一種新的蒸汽動(dòng)力循環(huán)研究

茍仲武　北京東方恒源科技有限公司

一種新的蒸汽動(dòng)力循環(huán)研究

茍仲武北京東方恒源科技有限公司

本文提出一種新的蒸汽動(dòng)力循環(huán)方式，以期利用蒸汽工質(zhì)的流體熱力學(xué)綜合特性，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力循環(huán)全過程熱效率的提高。

朗肯循環(huán)；蒸汽動(dòng)力；節(jié)能減排；火力發(fā)電

1 朗肯循環(huán)

朗肯循環(huán)（英語：Rankine Cycle）也被稱為蘭金循環(huán)，是一種將熱能轉(zhuǎn)化為功的熱力學(xué)循環(huán)。郎肯循環(huán)從外界吸收熱量，將其閉環(huán)的工質(zhì)（通常使用水）加熱，實(shí)現(xiàn)熱能轉(zhuǎn)化做功。朗肯循環(huán)理論雖然誕生于19世紀(jì)中期，但即便到了今天，郎肯循環(huán)仍產(chǎn)生世界上90%的電力，包括幾乎所有的太陽能熱能、生物質(zhì)能、煤炭與核能的電站。郎肯循環(huán)是支持蒸汽機(jī)的基本熱力學(xué)原理。

因?yàn)槔煽涎h(huán)誕生的那個(gè)時(shí)代正處于第一次工業(yè)革命的開始階段，研究熱力學(xué)的材料、加工、設(shè)計(jì)、控制等綜合基礎(chǔ)條件，包括相關(guān)學(xué)科理論研究和現(xiàn)在差距很大，有必然的歷史局限性，以現(xiàn)在的技術(shù)水平去衡量、分析，難免要存在一些缺陷和不足。

1.1郎肯循環(huán)應(yīng)用特點(diǎn)

朗肯循環(huán)實(shí)現(xiàn)工質(zhì)水的閉環(huán)循環(huán)，大大減少水資源的消耗，但是為了實(shí)現(xiàn)閉環(huán)，必須將水蒸氣冷凝為水，然后再把幾乎不能被壓縮的液態(tài)工質(zhì)加壓，才能使之進(jìn)入下一個(gè)動(dòng)力循環(huán)。熱量只能參與一次做功循環(huán)，不能轉(zhuǎn)換為功的熱量必須被拋棄，因此，應(yīng)用朗肯循環(huán)的工業(yè)系統(tǒng)熱量浪費(fèi)巨大、熱效率難以提高！

實(shí)現(xiàn)蒸汽直接再利用通常能想到的就是機(jī)械再壓縮，但由于工作過程中需要消耗機(jī)械能，通過直觀的能量守恒定律分析費(fèi)效比很低，實(shí)際應(yīng)用中一般不會(huì)采用這種技術(shù)來實(shí)現(xiàn)蒸汽再循環(huán)利用。

在郎肯循環(huán)誕生的歷史條件、技術(shù)條件下，可以不考慮、也沒有能力考慮熱回收，人們習(xí)慣于接受凝汽環(huán)節(jié)的大量熱量必須以低溫形態(tài)散失。另外，水的凝結(jié)熱幾乎是常見工質(zhì)中最大的，工作溫段也偏高，但是綜合考慮當(dāng)時(shí)的條件，從成本、安全、環(huán)保等綜合因素考慮，直到現(xiàn)在，也似乎只有水是最理想的工質(zhì)。

1.2理論應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀

目前傳統(tǒng)朗肯循環(huán)理論應(yīng)用中多用回?zé)?、再熱等改進(jìn)循環(huán)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(jī)工質(zhì)（非水蒸氣）來實(shí)現(xiàn)朗肯循環(huán)，即有機(jī)朗肯循環(huán)，它改變了溫度較低情況下的循環(huán)效率，還是存在凝結(jié)熱浪費(fèi)的問題。

還有一種方法主要的出發(fā)點(diǎn)則是設(shè)法采用消耗少量熱能、機(jī)械能的方式，直接、間接對(duì)排放的低溫廢熱進(jìn)行再利用，用于工業(yè)熱水制備、生活采暖等環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)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(tǒng)成本、安全性、費(fèi)效比、可行性等方面都受到諸多限制，很難實(shí)現(xiàn)熱能利用效率的大幅度提高，特別是難以實(shí)現(xiàn)熱-電轉(zhuǎn)換效率的大幅度提高。

2 流體力學(xué)相關(guān)原理

流體力學(xué)里面有些基本原理，實(shí)際應(yīng)用時(shí)具有一定的“特殊”功能，在流體流動(dòng)過程中，作為流體的物質(zhì)屬性本身，也會(huì)附帶實(shí)現(xiàn)熱傳導(dǎo)交換、物質(zhì)傳輸、物質(zhì)壓縮等效果。其特點(diǎn)，就是幾乎都是在不需要機(jī)械裝置運(yùn)動(dòng)、機(jī)械功消耗的情況下，僅僅在空間變化、熱能傳遞、流動(dòng)過程就能實(shí)現(xiàn)。

2.1射流真空泵

基于流體力學(xué)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(jī)械裝置。射流真空泵是利用一定壓力的水流通過對(duì)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(fù)壓使器室內(nèi)產(chǎn)生真空，將外界氣（液）體抽吸進(jìn)來，共同進(jìn)入混合管，混合管內(nèi)的水（氣）流互相摩擦， 混合與擠壓，通過擴(kuò)壓管被排除，使器室內(nèi)形成更高的真空。結(jié)構(gòu)如右圖。

說明：1、高壓水進(jìn)口;2、噴嘴;3、螺母;4、噴嘴板;5、氣體進(jìn)口;6、泵體;7、混合室;8、喉部;9、擴(kuò)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(jìn)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?。恍×课幢荒恼羝c不疑結(jié)的氣體亦與高速噴射水流一起從噴口噴出，流體具有動(dòng)壓。查閱部分射流泵參數(shù)（如石油行業(yè)普遍使用的產(chǎn)品），射流抽取的目標(biāo)介質(zhì)可以達(dá)到自身質(zhì)量的80%以上，壓力損失約10%左右。

有資料報(bào)道國內(nèi)有單位做了這樣的應(yīng)用，產(chǎn)品名稱叫“射流凝汽器”，但沒有大量推廣應(yīng)用，其節(jié)能減排效果也沒有得到行業(yè)的重視。

右圖是一種利用噴霧或射流的混合式凝汽器：

這種裝置確實(shí)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(dòng)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。

2.2氣體放大器

進(jìn)入20世紀(jì)70年代以后，世界各國都在進(jìn)一步研究有關(guān)射流引流、真空理論，通過對(duì)一些細(xì)節(jié)的研究，如噴口形狀、方式、脈動(dòng)等等因素的研究實(shí)踐，取得了一定的成果。比如和人類生活密切相關(guān)的無葉片風(fēng)扇，以及工業(yè)化應(yīng)用的氣體放大器。

氣體放大器原理如下圖：當(dāng)高壓氣體通過氣體放大器0.05～0.1毫米的環(huán)形窄縫(3)后,向左側(cè)噴出，通過科恩達(dá)效應(yīng)原理及氣體放大器特殊的幾何形狀，右側(cè)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(cè)吹出。近兩年來氣體放大器（空氣放大器）應(yīng)用領(lǐng)域迅速擴(kuò)展，常用大比例節(jié)約壓縮空氣，并且利用壓縮空氣實(shí)現(xiàn)吹塵、吸塵、物料運(yùn)送等工業(yè)應(yīng)用，技術(shù)成熟穩(wěn)定。

結(jié)構(gòu)說明：(1) 環(huán)形腔； (2) 可調(diào)環(huán)形槽；(3)發(fā)生科恩達(dá)效應(yīng)的剖面；(4)待吸入氣體；(5) 固定環(huán)（可調(diào)氣體放大器有）。

如果被吸入的氣體是低溫、低壓蒸汽，驅(qū)動(dòng)氣流是高溫、高壓過熱蒸汽，在高溫蒸汽從環(huán)形噴口噴出時(shí)，會(huì)膨脹、降溫、降壓，同時(shí)與低溫、低壓蒸汽混合，達(dá)到熱量、動(dòng)量平衡，最終氣流是中溫、中壓混合蒸汽，從左側(cè)排出。

2.3渦流管

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(fā)生器后膨脹加速后旋轉(zhuǎn)，氣流以1,000,000 rpm的旋轉(zhuǎn)速度沿?zé)峁鼙谶M(jìn)入熱管內(nèi)部，在熱管的終端，一部分壓縮空氣通過調(diào)節(jié)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(jìn)入熱管旋轉(zhuǎn)氣流的中心返回，這股冷氣流通過發(fā)生器中心形成超低溫冷氣匯集到冷氣端排出。以某種型號(hào)渦流管產(chǎn)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(dá)-45℃, 冷氣端射出冷氣流在7Bar，溫度最大降幅達(dá)-70℃，另一端射出的熱氣流極限溫度可達(dá)+130℃。冷氣、熱氣比例可以調(diào)整，從10%～90%之間互相變化，所能達(dá)到的最低、最高氣溫也和氣流量有關(guān)。

渦流管是一種結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)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(shí)壓縮氣體在噴嘴內(nèi)膨脹，然后以很高的速度沿切線方向進(jìn)入渦流管。氣流在渦流管內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，經(jīng)過渦流中心的離心減壓、渦流外圈離心增壓作用，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(diào)節(jié)冷熱流比例，可以得到最佳制冷效應(yīng)或制熱效應(yīng)。

結(jié)構(gòu)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(jīng)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。2.4 壓力溫度關(guān)系

其實(shí)上述三種特殊功能的裝置，其背后的理論基礎(chǔ)都來自于流體力學(xué)的一些基本定律，在蒸汽流動(dòng)速度不大的時(shí)候，以下定律都適用：

波義耳定律：溫度恒定時(shí)，一定量氣體的壓力和它的體積的乘積為恒量。數(shù)學(xué)表達(dá)式為：pV = nRT =恒量或p1V1= p2V2。

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

根據(jù)上述兩條定律分析，朗肯循環(huán)中沒有提及蒸汽傳輸過程中的氣體流體力學(xué)、熱力學(xué)問題，僅僅把蒸汽按照理想狀態(tài)氣體、靜止?fàn)顟B(tài)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?。环粗?，在流速減慢、壓力升高的同時(shí)，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(huì)使溫度降低。當(dāng)打開自行車氣門芯放氣，高壓氣體從氣門芯噴出來時(shí)，氣門芯的溫度顯著下降，甚至使表面結(jié)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(shí)體積膨脹引起降溫導(dǎo)致氣體中所含有的水蒸氣冷凝所致。同樣，當(dāng)可壓縮流體受壓縮時(shí)，溫度會(huì)升高。譬如，用打氣筒打氣，氣筒壁會(huì)發(fā)燙。這并非皮碗與筒壁摩擦的結(jié)果，而主要是筒內(nèi)空氣被壓縮，導(dǎo)致溫度升高。

一個(gè)對(duì)高低溫、高低壓變化非常敏感的蒸汽動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)，應(yīng)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(guān)系，實(shí)現(xiàn)高效率的熱動(dòng)力循環(huán)。

3 新的蒸汽動(dòng)力循環(huán)

通過對(duì)朗肯循環(huán)特點(diǎn)分析，需要提出一種新的循環(huán)，首先利用非機(jī)械動(dòng)力（至少是非電能）的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)完成做功后的乏蒸汽進(jìn)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(guān)系，設(shè)法直接回收再利用冷凝熱，未能通過汽輪機(jī)一次轉(zhuǎn)化為功的熱量有機(jī)會(huì)參與下一次做功循環(huán)，經(jīng)過多次轉(zhuǎn)化做功，系統(tǒng)效率趨向于100%，在理論上實(shí)現(xiàn)蒸汽動(dòng)力循環(huán)整體熱效率的大幅度提高。

3.1新循環(huán)

新的循環(huán)采用類似氣體放大器的裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)低溫、低壓乏汽的升壓、升溫、引流；再通過對(duì)凝汽器內(nèi)外部乏汽分流，管路空間(流管)截面積重新安排設(shè)計(jì)，使得蒸汽乏汽傳輸過程中產(chǎn)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(shí)使得較高溫蒸汽冷凝，較低溫蒸汽吸熱、升壓并直接進(jìn)入蒸汽再循環(huán)，冷凝水則通過高壓鍋爐再生為高壓過熱蒸汽，攜帶新補(bǔ)充的熱能進(jìn)入下一個(gè)蒸汽工作循環(huán)。

具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖。

結(jié)構(gòu)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(jī)；6.發(fā)電機(jī)；7.乏汽總管路；8.待凝結(jié)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(qū)動(dòng)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(jìn)入凝汽空間后，再進(jìn)入吸熱管路，可以調(diào)整凝氣量和再生乏汽溫度。系統(tǒng)如下圖。

經(jīng)過兩年多思考和相關(guān)領(lǐng)域的研究，這種新循環(huán)的理念、思路不斷地完善，而且越來越簡(jiǎn)單明了，其實(shí)核心部件4氣體放大器，應(yīng)該就是一個(gè)利用高能量工質(zhì)（超高壓蒸汽）通過某種裝置、系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)低能量工質(zhì)（低壓乏汽），重新升壓升溫達(dá)到工作蒸汽（高壓蒸汽）的要求，并且最終混合共同去做功。利用超臨界蒸汽作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)蒸汽再壓縮、低品位冷凝熱回收利用，品位降低后的蒸汽再去驅(qū)動(dòng)中低壓蒸汽發(fā)電機(jī)組。如果使用蒸汽動(dòng)力的汽輪-壓縮機(jī)系統(tǒng)就更容易理解，如下圖所示。

3.2新循環(huán)的特點(diǎn)

首先，和朗肯循環(huán)相比，系統(tǒng)設(shè)計(jì)上就沒有大量對(duì)系統(tǒng)外介質(zhì)散熱的環(huán)節(jié)，整體熱效率會(huì)大幅度提高；

其次，朗肯循環(huán)實(shí)際應(yīng)用中，近年來都是主要依靠提高全系統(tǒng)的壓力來提高熱電轉(zhuǎn)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(tǒng)的制造技術(shù)難度增加、成本增加、安全風(fēng)險(xiǎn)增加。該新循環(huán)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(fā)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(jī)械運(yùn)動(dòng)、需要較多維護(hù)的機(jī)械部件，關(guān)于技術(shù)難度加大、成本大幅增高、系統(tǒng)安全性下降的問題得以解決；

從過程上看出，該循環(huán)可以適用于各種汽輪機(jī)機(jī)組壓力，單次循環(huán)熱-功轉(zhuǎn)換效率變化，不影響系統(tǒng)整體效率，對(duì)安全生產(chǎn)有利；也可以用于現(xiàn)有中低壓蒸汽發(fā)電系統(tǒng)，在保留核心系統(tǒng)的情況下，以最低的成本實(shí)現(xiàn)技術(shù)改造，改造過程還可以分階段、分步驟實(shí)施。

4 能量守恒法分析

改進(jìn)后的郎肯循環(huán)的動(dòng)力、熱力學(xué)分析相對(duì)復(fù)雜，我們完全可以首先應(yīng)用用熱力學(xué)第一定律（能量守恒定律）對(duì)它進(jìn)行初步分析。

目前應(yīng)用朗肯循環(huán)的熱電廠能效如下圖。

行業(yè)已知的數(shù)據(jù)表明鍋爐、水泵、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)整體效率損失合計(jì)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(huán)改進(jìn)了凝汽器，采用了氣體放大器（射流或科恩達(dá)效應(yīng)），下面逐個(gè)簡(jiǎn)單分析這兩個(gè)部件的能量變化、流動(dòng)情況。

4.1凝氣器分析

該循環(huán)所用凝汽器結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)凝汽器相似，所不同的是吸熱管路內(nèi)部空間和凝汽空間的比例，前者應(yīng)為后者空間、流管截面的數(shù)倍以上。假設(shè)乏汽通過兩條相同截面積的管路分別接入這兩個(gè)大小不同的空間，根據(jù)波義耳定律，蒸汽的壓力就會(huì)發(fā)生差異，進(jìn)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(chǎn)生的抽真空作用，壓力、溫度進(jìn)一步下降，因此溫度相對(duì)較低；進(jìn)入凝氣空間的蒸汽膨脹比例較小，溫度下降較少，相對(duì)較高，吸熱管路內(nèi)外蒸汽存在溫差，進(jìn)行熱交換；凝氣空間的蒸汽放熱冷凝，吸熱管路內(nèi)部蒸汽吸熱升溫，壓力回升。

全過程沒有對(duì)第三方做功，屬于絕熱過程，能量損失少。

4.2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(huán)形噴口高速噴出，膨脹、擴(kuò)散，同時(shí)基于流體的粘滯作用、氣體分子的混合、碰撞作用，依據(jù)科恩達(dá)效應(yīng)，帶動(dòng)大量乏汽一起運(yùn)動(dòng)，兩種蒸汽的動(dòng)量、熱量混合、交換，達(dá)到平衡。最后形成中溫、中壓混合汽流。

全過程也沒有對(duì)第三方做功，屬于絕熱過程，能量損失少。

4.3汽輪機(jī)-壓縮機(jī)分析

接入汽輪機(jī)-壓縮機(jī)系統(tǒng)的超高壓蒸汽，推動(dòng)汽輪機(jī)工作，輸出動(dòng)力帶動(dòng)壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)乏汽的機(jī)械再壓縮，乏汽升溫升壓；汽輪機(jī)的排氣壓力接近壓縮機(jī)的輸出壓力，兩組蒸汽最后形成中溫、中壓混合汽流，滿足發(fā)電機(jī)汽輪機(jī)工作的蒸汽壓力溫度要求。

全過程也沒有對(duì)第三方做功，屬于絕熱過程，能量損失少。

5 進(jìn)一步應(yīng)用改進(jìn)

針對(duì)不同應(yīng)用條件變化，改進(jìn)后的郎肯循環(huán)可以進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整，進(jìn)一步滿足工程應(yīng)用的具體要求。

5.1乏汽直接利用

該應(yīng)用改進(jìn)增加一個(gè)乏汽歧路、乏汽直供閥，實(shí)現(xiàn)對(duì)凝結(jié)乏汽的調(diào)整，必要時(shí)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(tǒng)如上圖。

新增加的設(shè)備和管路有：15.乏汽直供閥；16.乏汽歧管。

該過程沒有對(duì)第三方做功，屬于絕熱過程，能量損失少。

5.2射流泵輔助凝汽

該應(yīng)用改進(jìn)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(jié)，放出熱量，使得冷凝水升溫預(yù)熱，同時(shí)也具有抽真空的作用。具體系統(tǒng)圖如下：

新增加的設(shè)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(jié)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(duì)第三方做功，屬于絕熱過程，能量損失少。

5.3渦流管應(yīng)用

該應(yīng)用改進(jìn)通過使用渦流管，把排出的乏汽所含的能量進(jìn)行分割，乏汽進(jìn)入渦流管以后，分成高溫、低溫乏汽兩路輸出，冷的乏汽進(jìn)入凝汽器的冷卻管路后，去射流凝汽器凝結(jié)；射流凝汽器的凝結(jié)、抽真空作用使得低溫乏汽在冷卻管路中溫度進(jìn)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(jié)成冷凝水，經(jīng)高壓泵進(jìn)入射流凝汽器，開始下一個(gè)循環(huán)；沒有凝結(jié)的高溫乏汽，可以通過氣體放大器直接再利用。具體系統(tǒng)圖如下。

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

6 需進(jìn)一步研究的關(guān)鍵問題

本文只是提出一個(gè)新的循環(huán)過程，并基于熱力學(xué)第一定律進(jìn)行了定性分析，如果該循環(huán)得到學(xué)術(shù)界初步認(rèn)可，那么后續(xù)還有許多問題留待學(xué)術(shù)界討論、研究，主要可能有以下幾點(diǎn)：

6.1凝氣與再生蒸汽比例

改進(jìn)后的郎肯循環(huán)采用部分凝氣通過高壓鍋爐蒸發(fā)產(chǎn)生高溫、高壓過熱蒸汽來驅(qū)動(dòng)低溫低壓蒸汽，以蒸汽循環(huán)一個(gè)周期熱電效率30%估算，需要補(bǔ)充約40%的熱能。如果不采用蒸汽再熱、過熱系統(tǒng)，所有這些熱能大部分由再蒸發(fā)的冷凝水承載。

如果假設(shè)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(huì)釋放大量的熱量，如果不用冷卻水散熱，則應(yīng)該由剩余的90%余熱蒸汽帶回再循環(huán)中。因此需要進(jìn)一步研究如何合理設(shè)計(jì)蒸汽流動(dòng)過程的空間、截面積比例，控制好各個(gè)環(huán)節(jié)的壓力、流量。

6.2鍋爐壓力增加量

從氣體放大器工作原理可以得知，改進(jìn)后的郎肯循環(huán)驅(qū)動(dòng)蒸汽壓力應(yīng)該是朗肯循環(huán)相應(yīng)鍋爐壓力的10倍或更高，在有條件實(shí)現(xiàn)的情況下，越高越好！高壓鍋爐的研究，特別是結(jié)合空氣動(dòng)力學(xué)對(duì)鍋爐結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，充分考慮動(dòng)壓、靜壓的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)“動(dòng)態(tài)升溫”、“動(dòng)態(tài)升壓”，控制好高壓鍋爐技術(shù)難度，降低高壓鍋爐的生產(chǎn)制造成本。

6.3其它工質(zhì)選擇

近年來，人們已經(jīng)考慮采用水以外的工質(zhì)實(shí)現(xiàn)郎肯循環(huán)，也就是選擇沸點(diǎn)和臨界溫度較低或很低的物質(zhì)（多是有機(jī)化合物），但是由于這些工質(zhì)在自然界多數(shù)是不存在的，因此只能用于小系統(tǒng)，無法大量使用，因?yàn)橐坏┌l(fā)生大規(guī)模泄漏，即便能自然分解，也對(duì)環(huán)境存在潛在威脅。但從某種角度來講，說明人們已經(jīng)開始思考傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)變革。

目前有人提出用液態(tài)空氣代替水，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行降溫、保溫，實(shí)現(xiàn)低溫、超低溫朗肯循環(huán)，采用自然界已有的熱量作為能量來源使液態(tài)空氣汽化膨脹。這個(gè)思路，如果和本循環(huán)結(jié)合，會(huì)大大降低液態(tài)空氣的再液化量，使得新的工藝實(shí)用價(jià)值會(huì)大大提高，在儲(chǔ)能發(fā)電、低溫發(fā)電，甚至是環(huán)境熱能發(fā)電技術(shù)上產(chǎn)生新的突破。

針對(duì)郎肯循環(huán)本身，這兩百多年來也有很多細(xì)節(jié)的變化，各種回?zé)?、再熱、過熱手段均用于盡可能提高熱-電轉(zhuǎn)換效率和改善機(jī)組運(yùn)行綜合性能。這些努力在改進(jìn)后的郎肯循環(huán)中也一樣適用，在具體應(yīng)用中也應(yīng)該繼續(xù)推廣實(shí)施。

7 結(jié)束語

本文提出一個(gè)新的蒸汽動(dòng)力循環(huán)方式，并做了簡(jiǎn)單的分析和論證，希望能引起同行的關(guān)注，對(duì)其中的熱力學(xué)、流體力學(xué)過程進(jìn)行進(jìn)一步研究分析，共同利用現(xiàn)有的跨行業(yè)、多學(xué)科的先進(jìn)成果技術(shù)，對(duì)傳統(tǒng)基礎(chǔ)理論進(jìn)行再認(rèn)識(shí)、再發(fā)展。

創(chuàng)新的角度，除了對(duì)郎肯循環(huán)理論進(jìn)行發(fā)展研究意外，我們還應(yīng)該對(duì)理論的應(yīng)用同樣進(jìn)行突破和創(chuàng)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(tǒng)造價(jià)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(tái)工業(yè)鍋爐、采暖鍋爐都是一個(gè)小火電站，雖然發(fā)電效率并不一定很高，但都是先發(fā)電、后供暖，每個(gè)郎肯循環(huán)都實(shí)現(xiàn)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(zhǎng)期以來，我們往往給定理、定律強(qiáng)加一些“習(xí)慣”、“必然”，比如，能量守恒定律讓我們想當(dāng)然認(rèn)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(shù)實(shí)現(xiàn)高效率“借用”獲得；卡諾循環(huán)關(guān)于熱機(jī)做功效率的理論上限就想當(dāng)然成了熱能利用全系統(tǒng)的上限；蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)都是高溫下工作，想當(dāng)然認(rèn)為只有人類感覺高溫的熱量能做功、低溫?zé)崮懿荒茏龉?，忽略了熱和功的單位都是焦耳，沒有溫度標(biāo)記，類似的情況比比皆是。我們應(yīng)該打破自己內(nèi)心的條條框框，還定理、定律的本來面目，進(jìn)行新的理論的應(yīng)用創(chuàng)新。

【1】沈維道等編，《工程熱力學(xué)》，高等教育出版社

【2】米東強(qiáng)等，《常用射流真空泵的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)》，《海河水利》 2012年04期

【3】孔瓏 編，《可壓縮流體動(dòng)力學(xué)》，水利電力出版社

【4】王海軍，《文丘里管射流裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理》，《西南科技大學(xué)學(xué)報(bào)》2004年6期

【5】張紅，《低沸點(diǎn)工質(zhì)的有機(jī)朗肯循環(huán)純低溫余熱發(fā)電技術(shù)》，《水泥》2006年8期

【6】董繼先，張震，《蒸汽噴射式熱泵供熱系統(tǒng)熱力學(xué)分析》，《中華紙業(yè)》第31卷第22期，2010年11月

茍仲武，1967年生，男，甘肅慶陽人。研究方向：節(jié)能減排技術(shù)、清潔能源、循環(huán)經(jīng)濟(jì)、綠色動(dòng)力。

This paper proposes a new way of steam power cycle, according to the working medium vapor hydrodynamic characteristics, improve power cycle thermal eff ciency of the whole process.