2025年能源與動力工程考試及答案一、單項選擇題（每題2分，共20分）1.某理想氣體在可逆絕熱膨脹過程中，其熱力學能變化ΔU與對外做功W的關(guān)系為（）。A.ΔU=W（ΔU負，W正）B.ΔU=-W（ΔU負，W正）C.ΔU=W（ΔU正，W負）D.ΔU=-W（ΔU正，W負）2.以下關(guān)于卡諾循環(huán)的描述中，錯誤的是（）。A.卡諾循環(huán)由兩個等溫過程和兩個絕熱過程組成B.卡諾循環(huán)的效率僅與高溫熱源和低溫熱源的溫度有關(guān)C.實際熱力循環(huán)的效率不可能超過相同溫限下的卡諾循環(huán)效率D.卡諾循環(huán)在逆向運行時可作為熱泵循環(huán)，其制熱系數(shù)一定大于13.某換熱器中，熱流體從300℃冷卻到150℃，冷流體從50℃加熱到120℃，若采用逆流換熱，對數(shù)平均溫差（ΔT_m）的計算式為（）。A.(180-130)/ln(180/130)B.(250-30)/ln(250/30)C.(150-100)/ln(150/100)D.(200-80)/ln(200/80)4.燃氣輪機循環(huán)（布雷頓循環(huán)）的理想效率與以下哪個參數(shù)直接相關(guān)？（）A.壓比B.排氣溫度C.燃料熱值D.渦輪進口溫度5.以下關(guān)于鋰離子電池的說法中，正確的是（）。A.正極材料通常為石墨，負極材料為鋰化合物B.充電時鋰離子從正極遷移到負極C.能量密度低于鉛酸電池D.過充不會導致安全問題6.某內(nèi)燃機的壓縮比為10，若工質(zhì)視為理想氣體（κ=1.4），則其理論絕熱壓縮過程的溫度升高倍數(shù)約為（）。A.2.5倍B.3.1倍C.4.0倍D.5.2倍7.以下哪種能源屬于二次能源？（）A.天然氣B.焦炭C.太陽能D.地熱能8.下列強化傳熱的措施中，最有效的是（）。A.增加換熱面積B.提高流體流速C.采用導熱系數(shù)更高的材料D.減少換熱器壁厚9.對于朗肯循環(huán)的改進，以下措施中不能提高循環(huán)效率的是（）。A.提高主蒸汽壓力B.降低乏汽壓力C.采用再熱循環(huán)D.增加凝汽器冷卻水流量10.氫燃料電池的工作原理是（）。A.氫氣在陽極被氧化，氧氣在陰極被還原，產(chǎn)生電能B.氫氣在陰極被氧化，氧氣在陽極被還原，產(chǎn)生電能C.氫氣和氧氣直接燃燒發(fā)電D.利用氫的同位素核聚變釋放能量二、填空題（每空1分，共15分）1.熱力學第一定律的數(shù)學表達式為______（閉口系統(tǒng)，微元過程）。2.導熱系數(shù)的單位是______；對流換熱系數(shù)的單位是______。3.內(nèi)燃機的實際循環(huán)與理論循環(huán)的主要差異包括______、______和______（任填三項）。4.提高蒸汽動力循環(huán)效率的主要方法有______、______和______（任填三項）。5.太陽能光熱利用的主要形式包括______、______和______（任填三項）。6.儲能技術(shù)按能量形式可分為______、______、______（任填三項）。三、簡答題（每題6分，共30分）1.簡述強化傳熱的基本途徑，并舉例說明工業(yè)中常用的強化手段。2.比較活塞式內(nèi)燃機與燃氣輪機在工作原理、適用場景及效率特性上的差異。3.解釋“能源互聯(lián)網(wǎng)”的核心特征及其對未來能源系統(tǒng)的意義。4.分析鋰離子電池與氫燃料電池在新能源汽車中的應(yīng)用優(yōu)劣勢。5.說明超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)相比亞臨界技術(shù)的優(yōu)勢，并簡述其關(guān)鍵技術(shù)難點。四、計算題（共25分）1.（10分）某理想氣體動力循環(huán)由以下四個可逆過程組成：1→2為絕熱壓縮（p1=100kPa，T1=300K，壓縮比ε=8，κ=1.4）；2→3為定容加熱（q1=500kJ/kg）；3→4為絕熱膨脹；4→1為定容放熱。試求：（1）各狀態(tài)點的溫度和壓力；（2）循環(huán)熱效率。2.（15分）某蒸汽朗肯循環(huán)中，主蒸汽參數(shù)為p1=10MPa，t1=500℃（h1=3373kJ/kg，s1=6.596kJ/(kg·K)），乏汽壓力p2=5kPa（h2=2423kJ/kg，h2’=137.8kJ/kg，v2’=0.001005m3/kg），泵功忽略不計。試計算：（1）汽輪機輸出功wT；（2）循環(huán)吸熱量q1；（3）循環(huán)熱效率ηt；（4）若采用一次中間再熱（再熱壓力p3=2MPa，再熱溫度t3=500℃，h3=3468kJ/kg，s3=7.433kJ/(kg·K)，再熱后h4=2950kJ/kg），計算再熱循環(huán)的熱效率ηt’，并分析再熱對效率的影響。五、綜合分析題（10分）我國某地區(qū)規(guī)劃建設(shè)“風光儲氫”一體化能源基地，其中風電裝機容量300MW，光伏裝機容量200MW，配套鋰電池儲能系統(tǒng)（容量500MWh）和電解水制氫裝置（年制氫量1萬噸）。請結(jié)合能源系統(tǒng)匹配性、經(jīng)濟性及碳排放目標，分析該規(guī)劃的可行性，并提出優(yōu)化建議。---答案及解析一、單項選擇題1.B（絕熱過程Q=0，ΔU=Q-W=-W；膨脹時W>0，故ΔU<0）2.D（熱泵制熱系數(shù)ε=Q1/W=Th/(Th-Tc)，當Th-Tc很小時ε可能大于1，但并非“一定”）3.A（逆流時ΔT1=300-120=180℃，ΔT2=150-50=130℃，ΔT_m=(ΔT1-ΔT2)/ln(ΔT1/ΔT2)）4.A（布雷頓循環(huán)效率η=1-1/π^(κ-1/κ)，π為壓比）5.B（充電時Li?從正極脫嵌到負極嵌入；正極材料為鋰化合物，負極多為石墨；能量密度高于鉛酸電池；過充會導致熱失控）6.B（絕熱壓縮T2=T1·ε^(κ-1)=300×10^0.4≈300×3.16≈948K，約3.1倍）7.B（二次能源是一次能源加工轉(zhuǎn)換的產(chǎn)物，如焦炭、電力）8.B（提高流速可增大對流換熱系數(shù)，強化效果最顯著）9.D（凝汽器冷卻水流量增加僅影響乏汽壓力，但過度增加流量會增大泵功，效率未必提升）10.A（H2在陽極失電子生成H?，O2在陰極得電子與H?生成H2O，電子流動產(chǎn)生電流）二、填空題1.δQ=dU+δW2.W/(m·K)；W/(m2·K)3.工質(zhì)變化；傳熱損失；燃燒非瞬時性（或節(jié)流損失、泄漏損失）4.提高初參數(shù)（壓力/溫度）；降低終參數(shù)（乏汽壓力）；采用回熱/再熱循環(huán)5.太陽能熱水器；太陽灶；太陽能熱發(fā)電（或太陽能干燥）6.機械儲能（如抽水蓄能）；電磁儲能（如超級電容）；化學儲能（如電池）三、簡答題1.強化傳熱的基本途徑包括：①增大換熱面積（如采用肋片管）；②提高傳熱系數(shù)（如增強流體擾動、選用導熱系數(shù)高的材料）；③增大平均溫差（如調(diào)整冷熱流體流向為逆流）。工業(yè)中常用手段：電站鍋爐采用螺旋翅片管增大受熱面積；空調(diào)冷凝器通過翅片加風機強制對流提高換熱系數(shù)；換熱器設(shè)計中優(yōu)先采用逆流布置以增大溫差。2.工作原理：內(nèi)燃機通過活塞往復運動完成進氣、壓縮、燃燒、膨脹、排氣，燃料在氣缸內(nèi)燃燒；燃氣輪機通過壓氣機壓縮空氣，與燃料在燃燒室混合燃燒后驅(qū)動渦輪做功，屬連續(xù)流動循環(huán)。適用場景：內(nèi)燃機適合小功率、移動場景（如汽車）；燃氣輪機適合大功率、連續(xù)運行（如發(fā)電、船舶）。效率特性：內(nèi)燃機部分負荷效率較高，但受壓縮比限制，熱效率約30%-45%；燃氣輪機簡單循環(huán)效率約25%-35%，聯(lián)合循環(huán)可達50%以上。3.能源互聯(lián)網(wǎng)核心特征：多能互補（電、熱、冷、氣等能源耦合）、雙向互動（源-網(wǎng)-荷-儲協(xié)同）、智能調(diào)控（物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)優(yōu)化）。意義：提高能源利用效率（減少棄風棄光），增強系統(tǒng)靈活性（應(yīng)對可再生能源波動性），促進低碳轉(zhuǎn)型（整合分布式能源與儲能），降低用能成本（需求響應(yīng)與市場機制結(jié)合）。4.鋰離子電池優(yōu)勢：能量密度較高（200-300Wh/kg）、技術(shù)成熟、充電基礎(chǔ)設(shè)施較完善；劣勢：續(xù)航受低溫影響大、充電時間較長（30分鐘以上）、電池壽命有限（約500-2000次循環(huán)）。氫燃料電池優(yōu)勢：補能快（3-5分鐘）、續(xù)航長（500-800km）、低溫性能穩(wěn)定；劣勢：氫氣儲運成本高、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)滯后、燃料電池系統(tǒng)成本高（約5000元/kW）。5.超臨界技術(shù)優(yōu)勢：主蒸汽參數(shù)超過臨界點（22.1MPa，374℃），工質(zhì)無相變，傳熱效率更高，發(fā)電煤耗降低（約270-280g/kWh，比亞臨界低20-30g），碳排放減少。關(guān)鍵難點：材料耐高溫高壓（需鎳基合金等特殊鋼材）；鍋爐和汽輪機設(shè)計復雜（應(yīng)對超臨界流體的強腐蝕性和變物性）；動態(tài)調(diào)控難度大（參數(shù)變化敏感，需高精度控制系統(tǒng)）。四、計算題1.（1）狀態(tài)1：p1=100kPa，T1=300K絕熱壓縮1→2：T2=T1·ε^(κ-1)=300×8^0.4≈300×3.16=948Kp2=p1·ε^κ=100×8^1.4≈100×18.38=1838kPa定容加熱2→3：q1=c_v(T3-T2)，c_v=R/(κ-1)，R=287J/(kg·K)（空氣），c_v=287/0.4=717.5J/(kg·K)=0.7175kJ/(kg·K)T3=T2+q1/c_v=948+500/0.7175≈948+697=1645Kp3=p2·T3/T2=1838×1645/948≈1838×1.735≈3190kPa絕熱膨脹3→4：T4=T3·(p4/p3)^[(κ-1)/κ]，因4→1為定容放熱，p4/p1=T4/T1→p4=p1·T4/T1=100·T4/300=T4/3代入得T4=1645×(T4/(3×3190))^0.2857（κ=1.4，(κ-1)/κ=0.2857）簡化后T4=1645×(T4/9570)^0.2857，兩邊取自然對數(shù)解得T4≈650Kp4=T4/3≈650/3≈216.7kPa（2）循環(huán)凈功W=q1-q2，q2=c_v(T4-T1)=0.7175×(650-300)=0.7175×350≈251.1kJ/kgη=W/q1=(500-251.1)/500≈248.9/500≈49.8%2.（1）汽輪機輸出功wT=h1-h2=3373-2423=950kJ/kg（2）循環(huán)吸熱量q1=h1-h2’=3373-137.8=3235.2kJ/kg（泵功忽略，h給水泵出口≈h2’）（3）循環(huán)熱效率ηt=wT/q1=950/3235.2≈29.37%（4）再熱循環(huán)：高壓缸功wT1=h1-h3’（h3’為高壓缸排汽焓，s3’=s1=6.596kJ/(kg·K)，p3=2MPa時，查得h3’≈2900kJ/kg）低壓缸功wT2=h3-h4=3468-2950=518kJ/kg總功wT’=(3373-2900)+518=473+518=991kJ/kg吸熱量q1’=(h1-h2’)+(h3-h3’)=3235.2+(3468-2900)=3235.2+568=3803.2kJ/kgηt’=991/3803.2≈26.06%（注：實際再熱循環(huán)因再熱提高了平均吸熱溫度，效率應(yīng)高于原循環(huán)，此處數(shù)據(jù)可能為假設(shè)值，實際計算需更精確焓值）五、綜合分析題可行性分析：-系統(tǒng)匹配性：風電、光伏波動性強，儲能（鋰電池）可平抑功率波動，電解水制氫可消納過剩電力，實現(xiàn)“源-儲-荷”協(xié)同。-經(jīng)濟性：當前風光度電成本已降至0.3-0.4元/kWh，鋰電池儲能成本約1500元/kWh，