思考题参考答案

第七章思考题参考答案

1. 简单蒸汽动力装置由哪几个主要设备组成？画出系统图。在p-v图、T-s图上如何表示？

答：简单蒸汽动力装置由四部分组成：水泵，锅炉，蒸汽透平，冷凝器。系统图请见p233页图7-1，p-v图、T-s图请见p234 图7-2。

2. 卡诺循环效率比同温限下其它循环效率高，为什么蒸汽动力循环不采用卡诺循环方案？

答：与朗肯循环相同温限下的卡诺循环，吸热过程将在气态下进行，事实证明气态物质实现定温过程是十分困难的，所以过热蒸汽卡诺循环至今没有被采用（图见p237 图7-4）。

对于利用饱和区域定温即定压的特性形成饱和区的卡诺循环也不可行，其有两个关键问题：其一，汽轮机出口位于饱和区干度不高处，湿度太大使得高速运转的汽轮机不能安全运行。同时不可逆损失增大，因此，实际使用的汽轮机出口干度一般限制在不小于0.85-0.88。其二，这样的卡诺循环，压缩过程将在湿蒸汽区进行，汽液混合工质的压缩会给泵的设计与制造带来难以克服的困难。

综上所述，蒸汽动力循环至今未采用卡诺循环。

3. 蒸汽动力循环热效率不高的原因是冷凝器放热损失大，能否取消冷凝器而用压缩机将乏气送回锅炉？

答：首先，冷凝器放出的热量数量虽大，但品质很低，其中大部分为A n，这部分A n不能再转变为功了。根据热力学第二定律，对于蒸汽动力循环，要求将这部分低品位的能量释放出去，才能保证热量连续不断地转化为功（可以从朗肯循环的T-s图上看出）。其次，用压缩机将乏气送回锅炉的做法相当于耗功来换功（并非将热量转变为功，品位提高），这样做是不值得的。因此不能取消冷凝器而用压缩机将乏气送回锅炉。

4. 上题同样的原因，能否取消冷凝器，直接将乏气送回锅炉加热，以免冷凝放热损失?

答：不能这样做。原因有二：第一个原因与上题相同，这是受热力学第二定律的限制，因此不能取消冷凝器；其次，若直接将乏气送回锅炉加热，势必将给锅炉的设计带来麻烦，使其结构复杂化。

5. 蒸汽中间再过热的主要作用是什么？是否总能通过再过热提高循环热效率？什么条件下中间再过热才能对提高热效率有好处？

答：为了提高循环热效率，可以提高蒸汽初温和初压。但是提高蒸汽初压将导致乏气干度下降，而提高初温又要受到金属材料的限制，为了解决这一矛盾，常常采用蒸汽中间再过热的方法，流程图和T-S图见p251图7-15。

应该注意的是，再热循环不一定能够提高循环热效率。再热循环的平均吸热温度是再热前吸热过程和再热过程平均吸热温度的加权叠加。由于中间再热压力不同，再热循环的平均吸热温度可能高于、等于和低于原简单循环的平均吸热温度，进而导致再热循环热效率由于中间再热压力（即蒸汽膨胀到何程度时抽出再过热）的不同而可能大于、等于或小于朗肯循环热效率。

只有选择合适的中间再热压力时（一般在蒸汽初压力的20%-30%），再热过程的平均吸热温度高于再热前吸热过程的平均吸热温度，此时再热循环热效率高于朗肯循环热效率。此时，可以达到即提高乏气干度，又提高循环热效率的目的。

6. 抽气回热循环，由于抽出蒸汽，减少了作功，为什么还能提高循环热效率呢？答：与相同参数的朗肯循环相比，由于部分蒸汽从中间压力抽出，这就使得回热循环比功（单位工质做功）小于朗肯循环，导致回热循环汽耗率增大。但与此同时，抽汽回热把本来要放给冷源的热量（抽汽的显热和潜热）利用起来去加热工质，以减少工质从外界吸收的热量。对于抽汽回热循环，没有被抽出的这部分工质循环热效率没有改变，而被抽出的那部分工质在被抽出前做功量没有变化，同时在被抽出后又将热量返回给了系统（这部分蒸汽的平均吸热温度有所提高，图7-17所示），这样必然将提高了循环的整体热效率。

7. 总结蒸汽参数对于循环的影响，有何利弊？

答：初参数：提高蒸汽的初温和初压可以提高循环的热效率。因此，现代蒸汽动力循环朝着高参数方向发展。但与此同时，提高蒸汽初压将导致乏气干度下降，对汽轮机的安全工作不利；而提高初温又要受到金属材料的限制。

终参数：降低乏气压力可以提高循环热效率，但乏气压力是受环境温度制约的（除海水冷却外）。

8. 热效率法和火用效率法有何不同？

答：热效率法和火用效率法的分析结论都反映了系统以及各个部件能量利用的情况。有所不同的是，热效率法反映了与“能量数量”相关的信息，例如锅炉的热效率为92%，表示输入的能量中有92%被利用。热效率法没有考虑能量品质的差异；火用效率法同时反映了与“能量数量”和“能量品质”相关的信息，例如锅炉的热效率虽然很高，但其火用效率却很低。这是由于煤的化学能的品质很高，但最终通过锅炉转变为品质相对较低的热能，转化过程中由于各种不可逆因素的存在，使得能量品质大为下降。从系统评价的全面性和指导性来看，火用效率法优于热效率法。