為什么汽輪機(jī)排汽不直接送到鍋爐加熱再做功

前幾天做兩化融合時(shí)，有個(gè)老師問出了這個(gè)問題，剛過兩天，又在知乎發(fā)現(xiàn)這個(gè)問題，這個(gè)想法很有道理，節(jié)約能源、高效利用嘛，發(fā)電以后的乏汽非要被水冷卻一下才往鍋爐里面送，大量的氣化潛熱被送到冷卻水里，占了整個(gè)蒸汽工質(zhì)焓值的一半，實(shí)在可惜。所以提出把乏汽直接送入鍋爐的想法絕對是好的，是有思想的。大大的一個(gè)但是花時(shí)間把《工程熱力學(xué)》、《熱力發(fā)電廠》、《汽輪機(jī)原理》重新囫圇吞棗了一遍，也沒有找到關(guān)于這一問題的直接論述，尤其對于有人提到的朗肯循環(huán)仔細(xì)地重新學(xué)習(xí)，但也沒找到答案，所以沿著題主的思路，新問題產(chǎn)生了——如果將汽輪機(jī)的乏汽直接送到鍋爐里會(huì)發(fā)生什么情況？如何盡可能地減少熱量損失？1、直接用壓氣機(jī)將乏汽提壓送到鍋爐里。百十年來，用水蒸氣做為工質(zhì)的熱機(jī)基本都是一個(gè)模式，做功后的乏汽進(jìn)入換熱器被冷卻成凝結(jié)水，然后用水泵打到鍋爐里重加熱?，F(xiàn)在我們試試用壓氣機(jī)將未經(jīng)冷卻的乏汽直接送到鍋爐里看結(jié)果是怎樣：具有壓力p1溫度t1的水蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)做功，汽輪機(jī)排出的乏汽壓力為p2溫度為t2，p1>p2,t1>t2，現(xiàn)在我們用壓氣機(jī)將乏汽壓力提高到p1，看看會(huì)發(fā)生什么情況（下面要用到工程熱力學(xué)的有關(guān)知識(shí)，沒有這方面姿勢的直接看結(jié)果就行了。）（另：不要問我為什么非要將壓力提高，為什么不能讓乏汽通過一根管子直接塞進(jìn)鍋爐里，就好比問為什么水不能直接流到高處一樣，這屬于另外一個(gè)智商領(lǐng)域的問題，我拒絕回答）。從焓熵圖上看，乏汽從點(diǎn)（p2,t2）經(jīng)壓氣機(jī)壓縮到達(dá)p1等壓線某點(diǎn)（p1,t’），很顯然，不管熵增大小，t’都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于t2，壓縮提壓過程的焓增都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于汽輪機(jī)做功過程的焓降。也就是說乏汽不經(jīng)冷卻而提壓進(jìn)入鍋爐，所付出的代價(jià)將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于汽輪機(jī)的輸出功。2、用帶有中間冷卻的壓氣機(jī)將乏汽提壓實(shí)際工程上采用的壓縮機(jī)基本都帶中間冷卻，哈哈，我一個(gè)熱動(dòng)專業(yè)的畢業(yè)生怎么會(huì)不知道氣體被壓縮之后溫度會(huì)上升呢。（BTW：很多科普文章把飛船返回大氣層遇到的高熱解釋為摩擦生熱，其實(shí)是高速運(yùn)動(dòng)的物體壓縮了前面的空氣造成溫度急劇上升，行話叫絕熱滯止過程，摩擦算個(gè)毛?。┫旅娣治鲆幌抡５?、工程上用的、帶中間冷卻的壓氣機(jī)將乏汽提壓的情況，前提是冷卻過程中水蒸氣不能變成水、工質(zhì)不損失氣化潛熱，否則這個(gè)討論就沒有意義了。簡單分析：1）提壓幅度過大，從汽輪機(jī)的乏汽壓力0.0053MPa提升到鍋爐壓力十幾、二十幾兆帕，過程壓縮級(jí)數(shù)過多，效率高不到哪兒去。2）壓縮過程從點(diǎn)（p2,t2）沿著x=1干度線到達(dá)p1等壓線，你發(fā)現(xiàn)壓縮過程的終點(diǎn)p1對應(yīng)的飽和溫度離t1已經(jīng)沒多遠(yuǎn)了，鍋爐加熱過程的焓升空間已經(jīng)沒多少，也就是說基本上沒鍋爐什么事。你做的功大多數(shù)是用來驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)的。整個(gè)系統(tǒng)凈輸出較低。3）從溫熵圖上簡單勾了幾筆，發(fā)現(xiàn)無法和朗肯循環(huán)進(jìn)行比較，因?yàn)闊o法定性比較兩種循環(huán)的平均放熱溫度和平均吸熱溫度比值T2/T1，后來在準(zhǔn)備用實(shí)際參數(shù)在溫熵圖上進(jìn)行圖上作業(yè)，求出兩種循環(huán)的T1和T2，剛畫了一筆忽然醒悟朗肯循環(huán)是個(gè)理想循環(huán)，你拿實(shí)際參數(shù)比個(gè)毛啊，所以最終放棄，題中有人提到“此時(shí)朗肯循環(huán)的熱效率相當(dāng)?shù)停ㄊ謾C(jī)不好配圖，見諒）”，還請指點(diǎn)。從實(shí)際出發(fā)，如果想盡可能利用乏汽的熱量，不丟失氣化潛熱，現(xiàn)有的蒸汽輪機(jī)設(shè)計(jì)必須改變：1）選擇一種工作溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于飽和溫度的工質(zhì)，采用多級(jí)壓縮中間冷卻。2）盡可能提高t1，提高系統(tǒng)效率，否則不劃算。3）和蒸汽輪機(jī)一樣，再熱、回?zé)嵫h(huán)同樣可以利用到新的輪機(jī)上。3、燃?xì)廨啓C(jī)情況根據(jù)以上的分析，我們考慮燃?xì)廨啓C(jī)的情況，顯然燃?xì)廨啓C(jī)符合以上所說的三個(gè)條件。等等，燃?xì)廨啓C(jī)排出的廢氣還能再灌到燃機(jī)里面去嗎？氧氣減少了燃?xì)庠趺慈紵?？哼哼，燃?xì)廨啓C(jī)就一定要用燃?xì)鈫?？直接看看萬能的百度——燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)-閉式循環(huán)：“工質(zhì)循環(huán)使用，由透平排出的工質(zhì)，不再在大氣中作等效冷卻，而是經(jīng)冷卻器冷卻后重新被壓氣機(jī)吸入，再次參加循環(huán)過程（圖5）（原文如此，我不知道圖在哪兒）。壓縮后的氣體工質(zhì)在氣體鍋爐（或加熱器）中被加熱。閉式循環(huán)中，工質(zhì)可用空氣或其他氣體。閉式循環(huán)的主要缺點(diǎn)是包括氣體鍋爐在內(nèi)的換熱器尺寸大、成本高和T3溫度低等，因而應(yīng)用不多。若采用氣冷反應(yīng)堆作為加熱氣體工質(zhì)（用He或N2等）的熱源，就組成了核動(dòng)力閉式循環(huán)裝置，其效率可高于采用汽輪機(jī)的核動(dòng)力裝置?！?、總結(jié)1）乏汽不經(jīng)冷卻直接送往鍋爐（加熱器）是不可行的，因?yàn)闅怏w經(jīng)壓縮后回到初始?jí)毫?，其付出的代價(jià)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其對外輸出的功。2）乏汽經(jīng)冷卻但不丟失氣化潛熱（不凝結(jié)成水）是可以的。但對于目前大規(guī)模應(yīng)用的、工質(zhì)為水蒸氣的蒸汽輪機(jī)不適合。目前最合理的辦法仍然是將乏汽冷凝成水用泵升壓送入鍋爐。3）閉式循環(huán)氣冷堆燃?xì)廨啓C(jī)（氦氣輪機(jī)）接近題主所說的設(shè)想，最大限度地保留了乏