[精品店] Langken Cycle

1. 朗肯循环水蒸气的卡诺循环基于热力学第二定律，在一定温度范围内，卡诺循环的热效率最高，而热效率的大小与工作介质仅取决于热源和冷源的温度，即HLtTT-1 =1η. 卡诺循环由两个恒温过程和两个绝热过程组成. 从理论上讲，使用水蒸气作为工作流体的卡诺循环是可能的. 由于在饱和水的恒压汽化和饱和蒸汽的恒压冷凝过程中水蒸气的温度保持恒定，因此可以在湿蒸汽区域进行水蒸气的恒温加热和冷却过程，可以将其绘制为如右图所示. 从构成循环的四个过程来看，它与理想的卡诺循环完全一致，但实际上，由于以下原因，蒸汽发电厂未使用卡诺循环. 卡诺循环只能应用于饱和蒸汽区域，这会使可用的温差不大，导致循环热效率低. 因为饱和蒸汽的最高温度是临界温度，所以卡诺循环的上限温度TH受水蒸气的临界温度限制，并且最高温度不能超过374°C，否则无法实属材料的耐热温度也高于600℃，但是当蒸汽按照卡诺循环运行时，不能利用这些温差的限制. 同时，因为放热温度的下限是大气温度，这使得卡诺循环可利用的温差不大，并且循环的热效率受到限制.

当蒸汽按照卡诺循环运行时，在2-3个恒温放热过程中，蒸汽仅部分冷凝. 图中的三个点在湿蒸汽区域中，并且湿蒸汽的比体积非常大. s 12 3 4 TH TL绝热压缩一方面需要巨大的压缩器，另一方面却消耗大量功率. 当蒸汽处于卡诺循环时，在1-2绝热膨胀过程中的最终蒸汽具有很高的湿度，这严重腐蚀了燃气轮机最后几级的叶片，并危及了燃气轮机的安全运行. 燃气轮机通常要求工作后的废气不少于0.85至0.88. 由于上述原因，尽管水蒸气可以用作构成卡诺循环的工作介质，但实际上并未使用. 然而，以蒸汽为工作介质的卡诺循环的研究有助于更好地理解实际装置中使用的基本循环的功能，原理和存在的问题. 它还有助于为基本周期提出各种改进和方向. 方法. 2.由于在卡诺循环中压缩湿蒸汽时压缩机的困难和缺点，兰金循环将上图中的过程2-3的结尾继续到饱和水管线，并将排出的蒸汽冷凝为已完成至饱和的水，其压缩目标是液相中的水，体积小且可压缩性低. 仅需要采用小结构的水泵就可以绝热地压缩水，并且还可以大大降低功耗. 针对卡诺循环中工作介质的加热温度低以及下班后排出的蒸汽湿度过高的问题，我们将吸热过程管线4-1沿恒压管线延伸至过热蒸汽区域，并替换了饱和蒸汽和过热蒸汽. 提高蒸汽的初始温度，从而提高循环过程的平均吸热温度，可以达到增加燃气轮机的温差，增加排气的干燥度的目的.

这种方法形成的可行的蒸汽循环称为兰金循环，其初始和最终状态参数不如湿蒸汽区的卡诺循环严格，因此兰金循环被广泛用于各种蒸汽中. 电力设备，这是工程中应用的最基本的热循环. （1）教科书的图5-32是Rankine循环装置的. 水首先在锅炉和过热器中以恒定压力加热，然后被不饱和水加热成为过热蒸汽. 过热蒸汽通过管道输送到燃气轮机，并且绝热膨胀在燃气轮机中起作用，以使燃气轮机驱动发电机发电. 蒸汽轮机中完成的废气被排入冷凝器，冷却水在恒定压力下释放以冷凝饱和水. 然后，冷凝水被给水泵绝热压缩并增压，然后送至锅炉进行加热再次，从而完成循环. 可以看出，兰金循环由四个主要设备组成: 锅炉，燃气轮机，冷凝器和给水泵. 工作介质再加热设备连续进行恒压加热，绝热膨胀，恒压压缩和绝热压缩四个过程，使热能连续转化为机械能. 图2显示了朗肯循环的pv图和Ts图. 4-1过程: 水在锅炉和过热器中吸收热量，并从不饱和水变成过热蒸汽. 在此过程中，工作介质无法与外界进行技术交流. 随着温度升高，比容和熵增加. 1 1 2过程: 过热蒸汽在蒸汽轮机中膨胀，在外部工作，并且产生少量的热损失. 在蒸汽涡轮机的出口处，工作流体处于低压状态下的湿蒸汽状态，称为排气蒸汽.

比容增加，熵不变. 2-3过程: 冷凝器中的废气将热量释放到冷却水中，并凝结成饱和水. 比容减小，熵减小，并且温度保持不变. 废蒸汽在p2压力下冷凝成饱和水. 3-4过程: 水泵提高冷凝水的压力，然后将其再次发送到锅炉. 在此过程中消耗外部工作. 因为水的可压缩性很小，所以比容基本上不如图2所示. 兰金循环的pv图和Ts图. 图3.朗肯循环的T-s图变化. 另外，温升也很小，可以忽略不计. 在Ts图上，两个点3和4基本重合，因此兰金循环的Ts图可以简化为图3. （2）兰金循环的热经济指标: 工作流体吸收的热量q1循环中处于恒压状态的锅炉和冷凝器中工作流体的热量释放q2是燃气轮机中工作流体的工作功率，即2121hhw- =-泵中消耗的外部功为3443hhw-=-上述热量和功取绝对值，因此整个循环完成的有用功是燃气轮机完成的功减去泵消耗的功，即（）（-）342143210hhhhwww-=-=-循环效率为（-）（-）41342110121hhhhhhhqwqqqt-==-=η通常给水泵消耗的功（）34hh-与燃气轮机完成的功（）21hh相比-小，泵的工作量为在近似计算中可以忽略不计，（3,4点重合）卡诺循环 工质性质，从中我们可以得出（）3121hhhht-=ηan d h3是在p2压力下的饱和水的焓，可以表示为'2h，然后为'2121hhhht-=η322411hhqhhq-=-=其中，1h-过热蒸汽的焓，kJ / kg； 2h-燃气轮机出口处的排汽焓，kJ / kg； '2h-排汽压力焓下的饱和水，kJ / kg.

每个焓值都可以从焓熵图和水蒸气图标上的给定状态参数中获得. （3）燃气消耗率燃气消耗率是指每产生1 kWh的工作量（3600kJ）需要消耗多少千克蒸汽，并用符号d表示. 即03600wd =因为在兰金循环中1kg蒸汽的有用功（忽略泵功）为210hhw- =，所以兰金循环的耗气率为21036003600hhwd-==参考书p100示例7-1 . 2.蒸汽参数对循环热效率的影响初始蒸汽温度对热效率的影响在保持初始蒸汽压力p1和排气蒸汽压力p2不变的同时，提高初始蒸汽温度可以提高循环的热效率. . 如右图所示. 将初始温度从T1提高到T2，其他条件保持不变，可以看出由于初始温度的升高，吸热过程的平均温度比将增加，放热过程的温度不变，因此提高初始温度加热后，循环的热效率势必会提高. 另外，还可以看出，提高初始温度后，循环中每千克工作流体完成的功增加，因此根据耗气率的定义，提高初始温度会降低热效率. 周期. 并且初始温度的升高也可以增加排气的干燥度. 如图所示，排气的干燥度从原来的x2增加到x2a，可以减少水的冲击和燃气轮机最后几个叶片的气穴现象. 有利于燃气轮机的安全运行.

但是，由于过热金属材料的高温性能不可避免地限制了初始温度的升高，因此目前的初始温度限制在600℃左右. 2.蒸汽初始压力对热效率的影响如图所示，提高蒸汽初始压力p1还可提高循环热效率，同时保持初始蒸汽温度和排气压力恒定. 从图中可以看出，随着初始压力的增加，废气的干燥度x2将迅速降低. 当排气的干燥度低于安全值时，燃气轮机的安全运行将受到损害，因此初始压力的增加会受到排气干燥度极限的影响；同时，随着初始压力的增加，对设备强度的要求也随之提高. 因此，在工程中经常采用同时增加初始压力和初始温度的方法，从而可以补充排气干度的增加和减少，以达到更加理想的效果. 3.排气压力对热效率的影响如图所示，在保持初始蒸汽温度和初始压力不变的同时，降低排气压力p2也可以提高循环的热效率. 由于排气是湿蒸汽，因此其温度是与相应排气压力相对应的饱和温度，这也是循环的平均放热温度. 随着p2的减小，与排气蒸汽压力相对应的饱和温度是放热过程的平均值. 温度将大大降低. 尽管由于放热温度的降低，锅炉给水的温度也降低了，但是这种降低非常小，循环的温差仍然会增加，从而显着提高了热效率. 然而，排气压力过低会大大增加排气的比容，导致燃气轮机尾部尺寸增加. 同时，减小p2意味着减小t2，并且t2的比率必须高于冷凝器中的冷却水温度. 否则，将无法执行放热过程. 因此，p2的减少受环境温度的影响. 此外，从图中可以看出，降低p2也会导致排气的干燥度降低，这也是不利的.

目前火力发电厂常用的排汽压力约为0.004MPa〜0.005MPa，对应的排汽温度为28.98℃〜32.90℃. 显然，在蒸汽发电厂循环运行期间，排气压力（即排气温度）将随周围季节温度的变化而变化. 3.再热循环我们知道，增加初始蒸汽压力会导致排出的蒸汽的干燥度降低，而增加初始蒸汽温度将受到金属材料的限制. 为了解决该矛盾，通常采用在蒸汽中间进行再加热的方法. 蒸汽过热设备系统如图所示. 所谓的蒸汽中间再加热，是指将蒸汽轮机（高压部分）中膨胀到一定中间压力的所有蒸汽引出，在锅炉再热器中再加热，然后返回蒸汽轮机（低压部分）. 继续工作. 图中显示了再热循环的T-s图. 再加热后，蒸汽膨胀结束时的干燥度x显着增加. 这里应该强调的是，尽管最初使用再热来解决干蒸汽干燥的问题，并且它发展到今天，但其意义远不止于此. 几乎所有现代大型机组都使用再热循环，因此它已成为大型机组提高热效率的必要措施. 分析: 忽略泵的功率消耗，循环工作: 循环热效率: 再热循环的蒸汽消耗率为（）（+）kWhkghhhhwd / 3600360026510-== 4.换热循环换热循环通常用于现代蒸汽中关机后再开机.

它是基于朗肯循环通过改善吸热过程而获得的. 从兰金循环的分析得知，其热效率低的主要原因是工作介质的平均吸热温度不高. 增加吸热过程的平均温度以减少烟气与蒸汽之间的传热温度差是提高蒸汽动力循环热效率的基本方法. 有两种基本措施可提高工作介质的平均吸热温度. 除了上述增加初始蒸汽参数以增加蒸汽吸热过程的平均温度外，另一个）（）（2651hhhhwT-+-=）5）26416511（）（（）（hhhhhhhhhqwTt-+-+-= =η基本措施是改善吸热过程，为了说明这个问题，让我们循环图4-5-1中所示的蒸汽吸热过程，其中4-5是水的预热段，这是整个吸热过程的最低温度部分，显然，如果可以改善该低温吸热段，则吸热循环的平均温度将大大提高，有两种方法可以改善这种低温吸热段. 方法是，当蒸汽冷凝至图中的状态点6时，将使用压缩机将蒸汽-水混合物压缩至点5，以便锅炉中的吸热过程直接从5点开始. 低温内胎热区，但它需要笨重的压缩机.

如前所述，该方法既难以实施又不经济. 另一种方法是使用恢复. 所谓的换热，是指利用蒸汽轮机中的蒸汽加热锅炉给水，以减少或消除液体区域内低温工作流体的外部吸热段，从而提高循环平均温度. 吸收热量，提高热效率. 上图显示了带有一级蒸汽提取的再生装置. 与朗肯循环相比，一级抽气和蓄热循环装置增加了蓄热加热器，冷凝水泵和相应的管道. 蓄热式加热器一般分为表面加热器和混合加热器. 这里涉及的再生加热器是混合动力的. 工作过程如下: 在压力为p1且温度为t1的情况下，将1kg的新蒸汽送入透平进行绝热膨胀. 当压力下降到p0（状态0）时，将抽出αkg蒸汽，并将其引入再生加热器中以进行恒压冷凝和放热. αkg饱和水（状态0´）. 蒸汽轮机中剩余的（1-α）kg蒸汽继续进行绝热膨胀，以在p2的压力下工作（状态2），然后进入冷凝器以在p2的压力下冷凝成饱和水，然后由冷凝水增压泵带回热量加热器接收αkg蒸汽萃取冷凝水释放出的热量，温度升高，在p0压力下变成饱和水，并与αkg蒸汽萃取冷凝水混合以形成1 kg的流量，不包括最后，通过水泵将压力为1kg p0的饱和水升至锅炉压力p1，进入锅炉，完成锅炉中的恒压加热，吸收燃料燃烧释放的热量，成为1kg p1，重新注入t1蒸汽，并完成循环.

4. 喷嘴的计算1. 流量的计算可以从能量方程式推导出（忽略入口流量c1的影响）. （2212hhc-=（5-13a））可以应用于任何工作介质. 对于水蒸气，可以通过给定条件在焓-熵图上进行检查. 对于理想气体，可以从用于计算理想气体焓的等式中获得入口和出口的焓值. 2.临界压力比临界压力pcr与入口（初始速度c1≈0）压力p1之比称为临界压力比，具有crυ（某些参考书用符号βcr表示）. 即，1ppcrcr =υ（5-14a）临界压力比的值取决于工作流体的性质. 不同初始蒸汽的临界压力比的经验数据如下: 过热蒸汽: 546. 0 =克鲁干燥饱和蒸汽: 577. 0 =克鲁临界压力比是一个非常重要的参数，据此我们可以计算出多少气体压力在一定的进气条件下下降，流速恰好等于局部声速，达到临界状态. 从上面可以看到临界压力比的值，当蒸汽压力下降到喷嘴入口压力的一半时，就会出现临界状态. 如上所述，对于锥形喷嘴，当工作介质中的压力增加时，最大出口流量只能达到临界流量crc，最小出口压力只能降低到临界压力crp.

因此，当喷嘴出口的外部背压pb大于临界压力crp（pb> crp）时，喷嘴出口部分的压力p2 = pb，则出口速度小于局部声速， M <1. 当背压降低时，当pb = crp时，喷嘴出口部分的压力p2 = pb = crp，出口速度可以达到M =1. 如果背压持续降低，则当pb 卡诺循环 工质性质，喷嘴出口横截面仍等于临界压力且不等于背压，即p2 = crp，从临界压力crp到背压pb的出口流速仍等于声速. 在喷嘴外面完成. 这种现象称为膨胀不足. 对于变焦喷嘴，由于逐渐扩展的部分确保气流在达到临界流速后继续扩展，因此可以获得超音速流. 为了充分利用喷嘴的入口压力p1和出口外部的背压pb之间的压差来减小压力并提高速度，选择喷嘴时，请注意喷嘴出口外部的背压pb和可以选择入口工作流体的初始压力p1将比率pb / p1与临界压力比率crυ进行比较，以决定选择哪种喷嘴. 因此，当pb /p1≥crυ（即pb≥crp）时，应使用锥形喷嘴. 当pb / p1

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