什么是热效率改进 - 朗肯循环 - 定义

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。优德app热能工程

朗肯循环的热效率

一般来说热效率ηTH.的比值定义为工作它确实如此,W.,到了在高温下输入,qH

热效率公式 -  1

热效率ηTH.,代表分数问:H,转换了去工作。根据能量保守第一热力学定律w88优德app并且不能转换能量完全工作,热输入,qH等于对系统做的功W,加上系统散发的热量废热问C进入环境。因此,我们可以重写用于热效率的公式:

热效率公式 -  2

这是非常有用的公式,但在这里,我们用第一个法律表达了热效率

朗肯循环- t图
rankine周期 - TS图

通常大多数人核电厂运营多级冷凝汽轮机。在这些涡轮中高压级接收蒸汽(这种蒸汽几乎是饱和的蒸汽 - x = 0.995-点C;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(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)。然后,耗尽的蒸汽在冷凝器中冷凝,它处于低于大气压的压力(绝对压力0.008 MPa.),并且处于部分冷凝状态(点F),通常具有近90%的质量。

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的第二律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寒冷的/ T.热的= 1 - 315/549 = 42.6%

如果热储存器的温度为275.6°C(548.7K),则冷藏液的温度为41.5°C(314.7K)。但核电站是真正的热机,其中热力学过程是不可逆转的。它们不是无限的慢慢完成。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)工程师使用在焓的第一热力学定律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A.流程工作。这项工作,VDP., 是用来开放流量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能量转移的描述在恒定压力下, 这焓变等于活力通过加热从环境中转移:

异交过程(VDP = 0):

dh = dq→q = h2- H1

在恒定的熵,即在等熵过程中焓变等于流程工作由系统完成或由系统完成:

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, 或者具体的,变量除以大量的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比容具体的内部能量。这种简单的兰尼斯循环的热效率以及特定焓的效率将是:

朗肯循环的热效率

它是非常简单的等式和确定热效率,您可以使用数据蒸汽表

Takaishi,Tatsuo;Numata,Akira;Nakano,Ryouji;Sakaguchi,Katsuhiko(2008年3月)。
Takaishi,Tatsuo;Numata,Akira;Nakano,Ryouji;Sakaguchi,Katsuhiko(2008年3月)。“方法高效柴油和燃气发动机”(PDF)。三菱重工业技术审查。45(1)。检索到2011-02-04。

在现代核电站中,总体热效率是关于三分之一(33%),所以3000 mwth.从裂变反应中产生热力量以产生1000米电力。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。潜在临界化石燃料电厂,在下面运营临界压力(即低于22.1 MPA),效率达到36-40%。

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。自温差低,约20°C,其热效率也很低,大约3%
  • 在现代核电厂整体热效率大约三分之一(33%),所以3000 mwth.从裂变反应中产生热力量以产生1000米电力。提高效率可以通过增加温度蒸汽。但这需要增加锅炉内部压力或蒸汽发生器。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
  • 潜在临界化石燃料电厂,在下面运营临界压力(即低于22.1 MPA),效率达到36-40%。
  • 超临界水反应堆被认为是一个有前途的发展核电厂因为它高热效率(当前LWRS的〜45%〜33%)。
  • 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“超要”压力(即大约30 MPa)并使用多阶段重新加热范围48%效率。
  • 现代的组合循环燃气轮机(CCGT)植物,其中包括的热力学周期包括两个电厂循环(例如,布雷顿循环和兰氏峰),可以实现周围的热效率55%相反,与单循环蒸汽发电厂相比限于约35-45%的效率。

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。

  • 流程的不可逆转性。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Carnot原则,没有发动机可以比可逆发动机更有效(钟盘热力发动机)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寒冷的约20°C(293K),最大(理想)效率将是:= 1 - T寒冷的/ T.热的= 1 - 293/673 = 56%。但所有真实的热力学过程都是不可逆转。它们不是无限的慢慢完成。因此,由于它们使用的热发动机循环的固有不可逆性,热动发动机必须具有比其效率的效率更低。
  • 存在摩擦和热损失。在真正的热力学系统或实际热力发动机中,整个周期的一部分低效率是由于各个组件的损失。在真实的设备(如涡轮机,泵和压缩机)中机械摩擦热损失燃烧过程中的损失导致进一步的效率损失。
  • 设计效率低下。最后,最后一个也是重要的低效率来源来自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过脱机。但真正的冷凝器是设计来将液体过冷几度的,以避免吸气在冷凝水泵中。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
如在克诺奥托布雷顿循环,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。

能量被拒绝的平均温度降低的情况,需要在内部的压力下降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:

  • 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
  • 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)。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。

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。

通常大多数人核电厂运营多级冷凝汽轮机。在这些涡轮中高压级接收蒸汽(这种蒸汽几乎是饱和的蒸汽 - x = 0.995-点C;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 - 逆流换热器
典型PWR蒸汽发生器中的温度梯度。

在典型的加压水反应器中,热原子冷却剂(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左右反应器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
过热 - 蒸汽 - 分钟至于钟状循环,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。

可能的方式之一是过热或者重新加热工作蒸汽。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
  • 再热- 拆除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,它产生了过热蒸汽

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强下。

重新加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的热交换器再热。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.再热,流程是在a之后提取的部分扩展(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。

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导致温度和特定体积的增加。在T-S图中,在状态E和饱和蒸汽曲线之间的图中提供了T-S图中的水蒸气的过热过程。也可以看出,也可以看出湿汽轮机(例如,用于核电厂)使用过热蒸汽特别是在低压阶段的入口处。通常大多数人核电厂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
通过减少汽轮机发电厂的热效率的显着增加可以通过减少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和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

可以在文章中看到“蒸汽发生器“,蒸汽发生器的入口处的给水(次级电路)可能具有约〜230°C(446°F)然后被加热到液体的沸点(280°C; 536°F; 6,5MPa)蒸发。但冷凝器出口处的冷凝物可能具有约40°C,所以典型PWR的热再生很重要,非常重要:

  • 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,换热器用于再生可分为两种蓄热室或者换热器

  • 再生器是一种热交换器,其中来自热流体的热在将热储存介质中间歇地存储在冷流体之前。它具有单个流动路径,其中热和冷流体交替通过。
  • 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 - 超临界周期
超临界牛排循环

如讨论的那样,通过进入涡轮机的蒸汽的温度的增加,可以改善热效率。但这种温度受到材料和设计的冶金限制的限制反应器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牛排循环(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(即大约30 MPa)并使用多阶段重新加热范围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。

超临界牛排循环也是超临界水反应器的热力学循环。这超临界水反应器(SCWR)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),不能与之混淆反应堆核心的临界性,描述了更改的中子数反应堆核心

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, 这超临界水反应堆被认为是一个有前途的发展核电厂因为它高热效率(当前LWRS的〜45%〜33%)。

等式效率 - 涡轮机,泵

在先前的章节中,我们假设蒸汽膨胀是惯例,因此我们使用了4,是作为气体的出口温度。这些假设仅适用于理想的循环。

大多数稳态装置(涡轮机,压缩机,喷嘴)在绝热条件下运行,但它们不是真正的熵,但与计算目的的熵相当理想化。我们定义参数ηT.ηP.N作为通过设备完成的真实工作的比率,当在熵条件下操作时通过设备(在涡轮机的情况下)。该比率被称为型涡轮机/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:惯言过程

等熵效率-涡轮-泵

虽然vs.绝热压缩
等熵和绝热膨胀
概要过程是绝热过程的特殊情况。这是一个可逆的绝热过程。等熵过程也可以称为恒定的熵过程。
引用:
核和反应堆物理学:
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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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