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1、1朗肯循环为何需要冷凝器摘要：本文阐明了卡诺循环除需要具备一个热源外，还必须具备一个冷源的原因，在于卡诺循环研究的是往复运动机构，没有冷源，活塞就无法及时缩回，也就无法构成连续的循环，形成往复运动。同时，还从理论上、从构成循环的角度，论证了朗肯循环必须具备冷凝器的原因。he a is go in on of is to be a 朗肯循环早已广泛应用于火力发电行业。但是，还常有人提出这样的凝问：朗肯循环中，从汽轮机排出的乏汽为什么要先经冷凝器冷却、放出凝汽热，凝结成水后，再送入锅炉去加热，变成蒸汽，而不直接将乏汽压入锅炉加热，升温升压后，再送入汽轮机作功？这样，可节省将从冷凝水加热为蒸汽的热量
2、。对这样的凝问，解释是多种多样的。例如：， 有人认为，根据卡诺循环，只有单一热源的热机不能对外作功，除了热源外，还必须配置一冷源。朗肯循环循环中的冷凝器即是这冷源；2, 有人认为有了冷凝器，可在汽轮机出口形成负压，便于汽轮机低压端的乏汽排出；3, 有人认为安装冷凝器是为了提高汽轮机的效率。因为，根据卡诺定理， = 1 1 （T 1 、T 2 分别表示高、低温热源的绝对温度） ，T 2 越低，效率越高；其实，这些解释均存在一定的问题。对于解释，如果把冷凝器看作是“冷源”的话，不要这个“冷源” ，该机器也可以作功。因为，冷凝器布置在汽轮机作功之后。換句话说，汽轮机已完成了作功，乏汽才进入冷凝器进行
3、冷却的。不要这个冷凝器，把乏汽直接排至大气中，同时，不断向锅炉补水，汽轮机仍然可以完成作功，只是效率低一些而已。这里的冷凝器与卡诺循环中的冷源并非一回事。对于解释 2，确实, 乏汽凝结成水便于汽轮机出口形成负压，有利于出口端的乏汽排出。但这仅仅只是会影响汽轮机的效率的问题，而不是汽轮机能不能作功的问题。若只是为了在汽轮机出口造成真空，也很容易采取其他措施来实现。所以，这样解释并未能阐明釆用冷凝器的本质原因。 对于解释 3，冷凝器后的温度 已不再是汽轮机出口处的温度。按冷凝器后的温度 汽轮机 + 冷凝器” 装置的效率，而不再单纯是汽轮机的效率。在有冷凝器的情况下，汽轮机出口温度比 。因而，汽轮机
4、本身的效率应比按 算的效率低。因而，解释 3 是把“汽轮机 + 冷凝器” 装置误认为是汽轮机效率造成的。下面，拟阐明这个问题的本质原因。 一， 卡诺循环为什么需要有冷源以下的讨论假设是在没有摩擦、循环可逆，气缸仅气缸头端部可导热的理想的卡诺热机2上进行的。在一个密闭的气缸内，注入一定质量的气体，经由二个等温过程（A B ；D C）和二个绝热过程( B D ；C A )组成的循环就是卡诺循环，其工作过程如图所示。工作过程从 A 开始，用一高温热源(t 1 ) 贴住气缸头，气缸头从高温热源吸热，使缸内气体等温膨胀至 B；然后，移开高温热源，用一绝热体贴住气缸头，使气体从 B 绝热膨胀至 D， 图对
5、外作功；再从 D，用一低温冷源(t 2 ) 贴住气缸头，使缸内气体等温收缩，活塞回缩至 缸头向低温冷源放热；最后，移开低温冷源，再用一绝热体贴住气缸头，使缸内气体从 C 绝热压缩回至 A，从外界吸收功。这里，必须要有一个高温热源和一个低温冷源。如果只有高温热源，没有低温冷源冷却气体，使之体积减小，气缸活塞就不能及时收缩回去, 不能完程过程 DC，也就不能形成连续的循环；另外，若此时依靠机构的运动，强制将活塞压回去，完成 DC，则机器对外作的功，就会在这个过程中完全消耗掉，使机器对外输出功的总和为 0，无法对外作功。 二，朗肯循环为什么需要冷凝噐朗肯循环由二个等压过程( 0 1 ；2 3 )和二
6、个绝热过程 ( 1 2 ；3 0 ) 组图 图3成，如图所示。主要设备构成如图所示。水经预热进入锅炉，在锅炉内吸热，变成高温、高压的蒸汽，完成 0 1 的过程；然后，高温、高压的蒸汽进入汽轮机，膨胀、对外作功，完成 1 2 的过程：接着，蒸汽进入冷凝器，将乏汽冷凝为饱和水，向外界放热，完成 2 3 的过程；最后，用水泵从外界吸收功，将冷凝水泵回锅炉，完成 3 0 的过程。其实，仅仅从能否对外作功来说，朗肯循环是可以不要冷凝器的。因为，如前所述，高温高压蒸汽在汽轮机内已完成了作功，排出汽轮机后，才进入冷凝器凝结成水的。所以，乏汽是否进入冷凝器与汽轮机能否作功并无直接关系。在生产实践中，也有这样的
7、实例。例如，背压式汽轮机，用来实现热电联供。但是，如果不是热电联供，仅仅单纯用于发电的话，若无冷凝器，就只得将乏汽放掉。这样，浪费太大。那么，能不能采取别的措施，例如，不冷却乏汽，用压缩机直接将乏汽压回鍋炉，经吸热增压，使之回复到进汽轮机之前的状态（图中的点的状态） ，又不丢失凝汽热呢？从下面的分析可以看出，这样的设想是不可行的。要想用压缩机使乏汽从点 2 回复到进入汽轮机之前的点状态，作为开始的过程，只有四种可能：，从绝热过程开始；，从等容过程开始；，从等温过程开始；，从等压过程开始。 图1, 从绝热过程开始：即沿着汽轮机作功的路径，逆向从图中的点1。这样，蒸汽的确是回到了进汽轮机之前的状态
8、，但是，汽轮机对外作的功将会在这个过程中消耗殆尽，显然行不通； 2, 从等容过程开始：即沿着图中与 平行的路径从点1 , P V= 一定时，要提升 P，就得提升 T。也就是在保持容积不变的条件下，将乏气加热，使压力从点回复到与点相等的点 1。但是，按上述等容路径并不能回复到点，而是点 1的状态。这时的容积比点的值大。这样，若继续进行循环，绝热膨胀作功，汽体将从点 12 , 容积将增大为点的值。如此继往，汽体的体积会越来越大，要求汽轮机的体积也要越来越大才行。显然，这也是做不到的；如果从点 1等压压缩到点 1，从方程 P V= 可知, P 一定时，要降低 V, 只有用冷凝器来降低 T,这就又回到
9、了采用冷凝器的循环过程中。且这时，对外作的功很小；3, 从等温过程开始：根据气态方程， 一定时，P 和 V 将按双曲线（等温曲线）变化，即乏汽将沿图中双曲线路径由点4, 再等压膨胀到点 1, 回复到点的状态。这也是不可能的。因为，除了将饱和水变为饱和水蒸汽，以及饱和水蒸汽凝结为饱和水的过程外,“在实际中，等温下的热量交換过程难以实现” 1 。因为，用压缩机压缩气4体，温度即会上升，不可能保持等温过程。只有用冷凝器将水蒸汽凝结为水，这可视为等温过程。不过，系统又得回到了采用冷凝器的循环过程中。而且，这时，系统对外作的功将为 2412 所围的面积，比原来朗肯循环所作的功(23012 所围的面积)小
10、得多，而他们所吸收的热量应相差不多。因为，在这个过程中，水加热变成水蒸汽的汽化过程吸收的热量最多，它们二者均要经历这个过程。这样一来，前者的效率会比朗肯循环的效率低。 4, 从等压过程开始：要想经过等压过程开始，从点 2 回复到点的状态，就得降低V， 经路径 2301 到达点 1。因为 P V= P 一定时，要降低 V, 只有用冷凝器来降低 T, 即用冷凝器将乏汽凝结成饱和水，可视为等压过程，才能沿着图中与 平行的路径，从点3, 再沿绝热路径从点0, 然后，再等压膨胀，沿路径从点 01，回到点状态。这样，就仍然回到了带有冷凝器的朗肯循环过程。应当指出，热力学第二定律中的高、低温热源是一个相对概
11、念，而非卡诺循环那样，必须用一特定的冷源。在卡诺循环中，若没有那特定的冷源，活塞就不能及时缩回，形成连续的循环。这样，必须隨着时间的推移，等待气缸内的气体冷却下来后，活塞才能缩回。这样，就不能进行连续的循环，也就不能形成机器工作了。因此，从上面的分析可以看出，对朗肯循环来说，冷凝器是一个不可或缺的装置。关键词1, 朗肯循环(, 卡诺循环(, 汽轮机(, 水蒸汽(, 锅炉(, 热源(, 冷源(, 往复机构( , 活塞(0, 循环(1, 热机(参考文献1, 唐莉萍 主编 热工基础 M中国电力出版社 2006 年月版2,日圆山重直 主编 热力学 M北京大学出版社 2011 年月版3, 赵永民 主编热力发电厂 M中国电力出版社 1996 牟月版 * * *
