義地定義(火用)損失。對于某一個系統(tǒng)或設(shè)備，投入或耗費的(火用)Exi與被利用或收益的(火用)Exg之差，即為該系統(tǒng)或設(shè)備的(火用)損失ExL，可表示為 ExL= Exi﹣Exg 而被有效利用（或收益）的(火用)與投入（或耗費）的(火用)之比，則為該系統(tǒng)或設(shè)備的(火用)效率ηex，也稱為有效能效率 環(huán)境污染的防治 1) 改善動力機械和熱能利用的各種設(shè)備的結(jié)構(gòu)，并研制新型高效裝置。 2) 采用高效、低污染的新型動力循環(huán)。如煤氣化燃氣一蒸汽聯(lián)合循環(huán)。 3) 采用代用燃料與代用工質(zhì)，并禁用某些工質(zhì)。如以天然氣代替煤氣。 4) 開發(fā)利用新能源和可再生能源。如太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等。 5) 研制性能優(yōu)良的技術(shù)部件。如新型的燃燒器、高效的脫硫除塵器。如插圖1—6為一種聯(lián)合的脫硫脫硝工藝。 6) 建立“噪聲綜合控制區(qū)”和進行“環(huán)境噪聲達標(biāo)區(qū)”的建設(shè)。 7) 綜合治理環(huán)境。合理排放和處理廢氣、廢水、廢液、廢料。 8) 從可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)出發(fā)，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，推行環(huán)境無害化技術(shù)和清潔生產(chǎn)。 鍋爐的基本構(gòu)造 鍋爐本體——爐膛、燃燒設(shè)備、鍋筒、水冷壁、過熱器、省煤器、空氣預(yù)熱器和爐墻構(gòu)架。 輔助設(shè)備——燃料供給、煤粉制備、送引風(fēng)、水處理及給水、除塵除灰和自動控制等裝置。 （1）收到基。以收到狀態(tài)的燃料為基準(zhǔn)計算燃料中全部成分的組合稱為收到基。以下角標(biāo)ar表示。 （2-1） 閃點及燃點 燃油的閃點——當(dāng)油氣和空氣的混合物與明火接觸而發(fā)生短促閃光時的油溫。 燃點——油面上的油氣和空氣的混合物遇到明 火能著火燃燒并持續(xù)5 s以上的最低油溫。 熱平衡基本原理 所謂鍋爐熱平衡是指鍋爐的輸入熱量與輸出熱量(包括有效利用熱和各項熱損失)之間的平衡。 圖2-6為鍋爐熱平衡示意圖 根據(jù)圖2-6可以寫出如下熱平衡方程式： 正平衡效率 根據(jù)鍋爐有效利用熱占輸入鍋爐熱量的百分數(shù)來表示，即 ②反平衡效率 把輸入鍋爐的熱量可作為百分之一百，然后扣除鍋爐的各項熱損失，即 火床燃燒設(shè)備 火床燃燒是指燃料主要在火床(又稱爐排)上完成燃燒全過程的一種燃燒方式。特點是燃料按一定厚度均勻地鋪在爐排面上燃燒。 火爐的種類有：固定爐排爐、鏈條爐排爐、拋煤機翻轉(zhuǎn)爐排爐、拋煤機倒轉(zhuǎn)鏈條爐、振動爐排爐等， 爐膛容積熱負荷 —單位容積和單位時間內(nèi)燃料燃燒的放熱量，即 表2-9(略)為火床爐爐排面積熱負荷 與爐膛容積熱負荷 的推薦值。 火室燃燒是指燃料在爐膛空間中以懸浮狀態(tài)完成燃燒全過程的一種燃燒方式。它可以燃用固體、液體及氣體燃料。 燃用固體燃料的火室爐通常稱為煤粉爐，煤粉爐燃燒的煤粉必須很細，粒徑一般在以下，以有利于燃燒。 火室燃燒是指燃料在爐膛空間中以懸浮狀態(tài)完成燃燒全過程的一種燃燒方式。它可以燃用固體、液體及氣體燃料。 燃用固體燃料的火室爐通常稱為煤粉爐，煤粉爐燃燒的煤粉必須很細，粒徑一般在以下，以有利于燃燒。 汽輪機類型 蒸汽參數(shù)表示方法 型號示例 凝汽式 中間再熱式 一次調(diào)節(jié)抽氣式 二次調(diào)節(jié)抽氣式 背壓式 抽氣背壓式 主蒸汽壓力/主蒸汽溫度 主蒸汽壓力/主蒸汽溫度/中間再熱溫度 主蒸汽壓力/調(diào)節(jié)抽氣壓力 主蒸汽壓力/高壓抽氣壓力/低壓抽氣壓力 主蒸汽壓力/背壓 主蒸汽壓力/抽氣壓力/背壓 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 級內(nèi)損失和級的效率 1.汽輪機的級內(nèi)損失 計算級的損失需要根據(jù)其實際情況而定。 （1）葉高損失 葉高損失 用半經(jīng)驗公式計算 （3-44） （2）扇形損失 扇形損失的計算公式如下 （3-45） （3）葉輪摩擦損失 摩擦耗功的經(jīng)驗 （4）部分進汽損失 （5）漏汽損失 （6）濕汽損失 回?zé)嵫h(huán) 吸收熱量： 公式（Error! No text of specified style in document.1） 放出熱量： 公式（Error! No text of specified style in document.2） 功量： 公式（Error! No text of specified style in document.3） 熱效率：　 公式（Error! No text of specified style in document.4） 能量平衡方程： 公式（Error! No text of specified style in document.5） 抽汽量： 公式（Error! No text of specified style in document.6） 功率： 公式( Error! No text of specified style in document.7) 耗熱量： 公式( Error! No text of specified style in document.8) 排熱量： 再熱循環(huán) 吸收熱量： 公式 （Error! No text of specified style in document.9） 放出熱量： 公式 （Error! No text of specified style in document.10） 功量： 公式 （Error! No text of specified style in document.11） 熱效率：　 公式 （Error! No text of specified style in document.12） 功率： 公式( Error! No text of specified style in document.13) 耗熱量： 公式( Error! No text of specified style in document.14) 排熱量： 公式( Error! No text of specified style in document.15) 采用再熱循環(huán)可以提高平均吸熱溫度，因此可以提高循環(huán)熱效率。 熱電聯(lián)產(chǎn)循環(huán) 熱電聯(lián)產(chǎn)既供熱又供電，常用兩個指標(biāo)來確定其經(jīng)濟性： （1）熱電廠的燃料利用系數(shù)η 某廠的熱電站功率12ＭＷ，使用背壓式汽輪機，Ｐ1＝3.5MPa，t1＝435℃，Ｐ2＝0.8ＭＰa，排汽全部用于供熱。假設(shè)煤的發(fā)熱值為20000KJ/kg，計算電廠的循環(huán)熱效率及耗煤量。設(shè)鍋爐效率為85％。如果熱電分開生產(chǎn)，電能由Ｐ2=7kPa的凝汽式汽輪機生產(chǎn)，熱能（0.8MPa的230℃的蒸汽）由單獨的鍋爐供應(yīng)，其他條件同上，試比較其耗煤量。設(shè)鍋爐效率同上。 燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán) 注蒸汽燃氣輪機循環(huán) 濕空氣燃汽輪機（ＨＡＴ）循環(huán) 輕水堆是指用加壓的普通純凈水慢化和冷卻的反應(yīng)堆。如果不允許水在堆內(nèi)沸騰，則稱壓水堆；如果允許水在堆內(nèi)沸騰，則稱沸水堆。輕水堆是目前最主要的堆型。 重水堆是指用重水慢化的反應(yīng)堆。 氣冷堆是指用石墨慢化，二氧化碳或氦氣冷卻的反應(yīng)堆。 世界上核電站以壓水堆為主。我國都是壓水堆核電站。其原因如下： ⑴壓水堆的投資低。 ⑵壓水堆技術(shù)上最成熟。 ⑶壓水堆安全。 ⑷我國已初步具備建設(shè)壓水堆的工業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)。 核聚變 快中子反應(yīng)堆 發(fā)電能力為100萬千瓦的輕水堆，每天使用約3公斤鈾-235。雖然用量不多，但是由于天然鈾儲量有限現(xiàn)探明約可使用1000年，其中鈾-235約只占0．7％，而99．3％是鈾-238。鈾-235和鈾-238都是鈾的同位素，它們的原子核都會裂變，但鈾-235有其獨特的裂變方式，當(dāng)中子撞擊其原子核時，原子核會分裂成重量幾乎相等的兩部分，而鈾-238卻不具備上述裂變方式，所以不能用作輕水堆的燃料。因此，當(dāng)今核電站的核燃料中，鈾-235如同"優(yōu)質(zhì)煤"，而鈾-238卻像"煤矸石"，只能作為核廢料堆積在那里，成為污染環(huán)境的"公害"。 　為了解決上述問題，使鈾資源得到充分利用，科學(xué)家正在開發(fā)研究、設(shè)計另一種形式的反應(yīng)堆---快中子反應(yīng)堆，簡稱"快堆"?？於巡挥免?235，而用钚-239作燃料，不過在堆心燃料钚-239的外圍再生區(qū)里放置鈾-238。钚-239產(chǎn)生裂變反應(yīng)時放出來的快中子，被裝在外圍再生區(qū)的鈾-238吸收，鈾-238就會很快變成钚-239。這樣，钚-239裂變，在產(chǎn)生能量的同時，又不斷地將鈾-238變成可用燃料钚-239，而且再生速度高于消耗速度，核燃料越燒越多，快速增殖，所以這種反應(yīng)堆又稱"快速增殖堆"。據(jù)計算，如快中子反應(yīng)堆推廣應(yīng)用，將使鈾資源的利用率提高50-60倍，大量鈾-238堆積浪費、污染環(huán)境問題將能得到解決。 安全性 核電站是安全的，因為 第一，核反應(yīng)堆大多采用低濃度裂變物質(zhì)作燃料，不具備發(fā)生核爆炸的條件。 第二，核反應(yīng)堆內(nèi)有安全控制手段。 第三，反應(yīng)堆有自穩(wěn)定的特性。 核反應(yīng)堆也會產(chǎn)生一些廢氣、廢液和廢物。但于燃煤電站相比，核電站可稱為清潔的能源。 1、柴油機 ⑴YZ6102Q——六缸直列、四沖程、缸徑102mm、水冷、汽車用（YZ為揚州柴油機廠代號）； ⑵10V120FQ——10缸V型氣缸排列、四沖程、缸徑120mm、風(fēng)冷、汽車用； ⑶12VE230ZCZ——12缸、V型、二沖程、缸徑230mm、水冷、增壓、船用主機、左機基本型。 2、汽油機 ⑴ 1E65F——單缸、二沖程、缸徑65mm、風(fēng)冷、通用型； ⑵ EQ6100-1——六缸、直列、四沖程、缸徑100mm、水冷，區(qū)分符號1表示第一種變型產(chǎn)品（EQ為第二汽車制造廠代號）； ⑶ BJ492QA——四缸、直列、四沖程、缸徑92mm、水冷、汽車用，區(qū)分符號A表示變型產(chǎn)品（BJ為北京汽車制造廠代號）。 1、上止點、下止點及活塞行程 活塞頂端離曲軸旋轉(zhuǎn)中心最遠處，稱為上止點?；钊敹穗x曲軸中心最近處，稱為下止點。上、下止點間的距離S稱為活塞行程。連桿軸頸中心到曲軸軸頸中心的距離R為曲柄半徑。對氣缸中心線通過曲軸中心線的內(nèi)燃機，其活塞行程等于曲柄半徑的兩倍，即S=2R。 2、氣缸工作容積 上、下止點所包容的氣缸容積稱為氣缸工作容積，用 表示。 式中 D——氣缸直徑（mm）； S——活塞行程（mm）。 3、內(nèi)燃機排量 內(nèi)燃機所有氣缸工作容積的總和稱為內(nèi)燃機排量，用 表示。 式中 i ——氣缸數(shù)； ——氣缸工作容積（L）。 內(nèi)燃機排量表示內(nèi)燃機的作功能力，在內(nèi)燃機其他參數(shù)相同的前提下，內(nèi)燃機排量越大內(nèi)燃機所發(fā)出的功率就越大。 4、燃燒室容積 活塞位于上止點時的氣缸容積稱為燃燒室容積，也稱壓縮容積。用Vc表示。 5、氣缸總?cè)莘e 氣缸工作容積與燃燒室容積之和稱為氣缸總?cè)莘e，用Va表示。 Va = Vs + Vc 6、壓縮比 氣缸總?cè)莘e與燃燒室容積之比稱為壓縮比，用ε表示。 四沖程汽油機與四沖程柴油機的共同點是： 1）每個工作循環(huán)都包含進氣、壓縮、作功和排氣等四個活塞行程，每個行程各占180曲軸轉(zhuǎn)角，即曲軸每旋轉(zhuǎn)兩周完成一個工作循環(huán)。 2）四個活塞行程中，只有一個作功行程，其余三個是耗功行程。顯然，在作功行程曲軸旋轉(zhuǎn)的角速度要比其它三個行程時大得多，即在一個工作循環(huán)內(nèi)曲軸的角速度是不均勻的。為了改善曲軸旋轉(zhuǎn)的不均勻性，可在曲軸上安裝轉(zhuǎn)動慣量較大的飛輪或采用多缸內(nèi)燃機并使其按一定的工作順利依次進行工作。 兩者不同之處是： 1）汽油機的可燃混合氣在缸外部開始形成并延續(xù)到進氣和壓縮行程終了，時間較長。柴油機的可燃混合氣在氣缸內(nèi)部形成，從壓縮行程接近終了時開始，并占小部分作功行程，時間很短。 2）汽油機的可燃混合氣用電火花點燃，柴油機則是自燃。所以又稱汽油機為點燃式內(nèi)燃機，稱柴油機為壓燃式內(nèi)燃機。 內(nèi)燃機的構(gòu)造和組成，隨發(fā)動機的用途、生產(chǎn)廠家和生產(chǎn)年代的不同而千差萬別。但就其總體結(jié)構(gòu)而言，卻都是由機體組、曲柄連桿機構(gòu)、配氣機構(gòu)、進排氣系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、起動系統(tǒng)和有害排放物控制裝置組成。如果是汽油機，還包括點火系統(tǒng)。若為增壓發(fā)動機，還應(yīng)有增壓系統(tǒng)。 1—發(fā)生器 2—冷凝器 3—節(jié)流閥 4—蒸發(fā)器 5—吸收器 6—泵 吸收式制冷系統(tǒng)組成示意圖 1—冷凝器 2—發(fā)生器 3—蒸發(fā)器 4—冷劑泵 5—吸收器 6—溶液泵 7—引射器 8—換熱器 圖6-25 單效雙筒式溴化鋰吸收式制冷機的工作原理圖 . 地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用的優(yōu)勢 （1）較低的能量消耗。地源熱泵比空氣源熱泵節(jié)省能源40％以上，比電采暖節(jié)省能源70％以上。 （2）免費或低費用的提供生活熱水。在夏季可以免費提供熱水，在冬季獲得熱水的費用可節(jié)省一半。 （3）改善了建筑外觀。因為通常沒有室外壓縮機或冷卻水塔。 （4）較低的環(huán)境影響。比燃煤鍋爐與電驅(qū)動地源熱泵所排放的CO2量，可減少30％。 （5）較低的維護費用。平均維護費用約為傳統(tǒng)系統(tǒng)的三分之一。 （6）運行靈活、經(jīng)久耐用。地源熱泵本身通常壽命在20年以上。 （7）全年滿足溫、濕度要求。因機組可自主決定供熱、制冷空調(diào)的時間。 （8）分區(qū)供熱和制冷。 （9）設(shè)計特性明顯。 影響地源熱泵系統(tǒng)有效使用的最大障礙是不適當(dāng)?shù)脑O(shè)計和安裝。 （一）太陽能的特點 1．?dāng)?shù)量巨大但卻非常分散 2．時間長久但卻不連續(xù)不穩(wěn)定 3．清潔安全、免費使用但初投資高 （二）太陽能利用的方式 1．太陽能轉(zhuǎn)換為熱能 2．太陽能轉(zhuǎn)換為電能 3．太陽能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能 5.風(fēng)速頻率與風(fēng)玫瑰圖 風(fēng)速頻率是指某地一年（或一個月）之內(nèi)具有相同風(fēng)速的總時數(shù)的百分比。用各方向上平均風(fēng)速頻率和平均風(fēng)速立方值的乘積，繪制成風(fēng)玫瑰圖，可顯示風(fēng)能資源情況及能量集中的方向，如圖7－15所示。 1．潮汐能利用 海水潮汐是一種自然現(xiàn)象。它是在月球和太陽引潮力作用下所發(fā)生的海水周期性漲、落運動。一般情況下，每晝夜有兩次漲落，一次在白天，一次在晚上，人們把白天的海水漲落稱“潮”，晚上的海水漲落稱“汐”，合起來稱為“潮汐”。 潮汐能主要源于地球與月球、太陽之間的相互作用，不像其他海洋能主要來源于太陽能，而且其開發(fā)技術(shù)相對比較成熟。所謂潮汐能就是指海水在漲落潮運動中包含著的大量的動能和勢能的總和。 2．氫的制備 為了實現(xiàn)氫能的大規(guī)模應(yīng)用，最關(guān)鍵的是要找到一種廉價低能耗的制氫方法。 制備氫的基本方法： （1）甲烷等與水蒸汽反應(yīng)制氫 （2）電解水制氫 水電解過程就是使直流電通過導(dǎo)電水溶液(通常加H2SO4或KOH)使水分解成H2和O2,電解的反應(yīng)式為 為了提高制氫效率，水的電解通常在3.0－5.0MPa的壓力下進行。 近年來，采用煤輔助水電解的方法,可以使電解的能耗比常規(guī)下降100%。 （3）熱化學(xué)制氫 從水中制氫也可以通過高溫化學(xué)反應(yīng)的方法進行。按照反應(yīng)中所涉及的中間載體物料，可以分成氧化物體系，鹵化物體系、含硫體系和雜化體系四種反應(yīng)體系。如，氧化物體系： 其中Me為金屬Mn、Fe、Co等。對于四種體系的反應(yīng)過程都可以寫成一種通用形式 總反應(yīng)為 反應(yīng)式中X是反應(yīng)的中間媒體（如，氧化物，鹵化物），它在反應(yīng)中并不消耗，僅參與反應(yīng)。整個過程僅僅消耗水和一定的熱量，熱化學(xué)反應(yīng)的溫度約為1073～1273K。 4）生物質(zhì)制氫 固態(tài)生物質(zhì)制氫的基本工藝為將生物質(zhì)生成合成氣。合成氣中的碳氫化合物再與水蒸氣發(fā)生催化重整反應(yīng)，生成H2和CO2。整個反應(yīng)式為： 3．規(guī)模化制氫技術(shù) (1)核能熱利用制氫 (2)太陽能熱分解水制氫 (3)太陽能電解水制氫 (4)太陽能直接光解水制氫 (5)人工光合成作用制氫 (6)生物制氫 4．氫的儲存 氫的儲存難度很大，目前可以采用的儲氫方法有下列三種。 1）高壓儲存 將氫氣壓縮成高壓（15～20MPa），裝入鋼瓶中儲存和運輸。但由于氫氣密度很小，不能解決大量氫的儲存問題。 2）液態(tài)儲存 將氫氣冷卻到20K，氫氣將被液化，儲存在絕熱的低溫容器中。 3）金屬氫化物儲存 當(dāng)氫和金屬形成氫化物時，氫就以固態(tài)的形式存儲于氫化物中。當(dāng)需要用氫時，通過加熱，氫化物就可以放出氫氣。金屬氫化物儲存使用方便，運輸簡單，是氫氣儲存中最方便且有發(fā)展前景的一種儲氫方法。 納米碳管儲氫已成為當(dāng)前研究熱點。 4）質(zhì)子交換膜型（PEMFC）。 PEMFC通常被認為是在交通運輸領(lǐng)域最有希望的燃料電池技術(shù)。該技術(shù)具有快速起動和適應(yīng)變工況等特點。