为什么汽轮机排汽不直接送到锅炉加热再做功

前几天做两化融合时，有个老师问出了这个问题，刚过两天，又在知乎发现这个问题，这个想法很有道理，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。所以提出把乏汽直接送入锅炉的想法绝对是好的，是有思想的。大大的一个但是花时间把《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