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2025年公用设备工程师之专业案例（动力专业）考试题库含答案

一、热工基础部分

（一）理想气体状态方程相关案例

1.案例题目：某燃气储存容器中储存着压力为0.8MPa、温度为30℃的天然气（可视为理想气体，其摩尔质量M=16kg/kmol），容器体积为5m3。求容器中天然气的质量。

2.解题思路：首先根据理想气体状态方程\(pV=nRT\)（其中\(p\)为压力，\(V\)为体积，\(n\)为物质的量，\(R\)为通用气体常数，\(T\)为热力学温度），求出物质的量\(n\)，再根据物质的量与质量的关系\(m=nM\)（\(m\)为质量）计算出天然气的质量。

3.具体计算过程

-已知\(p=0.8MPa=0.8×10^6Pa\)，\(T=(30+273)K=303K\)，\(V=5m3\)，通用气体常数\(R=8314J/(kmol·K)\)。

-由\(pV=nRT\)可得\(n=\frac{pV}{RT}=\frac{0.8×10^6×5}{8314×303}\)

\[n=\frac{4×10^6}{2519142}\approx1.59kmol\]

-天然气质量\(m=nM=1.59×16=25.44kg\)

（二）热力学第一定律案例

1.案例题目：某燃气轮机装置，在稳定工况下运行，已知进入燃气轮机的燃气流量为10kg/s，燃气的焓值为1200kJ/kg，离开燃气轮机时的焓值为500kJ/kg，同时燃气轮机对外输出功率为6500kW。求燃气在燃气轮机中向外界散失的热量。

2.解题思路：根据热力学第一定律的稳定流动能量方程\(q=\Deltah+w\)（\(q\)为单位质量工质与外界交换的热量，\(\Deltah\)为单位质量工质的焓变，\(w\)为单位质量工质对外做的功），先求出单位质量工质对外做的功\(w\)，再结合焓变求出\(q\)，最后根据流量求出总的散热量。

3.具体计算过程

-单位质量工质对外做的功\(w=\frac{P}{m}=\frac{6500}{10}=650kJ/kg\)（\(P\)为功率，\(m\)为质量流量）

-单位质量工质的焓变\(\Deltah=h_2-h_1=500-1200=-700kJ/kg\)（\(h_1\)为进口焓值，\(h_2\)为出口焓值）

-由\(q=\Deltah+w\)可得\(q=-700+650=-50kJ/kg\)

-总的散热量\(Q=mq=10×(-50)=-500kW\)，负号表示向外界散热。

二、燃烧学部分

（一）燃烧所需空气量计算案例

1.案例题目：已知某种燃料的元素分析结果为：碳（C）含量为80%，氢（H）含量为10%，氧（O）含量为5%，氮（N）含量为3%，硫（S）含量为2%（质量分数）。求该燃料完全燃烧时所需的理论空气量（标准状态下，\(m3/kg\)）。

2.解题思路：根据各元素完全燃烧的化学反应方程式，分别计算出各元素完全燃烧所需的氧气量，再考虑燃料中自身含有的氧量，求出实际所需的氧气量，最后根据空气中氧气的体积分数（约为21%）计算出理论空气量。

3.具体计算过程

-碳完全燃烧的反应式为\(C+O_2=CO_2\)，1kg碳完全燃烧所需氧气的物质的量为\(\frac{80\%}{12}kmol\)，在标准状态下的体积为\(\frac{80\%}{12}×22.4m3\)。

-氢完全燃烧的反应式为\(2H_2+O_2=2H_2O\)，1kg氢完全燃烧所需氧气的物质的量为\(\frac{10\%}{4}kmol\)，在标准状态下的体积为\(\frac{10\%}{4}×22.4m3\)。

-硫完全燃烧的反应式为\(S+O_2=SO_2\)，1kg硫完全燃烧所需氧气的物质的量为\(\frac{2\%}{32}kmol\)，在标准状态下的体积为\(\frac{2\%}{32}×22.4m3\)。

-燃料中自身含氧量在标准状态下的体积为\(\frac{5\%}{32}×22.4m3\)。

-所需氧气总体积\(V_{O_2}=\left(\frac{80\%}{12}+\frac{10\%}{4}+\frac{2\%}{32}-\frac{5\%}{32}\right)×22.4\)

\[V_{O_2}=\left(\frac{0.8}{12}+\frac{0.1}{4}+\frac{0.02}{32}-\frac{0.05}{32}\right)×22.4\]