✎ 朗肯循环

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<b>朗肯循环</b>（Rankine Cycle）是最简单的蒸汽动力理想循环，热力发电厂各种较复杂的蒸汽动力循环都是在朗肯循环基础上发展起来的。
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<h2 class="page-header">装置与工作过程</h2>
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下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。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。
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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，即等熵压缩过程。
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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计工质压力变化，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。
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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，即等熵膨胀过程。
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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。
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<h2 class="page-header">朗肯循环的能量分析及热效率</h2>
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取汽轮机为控制体，1kg水蒸气在流经汽轮机的定熵膨胀过程1-2中所作理论轴功为：
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$\mathbf{w}_{\mathbf{s}.\mathbf{t}}=\mathbf{h}_\mathbf{1}-\mathbf{h}_\mathbf{2}$
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取水泵为控制体，水泵在定熵压缩过程3-3'中消耗轴功为：
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$\mathbf{w}_{\mathbf{s}.\mathbf{p}}=\mathbf{h}_{\mathbf{3}\prime}-\mathbf{h}_\mathbf{3}={\mathbf{v}_\mathbf{3}(\mathbf{p}}_\mathbf{1}-\mathbf{p}_\mathbf{2})$
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同样，对锅炉和冷凝器分别取控制体，蒸汽在定压过程3'-1中从锅炉吸收的热量为：
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$\mathbf{q}_\mathbf{1}=\mathbf{h}_\mathbf{1}-\mathbf{h}_{\mathbf{3}\prime}$
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乏汽在定压凝结过程2-3中像冷凝器放出的热量为：
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$\mathbf{q}_\mathbf{2}=\mathbf{h}_\mathbf{2}-\mathbf{h}_\mathbf{3}$
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若去整个装置作热力系统，则有：
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$\oint\mathbf{\delta}\mathbf{q}=\oint\mathbf{\delta}\mathbf{w}$
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即：$\mathbf{q}_\mathbf{1}-\mathbf{q}_\mathbf{2}=\mathbf{w}_{\mathbf{s}.\mathbf{t}}-\mathbf{w}_{\mathbf{s}.\mathbf{p}}=\mathbf{w}_\mathbf{0}$
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$\mathbf{\eta}=收获消耗=w0q1=ws.t-ws.pq1=q1-q2q1=（h1-h3'）-（h2-h3）h1-h3'$
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通常水泵消耗轴功与汽轮机作功量相比甚小，可以忽略不计，因此$\mathbf{h}_{\mathbf{3}\prime}{=\mathbf{h}}_\mathbf{3}$，于是式（10-1）可简化为：
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$\mathbf{\eta}=\frac{\mathbf{h}_\mathbf{1}-\mathbf{h}_\mathbf{2}}{\mathbf{h}_\mathbf{1}-\mathbf{h}_\mathbf{3}}$
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<h2 class="page-header">提高朗肯循环的热效率的基本途径</h2>
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<h3>蒸发器出口温度对热效率的影响</h3>
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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。
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<h3>蒸发压力对热效率的影响</h3>
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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。
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<h3>冷凝压力对热效率的影响</h3>
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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。
并依据卡诺循环热效率ηt.c =1-T2T1指出的方向，提高动力循环热效率的基本途径是提高热源温度与降低冷源温度。但是，朗肯循环工质吸热温度是变化的。因此提高其循环效率的基本途径便是提高等效卡诺循环的平均吸热温度及降低冷凝放热温度。
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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
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