一种新的蒸汽动力循环研究
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【摘要】本文提出一种新的蒸汽动力循环方式，以期利用蒸汽工质的流体热力学综合特性，实现动力循环全过程热效率的提高。
Abstract：This paper proposes a new way of steam power cycle,according to the working medium vapor hydrodynamic characteristics, improvepower cycle thermal efficiency of the whole process.
【关键词】朗肯循环 蒸汽动力 节能减排 火力发电
一、朗肯循环
朗肯循环（英语：Rankine Cycle）也被称为兰金循环，是一种将热能转化为功的热力学循环。郎肯循环从外界吸收热量，将其闭环的工质（通常使用水）加热，实现热能转化做功。朗肯循环理论虽然诞生于19世纪中期，但即便到了今天，郎肯循环仍产生世界上90％的电力，包括几乎所有的太阳能热能、生物质能、煤炭与核能的电站。郎肯循环是支持蒸汽机的基本热力学原理。
因为郎肯循环诞生的那个时代正处于第一次工业革命的开始阶段，研究热力学的材料、加工、设计、控制等综合基础条件，包括相关学科理论研究和现在差距很大，有必然的历史局限性，以现在的技术水平去衡量、分析，难免要存在一些缺陷和不足。
1.郎肯循环应用特点
朗肯循环实现工质水的闭环循环，大大减少水资源的消耗，但是为了实现闭环，必须将水蒸气冷凝为水，然后再把几乎不能被压缩的液态工质加压，才能使之进入下一个动力循环。热量只能参与一次做功循环，不能转换为功的热量必须被抛弃，因此，应用朗肯循环的工业系统热量浪费巨大、热效率难以提高！
实现蒸汽直接再利用通常能想到的就是机械再压缩，但由于工作过程中需要消耗机械能，通过直观的能量守恒定律分析费效比较低，实际应用中一般不会采用这种技术来实现蒸汽再循环利用。
在郎肯循环诞生的历史条件、技术条件下，可以不考虑、也没有能力考虑热回收，人们习惯于接受凝汽环节的大量热量必须以低温形态散失。另外，水的凝结热几乎是常见工质中最大的，工作温段也偏高，但是综合考虑当时的条件，从成本、安全、环保等综合因素考虑，直到现在，也似乎只有水是最理想的工质！
2.理论应用发展现状
目前传统朗肯循环理论应用中多用回热、再热等改进循环方式提高效率，还采用增加蒸汽温度、压力的临界、超临界工作模式来提高效率。这些方法根本的思路都是尽可能提高有效功在全部消耗热能中的比例。
另外还有采用有机工质（非水蒸气）来实现朗肯循环，即有机朗肯循环，它改变了温度较低情况下的循环效率，还是存在凝结热浪费的问题。
还有一种方法主要的出发点则是设法采用消耗少量热能、机械能的方式，直接、间接对排放的低温废热进行再利用，用于工业热水制备、生活采暖等环节，实现余热利用来提高有效输出的功和热在全部消耗热能中的比例。
上述多种方法在系统成本、安全性、费效比、可行性等方面都受到诸多限制，很难实现热能利用效率的大幅度提高，特别是难以实现热-电转换效率的大幅度提高！
二、流体力学相关原理
流体力学里面有些基本原理，实际应用时具有一定的“特殊”功能，在流体流动过程中，作为流体的物质属性本身，也会附带实现热传导交换、物质传输、物质压缩等效果。其特点，就是几乎都是在不需要机械装置运动、机械功消耗的情况下，仅仅在空间变化、热能传递、流动过程就能实现。
1.射流真空泵
基于流体力学文丘里管原理的射流真空泵是一种具有抽真空、冷凝、排水等三种效能的常用机械装置。射流真空泵是利用一定压力的水流通过对称均布成一定形状和倾斜度的喷咀喷出。由于喷射水流速度很高，于是周围形成负压使器室内产生真空，将外界气（液）体抽吸进来，共同进入混合管，混合管内的水（气）流互相摩擦， 混合与挤压，通过扩压管被排除，使器室内形成更高的真空。结构如下图：
说明：1、高压水进口;2、喷嘴;3、螺母;4、喷嘴板;5、气体进口;6、泵体;7、混合室;8、喉部;9、扩压管;10、混合气液出口；
如果使用的射流是水，吸入的是低温、低压水蒸气，则蒸汽与喷射水流直接接触，进行热交换，绝大部分的蒸汽必将冷凝成水与原水流混合，体积大大缩小；小量未被凝的蒸汽与不疑结的气体亦与高速喷射水流一起从喷口喷出，流体具有动压。查阅部分射流泵参数（如石油行业普遍使用的产品），射流抽取的目标介质可以达到自身质量的80%以上，压力损失约10%左右。
有资料报道国内有单位做了这样的应用，产品名称叫“射流凝汽器”，但没有大量推广应用，其节能减排效果也没有得到行业的重视。
下图是一种利用喷雾或射流的混合式凝汽器：
这种装置确实利用的冷却水射流、雾化吸热的效果，但是没有利用射流的动能，而且蒸汽热量巨大，冷却吸热能力有限，造成冷却水用量增加，最后冷却效果好了，但是还不能解决热量回收利用的问题。
2.气体放大器
进入20世纪70年代以后，世界各国都在进一步研究有关射流引流、真空理论，通过对一些细节的研究，如喷口形状、方式、脉动等等因素的研究实践，取得了一定的成果。比如和人类生活密切相关的无叶片风扇，以及工业化应用的气体放大器。
气体放大器原理如下图：当高压气体通过气体放大器 0.05～0.1毫米的环形窄缝(3)后,向左侧喷出，通过科恩达效应原理及气体放大器特殊的几何形状，右侧最大10~100倍的低压气体可被吸入，并与原始高压气体一起从气体放大器左侧吹出。近两年来气体放大器（空气放大器）应用领域迅速扩展，常用大比例节约压缩空气，并且利用压缩空气实现吹尘、吸尘、物料运送等工业应用。技术成熟稳定。
结构说明：(1) 环形腔； (2) 可调环形槽；(3) 发生科恩达效应的剖面；(4)待吸入气体；(5) 固定环（可调气体放大器有）。
如果被吸入的气体是低温、低压蒸汽，驱动气流是高温、高压过热蒸汽，在高温蒸汽从环形喷口喷出时，会膨胀、降温、降压，同时与低温、低压蒸汽混合，达到热量、动量平衡，最终气流是中温、中压混合蒸汽，从左侧排出。
3.涡轮管
涡流管(Vortex Tube)又称涡流制冷管、涡旋管、涡旋制冷器等,一定压力的压缩空气输入涡流管涡旋发生器后膨胀加速后旋转，气流以1,000,000rpm的旋转速度沿热管壁进入热管内部，在热管的终端，一部分压缩空气通过调节阀以热空气的方式泻出,剩余的压缩空气以较低速度通过进入热管旋转气流的中心返回，这股冷气流通过发生器中心形成超低温冷气汇集到冷气端排出。以某种型号涡流管产品为例，输入气流7Bar,25℃干燥空气的前提下最低冷气温度可达-45℃, 冷气端射出冷气流在7Bar，温度最大降幅达-70℃，另一端射出的热气流极限温度可达+130℃。冷气、热气比例可以调整，从10%~90%之间互相变化，所能达到的最低、最高气温也和气流量有关。
涡流管是一种结构非常简单的能量分离装置，它是由喷嘴、涡流室、分离孔板和冷热两端管组成。工作时压缩气体在喷嘴内膨胀，然后以很高的速度沿切线方向进入涡流管。气流在涡流管内高速旋转时，经过涡流中心的离心减压、涡轮外圈离心增压作用，气体从涡流中心到外壁分离成压力、温度不相等的两部分气流，处于中心部位的气流温度低，而处于外层部位的气流温度高，调节冷热流比例，可以得到最佳制冷效应或制热效应。
结构说明：(1) 高压气体入口；(2) 冷气输出口；(3) 热气输出口。如果被吸入的气体是低温、低压蒸汽，经过涡流管后，就可以在高温输出端输出更热蒸汽，低温输出端输出低温甚至低温汽水混合物。
4.压力温度关系
其实上述三种特殊功能的装置，其背后的理论基础都来自于流体力学的一些基本定律，在蒸汽流动速度不大的时候，以下定律都适用：
波义耳定律：温度恒定时，一定量气体的压力和它的体积的乘积为恒量。数学表达式为：pV = nRT = 恒量或p1V1 = p2V2。
查理-盖吕萨克气体定律：压力恒定时，一定量气体的体积（V）与其温度（T）成正比。
根据上述两条定律分析，朗肯循环中没有提及蒸汽传输过程中的气体流体力学、热力学问题，仅仅把蒸汽按照理想状态气体、静止状态气体去研究，存在一定的局限性。
可压缩流体流速加快，压力降低，必然引起体积膨胀，从而使密度减小；反之，在流速减慢、压力升高的同时，可压缩流体受压缩，体积缩小，因此，密度必然增大。气体体积的膨胀，还会使温度降低。当打开自行车气门芯放气，高压气体从气门芯喷出来时，气门芯的温度显著下降，甚至使表面结霜。这并不是自行车胎里面装着很“冷”的气体的缘故，而是高压空气从喷口喷出时体积膨胀引起降温导致气体中所含有的水蒸气冷凝所致。同样，当可压缩流体受压缩时，温度会升高。譬如，用打气筒打气，气筒壁会发烫。这并非皮碗与筒壁摩擦的结果，而主要是筒内空气被压缩，导致温度升高。
一个对高低温、高低压变化非常敏感的蒸汽动力循环系统，应该充分考虑体积、空间、流速、压力、温度等混合因素，充分利用这些因素之间的关系，实现高效率的热动力循环。
三、新的蒸汽动力循环
通过对朗肯循环特点分析，需要提出一种新的循环，首先利用非机械动力（至少是非电能）的方式实现对完成做功后的乏蒸汽进行再利用，其次充分利用气体体积、温度、压力甚至气体流速的关系，设法直接回收再利用冷凝热，未能通过汽轮机一次转化为功的热量有机会参与下一次做功循环，经过多次转化做功，系统效率趋向于100%，在理论上实现蒸汽动力循环整体热效率的大幅度提高。
1.新循环
新的循环采用类似气体放大器的装置实现对低温、低压乏汽的升压、升温、引流；再通过对凝汽器内外部乏汽分流，管路空间(流管)截面积重新安排设计，使得蒸汽乏汽传输过程中产生压差、温差，让低温、低压蒸汽吸收较高温度、较高压力蒸汽的热量，同时使得较高温蒸汽冷凝，较低温蒸汽吸热、升压并直接进入蒸汽再循环，冷凝水则通过高压锅炉再生为高压过热蒸汽，携带新补充的热能进入下一个蒸汽工作循环。
具体系统结构图如下：
结构说明：1、凝汽器；2、高压水泵；3、高压锅炉；4、气体放大器；5、汽轮机；6、发电机；7、乏汽总管路；8、待凝结乏汽入口；9、待降压乏汽入口；10、冷凝水管路；11、吸热升温乏汽出口；12、待吸入蒸汽入口；13、驱动高压高温蒸汽入口；14、再生混合工作蒸汽出口。
还可以采用下面的方式，改变凝汽器汽路，让全部蒸汽均进入凝汽空间后，再进入吸热管路，可以调整凝气量和再生乏汽温度。系统如下图：
经过两年多思考和相关领域的研究，这种新循环的理念、思路不断地完善，而且越来越简单明了，其实核心部件4气体放大器，应该就是一个利用高能量工质（超高压蒸汽）通过某种装置、系统，驱动低能量工质（低压乏汽），重新升压升温达到工作蒸汽（高压蒸汽）的要求，并且最终混合共同去做功。如果使用蒸汽动力的汽轮-压缩机系统就更容易理解，如下图：
2.新循环的特点：
首先，和朗肯循环相比，系统设计上就没有大量对系统外介质散热的环节，整体热效率会大幅度提高；
其次，朗肯循环实际应用中，近年来都是主要依靠提高系统的压力来提高热电转换效率，从水泵开始全部工作过程都处于超临界压力之下，系统的制造技术难度增加、成本增加、安全风险增加。该新循环方式虽然锅炉的压力也是需要大幅度提高，但是锅炉的蒸汽发生量大幅度下降，高压蒸汽涉及的范围减少，高压蒸汽涉及的过程几乎没有机械运动、需要较多维护的机械部件，关于技术难度加大、成本大幅增高、系统安全性下降的问题得以解决；
从过程上看出，该循环可以适用于各种汽轮机机组压力，单次循环热-功转换效率变化，不影响系统整体效率，对安全生产有利；也可以用于现有中低压蒸汽发电系统，在保留核心系统的情况下，以最低的成本实现技术改造，改造过程还可以分阶段、分步骤实施。
四、能量守恒法分析
安朗循环的动力、热力学分析相对复杂，我们完全可以首先应用用热力学第一定律（能量守恒定律）对它进行初步分析。
目前应用朗肯循环的热电厂能效图如下：
行业已知的数据表明锅炉、水泵、汽轮机、发电机整体效率损失合计约10%；冷端损失，即凝汽器冷却水带走的热量要占到50%以上，新的循环改进了凝汽器，采用了气体放大器（射流或科恩达效应），下面逐个简单分析这两个部件的能量变化、流动情况。
1.凝气器分析
该循环所用凝汽器结构与传统凝汽器相似，所不同的是吸热管路内部空间和凝汽空间的比例，前者应为后者空间、流管截面的数倍以上。假设乏汽通过两条相同截面积的管路分别接入这两个大小不同的空间，根据波义耳定律，蒸汽的压力就会发生差异，进入吸热管路的蒸汽膨胀比例较大，温度下降较多，加之受到空气放大器（或射流引流装置）产生的抽真空作用，压力、温度进一步下降，因此温度相对较低；进入凝气空间的蒸汽膨胀比例较小，温度下降较少，相对较高，吸热管路内外蒸汽存在温差，进行热交换；凝气空间的蒸汽放热冷凝，吸热管路内部蒸汽吸热升温，压力回升。
全过程没有对第三方做功，属于绝热过程，能量损失少。
2.气体放大器分析
接入空气放大器的压力超百倍于乏汽的高温、高压、过热蒸汽从环形喷口高速喷出，膨胀、扩散，同时基于流体的粘滞作用、气体分子的混合、碰撞作用，依据科恩达效应，带动大量乏汽一起运动，两种蒸汽的动量、热量混合、交换，达到平衡。最后形成中温、中压混合汽流。
全过程也没有对第三方做功，属于绝热过程，能量损失少。
3.汽轮机-压缩机分析
接入汽轮机-压缩机系统的超高压蒸汽，推动汽轮机工作，输出动力带动压缩机实现对乏汽的机械再压缩，乏汽升温升压；汽轮机的排气压力接近压缩机的输出压力，两组蒸汽最后形成中温、中压混合汽流，满足发电机汽轮机工作的蒸汽压力温度要求。
全过程也没有对第三方做功，属于绝热过程，能量损失少。
五、进一步应用改进
针对不同应用条件变化，安朗循环可以进行适应性调整，进一步满足工程应用的具体要求。
1.乏汽直接利用
该应用改进增加一个乏汽歧路、乏汽直供阀，实现对凝结乏汽的调整，必要时可以通过气体放大器直接再利用部分尚未膨胀、降温的乏汽。具体系统图如下：
新增加的设备和管路有：15、乏汽直供阀；16、乏汽歧管。
该过程没有对第三方做功，属于绝热过程，能量损失少。
2.射流泵辅助凝汽
该应用改进通过使用射流凝汽泵，可以直接吸收再利用部分乏汽，由于射流压力较高，吸入的乏汽在混入高压冷凝水流后凝结，放出热量，使得冷凝水升温预热，同时也具有抽真空的作用。具体系统图如下：
新增加的设备和管路有：17、射流凝汽泵；18、中压冷凝水泵；19、射流输入口；20、待凝结蒸汽吸入口；21、射流输出口；22、凝汽器乏汽歧路。
该过程没有对第三方做功，属于绝热过程，能量损失少。
3.涡流管应用
该应用改进通过使用涡流管，把排出的乏汽所含的能量进行分割，乏汽进入涡流管以后，分成高温、低温乏汽两路输出，冷的乏汽进入凝汽器的冷却管路后，去射流凝汽器凝结；射流凝汽器的凝结、抽真空作用使得低温乏汽在冷却管路中温度进一步降低，吸热性能更好。
高温乏汽一部分在凝汽器中把热量传递给冷却管路后凝结成冷凝水，经高压泵进入射流凝汽器，开始下一个循环；没有凝结的高温乏汽，可以通过气体放大器直接再利用。具体系统图如下：
新增加的设备和管路有：23、涡流管；24、低温蒸汽输出口。该过程没有对第三方做功，属于绝热过程，能量损失少。
六、需进一步研究的关键问题
本文只是提出一个新的循环过程，并基于热力学第一定律进行了定性分析，如果该循环得到学术界初步认可，那么后续还有许多问题留待学术界讨论、研究，主要可能有以下几点：
1.凝气与再生蒸汽比例
安朗循环采用部分凝气通过高压锅炉蒸发产生高温、高压过热蒸汽来驱动低温低压蒸汽，以蒸汽循环一个周期热电效率30%估算，需要补充约40%的热能。如果不采用蒸汽再热、过热系统，所有这些热能大部分由再蒸发的冷凝水承载。
如果假设气体放大器可以再生利用90%的蒸汽，必须冷凝的蒸汽量将约占10%。这10%的水，又会释放大量的热量，如果不用冷却水散热，则应该由剩余的90%余热蒸汽带回再循环中。因此需要进一步研究如何合理设计蒸汽流动过程的空间、截面积比例，控制好各个环节的压力、流量。
2.锅炉压力增加量
从气体放大器工作原理可以得知，安朗循环驱动蒸汽压力应该是朗肯循环相应锅炉压力的10倍或更高，在有条件实现的情况下，越高越好！高压锅炉的研究，特别是结合空气动力学对锅炉结构进行改进，充分考虑动压、静压的关系，实现“动态升温”、“动态升压”，控制好高压锅炉技术难度，降低高压锅炉的生产制造成本。
3.其它工质选择
近年来，人们已经考虑采用水以外的工质实现郎肯循环，也就是选择沸点和临界温度较低或很低的物质（多是有机化合物），但是由于这些工质在自然界多数是不存在的，因此只能用于小系统，无法大量使用，因为一旦发生大规模泄漏，即便能自然分解，也对环境存在潜在威胁。但从某种角度来讲，说明人们已经开始思考传统产业的技术变革。
目前有人提出用液态空气代替水，对整个系统进行降温、保温，实现低温、超低温朗肯循环，采用自然界已有的热量作为能量来源使液态空气汽化膨胀。这个思路，如果和本循环结合，会大大降低液态空气的再液化量，使得新的工艺实用价值会大大提高，在储能发电、低温发电，甚至是环境热能发电技术上产生新的突破。
七、结束语
本文提出一个新的蒸汽动力循环方式，并做了简单的分析和论证，希望能引起同行的关注，对其中的热力学、流体力学过程进行进一步研究分析，共同利用现有的跨行业、多学科的先进成果技术，对传统基础理论进行再认识、再发展。
从创新的角度，除了对郎肯循环理论进行发展研究意外，我们还应该对理论的应用同样进行突破和创新。这么多年来，火电厂越做越大、工作压力越来越高、能量越来越集中难以综合利用、系统造价急剧增加，这些是不是值得我们反向思考一下？如果我们每台锅炉都是一个小火电站，虽然效率有可能下降，但都是先发电、后供暖，每个郎肯循环都实现全热利用，有必要造这么大的火电厂吗？有必要把电能、余热来回输送吗？
长期以来，我们往往给定理、定律强加一些“习惯”、“必然”，比如，能量守恒定律让我们想当然认为能量的获得只有消耗能源才能获得，忽略了能量还可以用“热泵”技术实现高效率“借用”获得；卡诺循环关于热机做功效率的理论上限就想当然成了热能利用全系统的上限；蒸汽机、内燃机都是高温下工作，想当然认为只有人类感觉高温的热量能做功、低温热能不能做功，忽略了热和功的单位都是焦耳，没有温度标记，类似的情况比比皆是。我们应该打破自己内心的条条框框，还定理、定律的本来面目，进行新的理论的应用创新！
参考文献
【1】沈维道等编，《工程热力学》，高等教育出版社
【2】米东强等，《常用射流真空泵的结构和特点》，《海河水利》 2012年04期
【3】孔珑编，《可压缩流体动力学》，水利电力出版社
【4】王海军，《文丘里管射流装置的结构及工作原理》，《西南科技大学学报》2004年6期
【5】张红，《低沸点工质的有机朗肯循环纯低温余热发电技术》，《水泥》2006年8期
【6】董继先，张震，《蒸汽喷射式热泵供热系统热力学分析》，《中华纸业》第31卷第22期，2010年11月
作者简介：
苟仲武（1967—），男，甘肃庆阳人，研究方向：节能减排技术、清洁能源、循环经济、绿色动力。
