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汽轮机理论 - 热力学。w88优德appw88优德app蒸汽涡轮机的热力学由朗肯循环描述,该循环描述了恒压热发动机的工作。优德app热工程学

汽轮机理论 - 热力学w88优德app

1859年,苏格兰工程师,威廉约翰麦克奎尔斯兰辛通过出版“蒸汽机手册和其他主要搬运工”。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

兰诗周期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,兰诗周期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,工作流体兰诗周期接受相变从液体到气相,反之亦然。

虽然许多物质可以用作兰氏藻循环中的工作流体(无机甚至有机),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汽化热,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“蒸汽桌子”。

其中一个主要的好处兰诗周期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。

什么是汽轮机
一般来说,一个汽轮机是一个旋转热机转换热能中包含的蒸汽机械能或者电能。最简单的形式是a汽轮机由一个锅炉(蒸汽发生器),涡轮,冷凝器,进料泵及各种辅助装置。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,只是工作流体是水和蒸汽,而不是空气或气体。

汽轮机是一种旋转式热机,它特别适合用来驱动发电机。请注意,对90%世界上所有的发电都是通过蒸汽涡轮机进行的。蒸汽轮机是1884年由查尔斯爵士帕森斯,其第一模型连接到产生7.5千瓦(10 HP)的电力的发电机。汽轮机是所有现代和未来的热电厂的共同特征。事实上,融合发电厂的电力生产也基于传统汽轮机的使用。

也可以看看:蒸汽的性质

汽轮机的优点和缺点
好处
  • 由于蒸汽轮机是旋转热发动机,因此特别适合于驱动发电机。
  • 汽轮机的热效率通常比往复式发动机高。
  • 与往复式发动机相比,功率重量比非常高。
  • 运动部件比往复式发动机少。
  • 蒸汽轮机适用于大型火力发电厂。它们由多达1.5 GW(2,000,000 HP)涡轮机的各种尺寸制成,用于发电。
  • 一般来说,蒸汽包含大量的焓(特别是以汽化热的形式)。这意味着与燃气轮机相比,质量流量更低。
  • 一般来说,涡轮只朝一个方向运动,振动比往复式发动机小得多。
  • 蒸汽轮机具有更高的可靠性,特别是在需要持续高功率输出的应用中。

缺点

虽然世界上大约90%的电力发电是通过使用汽轮机,但它们也有一些缺点。

  • 隔夜成本相对较高。
  • 在部分负荷运行时,汽轮机的效率比往复式发动机低。
  • 它们的启动时间比燃气轮机长,当然也比往复式发动机长。
  • 与燃气轮机和往复式发动机相比,对动力需求的变化反应较慢。
核电厂用湿式汽轮机

大多数核电站运营着一个单轴水轮发电机它包含一个多级涡轮惠普3个并联多级低压涡轮机,主发电机和激励器。惠普涡轮通常是双侧反动式汽轮机大约10个阶段,带盖叶片,并产生电厂单元总功率输出的约30-40%。LP涡轮机通常双流反动涡轮机大约有5-8级(带罩叶片和最后3级的独立式叶片)。低压涡轮机产生约60-70%的总功率输出电厂机组。每个涡轮转子安装在两个轴承上,即每个涡轮模块之间有双轴承。

朗肯循环- t图
朗肯循环- t图

在这些涡轮机中,高压级接收蒸汽(这种蒸汽是饱和的蒸汽 -x = 0.995-图中C点;6 MPa;(275.6°C),并将其排至隔湿再热器(D点)。必须对蒸汽进行再加热,以避免因蒸汽的燃烧对汽轮机叶片造成损害低质量的蒸汽。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%。

典型3000mwth pwr的蒸汽轮机
典型3000MWTH PWR的蒸汽轮机架构。

朗肯循环- t图
朗肯循环- t图

典型3000mwth pwr的蒸汽轮机
典型3000MWTH PWR的蒸汽轮机架构。

今天,这是兰诗周期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,因为在世界上大多数地区,涡轮机是蒸汽驱动的。

与Carnot循环相比,朗肯循环不执行等温过程,因为这些必须非常缓慢地进行。在理想的兰氏曲线周期中,执行循环的系统经历了一系列四种方法:两种等熵(可逆绝热)工艺交替,具有两种同位过程。

自从Carnot的原则指出,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米电力。通过增加效率可以获得更高的效率温度蒸汽。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

水和蒸汽的性质
蒸汽是一种用于的常用液体换热在初级电路(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缩合因为它的水非常大的蒸发潜热

缺点是水调节反应器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 - 能量系统中的常见参数

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"蒸汽桌子”。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:蒸汽桌子

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。蒸发(沸腾)开始发生给定温度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)。在这两个国家之间,我们谈论气液混合物湿蒸汽(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
蒸发热 - 水为0.1MPa,3MPa,16MPa
蒸发热量随着压力的增加而减小,而沸点增加。它完全消失在称为临界点的某个点。

一般来说,当一种材料变化阶段从固体到液体,或从液体到气体,一定量的能量参与该相的变化。在气相变化的情况下,这种能量被称为蒸发焓,(符号Δh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)。当添加潜热时,不会发生温度变化。蒸发的焓是该转化发生的压力的函数。

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 - 在16MPa的水(压力内)加压器)

hlg= 931 kJ /公斤

汽化热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。高于临界点,液体和蒸气相是难以区分的,物质称为a超临界流体

相变 - 汽化焓
汽化潜热 - 0.1MPa的水。吸收热量的主要部分。

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:

  • 郎肯循环等熵压缩(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= H.2- 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= H.3.- H2
  • 虽然熵扩张(汽轮机中的膨胀)-锅炉中的蒸汽在汽轮机中从状态3绝热膨胀到状态4,产生功,然后排放到冷凝器(部分冷凝)。蒸汽对周围环境(涡轮机的叶片)做功,损失的焓等于离开系统所做的功。涡轮所做的功由WT= H.4- H3.熵仍然保持不变。
  • 等压散热(在热交换器中)- 在该阶段中,循环通过恒定压力过程完成,其中从部分冷凝的蒸汽中拒绝热量。从蒸汽传热到冷却回w88优德备用网址 微博路中的冷却水。蒸汽凝结和冷却水的温度增加。被拒绝的净热量被拒绝再保险= H.4- 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)。工作是由阶段3和4之间的涡轮机中的流体完成的(sentropic扩张)。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流程工作在系统或系统上完成:

等式过程(DQ = 0):

dH = Vdp→W = H2- 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一个特殊的情况绝热过程没有热量和物质的传递。这是一个可逆绝热过程。假设没有传热非常重要,因为我们只能使用绝热w88优德备用网址 微博近似非常快速的过程

等熵过程和第一定律

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

等式过程(DQ = 0):

dH = Vdp→W = H2- 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。

由于有变化内部能量(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是以下等式:

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被使用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,使用它是方便的而不是内部能量。

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流程工作在系统上或由系统完成。

朗肯循环- pV, t图

朗肯循环- t图
朗肯循环- t图

兰诗周期通常绘制在压力体积图上(PV图)和温度-熵图(TS图)。

当绘制在压力卷图,等因素过程遵循用于气体的等管线(水平线),绝热过程在这些水平线之间移动,由完整循环路径界定的区域表示总功这可以在一个循环期间完成。

温度熵图(TS图),其中热力学状态由图表上的点指定特定熵(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,必须等于完成的工作,W,加上必须消散的热量废热问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

朗肯循环- t图
朗肯循环- t图

通常大多数核电站运营多级冷凝汽轮机。在这些涡轮机中,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),并将其排至隔湿再热器(D点)。必须对蒸汽进行再加热,以避免因蒸汽的燃烧对汽轮机叶片造成损害低质量的蒸汽。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转的。它们不是无限缓慢地完成的。在真实装置(如涡轮机,泵和压缩机)中,机械摩擦和热损失导致进一步的效率损失。

计算热效率最简单的兰诗周期(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而不是热力学能。

关于焓的第一定律是:

dH = dQ + Vdp

在这个方程中Vdp是一个流程工作。这项工作,Vdp, 是用来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流程工作在系统或系统上完成:

等式过程(DQ = 0):

dH = Vdp→W = H2- H1

显而易见的是,在分析电力工程中使用的热力学循环,即在布雷顿循环和朗肯循环中,将是非常有用的。

可以制成一个密集的,或具体的,变量除以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米电力。原因在于蒸汽温度较低(6 MPa;275.6°C)。通过增加效率可以获得更高的效率温度的蒸汽。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米电力。通过增加效率可以获得更高的效率温度蒸汽。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),患有效率43%。最高效也最复杂的燃煤电厂“超重要”压力(即30 MPa左右)和采用多级再热达到左右48%效率。
  • 现代联合循环燃气轮机(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

如讨论的那样,效率可以在0到1.每个热引擎之间的范围是以某种方式效率低下。这种低效率可以归因于三个原因。

  • 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存器之间进行操作。例如,当热藏有t时热的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%。但所有真正的热力学过程都以某种方式不可逆转。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热电厂。理想情况下,蒸汽排入冷凝器的蒸汽将会有没有欠火。但是真正的冷凝器设计用于将液体从几度摄入液体中脱离,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
就像在克诺,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(即减少饱和温度)。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)。保持最低实际涡轮机排气压力的目标是包括热电厂中的冷凝器的主要原因。冷凝器提供真空,使得从蒸汽中提取的能量最大化,导致净工作和热效率显着增加。但此参数(冷凝器压力)还具有其工程限制:

  • 减小涡轮排气压力降低蒸汽质量(或干燥级分)。在某些时候,必须结束扩张,以避免可能对汽轮机叶片造成的损害低质量的蒸汽
  • 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。

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
锅炉压力的增加是反应堆压力容器材料限制的结果。

通过传热加入能量的平均温度增加的情况,需要过热蒸汽产生或增加锅炉(蒸汽发生器)中的压力。w88优德备用网址 微博过热不是核电厂的典型。

通常大多数核电站运营多级冷凝汽轮机。在这些涡轮机中,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)。由于蒸汽发生器均为100%效率,因此饱和温度(次级侧)与主要冷却剂的温度之间总是存在温差。

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初级入口。这需要保持非常高的压力以使水保持在液态状态。为了防止初级冷却剂的沸腾并提供过冷余量(压力机温度与反应器核心的最高温度之间的差异),为PWRS典型约16MPa的压力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。

PWR凝结涡轮机入口处的典型参数。
PWR凝结涡轮机入口处的典型参数。
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重新加热工作蒸汽。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提高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 - 超热 - 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力下。

再热允许在接近循环峰的温度下提供更多的热量。这就需要增加另一种称为a的热交换器再热。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。与一个再热后提取流局部扩张(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。

朗肯循环 - 再热 - 超热
兰宁循环重新加热和过热低压阶段

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处。通常大多数核电站运营多级冷凝湿式汽轮机(高压阶段在饱和蒸汽上运行)。在这些涡轮机中,高压台接收蒸汽(该蒸汽在图中的蒸汽 - x = 0.995-点C)从蒸汽发生器排气到水分分离器再热器(点D)。蒸汽必须是加热或过热为了避免通过低质量蒸汽对蒸汽轮机叶片造成的损害。高含量的水滴可以引起叶片的快速冲击和侵蚀,当冷凝水被喷射到叶片上时发生的叶片发生。为防止这种情况,冷凝水泵安装在通向涡轮机的蒸汽管道中。再热器加热蒸汽(点D),然后将蒸汽指向蒸汽涡轮机的低压级,其中膨胀(点E至F)。排出的蒸汽处于低于大气压的压力,从图片中可以看出,蒸汽处于部分冷凝状态(点F),通常具有近90%的质量,但蒸气质量较高得多,而不是没有重新加热。因此,过热也倾向于缓解涡轮机排气时的低蒸汽质量的问题。

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燃料量必须在锅炉中添加。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,因为进入循环中的更多的热流发生在较高温度下。
  • 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。

再生和热恢复

一般来说,热交换器用于再生的用途可以被归类为再生器恢复器

  • 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吗单独的流动路径对于沿着它们自身的通道和热量的每个流体通过分离壁传递。恢复器(例如,经济学者)通常用于电力工程,以提高热力学循环的整体效率。例如,在燃气轮机发动机中。恢复器将废气中的一些废热转移到压缩空气中,从而在进入燃烧室之前将其预热。许多恢复器都设计为逆流换热器。
超临界牛排循环
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和涡轮机入口温度超过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

SCWR的特征
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,描述了更改的中子数在里面反应堆堆芯

为了SCWRs一个一旦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主持人。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,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ηT,ηP,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通常为0.7至0.9(70-90%)。

也可以看看:等熵过程

型效率 - 涡轮 - 泵

虽然vs.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。

汽轮机-问题与解决方案

郎肯循环让我们假设这一点兰诗周期,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. 这两个状态(1→2)之间的焓差,这对应于泵,W完成的工作P
  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精确蒸气质量,因此我们必须确定此参数。状态4通过压力固定p4= 0.008 mpa.而事实是特定熵等熵膨胀是常数吗3.= S.4= 5.89KJ / KGK为6 MPa)。可以从饱和液体水(x = 0)和干蒸汽(x = 1)的特定熵蒸汽表。在湿蒸汽的情况下,实际的熵可以用蒸汽质量计算,x,饱和液态水和干蒸汽的比熵:

年代4= S.vX + (1 - X) slgydF4y2Ba

在哪里

年代4=湿蒸汽熵(J/kg K) =5.89kJ / kgK

年代v=“干燥”蒸汽(J / kg K)= 8.227 kJ / kgk的熵(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、v=2785焦每千克

h4,潮湿= H.4,V.X + (1 - X) h4,L.= 2576。0.694 + (1 - 0.694)174 = 1787 + 53.2 = 1840 kJ/kg

然后通过蒸汽,w完成的工作T,

WT=Δh =945 kj / kg

3)

状态1的焓可以直接从蒸汽桌上挑选:

h1,L.=174 KJ / kg

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= S.2= 0.592kJ/kgK为0.008 MPa)。对于这个熵s2=0.592kJ / 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 / kg

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= H.3、v- - - - - - h2、过冷= 2785 - 179.7 =2605.3 kj / kg

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),这种热力发动机将有一个卡诺效率

η克诺= 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以通过以下公式计算:

朗肯循环-例子-热效率

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

引用:
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,核工程介绍,3D Ed。,Prentice-Hall,2001年,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,弹簧斯;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
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  9. 美国能源、核物理和反应堆理论部。美国能源部基础手册,卷1和2。1993年1月。

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。
  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。

也可以看看:

涡轮发电机

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