为什么不能将乏汽直接送入锅炉，而要经过冷却后再送入锅炉？效率不是下降了吗？

爱雪

为什么不能将乏汽直接送入锅炉，而要经过冷却后再送入锅炉？效率不是下降了吗？

南笙

题主的想法很有道理，节约能源、高效利用嘛，发电以后的乏汽非要被水冷却一下才往锅炉里面送，大量的气化潜热被送到冷却水里，占了整个蒸汽工质焓值的一半，实在可惜。所以题主提出把乏汽直接送入锅炉的想法绝对是好的，是有思想的。

看了题主的问题之后认真地百度了一阵（有了网络人都不习惯自己思考了），可惜网上也没找到合理的答案，花时间把《工程热力学》、《热力发电厂》、《汽轮机原理》重新囫囵吞枣了一遍，也没有找到关于这一问题的直接论述，尤其对于有人提到的朗肯循环仔细地重新学习，但也没找到答案，所以沿着题主的思路，新问题产生了——如果将汽轮机的乏汽直接送到锅炉里会发生什么情况？如何尽可能地减少热量损失？

1、直接用压气机将乏汽提压送到锅炉里。
百十年来，用水蒸气做为工质的热机基本都是一个模式，做功后的乏汽进入换热器被冷却成凝结水，然后用水泵打到锅炉里重加热。
现在我们试试用压气机将未经冷却的乏汽直接送到锅炉里看结果是怎样：
具有压力p1温度t1的水蒸汽进入汽轮机做功，汽轮机排出的乏汽压力为p2温度为t2，p1>p2,t1>t2，现在我们用压气机将乏汽压力提高到p1，看看会发生什么情况（下面要用到工程热力学的有关知识，没有这方面姿势的直接看结果就行了。）（另：不要问我为什么非要将压力提高，为什么不能让乏汽通过一根管子直接塞进锅炉里，就好比问为什么水不能直接流到高处一样，这属于另外一个智商领域的问题，我拒绝回答）。
从焓熵图上看，乏汽从点（p2,t2）经压气机压缩到达p1等压线某点（p1,t’），很显然，不管熵增大小，t’都远远大于t2，压缩提压过程的焓增都远远大于汽轮机做功过程的焓降。也就是说乏汽不经冷却而提压进入锅炉，所付出的代价将远远大于汽轮机的输出功。

2、用带有中间冷却的压气机将乏汽提压
实际工程上采用的压缩机基本都带中间冷却，哈哈，我一个热动专业的毕业生怎么会不知道气体被压缩之后温度会上升呢。（BTW：很多科普文章把飞船返回大气层遇到的高热解释为摩擦生热，其实是高速运动的物体压缩了前面的空气造成温度急剧上升，行话叫绝热滞止过程，摩擦算个毛啊）
下面分析一下正常的、工程上用的、带中间冷却的压气机将乏汽提压的情况，前提是冷却过程中水蒸气不能变成水、工质不损失气化潜热，否则这个讨论就没有意义了。
简单分析：
1）提压幅度过大，从汽轮机的乏汽压力0.0053MPa提升到锅炉压力十几、二十几兆帕，过程压缩级数过多，效率高不到哪儿去。
2）压缩过程从点（p2,t2）沿着x=1干度线到达p1等压线，你发现压缩过程的终点p1对应的饱和温度离t1已经没多远了，锅炉加热过程的焓升空间已经没多少，也就是说基本上没锅炉什么事。你做的功大多数是用来驱动压气机的。整个系统净输出较低。
3）从温熵图上简单勾了几笔，发现无法和朗肯循环进行比较，因为无法定性比较两种循环的平均放热温度和平均吸热温度比值T2/T1，后来在准备用实际参数在温熵图上进行图上作业，求出两种循环的T1和T2，刚画了一笔忽然醒悟朗肯循环是个理想循环，你拿实际参数比个毛啊，所以最终放弃，题中有人提到“此时朗肯循环的热效率相当低（手机不好配图，见谅）”，还请指点。
从实际出发，如果想尽可能利用乏汽的热量，不丢失气化潜热，现有的蒸汽轮机设计必须改变：
1）选择一种工作温度远远高于饱和温度的工质，采用多级压缩中间冷却。
2）尽可能提高t1，提高系统效率，否则不划算。
3）和蒸汽轮机一样，再热、回热循环同样可以利用到新的轮机上

3、燃气轮机情况
根据以上的分析，我们考虑燃气轮机的情况，显然燃气轮机符合以上所说的三个条件。等等，燃气轮机排出的废气还能再灌到燃机里面去吗？氧气减少了燃气怎么燃烧呢？哼哼，燃气轮机就一定要用燃气吗？
直接看看万能的百度——燃气轮机循环-闭式循环：
“工质循环使用，由透平排出的工质，不再在大气中作等效冷却，而是经冷却器冷却后重新被压气机吸入，再次参加循环过程（图5）（原文如此，我不知道图在哪儿）。压缩后的气体工质在气体锅炉（或加热器）中被加热。闭式循环中，工质可用空气或其他气体。闭式循环的主要缺点是包括气体锅炉在内的换热器尺寸大、成本高和T3 温度低等，因而应用不多。若采用气冷反应堆作为加热气体工质（用He或N2等）的热源，就组成了核动力闭式循环装置，其效率可高于采用汽轮机的核动力装置。”

4、总结
1）乏汽不经冷却直接送往锅炉（加热器）是不可行的，因为气体经压缩后回到初始压力，其付出的代价远远高于其对外输出的功。
2）乏汽经冷却但不丢失气化潜热（不凝结成水）是可以的。但对于目前大规模应用的、工质为水蒸气的蒸汽轮机不适合。目前最合理的办法仍然是将乏汽冷凝成水用泵升压送入锅炉。
3）闭式循环气冷堆燃气轮机（氦气轮机）接近题主所说的设想，最大限度地保留了乏汽的热量，但仍然需要将乏汽冷却，冷却的目的是为了将气体压缩。
4）人们很早就认识到乏汽把气化潜热扔到水里的问题，采取的措施就是采用回热循环，用做过功的乏汽去加热锅炉给水，尽量减少乏汽冷凝成水的量，减少损失。

野客

这就是各位题主说的朗肯循环温熵图，虽然图上都是理想状态，但用来定性分析也很有实用性，实际计算的话需要考虑不可逆损失和效率的问题。

1-2过程是高温高压的过热蒸汽从锅炉中出来以后进入汽轮机膨胀做功的过程，做功结束后蒸汽变为湿蒸汽，理论上为绝热等熵过程。

2-3过程是乏气从汽轮机进入冷凝器中被冷却水冷却凝结为饱和水的过程，此过程为定温定压过程，理论上变为饱和水。

3-4过程通过泵将饱和水增压，变为过冷水泵入锅炉。

4-1为过冷水在锅炉里等压加热为过热蒸汽的状态。

纯净水在整个循环里作为工质存在，通过吸收锅炉里燃料放出的热量推动汽轮机做功。



介绍完了原理，现在来说一下答主的的问题。


先说说原理性的问题
答主的意思是从状态2点直接加热回到1点，理想状态下是等熵过程，而加热由于有了热量传递，本身就有不可逆损失，一定会偏离1点向右。实际情况只会偏离得越多。这样造成的结果是蒸汽都进入了过热区，温度越来越高，一会儿设备就报废了。

还有一个原因是过热区没有了汽化潜热，蒸汽比热太小，无法提供足够的热量做功，得不偿失。

还有一个不是主要原因的原因，汽轮机里做功结束后的乏气是湿蒸汽，即使水和气的混合物，由于两相的不均匀性，会对压缩和泵送设备造成巨大的损害。

关于余热利用的问题，一般现在的集中供暖都是火电厂的乏气余热，就是上文说的在冷凝器中放热的过程，乏气有100多摄氏度，相对㶲量偏低，不是为了集中供暖而冷却，而是回收一部分能量使用。

轴承

按照题主所说，将乏汽直接送入锅炉加热，乏汽低温等压吸热，温度升高，焓值增加，具备了做功能力。可是，不能膨胀做功了啊亲！为什么呢？因为此时压力已经很低了（30°C的乏汽压力饱和蒸汽压为4.247Kpa。真空度已经很高了！即使你一定要膨胀做功，压力降低到0，然后呢？！然后呢？！就没有然后了吧）你看，问题就出来了，我们必须要把压力升回去才能循环做功啊！怎么升回去？压上去呗！用压气机行么？！当然可以啊。。。如果考虑理想过程，汽轮机和压气机效率都为1，恭喜你，压气机耗功和膨胀机消耗的功完全相等。。。这样，我们什么也得不到了啊！
那怎么办呢，将乏汽冷却啊！液体的比容较气体小很多，泵耗功为vdp积分，这样，相对于汽轮机输出功，泵耗功就小了很多。你看，整个循环，费了这么大劲，我们就是通过气体和液体比容不一样而得到了输出功，进一步发电。
在给定高低温热源的情况下，卡诺循环效率最高，考虑到实际操作（如汽轮机赢尽量避免湿膨胀等）在卡诺循环的基础上进一步改进，得到了朗肯循环。就是现在发电厂都在采用的循环咯。

机械

火电厂里面，对热量和能源的利用率是非常高的，对烟气余热的利用比如锅炉省煤器，比如空气预热器。蒸汽利用比如抽汽系统，比如余热供暖。按理说这些蒸汽直接做功多好啊，为什么还要抽出来呢？抽汽系统提高了工质进入锅炉前的温度，综合来讲是提高效率的。回热抽汽系统是汽机大系统中的重要组成部分，一般有七~八级抽汽，一~三级抽汽供给高压加热器，四级给除氧器，五~八级给低加。抽汽级数越多，越接近卡诺循环，但是建设成本和运行维护成本也越高。

冷梦

简单的说，汽轮机做功需要高温高压的入口蒸汽，而乏汽是低温低压的蒸汽，需要面临的技术问题是如何把上一循环的乏汽升压至下一循环的主蒸汽水平。

结论是，目前没有特别理想的蒸汽升压方式，因此这个构想实现不了。

扩充一下知识点。非特殊液体（如水）是可以很方便升压的，需要的设备叫做泵；空气也可以很方便地升压，需要的设备叫风机。

而对于性质相对特殊的气态水，目前没有什么特别好的适合工程应用的升压方法。

有一种设备叫喷射式热泵，也叫蒸汽喷射器，可以把低压蒸汽变成高压蒸汽，但这一过程需要更高压力的蒸汽，因此也不算特别美好的方案。

所以回到你的问题，既然没有特别好的方案给蒸汽升压，那只能老老实实地把蒸汽凝结成水，拿泵加压后再烧开。

还有，如果你是热能工程专业的学生，建议你去读一读其他同学的答案，还是有干货的。

少年梦

如果不冷却放热，直接送去锅炉吸热，违反热力学第二定律，不能从单一热源吸热而全部做工且不引起其他变化。

命运

答案肯定是不可以，为什么呢？
热力学第二定律中说：不可以从单一热源吸热全部用来做功而不引起其他变化。
引起什么变化？有两种途径，第一你有个超级压缩机，直接把汽轮机排气压缩到要求的状态；第二，冷凝下来，通过给水泵和蒸汽发生器得到新蒸汽。
第一种循环的效率非常低，压缩机需要消耗大量能量，而且现在的科技造不出那玩意儿。所以第二种就成了必然的选择。

爱雪

要理解这个问题，需要运用工程热力学中朗肯循环的知识。
真正讲起来其实很多人也听不懂，简单的说，汽轮机需要高温高压的过热蒸汽，但是直接将乏汽引入锅炉，无法得到高压蒸汽（尽管温度很高），此时朗肯循环的热效率相当低（手机不好配图，见谅），因此是不可取的。
根据压力区分了亚临界，超临界，超超临界机组（蒸汽温度却变化不大，均在550度左右），机组参数越高，效率也越高，可见压力对机组效率的影响有多大。
PS：千万不要忽视给水泵的强大功力，对此问题的误解也主要是因为大家忽视了压力这个强大的参数。

南笙

固然，从理论上来说，选择将乏汽冷凝成水会一定程度上降低平均吸热温度，从而拉低朗肯循环的效率，但是从工程实践上来说，将乏汽或凝结水送往锅炉的过程是一个绝热压缩的过程，在这个过程中，如果以气态水来作为工作介质，会对设备的制造带来极大的技术困难，对泵、管线的要求都会非常高，在绝热压缩过程中设备的稳定性必然不会很高。因此，从设备制造与实际运行来说，我们需要一个液态水来作为绝热压缩过程的工质，而不是单纯地从循环效率上来考虑选择气态来作为工作介质