什么是朗肯循环-汽轮机循环-定义

朗肯循环描述了汽轮机系统的性能。今天,朗肯循环是所有火电厂的基本运行循环。优德app热能工程

朗肯循环 - 汽轮机循环

1859年,一位苏格兰工程师威廉·约翰·麦考恩·兰金通过发布“蒸汽机和其他原动机手册”。兰诗制定了完整的理论蒸汽机在所有热机中。在一起鲁道夫·克劳修斯威廉汤姆逊(开尔文勋爵),他是热力学的贡献者,尤其专注于三个热力学定律中的第一个。w88优德app

郎肯循环是以他的名字命名的,描述的是汽轮机系统尽管理论原则也适用于往复发动机,例如蒸汽机车。一般来说,郎肯循环是一个理想的热力学循环的一个恒压热机,将部分热量转化为机械功。在这个循环中,热量从外部供应到一个闭合回路,这个回路通常使用水(在液体和蒸汽相)作为工作流体。与之相反布雷顿循环工作液在郎肯循环经历了相变从液体到气相,反之亦然。

虽然在兰金循环中许多物质(无机甚至有机)都可以用作工作流体,通常是流体的选择,由于其良好的性质,如无毒和不反应的化学,丰度,低成本,以及它的热力学性质。例如,最高的比热- 4.19 kJ/kg k蒸发热量,这使它成为有效的冷却剂媒介在火电厂和其他能源行业。如果是兰宁循环,那么理想气体定律几乎不能使用(蒸汽不遵循pV=nRT),因此水和蒸汽的所有重要参数都列在所谓的“蒸汽表”。

其中一个主要的好处郎肯循环那是压缩过程在泵中发生在液体.通过将工作蒸汽冷凝到液体(冷凝器内)涡轮机出口处的压力降低,并且进料泵所需的能量仅消耗1%至3%的涡轮机输出功率,并且这些因素有助于更高的效率周期。

郎肯循环
今天,这是郎肯循环基本的运行周期是所有火力发电厂工作流体不断地蒸发和冷凝。这是最常见的一种热力学循环,因为世界上大多数地方的涡轮机都是蒸汽驱动的。

与卡诺循环相反,朗肯循环不执行等温过程,因为这些过程必须非常缓慢。在理想的朗肯循环中,执行该循环的系统经历一系列四个过程:两个等熵(可逆绝热)过程与两个等压过程交替进行。

卡诺原理指出,没有发动机可以比可逆发动机更有效(卡诺热机)在相同的高温和低温储罐之间运行时,基于朗肯循环的汽轮机效率必然低于卡诺效率。

在现代核电站整体热效率大约三分之一(33%)3000年MWth裂变反应产生的热能是必需的1000兆瓦电力。提高效率可以通过增加温度蒸汽.但这需要增加锅炉内部的压力蒸汽发生器.然而,根据冶金学的考虑,这种压力有一个上限。与其他能源相比,33%的热效率并不高。但必须注意的是,核电厂比化石燃料电厂更复杂,而且燃烧化石燃料的更容易,而不是产生能量核燃料

什么是汽轮机
一般来说,汽轮机旋转式热机能转换吗热能包含在蒸汽中机械能电能.汽轮机最简单的形式包括:
  • 锅炉(蒸汽发生器),
  • 汽轮机,
  • 冷凝器,
  • 给水泵
  • 多种辅助装置。

例如,与往复式发动机不同的是,压缩、加热和膨胀是连续的,它们同时发生。汽轮机的基本操作与燃气轮机相似,只是工作流体是蒸汽(有相变)代替空气或气体。

水和蒸汽的性质
蒸汽是一种常见的液体吗换热在初级电路(从燃料杆的表面到冷却剂流动)和次级回路。它由于它而使用可用性高的热容,用于冷却和加热。通过运输热量特别有效蒸发冷凝水因为它非常大的蒸发潜热

缺点是水慢化反应堆必须使用高压初级电路为了保持水分液态为了达到足够的热力学效率。水和蒸汽还会与钢铁和铜等工业中常见的金属发生反应,这些金属被未经处理的水和蒸汽氧化得更快。在几乎所有的火电站(煤、气、核)中,水被用作工作流体(在锅炉、汽轮机和冷凝器之间的闭环中使用)和冷却剂(用于将废热交换到水体中或通过冷却塔的蒸发将其带走)。

水-蒸汽表的性质
蒸汽表-能源系统中的常见参数

水和蒸汽是一个常见的媒体,因为他们的属性非常众所周知.它们的属性列在所谓的"蒸汽表”。在这些表格中,基本和关键的性质,如压力,温度,焓,密度和比热,都是沿着气液饱和曲线作为温度和压力的函数表。单相态(压缩的水过热蒸汽)在温度和压力网格上延伸到2000ºC和1000 MPa。

进一步全面的权威数据可于NIST Webbook关于流体热物理性质的页。

也可以看看:蒸汽表

饱和-沸点
wet-steam-vapor-liquid-mixture-min在热力w88优德app学中,这个词饱和定义一种条件,其中蒸气和液体可以在给定的温度和压力下一起存在。温度蒸发(沸腾)开始发生给定的压力被称为饱和温度沸点.在给定的温度下,汽化(沸腾)开始发生的压力称为饱和压力。

当蒸汽质量为0时,称为饱和液体状态(单相)。另一方面,当蒸汽质量等于1时,称为饱和蒸汽状态干蒸汽(单相)。这两个状态之间,我们讨论汽液混合物湿蒸汽(两相混合物)。在恒定压强下,能量的增加不会改变混合物的温度,而是蒸汽质量具体体积变化。

蒸发焓
蒸发潜热-水在0.1 MPa, 3 MPa, 16 MPa
随着压力的增加,汽化热减少,而沸点增加。它在临界点处完全消失。

一般来说,当一种材料变化阶段从固体到液体,或者从液体到气体,一定的能量涉及到这种相变。在液态变为气态的情况下,这一量的能量被称为蒸发焓(象征∆H特许经销商;单位:J)也被称为the(潜热)蒸发或者蒸发热。潜热是加入或从一种物质中产生相变的热量。这种能量分解了分子间的引力,同时也必须提供必要的能量使气体膨胀pΔV工作).当增加潜热时,温度不会发生变化。蒸发焓是发生转变时压强的函数。

蒸发潜热- 0.1 MPa(大气压)水

hlg= 2257 kj / kg

汽化潜热-水在3mpa(蒸汽发生器内的压力)

hlg= 1795 kj / kg

蒸发潜热-水在16mpa(压力在a加压器

hlg= 931 kJ /公斤

蒸发热量随着压力的增加而减小,而沸点增加。它完全消失在一个叫做临界点.在临界点以上,液相和气相就无法区分了,这种物质称为a超临界流体

相变 - 汽化焓
蒸发潜热-水在0.1 MPa。主要部分热量被吸收。

rankine周期 - 流程

在理想的兰宁循环中,执行循环的系统经历了一系列四种过程:两个等熵(可逆绝热)工艺交替,具有两种等离的过程:

  • rankine周期 -  TS图
    朗肯循环- Ts图

    等熵压缩(离心泵中的压缩)-液体冷凝物被离心泵(通常是冷凝泵,然后是给水泵)从状态1绝热压缩到状态2。液体冷凝液从冷凝器泵入高压锅炉。在这个过程中,环境对流体做功,增加了它的焓(h = u+pv)并压缩了它(增加了它的压强)。另一方面熵保持不变。压缩机所需的工作由W= H2- - - - - - H1

  • 等压加热(在热交换器-锅炉)-在这个阶段(状态2和状态3之间)有一个恒压热传导到液体冷凝物从外部来源,因为腔室是开放的,流入和流出。w88优德备用网址 微博给水(二次回路)被加热到该流体的沸点(2→3a),然后在锅炉(3a→3)中蒸发添加= H3.- - - - - - H2
  • 等熵膨胀(蒸汽轮机中的膨胀) - 来自锅炉的蒸汽从状态3在蒸汽涡轮机中绝热地扩展以产生工作,然后排出到冷凝器(部分凝结)。蒸汽确实在周围环境(涡轮机的叶片)上工作,并且失去了等于离开系统的工作的焓。由涡轮机完成的工作由WT= H4- - - - - - H3.熵仍然保持不变。
  • 摄像头散热(在热交换器中)-在这个阶段,循环通过一个恒压过程完成,在这个过程中,部分冷凝蒸汽的热量被拒绝。在一个冷却回路中,w88优德备用网址 微博有从蒸汽到冷却水流动的热传递。蒸气凝结,冷却水温度升高。所排出的净热由再保险= H4- - - - - - H1

在兰宁循环期间,通过状态1和2之间的泵在流体上进行工作(偏孔压缩).涡轮中的流体在第3和第4级之间做功(Sentropic扩展).流体的工作与流体上的工作之间的差异是通过循环产生的净工作,并且它对应于循环曲线(在PV图中)包围的区域。Quankine循环中的工作流体遵循闭环,并且不断重复使用。

可以看出,用焓和焓第一定律来分析这个热力学循环是很方便的。这种形式的法律简化了能量传递的描述在恒定压力下,焓的变化等于能源通过加热从环境中转移:

异交过程(VDP = 0):

dH = dQ→Q = H2- - - - - - H1

在恒定熵,即在等熵过程中焓的变化等于工作流程图由系统完成或由系统完成:

等熵过程(dQ = 0):

DH = VDP→W = H.2- - - - - - H1

也可以看看:为什么电力工程师要用焓?答案:dH = dQ + Vdp

等熵过程

一个等熵过程是一个热力学过程,其中液体或气体保持恒定。这意味着这一点等熵过程是an的特例吗绝热过程没有热量和物质的传递。这是一个可逆绝热过程.没有传热的假设是非常重要的,因为我们只能在w88优德备用网址 微博非常快速的过程

概论流程和第一法

对于一个封闭的系统,我们可以写下关于焓的热力学第一定律w88优德app

dH = dQ + Vdp

DH = TDS + VDP

等熵过程(dQ = 0):

DH = VDP→W = H.2- - - - - - H1

异交过程

一个等压过程是一个热力学过程,其中压力系统的保持不变(p =常量)。系统内外w88优德备用网址 微博的热传递做功,但也改变了系统的热力学能。

因为有变化内部能量(dU)和系统容积变化(∆V),工程师经常使用系统的,定义为:

H = U + PV

等压过程和第一定律

The的经典形式热力学第一定律w88优德app为:

dU = dQ - dW

在这个方程中dW等于dw = pdv.被称为边界的工作.在等压过程中,理想气体,添加部分热量到系统将用于做的工作一部分的热量添加将增加内部能量(增加温度)。因此使用起来很方便而不是内部能量。

异交过程(VDP = 0):

dH = dQ→Q = H2- - - - - - H1

在恒定熵,即在等熵过程中焓的变化等于工作流程图由系统完成。

朗肯循环- pV, t图

rankine周期 -  TS图
朗肯循环- t图

郎肯循环通常绘制在压力体积图上(p - v图)和温度-熵图(TS图).

当绘制在压力容积图,等压过程遵循气体的等压线(水平线),绝热过程在这些水平线之间移动,整个循环路径所包围的区域代表总功这可以在一个周期内完成。

温熵图(Ts图),其中热力学状态由图上的点表示特定的熵(s)作为水平轴和绝对温度(t)作为垂直轴。TS图是一个有用和常见的工具,特别是因为它有助于可视化w88优德备用网址 微博在一个过程。对于可逆(理想)过程,过程T-s曲线下的面积为w88优德备用网址 微博热转移在这个过程中给系统。

朗肯循环的热效率

一般来说热效率ηth的比值定义为工作是这样,W,输入在高温下,QH

热效率公式 -  1

热效率ηth,表示的分数H,转换为去工作.因为能量是守恒的热力学第一定律w88优德app能量不能完全转化为功,输入的热量QH等于对系统做的功W,加上系统散发的热量废热问C到环境中。因此我们可以将热效率公式改写为:

热效率公式 -  2

这是一个非常有用的公式,但是这里我们用第一定律来表示热效率

rankine周期 -  TS图
朗肯循环- t图

通常大多数人核电站运营多级冷凝汽轮机.在这些涡轮中高压级接收蒸汽(该蒸汽接近饱和蒸汽- x = 0.995 -图中C点;6 MPa;275.6°C)从蒸汽发生器并用液体分离器(点D)排气。必须重新加热蒸汽,以避免可能对汽轮机叶片造成的损坏低质量的蒸汽.再热器加热蒸汽(D点),然后蒸汽被引导到汽轮机的低压阶段,在那里膨胀(E点到F点),排出的蒸汽在冷凝器中冷凝,其压力远低于大气压力(绝对压力)0.008 MPa),并处于部分凝聚状态(F点),其质量通常接近90%。

在这种情况下,蒸汽发生器,蒸汽轮机,冷凝器和给水泵构成了热力发动机,这受效率限制所施加的效率限制热力学第二定律w88优德app.在理想情况下(无摩擦,可逆过程,完美的设计),这个热机将有一个卡诺效率

= 1 - t/ T热的= 1 - 315/549 = 42.6%

其中热储温度为275.6℃(548.7K),冷储温度为41.5℃(314.7K)。但是核电站是真正的热机,其中热力学过程是不可逆的。它们不是无限缓慢地完成的。在实际设备中(如涡轮机、泵和压缩机),机械摩擦和热损失会导致进一步的效率损失。

计算热效率最简单的郎肯循环(没有重新加热)工程师使用关于焓的热力学第一定律w88优德app而不是内能量。

关于焓的第一定律是:

dH = dQ + Vdp

在这个方程中,术语Vdp是一个流程工作。这项工作,Vdp,用于开流系统像一个涡轮或者一个其中有一个“DP”,即压强的变化。没有变化控制卷.可以看出,这种形式的法律简化了能量传递的描述在恒定压力下,焓的变化等于能源通过加热从环境中转移:

异交过程(VDP = 0):

dH = dQ→Q = H2- - - - - - H1

在恒定熵,即在等熵过程中焓的变化等于工作流程图由系统完成或由系统完成:

等熵过程(dQ = 0):

DH = VDP→W = H.2- - - - - - H1

这对于分析动力工程中的两个热力学循环,即布雷顿循环和兰金循环,都是非常有用的。

可以制成一个密集的,或具体的,通过除以变量质量工程师使用具体的焓在热力学分析中超过焓自身。它是制表的蒸汽表随着具体的体积具体的内部能量.这样一个简单的朗肯循环的热效率,用比焓表示就是:

朗肯循环的热效率

这是一个非常简单的方程,你可以使用来自的数据来确定热效率蒸汽表

Takaishi Tatsuo;Numata彰;Nakano Ryouji;Katsuhiko Sakaguchi(2008年3月)。
Takaishi Tatsuo;Numata彰;Nakano Ryouji;Katsuhiko Sakaguchi(2008年3月)。“高效柴油及燃气发动机的研究”(PDF)。三菱重工技术评论。45(1). 2002-02-04。

在现代核电站中,总体热效率是关于三分之一(33%)3000年MWth裂变反应产生的热能是必需的1000兆瓦电力。原因在于蒸汽温度较低(6 MPa;275.6°C)。提高效率可以通过增加温度的蒸汽。但这需要增加锅炉或蒸汽发生器内的压力。然而,根据冶金学的考虑,这种压力有一个上限。与其他能源相比,33%的热效率并不高。但是,必须指出的是,核电站比化石燃料发电厂复杂得多,而且燃烧化石燃料比用核燃料产生能量要容易得多。亚临界化石燃料发电厂,在临界压力(即低于22.1 MPa),可达到36-40%的效率。

电力工程中发动机的效率
  • 海洋热能转换(OTEC)。OTEC.是非常复杂的热机,利用较冷的深海和较暖的表层海水之间的温差来运行低压涡轮机。自温差小,大约20°C,热效率也很低,约3%
  • 在现代核电站整体热效率大约三分之一(33%)3000年MWth裂变反应产生的热能是必需的1000兆瓦电力。提高效率可以通过增加温度蒸汽.但这需要增加锅炉内部的压力蒸汽发生器.然而,根据冶金学的考虑,这种压力有一个上限。与其他能源相比,33%的热效率并不高。但必须注意的是,核电厂比化石燃料电厂更复杂,而且燃烧化石燃料的更容易,而不是产生能量核燃料
  • 亚临界化石燃料发电厂,在临界压力(即低于22.1 MPa),可达到36-40%的效率。
  • 超临界水反应堆被认为是一个有希望的进步核电站因为它的高热效率(~ 45%对~ 33%的当前LWRs)。
  • 超临界化石燃料发电厂,在超临界压力(即大于22.1 MPa),具有周围的效率43%.最有效,也是非常复杂的燃煤发电厂“超重要”压力(即30 MPa左右)和采用多级再热达到左右48%效率。
  • 现代组合循环燃气轮机(CCGT)植物,其中包括的热力学周期包括两个电厂循环(如Brayton循环和Rankine循环),可以实现周围的热效率55%相比之下,单循环蒸汽发电厂的效率仅为35-45%左右。

效率低下的原因

如前所述,效率可以在0到1之间。每个热机都是低效的。这种低效率可以归结为三个原因。

  • 过程的不可逆性.在任何热发动机中,热量转化效率的总体理论上有限的上限。这个上限称为卡诺效率.根据卡诺原理,没有任何发动机能比可逆发动机(卡诺热机)在相同的高温和低温储层之间运行。例如,当高温热源有T热的400°C (673K)和T当温度约为20°C (293K)时,最大(理想)效率为:= 1 - T/ T热的= 1 - 293/673 = 56%。但所有真实的热力学过程都是不可逆转的.它们不是无限缓慢地完成的。因此,热机的效率必须低于其效率的限制,因为他们使用的热机循环固有的不可逆性。
  • 存在摩擦和热损失。在实际的热力系统或热机中,整体循环效率低下的一部分是由于单个部件的损失造成的。在实际设备中(如涡轮机、泵和压缩机)a机械摩擦热损失燃烧过程中的损失会造成进一步的效率损失。
  • 设计效率低下.最后,效率低下的最后一个重要原因是妥协由制成工程师在设计热力发动机时(例如发电厂)。他们必须考虑循环的设计和操作中的成本和其他因素。作为一个例子,考虑一个设计冷凝器在火力发电厂。理想情况下,排进冷凝器的蒸汽没有欠火.但真正的冷凝器是设计来将液体过冷几度的,以避免吸空化在冷凝水泵中。但是,这种过冷却增加了循环的低效,因为需要更多的能量来重新加热水。

热效率改善-朗肯循环

有几种方法,如何才能提高朗肯循环的热效率。假设最高温度受反应堆压力容器内压力的限制,方法如下:

锅炉和冷凝器压力
就像在卡诺奥托布雷顿循环,热效率趋向于增加的平均温度,其中能量增加的换热增加和/或平均温度的能量被拒绝减少。w88优德备用网址 微博这是所有热力学循环的共同特征。

冷凝器的压力

朗肯循环-冷凝器压力
降低涡轮排气压力会增加循环净功,但也会降低出口蒸汽的蒸汽质量。

在能量被拒绝的平均温度下降的情况下,需要内部压力的降低冷凝器的减少饱和温度).最低可行冷凝器压力是与环境温度相对应的饱和压力(即绝对压力)0.008 MPa,对应41.5°C)。保持最低实际涡轮排气压力的目标是在热电厂中包括凝汽器的主要原因。冷凝器提供真空,最大限度地从蒸汽中提取能量,从而显著增加净功和热效率。但这个参数(冷凝器压力)也有其工程局限性:

  • 降低涡轮排气压力会降低蒸汽质量(或干燥分数)。在某一时刻必须停止膨胀,以避免对汽轮机叶片造成损伤低质量的蒸汽
  • 减小涡轮机排气压力显着增加了蒸汽的特定体积,这需要蒸汽轮机的低压级的最后行中的巨大叶片。

在典型的湿汽轮机中,冷凝器中的排气蒸汽冷凝,其压力良好低于大气压(绝对压力0.008 MPa,对应41.5°C)。这种蒸汽处于部分冷凝状态(F点),质量通常接近90%。需要注意的是,冷凝器的温度与环境温度之间总是存在一个温差(ΔT = 14℃左右),这是由于冷凝器的尺寸和效率有限造成的。

冷凝涡轮机冷凝器中的典型参数
冷凝涡轮机冷凝器中的典型参数

锅炉压力

朗肯循环-锅炉压力
锅炉压力的增加是反应堆压力容器材料限制的结果。

由于热量传递而增加能量的平均温度升高的情况,需要产生的蒸汽过热或锅炉(蒸汽发生器)内的压力升高。w88优德备用网址 微博过热并不是核电站的典型现象。

通常大多数人核电站运营多级冷凝汽轮机.在这些涡轮中高压级接收蒸汽(该蒸汽接近饱和蒸汽- x = 0.995 -图中C点;6 MPa;275.6°C)。由于蒸汽发生器都不是100%的效率,饱和温度(二次侧)和一次冷却剂温度之间总是有一个温差。

蒸汽发生器-逆流热交换器
典型压水堆蒸汽发生器的温度梯度。

在一个典型的压水堆中,热的主冷却剂(水330°C;626°F)被泵入蒸汽发生器通过主入口。这需要保持非常高的压力,以保持水在液体状态。为了防止主冷却剂沸腾,并提供过冷裕度(稳压器温度与堆芯最高温度之间的差值),PWRs的压力通常在16 MPa左右反应堆压力容器是关键部件,它限制了每个核电站的热效率,因为电抗器容器必须承受高压。

压水堆凝汽式汽轮机进口典型参数。
压水堆凝汽式汽轮机进口典型参数。
过热和再加热
superheated-steam-min对于卡诺循环热效率随着平均温度的增加,热量传递所增加的能量趋于增加。w88优德备用网址 微博这是所有热力学循环的共同特征。

一种可能的方法是过热再热工作蒸汽。这两个过程的方式非常相似:

  • 过热器-使蒸汽温度高于饱和温度
  • 再热-除去水分,并在部分膨胀后提高蒸汽温度。

过热的过程是唯一的方法增加峰值温度在不增加锅炉压力的情况下,使用朗肯循环(并提高效率)。这就需要增加另一种称为a的热交换器过热器,产生过热蒸汽

朗肯循环-过热器-过热器
高压级过热度的朗肯循环。这要求蒸汽发生器的温度更高。

过热蒸汽过热蒸汽蒸汽是在一定温度下的吗高于沸点在测量温度的绝对压强下。

再热允许在接近周期峰值的温度下传递更多的热量。这就需要增加另一种称为a的热交换器回热器.再热器的使用包括分裂涡轮,即使用多级涡轮与再热器。据观察,两级以上的再加热是不必要的,因为下一级的循环效率仅为前一级的一半。

汽轮机的高压和低压级通常在同一个轴上驱动一个共同的发电机,但它们有不同的情况。与一个回热器后提取流局部扩张(点D),回运行通过热交换器将其加热到峰值温度(点E),然后传递给低压涡轮。然后在低压涡轮中完成从E点到F点的膨胀。

兰金循环-再热-过热
兰金循环与再热和过热的低压阶段

在里面过热器,在固定压力下进一步加热会导致温度和比容的增加。T-s图中水蒸气的过热过程如图E状态与饱和蒸汽曲线之间的图所示。正如可以看到也湿蒸汽涡轮机(例如用于核电站)的使用过热蒸汽特别是在低压阶段的入口。通常大多数人核电站运营多级冷凝湿式汽轮机(高压阶段运行在饱和蒸汽)。在这些涡轮中,高压级从蒸汽发生器接收蒸汽(该蒸汽是接近饱和的蒸汽- x = 0.995 -图中C点),并将其排到水分分离器-再热器(D点)加热或过热为避免低质量蒸汽对汽轮机叶片造成损伤。当凝结水喷到叶片上时,高水滴含量会引起叶片的快速冲击和侵蚀。为了防止这种情况,在通往汽轮机的蒸汽管道中安装冷凝水排水管。再热器的加热蒸汽的蒸汽(D),然后是针对汽轮机的低压阶段,扩张(E, F)。精疲力竭的蒸汽压力低于大气,而且,从这幅图中可以看出,部分冷凝的蒸汽状态(F),通常的质量接近90%,但它的蒸汽质量要比没有再加热时高得多。相应地,过热也倾向于缓解涡轮排气的低汽质问题。

由于初级冷却剂的温度受反应器内部的压力的限制,因此在核电厂不使用过井(水分分离器再热器除外),并且它们通常是单个湿汽轮机操作。

热再生
大幅度提高汽轮电厂的热效率可以通过降低热负荷来实现大量的燃料必须在锅炉中添加。这可以通过将热(部分膨胀的蒸汽)从蒸汽轮机的某些部分转移到蒸汽涡轮机的某些部分来完成,该汽轮机通常远高于环境温度,进给给水。这个过程被称为热再生各种各样的热再生器可用于此目的。有时工程师会使用这个术语节热器这是旨在减少能量消耗的热交换器,特别是在预热流体

从文章中可以看出蒸汽发生器时,给水(二次回路)在蒸汽发生器进口可有大约~ 230°C(446°F)然后被加热到液体的沸点(280°C;536°F;6、5 mpa)和蒸发。但冷凝器出口处的冷凝水可能有左右40°C.,所以典型压水堆的热再生是非常重要的:

  • 热再生增加了热效率,因为更多的热流进入循环发生在更高的温度。
  • 热再生导致通过蒸汽轮机的低压级降低质量流量,从而提高LP等熵涡轮机效率。请注意,在扩展的最后阶段,蒸汽具有非常高的特定体积。
  • 热再生导致工作蒸汽质量的增加,因为排水管位于涡轮机壳体的周边,在那里较高浓度的水滴。

再生和热恢复

一般来说,热交换器用于再生可分为两种蓄热室换热器

  • 蓄热器是一种热交换器,热流体的热量在被转移到冷流体之前间歇性地存储在热存储介质中。它有一个单一的流动路径,在其中冷热流体交替通过。
  • 恢复剂是一种热交换器吗单独的流动路径每一种流体沿着它们自己的通道,热量通过分离壁传递。在动力工程中,为了提高热力循环的整体效率,经常使用回热器(如省煤器)。例如,在燃气涡轮发动机中。回热器将废气中的部分废热转移到压缩空气中,从而在进入燃烧室之前对其进行预热。许多回热器被设计成逆流换热器。
超临界兰金循环
朗肯循环-超临界循环
超临界兰金循环

正如所讨论的那样,热效率可以“简单地”通过提高进入汽轮机的蒸汽的温度来提高。但是这个温度受到材料和设计的冶金限制反应堆压力容器和初级管道。反应器容器和初级管道必须承受高压力和高压在升高的温度下。但是,目前,改进的材料和制造方法允许最大压力的显着增加,热效率相应增加。热电厂目前设计用于操作超临界兰金循环(即蒸汽压力超过临界水压22.1 MPa,涡轮进口温度超过600°C)。超临界化石燃料发电厂,在超临界压力,有效率43%.最有效,也是非常复杂的燃煤发电厂“超批判”压力(即30 MPa左右)和采用多级再热达到左右48%效率。

超临界水反应堆- SCWR

SCWRs的特点
SCWR中冷却剂的典型特性。

超临界兰金循环也是超临界水反应堆的热力学循环。的超临界水反应堆是第四代反应堆的概念,是在超临界压力(即大于22.1 MPa)。在该上下文中的术语超临界指的是热力学临界水点(TCR= 374°C;pCR= 22.1 MPa),不得与反应堆核心的临界状态,描述了中子数反应堆堆芯

为了SCWRs一个一次通过蒸汽循环已被设想,省去了反应堆内任何冷却剂的再循环。类似于in沸水反应堆蒸汽将被直接供给汽轮机,蒸汽循环的给水将被供给回堆芯。

以及超临界水反应堆可以使用轻水重水作为中子慢化剂.可以看出,有许多SCWR设计,但所有SCWR都有一个关键特征,即使用超出热力学临界点作为主要冷却剂的水。由于此功能允许增加峰值温度,超临界水反应堆被认为是一个有希望的进步核电站因为它的高热效率(~ 45%对~ 33%的当前LWRs)。

等式效率 - 涡轮机,泵

在前面的章节中,我们假设蒸汽的膨胀是等熵的,因此我们使用了T4,作为气体的出口温度。这些假设只适用于理想循环。

大多数稳定流动装置(涡轮、压气机、喷管)都是在绝热条件下运行的,但它们不是真正的等熵,而是为了计算目的而理想化的等熵。我们定义参数ηTηP,η.N在等熵条件下(在涡轮中),设备所做的实际功与设备所做的功的比值。这个比值被称为等熵涡轮泵/喷嘴效率.这些参数描述了涡轮机,压缩机或喷嘴的有效程度近似于相应的等熵装置。此参数降低了整体效率和工作输出。对于涡轮机,值ηT通常是0.7到0.9(70-90%)。

也可以看看:等熵过程

等熵效率-涡轮-泵

等熵与绝热压缩
等熵和绝热膨胀
等熵过程是绝热过程的一种特殊情况。这是一个可逆绝热过程。等熵过程也可以称为等熵过程。

rankine周期 - 解决方案问题

郎肯循环让我们假设这一点郎肯循环,这是最常见的一种热力学循环在火力发电厂。在这种情况下,假设一个简单的循环,没有再热,没有冷凝汽轮机运行饱和蒸汽(干蒸汽)。在这种情况下,涡轮在6 MPa, t = 275.6°C, x = 1(点3)的进口条件下稳定运行。蒸汽在0.008 MPa, 41.5°C和x = ??(4)点。

计算:

  1. 出口蒸汽的蒸汽质量
  2. 这两个态之间的焓差(3→4),这对应于蒸汽,W的工作T
  3. 这两种状态(1→2)之间的焓差,对应于泵所做的功WP
  4. 这两种状态(2→3)之间的焓差,对应于蒸汽发生器中增加的净热量
  5. 这个循环的热力学效率,然后把这个值和卡诺的效率比较

1)

由于我们不知道出口蒸汽的确切蒸汽质量,我们必须确定这个参数。状态4被压强固定p4= 0.008 mpa.而事实是特定的熵等熵膨胀是常数吗3.=年代4= 5.89KJ / KGK为6 MPa).饱和液态水(x=0)和干蒸汽(x=1)的比熵可以取蒸汽表.在有湿蒸汽的情况下,实际熵可以通过蒸汽质量来计算,x,饱和液态水和干蒸汽的比熵:

年代4=年代vX + (1 - X) slgydF4y2Ba

在哪里

年代4=湿蒸汽熵(J/kg K) =5.89kJ / kgK

年代v=“干”蒸汽的熵(J/kg K) = 8.227 kJ/kgK(为0.008 MPa)

年代lgydF4y2Ba=饱和液态水的熵(J/kg K) = 0.592 kJ/kgK(为0.008 MPa)

从这个方程式,蒸气质量是:

x4= (年代4年代lgydF4y2Ba) / (年代v年代lgydF4y2Ba)=(5.89 - 0.592)/(8.227 - 0.592)= 0.694 = 69.4%

2)

状态3的焓可以直接从蒸汽表中选择,而状态4的焓必须使用蒸汽质量来计算:

h3、v2785焦每千克

h4,潮湿= h4、vX + (1 - X) h4、l= 2576。0.694 + (1 - 0.694)174 = 1787 + 53.2 = 1840 kJ/kg

那么蒸汽做的功WT,

WT=Δh =945 kj / kg

3)

状态1的焓可以直接从蒸汽桌上挑选:

h1, l174焦每千克

状态2被压强p固定2= 6.0 MPa,等熵压缩的比熵是恒定的1=年代2= 0.592KJ / KGK为0.008 MPa).对于这个熵s20.592kJ / kgK和P.2我们发现6.0 MPah2、过冷在压缩水的蒸汽表中(使用两个状态之间的插值)。

h2、过冷179.7 kJ /公斤

然后泵完成的工作,wP,

WP=Δh =5.7 kJ /公斤

4)

(2→3)之间的焓差对应于蒸汽发生器所加的净热量,简单为:

添加= h3、v- - - - - - h2、过冷= 2785 - 179.7 =2605.3 kJ /公斤

注意,在这个循环中没有热再生。另一方面,加入的大部分热量是汽化焓(即相变)。

5)

在这种情况下,蒸汽发生器,蒸汽轮机,冷凝器和给水泵构成了热力发动机,这受效率限制所施加的效率限制热力学第二定律w88优德app.在理想情况下(无摩擦,可逆过程,完美的设计),这个热机将有一个卡诺效率

η卡诺= 1 - t/ T热的= 1 - 315/549 =42.6%

其中热储温度为275.6℃(548.7 K),冷储温度为41.5℃(314.7K)。

该循环的热力学效率可由下式计算:

朗肯循环-例子-热效率

因此
ηth= (945 - 5.7) / 2605.3 = 0.361 =36.1%

参考:
核与反应堆物理学:
  1. J. R. Lamarsh,核反应堆理论介绍,第二辑,艾迪生 - 韦斯利,读书,马(1983)。
  2. J. R. Lamarsh, A. J. Baratta,核工程导论,3d版,prentices - hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1。
  3. 《核反应堆物理》,北京:清华大学出版社,2001年。
  4. Glasstone Sesonske。核反应堆工程:反应堆系统工程,施普林格;第4版,1994,ISBN: 978-0412985317
  5. W.S.C.威廉姆斯。核和粒子物理学。克拉登登新闻;1版,1991年,ISBN:978-0198520467
  6. Kenneth S. Krane。介绍核物理,第3版,WIley,1987,ISBN:978-0471805533
  7. g.r.keepin。核动力学物理学。Addison-Wesley Pub。co;第1版,1965年
  8. 罗伯特·里德·伯恩,《核反应堆运行导论》,1988年。
  9. 美国能源,核物理与反应堆理论系。DOE基础知识手册,第1卷和2. 1993年1月。

高级反应堆物理:

  1. K.O. Ott,W.A.Pezella,介绍性核反应堆估值,美国核协会,修订版(1989),1989年,ISBN:0-894-48033-2。
  2. 《核反应堆动力学概论》,美国核学会,1985,ISBN: 0-894-48029-4。
  3. 李国强,核反应堆动力学,中国核科学研究院,1993,ISBN: 0-894-48453-2。
  4. 刘文杰,刘文杰,刘文杰。中子输运计算方法[j] .物理学报,1993,59(4):449 - 452。

其他参考资料:

柴油发动机-汽车回收

也可以看看:

热力学循环

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