节能原理试题(另附参考答案)

1、节能原理试题1. 写出控制体物质平衡和能量平衡关系式，并简单解释其物理意义。=in-out (1-2)=+(hout+gzout)out-(hin+gzin)in+net (1-3)式中，=dQ/d,in=dmin/d,out=dmout /d,net=dWi/d。图3.1 控制体的能量平衡图这是经典热力学以集总参数思想建立的数学模型，对大多数热力设备都是有效的。但对工质所经历的非平衡的实际热力过程本身而言，属于黑箱模型。控制体结构、工质粘性等因素对热力过程的影响，或在热力学分析的结果中体现，或以经验数据的形式引入热力学分析。比如，发电厂热力系统的热力学分析中，对流动阻力造成的影响主要以二种形

2、式予以考察：(1)引起的额外动力消耗在发电厂的发、供电效率(或煤耗率)中以厂用电(率)的形式体现；(2)引起工质状态的改变则常以经验数据的形式引入热力学分析。2. 热力学第二定律的克劳修斯说法、开尔文说法和普朗克说法。热力学第二定律有三种表述方法，分别由不同的科学家独立提出。(1).克劳修斯说法(1850年)：不可能把热从低温物体传至高温物体而不引起其他变化。它指明了热量只能自发地从高温物体传向低温物体，反之的非自发过程并非不能实现，而是必须花费一定的代价。例如压缩制冷装置就是以花费机械能为代价，即以机械能变为热能这一自发过程作为实现热从低温物体转移至高温物体所必需的补偿代价。(2).开尔文说

3、法(1851年)：不可能从单一热源取热使之完全变为有用功而不产生其他影响。这是从热功转换的角度表述的热力学第二定律，不产生其它影响是这一表述不可缺少的部分。例如：理想气体定温膨胀过程进行的结果，就是从单一热源取热并将其全部变成了功，但与此同时，气体的压力降低，体积增大，即气体的状态发生了变化，或者说“产生了其它影响”。因此，并非热不能完全变为功，而是必须有其它影响为代价才能实现。(3).普朗克说法：不可能制造一个机器，在循环动作中把一重物升高而同时使一个热库冷却。这三种说法本质上是等价的，它表明了能量过程进行的方向。3. 系统熵平衡的表达式，并解释其物理意义。4. 控制体平衡关系式，并简要解释

4、其物理意义。的定义：热力系统从任意状态经可逆过程达到与环境相平衡的状态时所完成的最大功量或称作功能力。表达式： e=h-T0s (1-7)对于如图1.2所示的控制体，其平衡方程为：ein+eq=eout+w+I (1-8)式中，ein工质进入系统的；eout工质离开系统的；eq输入热流；w输出技术功。图1.2 控制体平衡图5. 热转化为功的能力。（1.5.2 热转化为功的能力）显然，一定温度下的热量的最大作功能力为 (1-12)如果低温热源温度取值为环境温度T0，即T2=T0，则上式表示相对于环境温度T0，温度T1下的热量Q1转变为功的能力，称为热流或热量。事实上，根据熵的定义：ds =q/T

5、 (1-13)对如图1.4所示的放热过程，其放热量为： (1-14)因此，放热过程的热力学平均温度为： (1-15)状态点1的值：e1=h1-T0s1 状态点2的值：e2=h2-T0s212放热过程的作功能力变化为：e12 =e2-e1=h2- h1-T0(s2-s1)=q12-T0(s2-s1)因此，12放热过程作功能力的变化为： (1-16)12过程为放热过程，q12为负值，因此热力系统的作功能力减少。根据作功能力的定义，从上式中可以看出，在的热力学平均温度下，一定换热量q=|q12|具有的值为： (1-17)对比式(1-12)，不难理解一定温度下的热量q具有的作功能力(热流)等于其经由工

6、作在热力学平均温度和环境温度T0之间的卡诺循环的作功量。6. 有限温差传热过程的不可逆损失。如图1.5所示的换热过程，热流体放热量等于冷流体吸热量。即q34=-q12=q，或|q34|=|q12|=q。图1.5 换热过程方法一：由吸放热过程中热流计算。12放热过程的作功能力： 34吸热过程的作功能力：因此，换热过程的损失(作功能力损失)为： (1-18)显然，在相同换热量的条件下，传热温差越大，不可逆损失越大；换热温度水平越低，不可逆损失越大。换热过程是最典型的不可逆过程，式1-18清晰地揭示了减小换热过程不可逆损失的途径。由热力学平均温度， ，可得： (1-19)方法二由状态参数直接求取。对

7、图1.5应用式1-8的平衡方程，这时eq=0，w=0。进入加热器的：ein=e1+e3= h1-T0s1+h3-T0s3离开加热器的：eout=e2+e4= h2-T0s2+ h4-T0s4因此，由平衡方程，损失(作功能力损失)为：I =ein-eout=(e1+e3)-( e2+e4)=( h1-T0s1+h3-T0s3)-( h2-T0s2+ h4-T0s4)由热平衡关系式：h1- h2= h4- h3，得：I =(-T0s1-T0s3)-(-T0s2-T0s4) (1-20)7. 绝热节流过程的不可逆损失。（1.6.2 绝热节流过程的损失）绝热节流过程的焓值不变，而节流导致工质的熵增大，

8、因此绝热节流过程的损失为：I =e1- e2=( h1-T0s1)-( h2-T0s2)= h1- h2 T0(s1 -s2)= T0(s2 s1)=T0scr (1-21)对于理想气体，其焓值是温度的单值函数(dh=Cpdt)，节流过程含不变，其温度亦不变，即理想气体节流过程的不可逆损失可以用图1.6表示。对于实际气体，节流前后温度有变化，其节流过程的不可逆损失可以用图1.7表示。图1.6 理想气体节流过程的Ts图 图1.7 实际气体节流过程的Ts图值得注意的是，除了图示中的节流冷效应之外，工质在某种状态下还可能出现绝热节流热效应，请参阅热力学教材关于焦耳-汤姆孙效应。由于工质在节流前后的焓

9、不变，即h1=h2=h，而压力由p1下降至 p2，即我们可以计算由状态点(h1, p1)至状态点(h2, p2)的某可逆过程的熵变。由可逆过程能量平衡方程： (1-22)由于dh=0，上式为，根据式(1-13)，ds =q/T，则 (1-23)or (1-24)显然，节流导致压力降低，dp<0，因此熵产永远是正定的；压差越大，熵产越大；不仅如此，如果节流发生时，工质的比容越大，温度越低，熵产越大。在火电厂中，主蒸汽温度和压力高，蒸汽比容相对较低，因此相对而言可以允许更大的节流压损。而在凝汽器，尤其是空冷机组凝汽器，温度和压力低，蒸汽比容很大，因此应最大限度降低其流动过程的节流压损。实际工

10、程中除了阀门、节流孔板流量计等存在节流过程之外，管道流动存在的阻力、汽轮机膨胀、压缩机及水泵等升压过程存在的摩阻等，都可以看成节流，利用式1-21或式1-24计算其不可逆损失。图1.8和图1.9分别表示汽轮机膨胀和压缩机升压过程的不可逆损失。 图1.8 膨胀过程的不可逆损失 图1.9 压缩过程的不可逆损失8. 在ts和hs图上画出不可逆绝热压缩过程，阐述泵与风机系统节能设计思路。 流动阻力是工程中需要严格进行分析计算的，其不可逆损失实质是风机、水泵等动力提升设备所耗能量的一部分，一般是电机电量消耗，在系统分析中是单独计量的，比如电厂厂用电。但是，由于出入口压力变化必然导致熵值的变化，因此利用式

11、1-18时，计算结果中已经包括了流动阻力导致的不可逆损失。显然，要精确定量分析热力系统，就必须考虑这一问题。(P7)9. 单耗分析模型的推导过程及其对节能技术研究的指导意义。(P8、9)不论是能源转化，还是能源利用，从热力学第二定律的角度，上述每一种产品相对于其环境参考态，都具有值，即作功能力或可用能。这些生产中的能源利用的平衡关系可以一般性地描述为燃料=产品+耗损，即： (2-1)式中，Ef为所消耗能源的值，称为燃料；Ep为产品；Irj为实际生产过程的各个环节的不可逆性所导致的损耗。根据式2-1，任何的不可逆损耗的后果都是等价，都是产品的减少，如果产品品质一定，即意味着产品产量的减少。不仅如

12、此，生产的环节越多，一般来讲其不可逆损耗越大，产品必然越小。因此式2-1是能源利用系统分析、评价与优化的基础。根据热力学基础理论，任何实际热力学过程都是不可逆的，都会产生熵产。不可逆的程度越严重，造成的熵产就越大。熵产与能的不可用性是直接相互联系的，最后归结为丧失作功的可能性。热力学把由于不可逆现象所丧失的作功可能性，叫作过程的不可逆损失，不可逆损失与过程熵产的关系以Ir表示1。 (2-2) 式中T0为环境参考态的绝对温度。热力过程的不可逆性及其损失计算，是热力学分析与计算的一个基本内容。要降低不可逆损失，就应想尽一切办法减少熵产，应关注不可逆性发生部位的热力学参数条件，它对降低不可逆性至关重

13、要，这是系统优化设计的关键因素。根据式2-1，对于一定能源输入，任何的不可逆损耗，总对应着产品产量P的减少。假定某产品量P的生产，所消耗的燃料量为Bkg。如果以ef表示燃料的比，以ep表示产品的比。则式2-1可以写成如下的形式： (2-3)对于一定品质(ep)的产品，任何的不可逆损失的直接后果都是产品产量P的减少。故一定量的不可逆损失Iri对应一定量的燃料： (2-4) 即， (2-5)因此，式2-3可以写成： (2-6)上式两边同时除以P·ef，即得任何产品生产的单耗分析模型3： (2-7)显然， (2-8)（注：本题答案较多，建议从公式推导入手记忆。估计评分应主要看公式推导。）1

14、0. 不可逆损失及其所造成的附加燃料消耗计算式。（1）根据热力学基础理论，任何实际热力学过程都是不可逆的，都会产生熵产。不可逆的程度越严重，造成的熵产就越大。熵产与能的不可用性是直接相互联系的，最后归结为丧失作功的可能性。热力学把由于不可逆现象所丧失的作功可能性，叫作过程的不可逆损失，不可逆损失与过程熵产的关系以Ir表示1。 (2-2) 式中T0为环境参考态的绝对温度。（2）根据燃料=产品+耗损，即： (2-1)对于一定能源输入，任何的不可逆损耗，总对应着产品产量P的减少。假定某产品量P的生产，所消耗的燃料量为Bkg。如果以ef表示燃料的比，以ep表示产品的比。则式2-1可以写成如下的形式：

15、(2-3)对于一定品质(ep)的产品，任何的不可逆损失的直接后果都是产品产量P的减少。故一定量的不可逆损失Iri对应一定量的燃料： (2-4)即， 11. 附加燃料单耗的计算式。12. 熵产与不可逆损失的关系。（10题答案第一部分）（1012题答案均为9题的一部分）13. 寂态与物理寂态的概念。（课本P72）如果体系本身处于平衡态并与环境具有相同的温度、相同的压力，切体系中的 每一种组元均处于稳定的相态并与环境中的相应组元具有相同的化学势，则称体系与环境达到了“非约束性的平衡”，一旦体系与环境达到了非约束性平衡，就不再可能通过体系与环境的相互作用而取得功。与环境达到非约束性平衡时的体系状态叫做

16、体系的“寂态”。如果体系与环境间仅仅达到了机械平衡和热平衡，具有与环境相同的温度与压力，那么称体系与环境间只达到了“约束性平衡”。与环境处于约束性平衡时的体系状态，叫做体系的物理寂态14. 解释你对概念的理解。现代节能原理不仅依据热力学第一定律，而且同时依据第一、第二两大定律，热力学参数是第二定律分析法的产物，又是第二定律分析法的有力工具。从能量转化来看，一类是在给定的环境下具有无限可转化的能，即。15. 体系总及其组成。（P72-73） 一个体系的就是在给定的环境下中体系所含能量的可转化部分，从这一概念出发可知，体系的在数值上等于从其所处状态可逆地变到寂态时所做出的功。应用于环境的体系内能为

17、 （4.20）将体系加环境视为扩大的体系，只要愿体系未处于寂态，此扩大体系就是不平衡的，在其走向平衡的过程中，就可能有功或与之相应的效果表现出来。即 （4.21）从（4.21）减去（4.20）得： （4.22）上式导出前提为功的效果全部耗散，即上式可表示不可逆损失，在数值上应正好等于扩大体系从其原来的状态达到平衡时所可能做出的最大功。因此 （4.23）16. 在pv图和ts图上表示的大小。17. 化学势的作用。（P94-96）再设计体系化学过程或相变过程的研究时，偏摩自由焓具有特殊的重要性，我们用 代表它，称其为化学势： （5.20）化学势 在数值上表示由于化学变化使某组元减少单位摩尔时所应做

18、的最大化学功。化学势也是物质转移即物质传递的一种推动力（图5.1 对化学势物理意义的解释）18. 溶液与理想溶液中某组元的化学势的计算式，并解释作用。19. 活度的定义及其作用。在多元体系中，某组元j的偏逸度与该组元在其参考态下的(偏)逸度的壁纸，叫该组元的活度，以aj表示。即 （5.28）（作用）20. 燃料的比和电量化燃料的比计算式。(P11)根据热力学基础理论，当燃料处于温度为298.15K、压强101.325kPa的环境下，单位质量的燃料化学 (即燃料的比)可以近似地表示为1： (2-13)式中，为燃料的高位热值；角标i表示基准反应的各种生成物和除燃料之外的反应物；求和符下的pr代表燃

19、料燃烧生成物；p0j为各生成物在环境大气中的分压力；为以1摩尔燃料为基础的化学计量系数；T0，p0分别为环境参考态的大气温度和压力；为标准反应熵，用下式计算： (2-14)其中为环境参考态之下各反应物和生成物的绝对熵。21. 电和热的比及其理论最低燃料单耗。(P12)(2.3.1 电的比及其理论最低燃料单耗)电在热力学分析中被视为100%的，即电的比为： kW·h/(kW·h) (2-18)因此，根据式2-17，针对确定的燃料(如标准煤)，电力生产的理论最低燃料单耗为：=0.123 kgce/(kW·h) (2-19)(2.3.2 热的比及其理论最低燃料单耗)对于

20、一定的热量，如果其热力学平均温度为，在热力学分析中，其比为卡诺循环的效率，即在理想可逆循环条件下，热量所能转化为的量，即： kW·h/(kW·hh) (2-20) 或，kW·h/GJ (2-20a)式中，为环境温度。因此根据式2-17，供热的理论最低燃料单耗为： kg/GJ (2-21)22. 锅炉第二定律效率的推导，并给予解释。（4.1.4 锅炉的第二定律效率）假设锅炉生产一定热产品Qb的实际燃料单耗为bh，则由式2-10可推导出锅炉的第二定律效率为： (4-6) 式中， % (4-7) 即为锅炉热效率，34.1kg/GJ为热效率100%时的燃料单耗。显然，热能

21、生产的第二定律效率不仅取决于热效率，还取决于热能产品的品位。23. 分析基于第一定律的折标准煤系数存在的问题，解释基于第二定律的折标煤系数。（P14-15）基于第一定律，能源利用的热效率定义为： (2-26) 式中为有效能。对于热能和电能生产，我们可以依据式2-26计算其热效率。但是，由于热、电之间以及不同品位的热能之间存在实质性的品质差，因此式2-26计算的热效率之间不具有可比性，如锅炉热效率与发电效率之间就不可比。不仅如此，更关键的是对于绝大多数高耗能产品无法用式2-26计算热效率。也就是说，在第一定律统计和折算框架下，我们不能科学定义能源利用的效率。由于广泛采用这种基于热力学第一定律的能

22、源折算方法，以至于绝大多数文献都不提供燃料的高位热值可以说，以低位热值作为能源的折算标准，无形之中放松了对其能源利用的要求，这对于节能减排的大局也是不利的。如同热力学第一定律构架下一样，以热力学第二定律为基础考虑的折标煤方案，必须有一个相应的折算基础。以燃料的等价，也就是燃料的理论最大作功能力等价来考虑是符合要求的。即： (2-27)因此基于燃料，燃料k的折算为燃料l的等价折算系数为： (2-28)式中，l燃料的比，k燃料的比。可以用式2-13和式2-15计算。同理，假定l燃料为标准煤，则k燃料的折标煤系数为。按标准煤不含水分考虑，由式2-15，=，于是有第二定律和第一定律折标煤系数的关系：

23、(2-29)24. 节能减排决策分析的三个层次。（P18）能源经济活动与时间序列有直接的关系，从可持续发展角度，为切实完成节能减排的约束性指标、有效优化能源利用结构，必须考虑下列与时间序列有关的三层决策要素:一是新建耗能项目的市场准入标准;二是现有耗能设备或生产工艺在规定考核时期内的节能减排特性及其潜力;三是老、旧、低效技术设备的关停和淘汰标准。25. 能源利用的评价原则。（P19-20）一次能源输运要消耗一定的能量，在研究一次能源远距离输运合理性的时候是应给予充分考虑的。但若将其计入实际能源利用系统的分析，则不仅使问题复杂化，也不公平。而在“标准煤”的概念下，一次能源开采、输运过程及燃料自身

24、的某些差异所产生的问题就消除了。基于标准煤，能源利用的热力学分析之资源口径就得到了统一。用能目的多种多样，为更好地进行能源利用的评价，需根据第二定律对用能目的进行产品界定。能源利用的分析与评价必须建立在产品等价的原则基础上。综上，终端产品生产的二次能源消耗可以用(当量)性能系数或(当量)电耗率指标评价。这里统一地用下式表示： (3-1) 或， (3-2)式中，为供热(冷)量kW；为产品产量kg/h, m3/h, kgkm, etc.；为生产和的(当量)电耗量kW；为输配电功kW；为(当量)性能系数-；单位产量的(当量)电耗。直燃型的产品燃料单耗可直接计算，电驱动设备所耗的是基准电()，热电联产

25、按当量电耗与流程泵功之和(+)计算供热煤耗，因此产品燃料单耗为：(3-3) 或， (3-4)显然，将二次能源基于电量的等价化处理是分析终端能源利用的关键，也是能源利用分析与评价的一个重要原则。26. 热电联产总能系统节能条件及意义。（P24-25）热电联产机组供热的一般化产品燃料单耗可以按供热当量电耗折算： (3-13)现采用式3-13所示的基于电量等价的分摊方法。事实上，只要确定了能源利用的评价基准，煤耗分摊方法就略显次要。比如，假定某一分摊方法得到的供热和供电燃料单耗分别为和，则热电联产总能系统煤耗量可以表示为： gce/h (3-21)假定供热机组供电量由标准电()替代，供热量Qh的煤耗

26、用供热燃料单耗平均值计算，则替代总能系统的总煤耗量可以表示为： gce/h (3-22)式中：为同一供热产品燃料单耗的平均值，kgce/GJ；为基准电的燃料单耗，g标煤/(kW·h)。与替代总能系统比较，联产系统节煤量为： gce/h (3-23)令B=0，则供热机组的临界热电比为： (3-24)得到热电联产总能系统的节能条件： (3-25)式3-23-式3-25既适用于特定工况评价，也适用于年度、季度、月度等周期考核。从推导过程发现，总能系统是否节能与分摊方法无关，而仅取决于能源利用的评价基准()和供热燃料单耗的平均值，其他涉及发电的多联产系统应参照此方法处理。若评价基准水平提高，

27、即降低，热电联产机组的临界热电比随之提高，这说明电力技术的发展要求供热机组的热力性能同步提高，否则难以满足节能条件。27. 评价基准的特性与选择。基准电的燃料单耗在评价能源利用起到基准作用。尽管电网机组型式很多，性能相差很大；电网负荷变化很大，机组供电燃料单耗随负荷的变化而变化。但从确定基准的角度，我们可以选择某特定机组额定工况下的供电燃料单耗为评价基准，完全可以忽略作为基准的物理量本身也在变化的问题。基准的相对性不妨碍基准的科学性。基准的相对性从另一个侧面说明“”不适合作为评价基准，因为100%纯度的黄金与“0”耗损都是无法实现的，不具有相对性。基准的发展性是技术进步的客观要求。需要强调的是

28、，基准的发展性不意味着任意改变，应保持相对的稳定性。更重要的是，作为科学基准的东西应以达成广泛社会共识为前提，这完全可通过协商等方式解决。基准的区域性是指不同国家与地区、同一个国家的不同地区，其经济、技术发展是不平衡的，人口、资源条件也不尽相同，不能一概而论。因此，基准的相对性、发展性与区域性的特点说明，能源利用的评价应遵循实事求是原则、与时俱进原则和因地制宜原则。事实上，电气化已经成为是现代化的一个标志，单位电量的国民生产总值评价国家经济发展水平的重要指标，人均电量消耗也反映了不同地区民众生活水平。因此，电量已经成为人类社会的一个重要评价基准。建立统一化的能源利用评价基准，也是建立能源利用环

29、境影响的绩效性评价指标的关键，对于开展全局性污染总量控制机制研究将有非常重要的促进作用。28. 供热系统的传递特性及分析。(P23)热网(含冷热水、蒸汽及冷热空气等)的散热损失必然会减少终端产品的产量，所消耗的电量更是直接的能量消耗，因此根据式3-14，考虑热网网损的联产型终端产品生产的二次能源消耗可以用当量性能系数或当量电耗率指标评价： (3-17) 或 (3-18)式中：为热用户得到的热量或冷量，kW； 为输运电量之和，kW；为当量性能系数；为单位产品产量的当量电耗率。考虑热网网损的联产型终端产品的燃料单耗为： (3-19) 或 (3-20) 式3-17式3-20与式3-1式3-4是一样的

30、。得到终端产品的燃料单耗，就可得到与式3-7类似的热网网损计算公式。由于市政供热系统规模越来越大，供热范围越大，其散热损失越大，用户得到的热量越少，而消耗的电量越多，这意味着达到用户终端的产品燃料单耗越来越高，需引起重视。参考电网网损计算，这部分能耗应算作市政供热系统本身的能耗。29. 锅炉不可逆损失分布特性。图4.10 锅炉各换热设备的传递特性根据热力学第二定律，锅炉中不可逆热力学过程归纳为如下三种：(1).理论燃烧过程；(2).理论燃烧与燃料实际燃烧放热；(3).燃料实际燃烧放热与工质吸热。锅炉内可以分为三个温度：理论燃烧温度、烟气平均放热温度、工质平均吸热温度。而对于锅炉内的每个受热面也

31、相应地存在着这三个温度，而燃料燃烧以及锅炉内的传热过程，构成了锅炉内部损失中最大的两个部分。30. 试阐述单耗分析与电厂锅炉、汽轮机系统参数匹配。(P34)根据单耗分析理论，锅炉系统和汽轮机系统第二定律效率分别可以表示为： (4-23) (4-24)对于再热机组锅炉，其热能产品分为基本循环吸热量和再热吸热量两个部分，因此其综合吸热平均温度可用下式计算： K (4-25)式中，分别为给水吸热量和再热吸热量；，分别为给水和再热气流吸热的熵增加；，分别为锅炉出口蒸汽焓和给水焓；为再热蒸汽份额；，分别为再热前后蒸汽焓；，分别为锅炉出口蒸汽熵和给水熵；，分别为再热前后蒸汽熵。31. 基于单耗分析理论，分

32、析锅炉主要换热设备的作用。在锅炉内由于存在着温度差，故导致不可逆损失，图2-15给出了各换热设备的传递特性。从燃料到理论燃烧温度下燃烧产物的值到烟气实际放热温度下的热流最后到工质吸热得到的热流。图4.12为锅炉各换热设备附加单耗及构成。根据工质进出锅炉的热力参数计算，其最低理论单耗为19.63kg/GJ；图中各附加单耗之和为16.649 kg/GJ，即锅炉的实际燃料单耗为36.279kg/GJ，与锅炉94% (=34.1/36.279)的热效率相对应。图4.12清晰地显示水冷壁的附加燃料单耗最高，与其巨大的传热温差以及传热量相一致。图4.12为锅炉各换热设备附加单耗及构成。根据工质进出锅炉的热力参数计算，其最低理论单耗为19.63kg/GJ；图中各附加单耗之和为16.649 kg/GJ