朗肯循環

朗肯循環是指以水蒸氣作為工質的一種理想循環過程，主要包括等熵壓縮、等壓加熱、等熵膨脹、以及一個等壓冷凝過程。用於蒸汽裝置動力循環。

基本介紹

• 中文名：朗肯循環
• 奠基人：朗肯(W.J.M. Rankine)

簡介

郎肯循環理論的奠基人：朗肯(W.J.M. Rankine，1820~1872年)，英國科學家。被後人譽為那個時代的天才，他在熱力學、流體力學 及土力學等領域均有傑出的貢獻。他建立的土壓力理論，至今仍在廣泛套用。朗肯計算出的熱力學循環(後稱為朗肯循環)的熱效率，被作為是蒸汽動力發電廠性能的對比標準。他於1859年出版《蒸汽機和其它動力機手冊》，是第一本系統闡述蒸汽機理論的經典著作。

右圖是最簡單的蒸汽動力循環由水泵、鍋爐、汽輪機和冷凝器四個主要裝置組成。圖為該裝置示意圖。水在水泵中被壓縮升壓；然後進入鍋爐被加熱汽化，直至成為過熱蒸汽後，進入汽輪機膨脹作功，作功後的低壓蒸汽進入冷凝器被冷卻凝結成水。再回到水泵中，完成一個循環。

工作過程

3-4過程：在水泵中水被壓縮升壓，過程中流經水泵的流量較大，水泵向周圍的散熱量折合到單位質量工質，可以忽略，因而3一4過程簡化為可逆絕熱壓縮過程，即等熵壓縮過程。

4-1過程：水在鍋爐中被加熱的過程本來是在外部火焰與工質之間有較大溫差的條件下進行的，而且不可避免地工質會有壓力損失，是一個不可逆加熱過程。我們把它理想化為不計工質壓力變化，並將過程想像為無數個與工質溫度相同的熱源與工質可逆傳熱，也就是把傳熱不可逆因素放在系統之外，只著眼於工質一側。這樣，將加熱過程理想化為定壓可逆吸熱過程。

1-2過程：蒸汽在汽輪機中膨脹過程也因其流量大、散熱量相對較小，當不考慮摩擦等不可逆因素時，簡化為可逆絕熱膨脹過程，即等熵膨脹過程。

2-3過程：蒸汽在冷凝器中被冷卻成飽和水，同樣將不可逆溫差傳熱因素放於系統之外來考慮，簡化為可逆定壓冷卻過程。因過程在飽和區內進行，此過程也是定溫過程。

提高效率

1）提高過熱器出口蒸汽壓力與溫度。

2）降低排汽壓力。

3）減少排煙、散熱損失。

4）提高鍋爐、汽輪機內效率（改進設計）。

套用前景

朗肯循環目前在國內餘熱發電領域套用較為成熟，在水泥、冶金、鋼鐵等行業套用較為廣泛，為我國節能減排事業做出了重要貢獻。朗肯循環在國內的套用已經走向與卡琳娜動力循環的聯合套用，實現了在不同煙溫的優勢互補。

工作運行參數對朗肯循環效率的影響

在朗肯循環中，表征朗肯循環特性的循環特性參數分別為從蒸發器輸出的過熱蒸汽的狀態所確定的蒸發壓力和蒸發溫度以及冷凝器中冷凝狀態所確定的冷凝壓力。

蒸發器出口溫度對熱效率的影響

由圖片2可知，在蒸發與冷凝壓力一定時，提高工質的蒸發器出口溫度可使系統熱效率增大。這是由於當蒸發溫度由1提高到1'點時，平均吸熱溫度隨之提高，使得循環溫差增大，從而提高循環熱效率。另外，循環工質在膨脹終點的乾度隨著蒸發溫度的提高而增大，而乾度的增大有利於提高膨脹機械的性能，並延長其使用壽命。但蒸發溫度的提高是有限的：一方面受到設備材料的耐熱性能的限制。一般蒸發器的殼程為高溫氣，管程為工質蒸汽，壁面溫度必定高於蒸汽溫度，壁面材料能承受的溫度限制著蒸發溫度的選取；另一方面，提高蒸發溫度可能使工質在膨脹終點處於過熱狀態，此時膨脹後的工質蒸汽仍具有較高的能量未被充分利用，反而會增加冷凝器的熱負荷。

圖2

蒸發壓力對熱效率的影響

由圖片3可看出，在蒸發溫度和冷凝壓力一定時，系統效率隨著蒸發壓力升高而增大。當蒸發壓力由P升高 P '時，平均吸熱溫度升高，從而使得朗肯循環的平均溫差增大。根據等效卡諾效率的概念可知，平均溫差越大，系統效率就越高。所以循環的熱效率隨著蒸發壓力的提高而提高。過度地提高蒸發壓力也會對系統產生一些不利影響。例如膨脹機械的機械強度問題。而在蒸發壓力提高的同時，乏汽的乾度會相應降低，乏汽中所含液態相工質的增加，不但會使膨脹機械的工作性能降低，而且由於液滴的衝擊，會使膨脹機械的使用壽命大大減少。所以在保證乏氣乾度滿足安全要求的前提下應儘可能提高蒸發壓力，使得系統在安全穩定運行條件下得到更高的循環熱效率。

圖3

冷凝壓力對熱效率的影響

由圖片4所示，在相同的蒸發溫度與蒸發壓力下，系統熱效率隨著冷凝壓力的降低而增大。當冷凝壓力由P 降低為 P '時，平均放熱溫度隨之降低，從而使得循環溫差增大，從而使得系統熱效率增大。同樣地，不能通過一味地降低冷凝壓力來獲得更高的熱效率。這是因為工質飽和溫度與飽和壓力是一一對應的，降低冷凝壓力勢必會導致冷凝器中的飽和溫度降低，而飽和溫度需要高於環境溫度，才能保證系統的正常運行；其次，為了防止管路產生負壓、滲入雜質系統管路中的壓力一般高於環境壓力，確保系統穩定運行。此外，冷凝壓力的降低同樣會使乏氣的乾度減小，所以應適當降低冷凝壓力獲得較高的熱效率同時避免液滴衝擊的產生。

圖4