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汽轮机效率低的原因及改进设想

发布时间：2010/10/3 阅读次数：2397 字体大小: 【小】【中】【大】

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汽轮机作功发电后剩余水蒸汽的温度约50℃，蒸汽压约0.05个大气压。据此，上次提出在100℃以上“二次蒸发”海水的方案不可行。本想再提一个50℃下低压制淡水的方案，但现在已经有了太阳能方案，也就不必再考虑了。

　　50℃的水蒸汽与常温差别不大，用来作功能力很小。目前主要的应用是“热电联营”，利用这些剩余蒸汽来为城市、工厂等供热。但是，这种供热方式其实效率很低，浪费很大。因为热能是很容易散失的，而供热的户外管道又很长，真正需要热能的却只是户内用户。同时，建设大量的供热管道也需要不少投资。相对而言，电能在传输过程中损耗很小。如能大幅降低发电成本，采用电能来制暖要经济得多。但是，我国目前主要发电方式是火电，使用汽轮机，其发电效率通常只有35%左右。

　　为什么汽轮机的效率会这么低呢？一般教材的解释是由于热传导、热辐射和机械摩擦等的损耗。这些教材的编者们说：根据热机效率公式，蒸汽作功时的温度是580℃，相当于853K；作功后50℃，相当于323K，因此理论上最高的效率为(853-323)/853=62%。他们将损失的27%（接近62%的一半）的效率归之于“热传导、热辐射和机械摩擦”等原因。

　　这种解释是完全错误的。如接近一半的效率损失在“热传导、热辐射和机械摩擦”上，还叫什么“专业”工厂？通常，这种损失应为20%～30%左右，据此汽轮机发电（或作功）的普遍效率应为62%x0.75=46.5%。之所以出现这种错误，是因为他们不恰当地套用了热机的理论公式，没有考虑到工质――水的相变过程和汽化热对效率的影响。由于水在汽轮机作工发电的内循环中存在这种相变过程和汽化热，就不能直接等效为理想气体，而需要一步步计算其输入、输出的能量关系。

　　一克水，原始温度为20℃，变成580℃的水蒸汽（假设保持一个大气压不变），要经过三个过程：

　　1) 20℃水～100℃水，吸收能量4.18x(100-20)=334.4焦耳；

　　2) 100℃水～100℃水蒸汽，吸收能量2253.02焦耳；

　　3) 100℃水蒸汽～580℃水蒸汽，吸收能量4.18x(580-100)=2006.4焦耳。

三项合计为4593.82焦耳。

　　需要说明的是，其中水蒸汽的比热容是估算。网上有资料称100℃～300℃时，水蒸汽在“等容状态”下比热容为0.36卡/(克x度)，即1.5048焦耳/(克x度)，我认为这个数字有问题。首先我们不知道这个值是在何种状态（气压范围）下测出的。另外，给水和水蒸汽加热，都是使水分子的动能增大。只不过这个增加的动能在低于100℃时，尚不能使水分子大批脱离氢键的束缚，因而保持液体形态而已。此时，动能的增加表现为水分子间相互振动加剧（热水比冷水的体积略有膨胀就是证明）。高于100℃时，则直接表现为水分子空间飞行速度的增加。因此水蒸汽的比热容应和水大致相同。

　　一克580℃的水蒸汽作功后变成50℃水蒸汽，其内能减少为4.18x(580-50)=2215.4焦耳。因此，这种汽轮机发电理论上最大的效率为2215.4/4593.82=48%。如考虑25%的热传导、热辐射和机械摩擦损失，则效率为36%左右，与35%的实际值很接近，证明我的估算方法是正确的。汽轮机效率低的主要原因，是大量的汽化热没有得到很好的利用，白白浪费了，或者只是用来作低效率的“热电联营”。

　　解决这个问题的方法就是利用汽化热来重新加热和汽化水，如下图二。这样，内循环的水，始、末温度和形态均相同，理论上这种“改进汽轮机”的发电效率为100%，实际也可以做到75%以上。汽化池也不必采用锅炉加热，直接利用热交换管道传送常温水蒸汽即可。其设计类似于太阳能淡化海水的装置。

　　这就意味着，汽轮机发电的普遍效率可以由目前的35%提高到75%，足足一倍有多。这种方法可以适用于任何需要采用汽轮机的固定场合，例如火电厂、核电厂、大型动力机械和远洋船舶等。由于我国80%以上的电力来源于火电，而火电的主要运营成本就是燃料――煤炭，这就是说，每度电的成本可以降低一半，而环境污染和能源消耗也减少一半。当电力成本大幅下降后，将有更多的家庭采用电炉、电炒锅等炊具，更多的单位和工厂采用电能制热，从而节约更多的天热气、液化石油气、煤气等一次能源和准一次能源。

　　因此，本文所提的两个设计如可行，将一举缓解中国目前大部分的水资源和能源紧张的形势，大大改善环境污染状况，具有无可估量的巨大的经济效益和社会效益。这两个设计是对国计民生非常重要的设计，不应由哪一家公司专利垄断，获取不道德的利益。当然，对于外国人或可另论。

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