朗肯循环（以水蒸气作为工质的理想循环过程）-趣爱秀

基本简介

朗肯循环

郎肯循环理论的奠基人：朗肯(W.J.M.Rankine，1820~1872年)，英国科学家。被后人誉为那个时代的天才，他在热力学、流体力学及土力学等领域均有杰出的贡献。他建立的土压力理论，至今仍在广泛应用。朗肯计算出的热力学循环(后称为朗肯循环)的热效率，被作为是蒸汽动力发电厂性能的对比标准。他于1859年出版《蒸汽机和其它动力机手册》，是第一本系统阐述蒸汽机理论的经典著作。右图是最简单的蒸汽动力循环由水泵、锅炉、汽轮机和冷凝器四个主要装置组成。图为该装置示意图。

工作过程

水在水泵中被压缩升压；然后进入锅炉被加热汽化，直至成为过热蒸汽后，进入汽轮机膨胀作功，作功后的低压蒸汽进入冷凝器被冷却凝结成水。再回到水泵中，完成一个循环。为了突出主要矛盾，分析主要参数对循环的影响，首先对实际的循环进行简化和理想化。

3-4过程：在水泵中水被压缩升压，过程中流经水泵的流量较大，水泵向周围的散热量折合到单位质量工质，可以忽略，因而3一4过程简化为可逆绝热压缩过程，即定摘压缩过程。

4-1：过程：水在锅炉中被加热的过程本来是在外部火焰与工质之间有较大温差的条件下进行的，而且不可避免地工质会有压力损失，是一个不可逆加热过程。我们把它理想化为不什工质压力变化，并将过程想象为无数个与工质温度相同的热源与工质可逆

传热，也就是把传热不可逆因素放在系统之外，只着眼于工质一侧。这样，将加热过程理想化为定压可逆吸热过程。

1-2过程：蒸汽在汽轮机中膨胀过程也因其流量大、散热量相对较小，当不考虑摩擦等不可逆因素时，简化为可逆绝热膨胀过程，即定嫡膨胀过程。

2-3过程：蒸汽在冷凝器中被冷却成饱和水，同样将不可逆温差传热因素放于系统之外来考虑，简化为可逆定压冷却过程。因过程在饱和区内进行，此过程也是定温过程，3点是饱和水状态。

提高效率1）提高过热器出口蒸汽压力与温度。2）降低排汽压力。3）减少排烟、散热损失。4）提高锅炉、汽轮机内效率（改进设计）。应用前景朗肯循环目前在国内余热发电领域应用较为成熟，在水泥、冶金、钢铁等行业应用较为广泛，为我国节能减排事业做出了重要贡献。朗肯循环在国内的应用已经走向与卡琳娜动力循环的联合应用，实现了在不同烟温的优势互补。工作运行

图2

在朗肯循环中，表征朗肯循环特性的循环特性参数分别为从蒸发器输出的过热蒸汽的状态所确定的蒸发压力和蒸发温度以及冷凝器中冷凝状态所确定的冷凝压力。

蒸发器出口温度对热效率的影响

由图片2可知，在蒸发与冷凝压力一定时，提高工质的蒸发器出口温度可使系统热效率增大。这是由于当蒸发温度由1提高到1'点时，平均吸热温度随之提高，使得循环温差增大，从而提高循环热效率。另外，循环工质在膨胀终点的干度随着蒸发温度的提高而增大，而干度的增大有利于提高膨胀机械的性能，并延长其使用寿命。但蒸发温度的提高是有限的：一方面受到设备材料的耐热性能的限制。一般蒸发器的壳程为高温气，管程为工质蒸汽，壁面温度必定高于蒸汽温度，壁面材料能承受的温度限制着蒸发温度的选取；另一方面，提高蒸发温度可能使工质在膨胀终点处于过热状态，此时膨胀后的工质蒸汽仍具有较高的能量未被充分利用，反而会增加冷凝器的热负荷。

图3

蒸发压力对热效率的影响

由图片3可看出，在蒸发温度和冷凝压力一定时，系统效率随着蒸发压力升高而增大。当蒸发压力由P升高P'时，平均吸热温度升高，从而使得朗肯循环的平均温差增大。根据等效卡诺效率的概念可知，平均温差越大，系统效率就越高。所以循环的热效率随着蒸发压力的提高而提高。过度地提高蒸发压力也会对系统产生一些不利影响。例如膨胀机械的机械强度问题。而在蒸发压力提高的同时，乏汽的干度会相应降低，乏汽中所含液态相工质的增加，不但会使膨胀机械的工作性能降低，而且由于液滴的冲击，会使膨胀机械的使用寿命大大减少。所以在保证乏气干度满足安全要求的前提下应尽可能提高蒸发压力，使得系统在安全稳定运行条件下得到更高的循环热效率。

图4

冷凝压力对热效率的影响

由图片4所示，在相同的蒸发温度与蒸发压力下，系统热效率随着冷凝压力的降低而增大。当冷凝压力由P降低为P'时，平均放热温度随之降低，从而使得循环温差增大，从而使得系统热效率增大。同样地，不能通过一味地降低冷凝压力来获得更高的热效率。这是因为工质饱和温度与饱和压力是一一对应的，降低冷凝压力势必会导致冷凝器中的饱和温度降低，而饱和温度需要高于环境温度，才能保证系统的正常运行；其次，为了防止管路产生负压、渗入杂质系统管路中的压力一般高于环境压力，确保系统稳定运行。此外，冷凝压力的降低同样会使乏气的干度减小，所以应适当降低冷凝压力获得较高的热效率同时避免液滴冲击的产生。