2025年(能源与动力开发工程师)能源与动力工程试题及答案

2025年(能源与动力开发工程师)能源与动力工程试题及答案一、单项选择题（共15题，每题2分，共30分）1.下列关于热力学第一定律的表述中，正确的是（）。A.热机效率不可能达到100%B.能量传递过程中总量守恒，形式可转换C.孤立系统的熵永不减少D.热量不能自发从低温物体传向高温物体2.卡诺循环的热效率仅与（）有关。A.循环中的吸热量与放热量B.高温热源与低温热源的温度C.工质的性质D.循环的做功能力3.以下不属于可再生能源的是（）。A.地热能B.页岩气C.潮汐能D.生物质能4.内燃机四冲程工作循环中，做功冲程的结束阶段对应（）。A.进气门开启，排气门关闭B.进、排气门均关闭C.进气门关闭，排气门开启D.进、排气门均开启5.朗肯循环中，提高蒸汽初温对循环效率的影响是（）。A.无影响B.降低效率C.提高效率，但受金属材料耐温限制D.先提高后降低6.下列传热方式中，必须通过介质分子微观运动实现的是（）。A.热辐射B.热对流C.热传导D.热扩散7.燃气轮机的基本组成不包括（）。A.压气机B.燃烧室C.汽轮机D.透平8.衡量燃料化学能转化为热能的指标是（）。A.发电效率B.燃烧效率C.热效率D.能量利用率9.以下关于热泵的描述，错误的是（）。A.消耗少量高位能，从低位热源吸热B.制冷系数（COP）一定大于1C.可用于供暖或制冷D.违反热力学第二定律10.太阳能光伏发电的核心部件是（）。A.逆变器B.蓄电池C.太阳能电池板D.控制器11.某热机从高温热源吸热1000kJ，向低温热源放热400kJ，则其热效率为（）。A.40%B.50%C.60%D.70%12.以下不属于提高锅炉效率的措施是（）。A.降低排烟温度B.增加过量空气系数C.减少散热损失D.优化燃料与空气混合13.风力发电机组的功率与风速的（）成正比。A.一次方B.二次方C.三次方D.四次方14.下列哪项是燃料电池的特点？（）A.能量转换需经过燃烧过程B.效率受卡诺循环限制C.直接将化学能转化为电能D.仅使用氢气作为燃料15.热力系统中，“开口系统”的特征是（）。A.与外界无物质交换，有能量交换B.与外界有物质交换，可能有能量交换C.与外界无物质和能量交换D.仅与外界有热量交换二、多项选择题（共10题，每题3分，共30分，少选得1分，错选不得分）1.热力学第二定律的典型表述包括（）。A.克劳修斯表述：热量不能自发从低温物体传向高温物体B.开尔文表述：不可能从单一热源吸热并全部转化为功而不引起其他变化C.能量守恒定律D.孤立系统熵增原理2.以下属于清洁能源的有（）。A.天然气B.核能C.风能D.煤炭3.内燃机的主要性能指标包括（）。A.功率B.燃油消耗率C.排放污染物浓度D.气缸直径4.影响导热系数的因素有（）。A.材料种类B.温度C.压力（对气体）D.物体形状5.朗肯循环的改进方式包括（）。A.采用再热循环B.降低冷凝器压力C.提高蒸汽初压D.减少工质流量6.太阳能利用的主要形式有（）。A.光热转换B.光电转换C.光化学转换D.光机械转换7.以下关于余热回收的描述，正确的是（）。A.可回收工业废气、废水的热量B.能提高能源综合利用率C.仅适用于高温余热D.常用设备包括余热锅炉、换热器8.影响风力发电效率的因素有（）。A.风轮叶片设计B.风速稳定性C.发电机效率D.空气密度9.以下属于动力循环的有（）。A.卡诺循环B.布雷顿循环（燃气轮机循环）C.斯特林循环D.朗肯循环10.提高燃气轮机效率的措施包括（）。A.提高涡轮进口温度B.增加压气机压比C.采用回热循环D.降低燃烧室效率三、填空题（共10题，每题2分，共20分）1.热力学第一定律的数学表达式为________（闭口系统，符号规定：吸热为正，对外做功为正）。2.标准煤的发热量定义为________kJ/kg（或kcal/kg）。3.内燃机的压缩比是指________与________的比值。4.传热的三种基本方式为________、________、________。5.风力机的叶尖速比是指________与________的比值。6.燃料电池按电解质类型分类，常见的有________（至少列举两种）。7.朗肯循环的四大设备是________、________、________、________。8.评价能源利用效率的指标包括________（至少列举两种）。9.热机效率的定义是________与________的比值。10.地热能的利用方式主要有________和________。四、简答题（共5题，第12题每题6分，第35题每题8分，共36分）1.（封闭型）简述卡诺定理的内容及其意义。2.（封闭型）说明燃气轮机与汽轮机的主要区别（从工质、循环类型、应用场景三方面回答）。3.（开放型）分析火力发电厂排烟温度过高的可能原因及改进措施。4.（开放型）比较光伏发电与光热发电的技术特点及适用场景。5.（开放型）论述“双碳”目标下能源与动力工程领域的技术发展方向（至少列举3个方向并说明）。五、应用题（共5题，第12题每题10分，第34题每题12分，第5题14分，共60分）1.（计算题）某卡诺热机工作于600℃的高温热源和30℃的低温热源之间，求其热效率；若实际热机效率为卡诺效率的70%，当从高温热源吸热5000kJ时，实际对外做功多少？2.（计算题）某蒸汽朗肯循环中，新蒸汽参数为p1=10MPa、t1=500℃（焓h1=3373kJ/kg），排汽压力p2=0.005MPa（排汽焓h2=2300kJ/kg），凝结水焓h3=137kJ/kg，给水泵出口水焓h4=147kJ/kg（忽略泵功）。求：（1）循环净功；（2）循环热效率。3.（分析题）某工厂余热锅炉排烟温度为200℃，流量为10000kg/h，烟气定压比热容cp=1.05kJ/(kg·℃)，环境温度为25℃。若采用余热回收系统将排烟温度降至100℃，计算每小时可回收的热量；并提出一种余热利用方案（需说明设备及能量转换路径）。4.（分析题）某内燃机试验台测得：发动机转速n=3000r/min，扭矩T=200N·m，燃油消耗率b=240g/(kW·h)，燃油低热值Hu=42700kJ/kg。计算：（1）发动机功率；（2）有效热效率。5.（综合题）设计一个小型分布式能源系统（以天然气为燃料），要求包含发电、供热、制冷功能（三联供）。需说明系统组成设备、能量转换流程及提高能源利用率的关键技术（可结合热力学循环、设备匹配等分析）。参考答案与解析一、单项选择题1.B（热力学第一定律即能量守恒定律，强调能量总量不变、形式转换）2.B（卡诺效率η=1T2/T1，仅与两热源温度有关）3.B（页岩气是化石能源，不可再生）4.B（做功冲程中活塞下行，进、排气门均关闭）5.C（提高初温可降低排汽湿度、提高平均吸热温度，从而提升效率，但受材料耐温限制）6.C（热传导依赖分子、原子的微观振动；热对流需流体宏观运动；热辐射无需介质）7.C（汽轮机是蒸汽动力设备，燃气轮机由压气机、燃烧室、透平组成）8.B（燃烧效率指燃料化学能转化为燃烧产物热能的比例）9.D（热泵通过消耗功实现热量从低温到高温的传递，不违反热力学第二定律）10.C（太阳能电池板是光伏转换的核心，其他为辅助设备）11.C（η=W/Q1=(1000400)/1000=60%）12.B（过量空气系数过大反而会增加排烟热损失，降低效率）13.C（风力发电功率P∝v³，v为风速）14.C（燃料电池直接通过电化学反应将化学能转化为电能，无燃烧过程，效率不受卡诺循环限制）15.B（开口系统与外界有物质交换，可能伴随能量交换）二、多项选择题1.ABD（能量守恒是热力学第一定律）2.ABC（天然气是相对清洁的化石能源，核能、风能为清洁能源；煤炭污染较大）3.ABC（气缸直径是结构参数，非性能指标）4.ABC（导热系数是材料固有属性，与物体形状无关）5.ABC（减少工质流量会降低循环功率，不提高效率）6.ABC（光机械转换非主要利用形式）7.ABD（余热回收适用于高、中、低温余热）8.ABCD（风轮设计影响能量捕获，风速稳定性影响输出，发电机效率影响转换，空气密度ρ∝P/v，影响功率）9.ABCD（均为将热能转化为机械能的循环）10.ABC（降低燃烧室效率会直接降低循环效率）三、填空题1.ΔU=QW（或Q=ΔU+W）2.29307（或7000kcal/kg）3.气缸总容积；燃烧室容积（或压缩前气缸容积；压缩后气缸容积）4.热传导；热对流；热辐射5.叶尖线速度；风速6.质子交换膜燃料电池（PEMFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）、磷酸燃料电池（PAFC）（任意两种）7.锅炉；汽轮机；冷凝器；给水泵8.能源利用率、设备效率、系统效率、单位产品能耗（任意两种）9.循环净功；从高温热源吸收的热量（或Wnet/Q1）10.地热发电；地热直接利用（如供暖、温泉）四、简答题1.卡诺定理内容：（1）在相同温度的高温热源和低温热源之间工作的一切可逆热机，其效率相等，与工质无关；（2）在相同温度的高温热源和低温热源之间工作的一切不可逆热机，其效率低于可逆热机。意义：指出了热机效率的极限（卡诺效率），为提高实际热机效率提供了理论指导（如减少不可逆因素），并奠定了热力学第二定律的基础。2.主要区别：工质：燃气轮机工质是燃烧产生的高温燃气；汽轮机工质是水蒸气。循环类型：燃气轮机采用布雷顿循环（气体动力循环）；汽轮机采用朗肯循环（蒸汽动力循环）。应用场景：燃气轮机适用于航空、舰船、分布式能源（启停快、功率密度高）；汽轮机适用于大型火力发电、核电厂（效率高、适合连续运行）。3.排烟温度过高的可能原因：受热面积灰、结渣，导致传热系数下降；过量空气系数过大，排烟量增加；燃烧不完全，炉膛温度降低，排烟温度升高；空气预热器故障，回收热量减少；燃料水分或灰分过高，影响传热。改进措施：定期清理受热面，优化吹灰频率；调整燃烧工况，控制合理的过量空气系数；提高燃料质量或预处理（如干燥）；检修或更换空气预热器，增强余热回收；采用烟气再循环技术，降低排烟温度。4.光伏发电与光热发电的比较：技术特点：光伏发电通过半导体光伏效应直接发电，无运动部件，系统简单；光热发电通过聚光集热产生蒸汽驱动汽轮机发电，需热存储、蒸汽系统，结构复杂。效率：光伏发电效率约15%25%（受光照强度影响大）；光热发电效率约15%25%（可通过储热实现连续发电）。适用场景：光伏发电适合分布式、小规模应用（如屋顶电站）；光热发电适合大规模、集中式电站（如荒漠地区，需充足直射光）。5.“双碳”目标下的技术发展方向：可再生能源规模化利用：如高效光伏、陆上/海上风电、光热储能一体化，解决间歇性问题（需配套储能技术）。化石能源清洁化：发展超超临界发电（提高效率）、碳捕集与封存（CCUS）技术，降低燃煤电厂碳排放。氢能与燃料电池：利用可再生能源电解水制绿氢，应用于重卡、航运等难脱碳领域，替代化石燃料。多能互补系统：整合电、热、冷、气等多种能源形式，通过智能电网优化调度，提高综合能源利用率。五、应用题1.解：（1）卡诺效率ηc=1T2/T1=1(30+273)/(600+273)=1303/873≈65.3%；（2）实际效率η=0.7×65.3%≈45.7%；实际做功W=η×Q1=45.7%×5000≈2285kJ。2.解：（1）循环净功Wnet=(h1h2)(h4h3)=(33732300)(147137)=107310=1063kJ/kg（忽略泵功时，h4h3≈泵功，可简化为Wnet=h1h2）；（2）循环吸热量Q1=h1h4=3373147=3226kJ/kg；热效率η=Wnet/Q1=1063/3226≈33%（或简化为η=(h1h2)/(h1h3)，因h4≈h3+泵功，泵功较小可忽略）。3.解：（1）回收热量Q=qm×cp×(T1T2)=10000kg/h×1.05kJ/(kg·℃)×(200100)=1