題:
渦輪在蘭金循環中如何產生比泵更多的功率?
SF.
2015-10-17 00:28:14 UTC
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在蘭金循環中,有一個鍋爐,水被煮沸成過熱的蒸汽。輸入時,有一個泵可以輸送更多的水,輸出時,有一個渦輪機可以吸收壓縮蒸汽的能量。

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汽輪機和泵的蒸汽壓力大致相同。鍋爐部分的壓力。

是什麼使蒸汽為渦輪提供動力,而不是後退並迫使泵向後旋轉? -好吧,這很簡單,可以將動力傳遞給泵。但是,渦輪如何產生比泵更多的功率呢?畢竟,泵必須克服與推動渦輪相同的壓力,並輸送與蒸汽一樣排出的水。我缺少該設備的一些重要元素。什麼事?

三 答案:
Jorge Aldo
2015-10-18 03:54:47 UTC
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壓力是力/面積,如果泵葉輪提供的面積小於要被夾住的面積,則蒸汽必須將其強制排出鍋爐,並且渦輪機和泵都連接在一起,則壓力相同將導致泵上的力比渦輪上的力小。

示例:

讓我們假設該泵是活塞泵,並且在蒸汽側有一個活塞發動機(為簡單起見)。在循環的某個部分中,泵活塞和發動機活塞閥都朝鍋爐打開(泵向鍋爐供水,而發動機從鍋爐吸收蒸汽)。

可以說,泵活塞的“面部”表面積為10平方厘米,而蒸汽發動機活塞的表面積為100平方厘米。假設鍋爐上的壓力為200kPascal。這意味著泵活塞將需要對200000N /M²*0.001M²= 200N的力施力。蒸汽機上的壓力產生200000N /M²*0.1M²= 20kN。顯然,在泵與發動機之間的直接連接中,蒸汽機產生的力要比泵克服壓力梯度向鍋爐內部供水所需的力大得多。

為進行比較,讓我們假設泵不是將水泵入鍋爐,而是將蒸汽吸入泵中。如果泵活塞較小(意味著較小的衝程或缸徑),則通過發動機從鍋爐中出來的水量要大於通過泵返回到鍋爐中的水量。如果兩者相等,則發動機將不會產生任何動力。如果泵能夠向鍋爐中註入的蒸汽比排出蒸汽時要多,那麼您將擁有一個高於單位的電源-即,違反熱力學定律。很快,鍋爐的熱量就會耗盡。

但是,由於鍋爐內部被泵入的是液態水,而液態水的密度比蒸汽高得多(這意味著相同體積的液體比氣態的質量比氣體的質量大-除了液態具有固定的事實之外)體積,而氣體可以膨脹),當將小體積的水作為水泵入鍋爐時,添加到系統中的熱能會將這種質量膨脹為壓力大,密度小得多的蒸汽,因此獲得相同的能量大量的水(作為蒸汽)通過發動機從鍋爐中排出,您需要的清掃容積要比用來將水倒入鍋爐的清掃容積大得多,從而導致這種氣體在泵的活塞上施加的力有所不同(通過進水柱)與發動機活塞之間的距離,確定係統將朝著哪個方向運動。改變相位並比固定體積的液體佔據更大的體積,從而導致該系統獲得淨功率。能量從何而來引起相變,進而導致壓力增加?它來自熱源。能量被丟棄在哪裡?它從冷凝器出來,在冷凝器中蒸汽變成液體,失去了體積,然後以較小且固定體積的液體再次注入鍋爐,依此類推……

這裡的關鍵思想是壓力等於力除以面積。

Carlton
2015-10-18 05:30:32 UTC
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主要原因是在相同的壓差下,壓縮液體所需的能量比氣體少得多。泵需要一點能量來壓縮水,但是當蒸汽在渦輪機中膨脹時會釋放出大量能量。這就是為什麼朗肯及相關循環中使用相變的原因。

要考慮的另一件事是,泵不需要過度匹配渦輪的功率,就像您所說的那樣-它只需要過度匹配 >壓力

查看焓-vs-壓力表,您會看到氣體和液體壓縮之間的能量差異。

但是鍋爐上的壓力是通過水傳播到泵中的,這就是他不理解的,相同的壓力怎麼又不能以某種方式迫使泵停止供水呢?
嗯,水泵的尺寸設計成可以抵抗鍋爐的設計壓力。如果鍋爐在1000 kPa下運行,則應使用可排放1100 kPa水的泵。這樣,鍋爐中總會有一個有利的壓力梯度,使蒸汽朝著正確的方向移動。
我不這樣認為,如果同時連接兩個系統,所有連接的容器上的壓力將相等。假設有一個活塞泵,閥門朝著100kpa的鍋爐打開。泵如何以110kpa的壓力“排放”?連接系統後,壓力將通過水傳遞到泵活塞,如此簡單。
這是與布雷頓發動機相同的原理,布雷頓和蘭金都需要一種方法來使流體/氣體通過動力渦輪而不是回到壓縮機/泵。這可以通過渦輪機/壓縮機尺寸的差異解決(渦輪機如果被氣體旋轉,所產生的力要比引入壓縮機的阻力大)。
如果在泵上施加足夠的力,它將使工作流體向正確的方向移動。忘記蘭金片刻,想像一下泵將水從水庫移到高層水塔的情況。由於水在水箱上方的高度,水對水泵施加了壓力。但是,只要泵足夠強大,它仍將在重力作用下泵水。現在想像一下,不是重力而是泵上的背壓是由鍋爐中產生的蒸汽引起的。只要泵可以在稍高的壓力下排放,流體*必須*朝正確的方向移動。
是的,但是泵排氣口上的壓力等於發動機輸入口上的壓力。這裡的壓力沒有差別,關鍵字是FORCE,相同的壓力作用在不同的活塞上會產生不同的力,這就是使泵將水泵入系統的原因。
教科書中的問題總是說鍋爐入口和出口的壓力相同。事實並非如此,整個鍋爐的壓力梯度很小。否則流體將不會流動。
@JorgeAldo:提供足夠強勁的發動機,並且無論壓力如何(或爆破),泵都將繼續移動水。問題在於提供足夠的扭矩-另一端依靠蒸汽運行的渦輪機則無法提供。向1000kpa側泵入1升水所消耗的能量(和扭矩)與以1000kpa釋放1升蒸汽所產生的能量(和扭矩)相同-加上損失。除了每抽一升水外,鍋爐產生的蒸汽還超過100升。您可以並聯100台這樣的渦輪,而公共軸將具有所需扭矩的100倍。
@SF看到我的答案...
Dopeybob435
2015-10-17 01:15:34 UTC
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渦輪機兩端存在壓差,可防止壓力回升。

http://www.mpoweruk.com/images/rankine_pv.gif Somebody's Ideal Rankine Cycle P-vs-vol在上面的圖表中,第2點和第3點之間流體通過渦輪,渦輪在推動渦輪並降低壓力的同時膨脹。如果您忽略了渦輪的軸和旋轉,則該點幾乎可以被噴嘴替換,從而對循環產生相同的影響。

在您的描述中,聽起來好像您在描述抽水式存儲系統,或者您忽略了加熱/燃燒階段(我圖表上的4點到1點)。該階段使系統的壓力增加到超過泵產生的壓力。

“如果您忽略...”-我可以這樣忽略它嗎?如果有噴嘴,將純粹損失能量,即減壓。如果有一台帶有大閥門的活塞式蒸汽機,則在活塞室和鍋爐之間達到平衡後,壓力就會回升。兩者之間的任何取捨都是在收穫的功率(保持壓力不變)與通過噴嘴釋放蒸汽之間進行權衡,從而造成損失。壓力如何不通過渦輪支撐,仍然留下足夠的能量與泵保持平衡?
我的意思是“荒謬的還原”:放置兩個相同的對稱設備,它們既可以充當泵又可以充當渦輪機,加熱器位於一側之間的中間,散熱器位於一側的中間。連接他們的軸。您甚至可以給它一個初始推動力,以便一個泵入水,而另一個泵則被蒸汽排出,但是扭矩會抵消。不對稱來自何處?
等等...我想我在哪裡。我不確定自己是否正確,如果幻想的話請糾正我。泵/渦輪轉矩與壓力和移動的體積成正比,而不與質量成正比。兩端的壓力相同(均等),但蒸汽比水多得多,因此水泵每旋轉100汽輪機就可以旋轉一圈,而水量(+蒸汽)仍然保持不變。熱側將保持恆定。在相同壓力下更大的容積=更多可用的工作。我的機器需要一個變速箱:蒸汽側產生的扭矩比其他需求少,但轉速更高。
“通過將工作蒸汽蒸汽冷凝為液體,渦輪機出口處的壓力降低,進料泵所需的能量僅消耗渦輪機輸出功率的1%至3%,這些因素有助於提高循環效率。 ” 泵並不能為渦輪機提供動力,鍋爐/加熱級卻可以。流體的能量並不僅僅由泵產生的壓力來存儲。該系統中的能量由鍋爐/加熱級建立,因此在泵的輸入端與渦輪之間確實沒有牢固的連接。
能量平衡在加熱源和渦輪之間。 https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/be/Rankine_cycle_Ts.png/500px-Rankine_cycle_Ts.png在圖像中查看泵的W-in尺寸與熱量Qin的關係資源。
觀察“能量”確實掩蓋了許多中間依賴性。可以檢查計算,但不能理解過程。以牛頓力學為例:能量的總和是相同的,但是能量的哪一部分進入漸進運動,旋轉運動,以熱量消散-你不能告訴先驗,觀察起來更好力,速度和力矩來預測這一點。觀察熱能或壓力的能量對於理解該系統來說確實是一個糟糕的選擇,因為它傾向於[以不直觀的方式表現](http://space.stackexchange.com/questions/8809)
例如在我們的案例中,熱水的能量密度高於蒸汽的能量密度(單位體積),因為蒸汽的密度要低得多。蒸汽仍然可以釋放能量,比熱水更容易將其轉化為機械能。


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