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【摘要】本文提出一種新的蒸汽動力循環方式，以期利用蒸汽工質的流體熱力學綜合特性，實現動力循環全過程熱效率的提高。

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.

【關鍵詞】朗肯循環 蒸汽動力 節能減排 火力發電

一、朗肯循環

朗肯循環（英語：Rankine Cycle）也被稱為蘭金循環，是一種將熱能轉化為功的熱力學循環。郎肯循環從外界吸收熱量，將其閉環的工質（通常使用水）加熱，實現熱能轉化做功。朗肯循環理論雖然誕生于19世紀中期，但即便到了今天，郎肯循環仍產生世界上90％的電力，包括幾乎所有的太陽能熱能、生物質能、煤炭與核能的電站。郎肯循環是支持蒸汽機的基本熱力學原理。

因為郎肯循環誕生的那個時代正處于第一次工業革命的開始階段，研究熱力學的材料、加工、設計、控制等綜合基礎條件，包括相關學科理論研究和現在差距很大，有必然的歷史局限性，以現在的技術水平去衡量、分析，難免要存在一些缺陷和不足。

1.郎肯循環應用特點

朗肯循環實現工質水的閉環循環，大大減少水資源的消耗，但是為了實現閉環，必須將水蒸氣冷凝為水，然后再把幾乎不能被壓縮的液態工質加壓，才能使之進入下一個動力循環。熱量只能參與一次做功循環，不能轉換為功的熱量必須被拋棄，因此，應用朗肯循環的工業系統熱量浪費巨大、熱效率難以提高！

實現蒸汽直接再利用通常能想到的就是機械再壓縮，但由于工作過程中需要消耗機械能，通過直觀的能量守恒定律分析費效比較低，實際應用中一般不會采用這種技術來實現蒸汽再循環利用。

在郎肯循環誕生的歷史條件、技術條件下，可以不考慮、也沒有能力考慮熱回收，人們習慣于接受凝汽環節的大量熱量必須以低溫形態散失。另外，水的凝結熱幾乎是常見工質中最大的，工作溫段也偏高，但是綜合考慮當時的條件，從成本、安全、環保等綜合因素考慮，直到現在，也似乎只有水是最理想的工質！

2.理論應用發展現狀

目前傳統朗肯循環理論應用中多用回熱、再熱等改進循環方式提高效率，還采用增加蒸汽溫度、壓力的臨界、超臨界工作模式來提高效率。這些方法根本的思路都是盡可能提高有效功在全部消耗熱能中的比例。

另外還有采用有機工質（非水蒸氣）來實現朗肯循環，即有機朗肯循環，它改變了溫度較低情況下的循環效率，還是存在凝結熱浪費的問題。

還有一種方法主要的出發點則是設法采用消耗少量熱能、機械能的方式，直接、間接對排放的低溫廢熱進行再利用，用于工業熱水制備、生活采暖等環節，實現余熱利用來提高有效輸出的功和熱在全部消耗熱能中的比例。

上述多種方法在系統成本、安全性、費效比、可行性等方面都受到諸多限制，很難實現熱能利用效率的大幅度提高，特別是難以實現熱-電轉換效率的大幅度提高！

二、流體力學相關原理

流體力學里面有些基本原理，實際應用時具有一定的“特殊”功能，在流體流動過程中，作為流體的物質屬性本身，也會附帶實現熱傳導交換、物質傳輸、物質壓縮等效果。其特點，就是幾乎都是在不需要機械裝置運動、機械功消耗的情況下，僅僅在空間變化、熱能傳遞、流動過程就能實現。

1.射流真空泵

基于流體力學文丘里管原理的射流真空泵是一種具有抽真空、冷凝、排水等三種效能的常用機械裝置。射流真空泵是利用一定壓力的水流通過對稱均布成一定形狀和傾斜度的噴咀噴出。由于噴射水流速度很高，于是周圍形成負壓使器室內產生真空，將外界氣（液）體抽吸進來，共同進入混合管，混合管內的水（氣）流互相摩擦， 混合與擠壓，通過擴壓管被排除，使器室內形成更高的真空。結構如下圖：

說明：1、高壓水進口;2、噴嘴;3、螺母;4、噴嘴板;5、氣體進口;6、泵體;7、混合室;8、喉部;9、擴壓管;10、混合氣液出口；

如果使用的射流是水，吸入的是低溫、低壓水蒸氣，則蒸汽與噴射水流直接接觸，進行熱交換，絕大部分的蒸汽必將冷凝成水與原水流混合，體積大大縮小；小量未被凝的蒸汽與不疑結的氣體亦與高速噴射水流一起從噴口噴出，流體具有動壓。查閱部分射流泵參數（如石油行業普遍使用的產品），射流抽取的目標介質可以達到自身質量的80%以上，壓力損失約10%左右。

有資料報道國內有單位做了這樣的應用，產品名稱叫“射流凝汽器”，但沒有大量推廣應用，其節能減排效果也沒有得到行業的重視。

下圖是一種利用噴霧或射流的混合式凝汽器：

這種裝置確實利用的冷卻水射流、霧化吸熱的效果，但是沒有利用射流的動能，而且蒸汽熱量巨大，冷卻吸熱能力有限，造成冷卻水用量增加，最后冷卻效果好了，但是還不能解決熱量回收利用的問題。

2.氣體放大器

進入20世紀70年代以后，世界各國都在進一步研究有關射流引流、真空理論，通過對一些細節的研究，如噴口形狀、方式、脈動等等因素的研究實踐，取得了一定的成果。比如和人類生活密切相關的無葉片風扇，以及工業化應用的氣體放大器。

氣體放大器原理如下圖：當高壓氣體通過氣體放大器 0.05～0.1毫米的環形窄縫(3)后,向左側噴出，通過科恩達效應原理及氣體放大器特殊的幾何形狀，右側最大10~100倍的低壓氣體可被吸入，并與原始高壓氣體一起從氣體放大器左側吹出。近兩年來氣體放大器（空氣放大器）應用領域迅速擴展，常用大比例節約壓縮空氣，并且利用壓縮空氣實現吹塵、吸塵、物料運送等工業應用。技術成熟穩定。

結構說明：(1) 環形腔； (2) 可調環形槽；(3) 發生科恩達效應的剖面；(4)待吸入氣體；(5) 固定環（可調氣體放大器有）。

如果被吸入的氣體是低溫、低壓蒸汽，驅動氣流是高溫、高壓過熱蒸汽，在高溫蒸汽從環形噴口噴出時，會膨脹、降溫、降壓，同時與低溫、低壓蒸汽混合，達到熱量、動量平衡，最終氣流是中溫、中壓混合蒸汽，從左側排出。

3.渦輪管

渦流管(Vortex Tube)又稱渦流制冷管、渦旋管、渦旋制冷器等,一定壓力的壓縮空氣輸入渦流管渦旋發生器后膨脹加速后旋轉，氣流以1,000,000rpm的旋轉速度沿熱管壁進入熱管內部，在熱管的終端，一部分壓縮空氣通過調節閥以熱空氣的方式瀉出,剩余的壓縮空氣以較低速度通過進入熱管旋轉氣流的中心返回，這股冷氣流通過發生器中心形成超低溫冷氣匯集到冷氣端排出。以某種型號渦流管產品為例，輸入氣流7Bar,25℃干燥空氣的前提下最低冷氣溫度可達-45℃, 冷氣端射出冷氣流在7Bar，溫度最大降幅達-70℃，另一端射出的熱氣流極限溫度可達+130℃。冷氣、熱氣比例可以調整，從10%~90%之間互相變化，所能達到的最低、最高氣溫也和氣流量有關。

渦流管是一種結構非常簡單的能量分離裝置，它是由噴嘴、渦流室、分離孔板和冷熱兩端管組成。工作時壓縮氣體在噴嘴內膨脹，然后以很高的速度沿切線方向進入渦流管。氣流在渦流管內高速旋轉時，經過渦流中心的離心減壓、渦輪外圈離心增壓作用，氣體從渦流中心到外壁分離成壓力、溫度不相等的兩部分氣流，處于中心部位的氣流溫度低，而處于外層部位的氣流溫度高，調節冷熱流比例，可以得到最佳制冷效應或制熱效應。

結構說明：(1) 高壓氣體入口；(2) 冷氣輸出口；(3) 熱氣輸出口。如果被吸入的氣體是低溫、低壓蒸汽，經過渦流管后，就可以在高溫輸出端輸出更熱蒸汽，低溫輸出端輸出低溫甚至低溫汽水混合物。

4.壓力溫度關系

其實上述三種特殊功能的裝置，其背后的理論基礎都來自于流體力學的一些基本定律，在蒸汽流動速度不大的時候，以下定律都適用：

波義耳定律：溫度恒定時，一定量氣體的壓力和它的體積的乘積為恒量。數學表達式為：pV = nRT = 恒量或p1V1 = p2V2。

查理-蓋呂薩克氣體定律：壓力恒定時，一定量氣體的體積（V）與其溫度（T）成正比。

根據上述兩條定律分析，朗肯循環中沒有提及蒸汽傳輸過程中的氣體流體力學、熱力學問題，僅僅把蒸汽按照理想狀態氣體、靜止狀態氣體去研究，存在一定的局限性。

可壓縮流體流速加快，壓力降低，必然引起體積膨脹，從而使密度減小；反之，在流速減慢、壓力升高的同時，可壓縮流體受壓縮，體積縮小，因此，密度必然增大。氣體體積的膨脹，還會使溫度降低。當打開自行車氣門芯放氣，高壓氣體從氣門芯噴出來時，氣門芯的溫度顯著下降，甚至使表面結霜。這并不是自行車胎里面裝著很“冷”的氣體的緣故，而是高壓空氣從噴口噴出時體積膨脹引起降溫導致氣體中所含有的水蒸氣冷凝所致。同樣，當可壓縮流體受壓縮時，溫度會升高。譬如，用打氣筒打氣，氣筒壁會發燙。這并非皮碗與筒壁摩擦的結果，而主要是筒內空氣被壓縮，導致溫度升高。

一個對高低溫、高低壓變化非常敏感的蒸汽動力循環系統，應該充分考慮體積、空間、流速、壓力、溫度等混合因素，充分利用這些因素之間的關系，實現高效率的熱動力循環。

三、新的蒸汽動力循環

通過對朗肯循環特點分析，需要提出一種新的循環，首先利用非機械動力（至少是非電能）的方式實現對完成做功后的乏蒸汽進行再利用，其次充分利用氣體體積、溫度、壓力甚至氣體流速的關系，設法直接回收再利用冷凝熱，未能通過汽輪機一次轉化為功的熱量有機會參與下一次做功循環，經過多次轉化做功，系統效率趨向于100%，在理論上實現蒸汽動力循環整體熱效率的大幅度提高。

1.新循環

新的循環采用類似氣體放大器的裝置實現對低溫、低壓乏汽的升壓、升溫、引流；再通過對凝汽器內外部乏汽分流，管路空間(流管)截面積重新安排設計，使得蒸汽乏汽傳輸過程中產生壓差、溫差，讓低溫、低壓蒸汽吸收較高溫度、較高壓力蒸汽的熱量，同時使得較高溫蒸汽冷凝，較低溫蒸汽吸熱、升壓并直接進入蒸汽再循環，冷凝水則通過高壓鍋爐再生為高壓過熱蒸汽，攜帶新補充的熱能進入下一個蒸汽工作循環。

具體系統結構圖如下：

結構說明：1、凝汽器；2、高壓水泵；3、高壓鍋爐；4、氣體放大器；5、汽輪機；6、發電機；7、乏汽總管路；8、待凝結乏汽入口；9、待降壓乏汽入口；10、冷凝水管路；11、吸熱升溫乏汽出口；12、待吸入蒸汽入口；13、驅動高壓高溫蒸汽入口；14、再生混合工作蒸汽出口。

還可以采用下面的方式，改變凝汽器汽路，讓全部蒸汽均進入凝汽空間后，再進入吸熱管路，可以調整凝氣量和再生乏汽溫度。系統如下圖：

經過兩年多思考和相關領域的研究，這種新循環的理念、思路不斷地完善，而且越來越簡單明了，其實核心部件4氣體放大器，應該就是一個利用高能量工質（超高壓蒸汽）通過某種裝置、系統，驅動低能量工質（低壓乏汽），重新升壓升溫達到工作蒸汽（高壓蒸汽）的要求，并且最終混合共同去做功。如果使用蒸汽動力的汽輪-壓縮機系統就更容易理解，如下圖：

2.新循環的特點：

首先，和朗肯循環相比，系統設計上就沒有大量對系統外介質散熱的環節，整體熱效率會大幅度提高；

其次，朗肯循環實際應用中，近年來都是主要依靠提高系統的壓力來提高熱電轉換效率，從水泵開始全部工作過程都處于超臨界壓力之下，系統的制造技術難度增加、成本增加、安全風險增加。該新循環方式雖然鍋爐的壓力也是需要大幅度提高，但是鍋爐的蒸汽發生量大幅度下降，高壓蒸汽涉及的范圍減少，高壓蒸汽涉及的過程幾乎沒有機械運動、需要較多維護的機械部件，關于技術難度加大、成本大幅增高、系統安全性下降的問題得以解決；

從過程上看出，該循環可以適用于各種汽輪機機組壓力，單次循環熱-功轉換效率變化，不影響系統整體效率，對安全生產有利；也可以用于現有中低壓蒸汽發電系統，在保留核心系統的情況下，以最低的成本實現技術改造，改造過程還可以分階段、分步驟實施。

四、能量守恒法分析

安朗循環的動力、熱力學分析相對復雜，我們完全可以首先應用用熱力學第一定律（能量守恒定律）對它進行初步分析。

目前應用朗肯循環的熱電廠能效圖如下：

行業已知的數據表明鍋爐、水泵、汽輪機、發電機整體效率損失合計約10%；冷端損失，即凝汽器冷卻水帶走的熱量要占到50%以上，新的循環改進了凝汽器，采用了氣體放大器（射流或科恩達效應），下面逐個簡單分析這兩個部件的能量變化、流動情況。

1.凝氣器分析

該循環所用凝汽器結構與傳統凝汽器相似，所不同的是吸熱管路內部空間和凝汽空間的比例，前者應為后者空間、流管截面的數倍以上。假設乏汽通過兩條相同截面積的管路分別接入這兩個大小不同的空間，根據波義耳定律，蒸汽的壓力就會發生差異，進入吸熱管路的蒸汽膨脹比例較大，溫度下降較多，加之受到空氣放大器（或射流引流裝置）產生的抽真空作用，壓力、溫度進一步下降，因此溫度相對較低；進入凝氣空間的蒸汽膨脹比例較小，溫度下降較少，相對較高，吸熱管路內外蒸汽存在溫差，進行熱交換；凝氣空間的蒸汽放熱冷凝，吸熱管路內部蒸汽吸熱升溫，壓力回升。

全過程沒有對第三方做功，屬于絕熱過程，能量損失少。

2.氣體放大器分析

接入空氣放大器的壓力超百倍于乏汽的高溫、高壓、過熱蒸汽從環形噴口高速噴出，膨脹、擴散，同時基于流體的粘滯作用、氣體分子的混合、碰撞作用，依據科恩達效應，帶動大量乏汽一起運動，兩種蒸汽的動量、熱量混合、交換，達到平衡。最后形成中溫、中壓混合汽流。

全過程也沒有對第三方做功，屬于絕熱過程，能量損失少。

3.汽輪機-壓縮機分析

接入汽輪機-壓縮機系統的超高壓蒸汽，推動汽輪機工作，輸出動力帶動壓縮機實現對乏汽的機械再壓縮，乏汽升溫升壓；汽輪機的排氣壓力接近壓縮機的輸出壓力，兩組蒸汽最后形成中溫、中壓混合汽流，滿足發電機汽輪機工作的蒸汽壓力溫度要求。

全過程也沒有對第三方做功，屬于絕熱過程，能量損失少。

五、進一步應用改進

針對不同應用條件變化，安朗循環可以進行適應性調整，進一步滿足工程應用的具體要求。

1.乏汽直接利用

該應用改進增加一個乏汽歧路、乏汽直供閥，實現對凝結乏汽的調整，必要時可以通過氣體放大器直接再利用部分尚未膨脹、降溫的乏汽。具體系統圖如下：

新增加的設備和管路有：15、乏汽直供閥；16、乏汽歧管。

該過程沒有對第三方做功，屬于絕熱過程，能量損失少。

2.射流泵輔助凝汽

該應用改進通過使用射流凝汽泵，可以直接吸收再利用部分乏汽，由于射流壓力較高，吸入的乏汽在混入高壓冷凝水流后凝結，放出熱量，使得冷凝水升溫預熱，同時也具有抽真空的作用。具體系統圖如下：

新增加的設備和管路有：17、射流凝汽泵；18、中壓冷凝水泵；19、射流輸入口；20、待凝結蒸汽吸入口；21、射流輸出口；22、凝汽器乏汽歧路。

該過程沒有對第三方做功，屬于絕熱過程，能量損失少。

3.渦流管應用

該應用改進通過使用渦流管，把排出的乏汽所含的能量進行分割，乏汽進入渦流管以后，分成高溫、低溫乏汽兩路輸出，冷的乏汽進入凝汽器的冷卻管路后，去射流凝汽器凝結；射流凝汽器的凝結、抽真空作用使得低溫乏汽在冷卻管路中溫度進一步降低，吸熱性能更好。

高溫乏汽一部分在凝汽器中把熱量傳遞給冷卻管路后凝結成冷凝水，經高壓泵進入射流凝汽器，開始下一個循環；沒有凝結的高溫乏汽，可以通過氣體放大器直接再利用。具體系統圖如下：

新增加的設備和管路有：23、渦流管；24、低溫蒸汽輸出口。該過程沒有對第三方做功，屬于絕熱過程，能量損失少。

六、需進一步研究的關鍵問題

本文只是提出一個新的循環過程，并基于熱力學第一定律進行了定性分析，如果該循環得到學術界初步認可，那么后續還有許多問題留待學術界討論、研究，主要可能有以下幾點：

1.凝氣與再生蒸汽比例

安朗循環采用部分凝氣通過高壓鍋爐蒸發產生高溫、高壓過熱蒸汽來驅動低溫低壓蒸汽，以蒸汽循環一個周期熱電效率30%估算，需要補充約40%的熱能。如果不采用蒸汽再熱、過熱系統，所有這些熱能大部分由再蒸發的冷凝水承載。

如果假設氣體放大器可以再生利用90%的蒸汽，必須冷凝的蒸汽量將約占10%。這10%的水，又會釋放大量的熱量，如果不用冷卻水散熱，則應該由剩余的90%余熱蒸汽帶回再循環中。因此需要進一步研究如何合理設計蒸汽流動過程的空間、截面積比例，控制好各個環節的壓力、流量。

2.鍋爐壓力增加量

從氣體放大器工作原理可以得知，安朗循環驅動蒸汽壓力應該是朗肯循環相應鍋爐壓力的10倍或更高，在有條件實現的情況下，越高越好！高壓鍋爐的研究，特別是結合空氣動力學對鍋爐結構進行改進，充分考慮動壓、靜壓的關系，實現“動態升溫”、“動態升壓”，控制好高壓鍋爐技術難度，降低高壓鍋爐的生產制造成本。

3.其它工質選擇

近年來，人們已經考慮采用水以外的工質實現郎肯循環，也就是選擇沸點和臨界溫度較低或很低的物質（多是有機化合物），但是由于這些工質在自然界多數是不存在的，因此只能用于小系統，無法大量使用，因為一旦發生大規模泄漏，即便能自然分解，也對環境存在潛在威脅。但從某種角度來講，說明人們已經開始思考傳統產業的技術變革。

目前有人提出用液態空氣代替水，對整個系統進行降溫、保溫，實現低溫、超低溫朗肯循環，采用自然界已有的熱量作為能量來源使液態空氣汽化膨脹。這個思路，如果和本循環結合，會大大降低液態空氣的再液化量，使得新的工藝實用價值會大大提高，在儲能發電、低溫發電，甚至是環境熱能發電技術上產生新的突破。

七、結束語

本文提出一個新的蒸汽動力循環方式，并做了簡單的分析和論證，希望能引起同行的關注，對其中的熱力學、流體力學過程進行進一步研究分析，共同利用現有的跨行業、多學科的先進成果技術，對傳統基礎理論進行再認識、再發展。

從創新的角度，除了對郎肯循環理論進行發展研究意外，我們還應該對理論的應用同樣進行突破和創新。這么多年來，火電廠越做越大、工作壓力越來越高、能量越來越集中難以綜合利用、系統造價急劇增加，這些是不是值得我們反向思考一下？如果我們每臺鍋爐都是一個小火電站，雖然效率有可能下降，但都是先發電、后供暖，每個郎肯循環都實現全熱利用，有必要造這么大的火電廠嗎？有必要把電能、余熱來回輸送嗎？

長期以來，我們往往給定理、定律強加一些“習慣”、“必然”，比如，能量守恒定律讓我們想當然認為能量的獲得只有消耗能源才能獲得，忽略了能量還可以用“熱泵”技術實現高效率“借用”獲得；卡諾循環關于熱機做功效率的理論上限就想當然成了熱能利用全系統的上限；蒸汽機、內燃機都是高溫下工作，想當然認為只有人類感覺高溫的熱量能做功、低溫熱能不能做功，忽略了熱和功的單位都是焦耳，沒有溫度標記，類似的情況比比皆是。我們應該打破自己內心的條條框框，還定理、定律的本來面目，進行新的理論的應用創新！

參考文獻

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作者簡介：

茍仲武（1967—），男，甘肅慶陽人，研究方向：節能減排技術、清潔能源、循環經濟、綠色動力。