什么是超热和再热 - rankine周期 - 定义

提高热效率的可能方法之一是过热或再加热工作蒸汽。对于此目的,必须使用过热器或再热器。优德app热工程学

热效率改进 - 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,热效率随着通过传热添加能量的平均温度而增加和/或能量被拒绝的平均温度降低。w88优德备用网址 微博这是所有热力学循环的共同特征。

冷凝器压力

朗肯循环-冷凝器压力
减小涡轮机排气压力增加每周期的净工作,但也降低了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(即减少饱和温度)。最低可行的冷凝器压力是对应于环境温度的饱和压力(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
  • 降低涡轮排气压力会显著增加排汽比容,这就需要在汽轮机低压段的最后几排叶片很大。

在典型的湿式汽轮机中,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,对应41.5°C)。该蒸汽处于部分冷凝状态(点F),通常在90%附近的质量。注意,在(左右ΔT= 14°C)之间的温度差异始终存在冷凝器温度和环境温度之间,这些温度源于电容器的有限尺寸和效率。

凝汽式汽轮机冷凝器的典型参数
凝汽式汽轮机冷凝器的典型参数

锅炉压力

朗肯循环-锅炉压力
锅炉压力的增加是由反应器压力容器的材料限制。

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 - 逆流换热器
典型PWR蒸汽发生器中的温度梯度。

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传热增加能量的平均温度倾向于增加。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或者再热工作蒸汽。这两个过程的方式非常相似:

  • 过热器- 提高饱和温度高于饱和温度的蒸汽温度
  • 回热器-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提高峰值温度在不增加锅炉压力的情况下,朗肯循环(并提高效率)。这需要添加另一种称为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
高压阶段过热的朗肯循环。这需要蒸汽发生器温度较高。

过热蒸气或者过热蒸汽蒸汽是在一定温度下的吗高于其沸点在测量温度的绝对压力下。

再热允许在接近循环峰的温度下提供更多的热量。这需要添加另一种称为a的热交换器回热器。再热器的使用涉及分裂涡轮机,即用再热器使用多级涡轮机。观察到,不需要两个以上的再加热阶段,因为下一阶段仅增加了循环效率,只有一半的前阶段。

涡轮机的高压和低压阶段通常在同一轴上驱动普通发电机,但它们具有单独的情况。与A.回热器后提取流局部扩张(点D),通过热交换器延伸以将其加热回到峰值温度(点E),然后通过到低压涡轮机。然后在从点E到点F中的低压涡轮机完成膨胀。

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)重新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经济学者这是旨在减少能量消耗的热交换器,特别是在预热液体

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)然后加热到该流体的沸点(280°C; 536°F; 6,5MPa)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。
  • 热再生使汽轮机低压段的质量流量减小,从而提高低压等熵涡轮效率。注意,在膨胀的最后阶段,蒸汽有很高的比容。
  • 热再生会导致工作蒸汽质量的增加,因为排水管位于涡轮机壳的外围,那里的水滴浓度更高。

再生与热量的再生

一般来说,热交换器用于再生的用途可以被归类为再生器或者恢复器

  • 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反流换热器。
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%。最高效也最复杂的燃煤电厂“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器的热力学循环。这超临界水反应堆是一代IV反应堆的概念,运营超临界压力(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,描述了中子人口在里面反应堆堆芯

SCWRS.一种一旦通过蒸汽循环已经设想,省略了反应器内的任何冷却剂再循环。它类似于沸水式反应堆蒸汽将直接向蒸汽轮机提供,并从蒸汽循环供给水将被提供回芯。

以及超临界水反应堆可以使用轻水或者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。由于此功能允许提高峰值温度, 这超临界水反应堆被认为是一个有前途的发展核电站因为它的高热效率(~ 45%对~ 33%的当前LWRs)。

过热和再加热

superheated-steam-min对于卡诺循环热效率随着传热增加能量的平均温度倾向于增加。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或者再热工作蒸汽。这两个过程的方式非常相似:

  • 过热器- 提高饱和温度高于饱和温度的蒸汽温度
  • 回热器-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提高峰值温度在不增加锅炉压力的情况下,朗肯循环(并提高效率)。这需要添加另一种称为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
高压阶段过热的朗肯循环。这需要蒸汽发生器温度较高。

过热蒸气或者过热蒸汽蒸汽是在一定温度下的吗高于其沸点在测量温度的绝对压力下。

再热允许在接近循环峰的温度下提供更多的热量。这需要添加另一种称为a的热交换器回热器。再热器的使用涉及分裂涡轮机,即用再热器使用多级涡轮机。观察到,不需要两个以上的再加热阶段,因为下一阶段仅增加了循环效率,只有一半的前阶段。

涡轮机的高压和低压阶段通常在同一轴上驱动普通发电机,但它们具有单独的情况。与A.回热器后提取流局部扩张(点D),通过热交换器延伸以将其加热回到峰值温度(点E),然后通过到低压涡轮机。然后在从点E到点F中的低压涡轮机完成膨胀。

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)重新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。

引用:
核与反应堆物理学:
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高级反应堆物理:

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  2. 《核反应堆动力学概论》,美国核学会,1985,ISBN: 0-894-48029-4。
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  4. E. E. Lewis,W.F.F. Miller,中子运输计算方法,美国核协会,1993年,ISBN:0-894-48452-4。

其他参考:

柴油发动机-汽车回收

也可以看看:

郎肯循环

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