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热力学

朗肯循环:靠蒸汽运转的发电厂

锅炉、汽轮机、冷凝器、泵四个部件。相变让热在近恒温下进出,泵功很小。η = Wnet/QH

世界上的电力,大多来自水变成蒸汽再变回来的一个回路。朗肯循环让水依次通过锅炉、汽轮机、冷凝器、泵四个部件,而提高效率的诀窍正在于这场相变。

拖动相位,跟着水绕环走一圈。锅炉加热,汽轮机做功,冷凝器放热,泵把液体送回去。无论是烧煤、用核反应堆还是聚集阳光,需要换的只是热源,水循环的这个回路本身几乎不变。

在 T-s 平面上,循环紧贴饱和穹顶。在 T-s 图上,每一步交换的热就是其路径下方的面积,所以闭合回路所围的面积就是净吸热量,而在一个循环中它正好等于净功。拖动锅炉温度,回路变大,它围出的面积——也就是净功——也随之增大。

净功是汽轮机功减去泵功。泵只压缩液体,功很小,所以汽轮机的输出几乎全部留下。液体几乎不可压缩,把水压到高压时体积只缩小一点点,所需的功微乎其微;而若换成压缩气体,则会吃掉汽轮机输出的一大部分。拖动锅炉压力试试。

把蒸汽加热到穹顶之上的过热,会提高加热的平均温度从而提升效率,并让汽轮机出口更干。出口若带湿,水滴会击打并侵蚀高速旋转的汽轮机叶片,所以让蒸汽保持干燥能防止这种磨损、延长叶片寿命。切换饱和与过热看看。

带走三点:四个部件,效率 η = WnetQH,以及之所以用水,是因为相变让热在近恒温下进出,几乎不花泵功。下一站是没有相变的气体循环:奥托与狄塞尔。现代蒸汽电厂把大约 40% 的热变成电,而在其前面加装燃气轮机的联合循环电厂里,这个数字能超过 60%。

实际应用总结一下:朗肯循环用锅炉(吸热)、汽轮机(做功)、冷凝器(放热)、泵(加压)四个部件让水循环,是蒸汽发电循环。在 T-s 平面上它是贴着饱和穹顶的回路,其面积就是净功。效率为 η = WnetQH = (Wturbine − Wpump)QH,由于泵处理的是液体,功很小,汽轮机输出几乎全部留下。要提高效率,就升高锅炉压力与温度或加过热,并降低冷凝器温度。过热把平均吸热温度推向卡诺,同时让汽轮机出口变干,减少叶片损伤。下一节 D2 转向不发生相变、以空气为工质的奥托与狄塞尔循环。
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