能量的转换与储存资料
物理学中的能量转换与储存技术
物理学中的能量转换与储存技术能量转换与储存技术是当今物理学领域的热点方向之一。
能量转换是指将一种能量形式转换为另一种能量形式的过程。
而能量储存则是将能量储存下来，以备将来需要时使用。
在科技不断发展的今天，能源供给已成为一个举足轻重的问题。
传统能源的短缺和环境问题，以及气候变化等全球性问题的不断加剧，促使我们在能源转化和储存方面进行更加深入的研究。
一、能量转换技术1.1 光电转换光电转换是指将光能转换为电能的技术。
当前，光电转换技术已经广泛应用于太阳能电池、太阳能热发电、光催化等领域。
尤其是太阳能电池，已经成为了当前最为主流的绿色能源之一。
在太阳能电池方面，随着新型材料和器件的不断涌现，太阳能电池的效率和稳定性得到了极大提高。
例如，钙钛矿太阳能电池具有高的光电转换效率、易制备、低成本等优势，成为当前的研究热点之一。
另外，在光催化方面，利用光能催化分解水来制备氢气已成为研究热点之一。
这不仅能高效利用可再生能源，同时还可以解决氢气产生过程中的环境问题。
1.2 热电转换热电转换是指将热能转换为电能的技术。
热电材料是实现热电转换的关键因素。
目前，热电材料的研究重点主要是利用稀有元素的化合物和复合材料来提高材料的性能。
热电转换技术具有广泛的应用前景，例如在汽车尾气净化，火力发电，可再生能源利用等领域均有广泛应用。
1.3 机械电能转换机械电能转换是指将机械能转化为电能的过程。
悬挂式风力发电机是一种常见的机械电能转换设备。
在风能利用方面，悬挂式风力发电机具有体积小、重量轻、效率高等优点。
除此之外，机械电能转换还有其他的应用，例如车轮发电、水轮发电等等。
二、能量储存技术2.1 化学储能化学储能技术是指利用化学反应来储存能量的技术。
目前，锂离子电池和钠离子电池已成为主流化学储能技术。
锂离子电池具有体积小，容量大，储存能量密度高，使用寿命长等优点，已经广泛应用于移动电源、电动汽车、智能家居等领域。
钠离子电池是目前被广泛研究的一种替代锂离子电池的储能技术。
生命历程中的能量转换和转移
生命历程中的能量转换和转移在生命的历程中，能量的转换和转移是一个不断进行的过程。
能量对于生命的维持和发展具有至关重要的意义，是生命的一种本质属性。
由于生命过程是一个巨大而复杂的系统，因此能量的转换和转移也存在着不同的方式和形式。
一、能量的来源和转换生命过程中的能量主要来源于食物。
食物中的有机物质经过消化、吸收和代谢后，被转化成为能够被细胞利用的能量，形成了细胞的内能。
比如，葡萄糖通过细胞呼吸途径被氧化，释放出大量的能量，以三磷酸腺苷（ATP）的形式存在于细胞内，为细胞提供持续不断的能量供给，以维持正常的代谢功能。
在人体内，碳水化合物、脂肪和蛋白质是主要的能量来源。
碳水化合物主要是由糖类组成，糖类是体内最重要的能源和组织结构单元。
脂肪是生命过程中最高效的储能物质，它含有丰富的化学键，可提供大量的能量，是人体贮存能量最主要的途径。
蛋白质不仅是组成细胞结构的重要物质，也是能够被氧化分解产生能量的物质。
不同的营养成分在体内通过代谢途径进一步转化为能量，供给不同的生命过程，如生长、细胞分裂、运动和免疫等。
二、能量的转移和分配人体的内能不会存在大量的积累，需要时刻地供给细胞和组织结构，以维持身体正常的功能。
能量的转移和分配是由心血管系统和呼吸系统进行调节的。
心血管系统负责将血液从心脏输送到全身各处，供给组织和器官，呼吸系统则是将氧气从空气中吸入体内，送达不同的细胞，供给呼吸作用之需。
能量的转移和分配应当是一个有序和平衡的过程。
过多的能量转移会使身体负荷过大，导致过度肥胖、糖尿病等疾病的发生。
同时，能量分配的不均衡也可能导致身体的某些器官获得不足的供应，造成功能减退或疾病的发作。
因此，我们应该通过科学的饮食和运动方式，确保身体得到合适的营养和能量供应，保持身体的健康状态。
三、能量的转换与机体保护人体内部的自我调节机制能够确保能量的合理转换和分配。
为了避免过多的内能积累影响细胞和器官的正常运转，机体会将多余的能量转化为储存能量或热能。
能量转换和储存
化学能转换为热能
燃料燃烧是获取热能的最主要方式。 能在空气中燃烧的物质称为可燃物，但不能 把所有的可燃物都称作燃料（如米和沙糖之 类的食品）。 所谓燃料，就是能在空气中容易燃烧并释放 出大量热能的气体、液体或固体物质，是能 在经济上值得利用其发热量的物质的总称。 燃料通常按形态分为固体燃料、液体燃料和 气体燃料。
固体燃料
液体燃料
气体燃料
化学能转换为热能
燃烧反应是一个氧化反应。 燃料中的可燃元素碳、氢、硫和空气中的氧激剧化 合时发出显著的光和热。 通过燃料燃烧将化学能转换为热能的装臵称为燃烧 设备。其中锅炉就是典型的燃烧设备，它是通过化 石燃料的燃烧将燃料的化学能转换为高温烟气的热 能，并用热能加热水使之变为蒸汽。
化学能 化学能 化学能 热能 热能 热能 机械能 机械能
转换机械或系统
炉子、燃烧器 各种热力发动机 电能 热机、发电机，磁流体 发电，EGD发电（压电 效应） 热力发电，热电子发电 燃料电池
氢和酒精 等二次能 源
化学能 化学能
电能 电能
热能
能量转换过程及转换设备或系统
能源 能源形态转换过程
机械能 机械能
油的燃烧
油的燃烧方法有内燃和外燃两种方式。 所谓内燃，是在发动机气缸内部极为有限的 空间进行高压燃烧，是一种瞬间的燃烧过程。 所谓外燃，就是不在机器内部燃烧，而在燃 烧室内燃烧，并直接利用燃烧发出的热量， 如锅炉、窑炉内进行的燃烧。 油燃烧的全过程包含着传热过程、物质扩散 过程和化学反应过程。
不同燃料的燃烧特点
煤的燃烧 油的燃烧 气体燃料的燃烧
煤的燃烧
煤的燃烧基本上有两种形式：第一种是煤粉悬浮在 空间燃烧，称为室燃或粉状燃烧；第二种就是煤块 在炉排上燃烧，称为层燃或层状燃烧。
细胞的能量转化和储存
细胞的能量转化和储存细胞是生命的基本单位，能量的转化和储存是细胞正常运行所必需的过程。
细胞通过将化学能转化为储存形式的能量分子，如ATP，来供应各种生物学功能的实现。
本文将讨论细胞能量转化和储存的机制。
一、细胞的能量转化能量转化是指细胞通过化学反应将一种形式的能量转变为另一种形式的能量。
在细胞内，最主要的能量转化过程是细胞呼吸。
细胞呼吸分为三个阶段：糖酵解、三羧酸循环和氧化磷酸化。
1. 糖酵解：糖酵解是指在无氧条件下将葡萄糖分解为乳酸或乙醇，并产生少量的ATP。
在此过程中，葡萄糖经过多个酶的作用逐步转化为丙酮酸，再经过反应生成乳酸或乙醇。
2. 三羧酸循环：三羧酸循环是指在有氧条件下将葡萄糖完全分解为二氧化碳和水，并产生大量的ATP。
在此过程中，丙酮酸通过一系列酶的作用逐步转化为柠檬酸，然后再逐步生成氧化底物，最终生成二氧化碳和水。
3. 氧化磷酸化：氧化磷酸化是指在线粒体内将三羧酸循环生成的氧化底物氧化为水，通过呼吸链产生大量的ATP。
氧化磷酸化是细胞能量转化的最后一步，它依赖于含氧的线粒体内膜上的呼吸链与氧化底物之间的电子传递，最终发电产生ATP。
二、细胞的能量储存细胞将能量储存为ATP分子，并在需要时释放能量。
ATP是一种高能化合物，它的分解可以释放储存的能量，供细胞各项生物学功能的运行。
ATP的合成过程称为磷酸化，主要通过三种途径实现：1. 无氧磷酸化：无氧磷酸化是利用无氧条件下的底物直接将ADP磷酸化形成ATP，无需氧气的参与。
无氧磷酸化的底物可以是磷酸肌酸或磷酸一酸二糖等。
2. 有氧磷酸化：有氧磷酸化是在氧气参与下进行的，通过线粒体内的呼吸链将ADP 磷酸化形成ATP。
有氧磷酸化是细胞能量转化的最主要途径，也是产生最为丰富的ATP的途径。
3. 光磷酸化：光磷酸化是植物和某些微生物利用光能将ADP磷酸化形成ATP，其过程主要发生在叶绿体内。
光磷酸化是光合作用的一部分，通过光合作用产生的NADPH和ATP为细胞提供能量。
细胞的能量转换
细胞的能量转换细胞是生物体的基本单位，通过细胞内各种代谢反应来维持生命活动。
其中，能量的转换是细胞生命活动的基础。
本文将从细胞内能量储存、能量转换的方式以及相关代谢过程等方面来探讨细胞的能量转换。
一、细胞内能量储存细胞内的能量主要以ATP（腺苷三磷酸）的形式储存。
ATP是一种高能化合物，它由腺嘌呤、核糖和三个磷酸基团组成。
而ATP的磷酸键具有高能，通过磷酸键的断裂，可以释放出储存的能量，为细胞进行各种生命活动提供动力。
细胞内ATP的合成是经过一系列复杂的能量转换来完成的。
最主要的合成途径是细胞呼吸作用。
在有氧条件下，细胞通过氧化葡萄糖产生大量的ATP。
而在无氧条件下，细胞则通过乳酸发酵产生少量的ATP。
此外，细胞还通过光合作用合成ATP，但这一过程主要发生在植物细胞中。
二、能量转换的方式细胞内能量转换的方式多种多样，常见的有细胞呼吸作用和光合作用。
1. 细胞呼吸作用细胞呼吸作用是生物体将有机物质分解为CO2和H2O的过程，同时产生能量。
它分为三个主要阶段：糖酵解、Krebs循环和氧化磷酸化。
首先，糖酵解将葡萄糖分解为两个分子的丙酮酸，同时产生少量的ATP和NADH。
之后，丙酮酸进入Krebs循环，在多次反应过程中，产生大量的NADH和FADH2，并生成CO2。
最后，NADH和FADH2通过氧化磷酸化的过程，将其储存的电子传递给电子传递链，最终产生较大量的ATP。
2. 光合作用光合作用是植物细胞或某些细菌利用光能将二氧化碳和水转化为有机物质的过程，同时释放出氧气。
光合作用可以分为两个主要阶段：光反应和暗反应。
在光反应阶段，光能被光合色素吸收，并转化为化学能。
通过光合色素分子间的电子传递，产生能量丰富的ATP和NADPH，并释放出氧气。
而在暗反应阶段，通过ATP和NADPH的提供，植物细胞将CO2转化为有机物质，并再生ADP和NADP+。
三、相关代谢过程除了细胞呼吸作用和光合作用，细胞内还存在其他相关代谢过程，进一步实现能量的转换。
能量的转换与储存方式
能量的转换与储存方式随着人类社会的发展，能源的需求越来越大，同时环境保护问题也越来越受到人们的关注。
如何高效地转换和储存能量成为了当下研究的热点。
本文将讲述能量的转换和储存方式。
一、能量的转换能量的转换，即是将一种形式的能量转换为另一种形式的能量。
在生产和生活中，我们经常需要进行能量的转换，如化学能转换为热能、电能转换为机械能等。
以下几种能量的转换方式值得关注：1.光能转化日光是一种广泛存在且不会耗尽的资源，而太阳光可以被转换为电能或热能。
太阳能电池片是将光能直接转化为电能的一种常见方式。
而太阳能热发电则是利用太阳辐射产生热能使水蒸气推动涡轮发电的方式。
这些技术的应用有望实现清洁能源的长期稳定供应。
2.化学能转化化学能是指物质因化学反应而释放的能量，如燃料的燃烧。
将化学能转换为其他形式的能量也是我们经常需要进行的操作。
例如热能锅炉燃烧燃料生成热能，然后将这些热能用于驱动发电机生成电能。
另一种方式是利用电化学反应将化学能转换为电能，如蓄电池和燃料电池等。
3.机械能转化在行业生产和日常生活中，机械辅助设备的广泛应用促进了机械能的转换。
例如汽车引擎将燃油的化学能转换为机械能，同时驱动车轮的旋转，从而达到运动的目的。
车轮的转动则将机械能转化为动能。
二、能量的储存在能量转换的基础上，储存能量也是十分关键的。
储存能量有助于缓解能源供应短缺和需求不稳定性的问题。
以下列出常见的能量储存方式：1.电池储存电池储存是将化学能转化为电能并储存在电池之中。
现代电池具有高能量密度和长时间使用寿命等特点，在高速、高质量、节能的当前生产方式下，广泛应用于各行各业中。
2.超级电容储存超级电容储存是利用电场和电荷之间的相互作用储存能量，也是一种较为常见的储存方式。
超级电容器具有高速、高效、长周期等优势，通常用于电力质量改善和短时应急供电。
3.物理储存物理储存包括压缩空气储能和储热装置，如储热罐和蓄热板等。
压缩空气储能利用空气压缩并储存，释放时再通过逆向过程将能量释放出来。
【电化学】第五章 电化学能量转换和储存
2Na+5S=Na2S5
(初期)
2Na+4Na2S5=5Na2S4 (中、后期)
2Na+Na2S4=2Na2S2 (后期，Na2S5耗尽后)
二、固体电解质电池
与溶液型电解质电池相比，其特点是贮存寿命长，使用 温度范围广，耐振动及冲击，没有泄漏电解液或产生气体 等问题，能制成薄膜，做成各种形状和微型化。但是固体 电解质的电导率低于液态电解质溶液，常温时电他的比功 率和比能量较低，容易出现极化，不易适应工作时体积变 化
第三节 蓄 电 池
一、铅酸蓄电池
1、 铅酸蓄电池分类、结构和工作原理
铅酸蓄电池分类
启动用蓄电池
固定型蓄电池
牵引用蓄电池
摩托车用蓄电池
按用途分
船舶用蓄电池
航空用蓄电池
坦克用蓄电池
铁路客车用蓄电池
航标用蓄电他
矿灯用蓄电池等
三.锌汞电池和锌银电池
1.锌汞电池
Zn(含少量Hg)｜30-40%KOH(ZnO饱和)｜HgO，Hg 负极反应 Zn+4OH- = Zn(OH)42-+ 2e
（6）自放电
第三节 蓄 电 池
3、密封式铅酸电池 使电池达到气密有三个途径：
（1）气相催化法 （2）辅助电极式 （3）阴极吸收式
二、镉镍蓄电池 碱性蓄电池是使用KOH或NaOH电解液的二次电池的
总称。包括镉镍、镉银、锌银、锌镍、氢镍等蓄电池 镉镍电池的优点：①对进行高率放电；②低温特性好；
③循环寿命长；④即使完全放电，性能也不怎么下降； ⑤易于维护；⑥易于密闭化。缺点主要是电压较低
三、电池的命名和型号 自学！！
第二节 用锌作负极的电池
一、锌锰干电池 锌－二氧化锰电池常称锌锰十电池，正极为二氧
电化学能量储存和转换技术的研究和应用
电化学能量储存和转换技术的研究和应用电化学能量储存和转换是当今能源领域的前沿研究。
这种技术可以将能量从电流转化为化学能，并在需要时将其转换回电能。
这种转换方式可以用于可再生能源的收集和存储，如太阳能、风能、水能等。
此外，它还可以用于家庭和工业用电，以及非常重要的电动车领域。
在本文中，我将介绍电化学能量储存和转换技术的研究和应用。
1. 电化学储能技术电化学储能技术是将化学能转换成电能的一种方法。
这种技术可以使用化学反应，将电能储存为化学能，然后在需要时再将化学能转换回电能。
其中一种储能方法是用电池存储电能。
电池是一个装有电解液和电极的容器。
电池中的化学反应可以将电能从电极转换成化学能，以电荷的形式储存起来。
在需要时，化学能可以通过反应转化为电能。
电池中的电解液可以是液态或固态的，而电极可以是金属、半导体、碳材料或有机材料。
锂离子电池是一种广泛使用的电池类型。
它的正极通常是氧化物，如钴、镍或锰，其负极是石墨或硅等材料。
锂离子电池具有高电压和高能量密度，能够广泛应用于电动车和智能手机等领域。
另一种储能方法是利用超级电容器储存电能。
超级电容器是一种电容器，其电容可以储存几百甚至几千倍于普通电容的电荷。
超级电容器不是用化学反应进行储能，而是利用电场来储存电能。
这种技术有着更快的充放电速度和更长的寿命，因此在应用中也有广泛的应用，如电动自行车和储能系统等。
2. 电化学能量转换技术电化学能量转换技术是将电能转化为化学能的方法。
与储能技术不同，转换技术需要大量的电能来进行反应，产生化学反应会释放出能量。
其中最广泛应用的技术是电解水制氢。
电解水制氢是一种将水分解成氢气和氧气的过程。
这个过程需要大量电能，通常使用太阳能、风能等清洁能源进行产生电能的反应。
水分解过程中，电解液和电极的材料有着很大的影响，其中较为常见的是使用氢氧化钾或氢氧化钠作为电解液，选用铂、镍、钨、钼等材料作为电极，还要考虑电极的大小和形状等因素。
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• 3.燃汽轮机 • 燃汽轮机和蒸汽轮机最大的不同是，它 不是以水蒸汽做工质而是以气体做工质。 燃料燃烧时所产生的高温气体直接推动 燃汽轮机的叶轮对外作功，因此以燃汽 轮机作为热机的火力发电厂不需要锅炉。 • 它包括三个主要部件：压气机、燃烧室 和燃气轮机。
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compressor
Combustion chamber
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四冲程发动机
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• 二冲程发动机是将四冲程发动机完成一个工作 循环所需要的四个冲程纳入二个冲程中完成。 • 当活塞在膨胀冲程中沿气缸下行时，首先开启 排气口，高压废气开始排入大气。当活塞向下 运动时，同时压缩曲轴箱内的空气—燃油混合 气；当活塞继续下行时，活塞开启进气口，使 被压缩的空气—燃油混合汽从曲轴箱进入气缸。 在压缩冲程，活塞先关闭进气口，然后关闭排 气口，压缩气缸中的混合气。在活塞将要到达 上止点之前，火花塞将混合气点燃。于是活塞 被燃烧膨胀的燃气推向下行，开始另一膨胀做 功冲程。当活塞在上止点附近时，化油器进气 口开启，新鲜空气—燃油混合气进入曲轴箱。
The diameter of the compressor stages gets progressively smaller as the gas pressure rises. Conversely, the turbine stages get progressively bigger as the hot gas expands, transferring momentum to the turbine blades and pushing them round.
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第四节
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机械能的获取
热能 电能 水能 风能 化学能
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机械能
• 将热能转换为机械能是目前获得机械能 的最主要的方式。热能转换成机械能的 装置称之为热机。因为热机能为各种机 械提供动力，故通常又将其称之为动力 机械。 • 一、热能的转换 • 1.热机的效率 • 应用最广泛的热机有内燃机、蒸汽轮机、 燃气轮机等。
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• 核燃料
• 天然铀有三种同位素：铀—238，占 99.27%；铀—235，占0.724%；铀— 234，占0.006%。 • 这三种同位素化学性质基本相同。但中 子数目不同；铀—238有146个中子， 铀—235有143个中子，铀—234有142个 中子。这三种同位素的核特性相差很大， 只有铀—235的原子核才容易分裂成两个 中等质量的原子核，也就是我们所说的 裂变。其它两种同位素不易裂变。
第二章 能量的转换与储存
第三节：能量转换的主要燃料 第四节：机械能的获取 第五节：能量的储存 第六节：能量的传输
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第三节
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• 燃料通常是指能够通过燃烧过程而 将化学能转换为热能的物质。 • 所有化石燃料及由化石燃料加工而 成的其它含能体； • 所有生物燃料以及由生物燃料加工 而成的含能体。 • 常用的化石燃料为煤、石油和天然 气，化石燃料有时又称为矿物燃料。
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汽轮机如何工作
A 228 MW axial flow turbine. Axial flow of steam
Change of radial momentum drives rotor round
Miniature lab. turbine
Rotor motion.
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Gas flow through the turbine
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• 内燃机主要为各种运输车辆、工程机械提供动 力，也用于可移动的发电机组。 • 蒸汽轮机主要用于发电厂中，用它带动发电机 发电；也作为大型船舶的动力；或拖动大型水 泵和大型压缩机、风机。 • 燃气轮机除用于发电外，还是飞机的主要动力 来源，也用作船舶的动力。 • 广泛应用的电能主要由机械能转换得到。在火 力发电厂中蒸汽轮机、燃气轮机带动发电机发 电；在水电站中水能先转换成水轮机的机械能， 水轮机再带动机 • 蒸汽轮机，简称汽轮机，是将蒸汽的热 能转换为机械功的热机。 • 汽轮机单机功率大、效率高、运行平稳， 在现代火力发电厂和核电站中都用它驱 动发电机。汽轮发电机组所发的电量占 总发电量的80%以上。 • 此外汽轮机还用来驱动大型鼓风机、水 泵和气体压缩机，也用作舰船的动力。
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二冲程 发动机
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二冲程发动机
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• 四冲程发动机和二冲程发动机相比，经济性好， 滑润条件好，易于冷却；但二冲程发动机运动 部件少，重量轻，发动机运动较平稳。 • 内燃机只能将燃料热能中的25%~45%转换 成机械能，其余部分大多被排气或冷却介质带 走。因此如何利用内燃机排气中的能量就成了 提高内燃机动力性和经济性中的主要问题。 • 随着科学技术的发展，绝热柴油机、全电子控 制内燃机、燃用天然气、醇类代用燃料和氢的 新型发动机都相继问世。进入21世纪，由于环 境问题日益突出，因此研制新一代高效低排放 的发动机已成为科学家们共同努力的目标。
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• 2.内燃机 • 内燃机包括汽油机和柴油机，是应用最 广泛的热机。 • 大多数内燃机是往复式，有气缸和活塞。 内燃机有很多分类方法，但常用的是根 据点火顺序分类或根据气缸排列方式分 类。按点火或着火顺序可将内燃机分成 四冲程发动机和二冲程发动机。
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应用广泛
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• 四冲程发动机完成一个循环要求有四个完全的 活塞冲程： • 1）进气冲程：活塞下行，进气门打开，空气 被吸入而充满气缸。 • 2）压缩冲程：所有气门关闭，活塞上行压缩 空气，在接近压缩冲程终点时，开始喷射燃油。 • 3）膨胀冲程（即下行冲程）：所有气门关闭， 燃烧的混合气膨胀，推动活塞下行，此冲程是 四个冲程中唯一做功的冲程。 • 4）排气冲程：排气门打开，活塞上行将燃烧 后的废气排出气缸，开始下一个循环。
turbine
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辐流式燃汽轮机
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定子盘和转子盘
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轴流式燃汽轮机
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小型燃气轮机
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Compressor and Diffuser
Compressor and Diffuser
Turbine Wheels
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• 燃汽轮机具有以下优点： • 1）重量轻、体积小、投资省。燃汽轮机的重 量及所占的容积只有汽轮机装置的几分 一或 几十分之一，因此它耗材少，投资费用低，建 设周期短。 • 2）起动快、操作方便。从冷态起动到满载只 需几十秒或几十分钟，而汽轮机装置则需几分 钟到几小时 。 • 3）水、电、润滑油消耗少，只需少量的冷却 水或不用水，因此可以在缺水的地区运行；辅 助设备用电少，润滑油消耗少，通常只占燃料 费的1%左右，而汽轮机要占6%左右。