工程热力学笔记第十章蒸汽动力循环及其应用

2023-06-13 19:16:04

上一章我们讨论了常用的燃气动力循环，这一章我们将讨论蒸汽动力循环，因为水的价格低廉，性质良好这是一种应用很广泛的循环。卡诺蒸汽

上一章我们讨论了常用的燃气动力循环，这一章我们将讨论蒸汽动力循环，因为水的价格低廉，性质良好这是一种应用很广泛的循环。

卡诺蒸汽循环

我们知道，卡诺循环是效率最高的循环，但是当我们将卡诺循环套用到蒸汽动力循环时，会有如下几个问题：

等温吸热和等温放热过程建立在两相（气相，液相）系统下，在这种情况下，温度不能超过临界点（critical point）的温度，因为两相系统在相变时可以维持等温，实现卡诺循环中等温吸热或者等温放热的过程，而单相系统很难维持等温条件。所以对最高温度的限制，也限制了效率。
等熵膨胀过程需要通过涡轮机，而在蒸汽循环中，在这个过程中会有气态水液化的过程，液态的水会对钢制涡轮机有腐蚀作用，在实际的涡轮机中，气态水的比例不能低于90%，这需要我们将温度基本维持在饱和曲线以上。
等熵压缩过程需要将气液混合物压缩到饱和液体的状态，这很难精准控制。而且涉及两相的压缩机很难制作。

兰金循环（Rankine cycle）:理想的蒸汽动力循环

对于以上卡诺循环中的问题，我们可以用过加热和完全冷凝来解决。这样的一个循环称为兰金循环（Rankine cycle）。其结构示意图如下：

循环主要分为四个部分：

在泵（pump）中的等熵压缩（Isentropic compression）
在锅炉（boiler）中的等压加热(Constant pressure heat addition)
在涡轮（turbine）中的等熵膨胀（Isentropic expansion）
在冷凝器（condenser）中的等压放热（Constant pressure heat rejection）

看上去和普通的卡诺循环没有区别，现在我们来看T-S图

不同点就在于其程度，我们来捋一下这个循环的过程。红线为水的饱和曲线。

1-2：在状态1时，水作为饱和液体进入泵，外界通过泵对饱和水做功，水被等熵压缩，到达状态2。

2-3：状态2的水为过压液体，暂时不会气化，过压水进入锅炉进行吸热，前半部分，水会吸热升温直到饱和液体状态，然后再中间部分进入气化过程，等温吸热。后半部分，将对饱和蒸汽继续加热，此时水变成过热气体，到达状态3.

3-4：过热蒸汽进入涡轮，等熵膨胀对外做功，这个过程持续到气体刚刚开始液化，此时液态水含量很少。

4-1：通过涡轮的蒸汽（含少量水），进入冷凝器，在冷凝器中完全冷凝为饱和液体后，进入下一个循环。

和一个标准卡诺循环的T-S图对比，就可以看出会有过加热（superheating）和完全冷凝（complete condensing）的过程。

兰金循环的效率定义为：

,其中，

美国的热电厂效率常用热率（heat rate）表示，其与热效率的转换关系如下：

实际兰金循环的偏差

实际的情况会与我们假定的理想情况有所偏差，比如考虑流体的摩擦带来的能量损失，蒸汽在传输过程中的热量损失，所以实际兰金循环的效率会比我们理想化的要低一些。我们现在只考虑泵和涡轮中的影响，将等熵过程转化为不等熵过程，我们可以使用等熵效率来衡量这一过程中的偏差，。我们在第七章（二）中讨论过等熵效率。

赵小明12138：工程热力学笔记第七章热力学第二定律的理论研究：熵（二）具体计算

那么对于泵的等熵效率：

对于涡轮的等熵效率：

实际上还会有其他因素，比较复杂，这里不再深入讨论。

增加兰金循环的效率

通常我们增加效率的方式使工质在吸热过程的温度尽可能高，在放热过程的温度尽可能低。下面介绍三种增加效率的方法。

降低冷凝器的压力

通过降低冷凝器内部的压力，可以让流出涡轮的蒸汽在更低的压力下冷凝，相应的温度也会降低。这样也会增加泵的功输入，但是总的来说效率会提升。其T-S图如下：

但是这样会增加液态水在涡轮中的含量，对涡轮有腐蚀作用，所以一般会和下面的方法联合使用

提高过加热的温度

提高过加热的温度，这样通过涡轮时，可以释放出更多的功，虽然也会增加一部分吸热所需能量，但是总体效率增加。而且可以使得涡轮中的液态水含量降低，起到保护涡轮的作用。但是在现有材料的限制下，过热的温度不能太高。人们正在研究陶瓷在这方面的应用。下方为其T-S图：

提高锅炉压力

我们还可以提高锅炉的压力，这样水的沸点升高，吸热的温度升高。但是也会减少一部分我们涡轮输出的功，且涡轮中液态水含量升高，同样我们可以使用过加热来进行纠正。

理想的再加热兰金循环

上面我们了解到增大锅炉压力会导致涡轮中液态水占比增加，那么我们怎么解决这个问题呢？

1.已经提到过的过加热过程，但是受到材料限制，更高温度下会产生设备损坏的风险和安全问题。

2.使用再加热过程，也就是说在水进行过加热后，让其通过一个高压涡轮对外膨胀做功，降低到一个中等压力，然后送回锅炉再次加热到高压，然后再让其通过低压涡轮，这样就可以有效减少涡轮中的也太水含量。

其示意图如下:

其T-S图如下：

此时总的吸热为：

总的做功为：

理想的再生兰金循环

对于兰金循环的·T-S图：

过程2-2'的加热过程是在一个较低的温度下进行的，这降低了循环的效率。我们想要弥补的这个缺陷。

我们将离开泵，还未进入锅炉的水称为给水（feedwater），于是我们就想要提高给水的温度，一个可行的办法是，利用涡轮机中的热交换器，利用蒸汽的热量来加热给水，也就是加入再生部分（regeneration），但是这样会增加涡轮中液态水的含量。所以实际过程中，一般是在多个点，将涡轮中的部分原本用来做功的蒸汽直接排出，用来加热给水。这种加热给水的装置称为再生装置（regenerator）或者给水加热器（feedwater heater FWH）。再生器不仅可以增加热效率，还能帮助我们减少进入锅炉的空气，减少对锅炉的腐蚀。也能帮助减少涡轮机中液态水的含量，减少对涡轮的腐蚀。

给水加热器有两种加热方式，分别是开放式和封闭式：