改进发展郎肯循环

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年代也有必然的历史局限性,那个时代研究热力学的机械条件、流体力学理论和现在差距很大,难免存在一些缺陷和不足。主要的问题是输出效率低、热量浪费巨大。系统能效理论值上限约50%,而且随着效率的提高,系统成本、安全风险、实施难度均大幅度增加。现在为了改善能源利用率,常用的低成本的方法就是设法利用好冷凝热,利用冷凝废热输出温水、热水、低压蒸汽,但无法提高热电、热功转换效率。

通过对朗肯循环特点分析可以得知,造成其效率低下的主要环节就在于冷凝放热部分。因此,想要大幅度提高郎肯循环的效率,只有两个出路:1、尽可能减少冷凝放热;2、回收再利用冷凝热。

减少冷凝,就意味着应该尽可能直接利用做功后的乏汽。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,实际应用中均没有采用这种技术来实现蒸汽再循环利用。随着技术进步,现代已经有许多技术可以满足上述需求,实现对郎肯循环的改进和发展。

利用流体力学中的文丘里管原理和科恩达效应,可以实现高压流体、气体带动低压流体运动,并最后混合。以现在工业气动设备领域用于节省压缩空气的“空气放大器”装置为例,如果入口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,从出口排出。高压、高温蒸汽的获得只需要热量就可以实现,实现了没有消耗机械功或电能就达到乏汽增压、增温再利用的目的。

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”,这种装置确实利用水射流、雾化吸热的效果,直接吸收乏汽的热量并实现冷凝。该技术不足之处是没有利用射流的动能,而且蒸汽凝结热量巨大,靠循环冷凝水自身吸热总量有限,单独使用不能解决热量回收利用的问题。因此没有大量推广应用,其节能减排效果也没有得到行业的重视。但和其他方式组合使用、合理使用才能发挥其特殊的功能作用,辅助实现蒸汽乏汽的直接利用,减少蒸汽冷凝量和冷凝散热。

一个对高低温、高低压变化非常敏感的蒸汽动力循环系统,应该充分考虑流管面积、空间、流速、压力、温度、动压、静压等混合因素,充分利用这些因素之间的关系,实现高效率的热动力循环。比如,利用流体热力学理论可以通过改进传统凝汽器结构,将蒸汽乏汽一分为二,一部分冷凝,一部分采用其他技术实现直接利用;让不需凝结直接利用的那部分乏汽带走冷凝热,最大限度减少冷凝热的散失,提高热量的利用率。

改进后新的循环,首先应利用非机械动力的方式实现对完成做功后的乏蒸汽进行再利用,其次充分设法直接回收再利用未能直接利用的乏汽凝结释放的冷凝热,让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,在理论上实现蒸汽动力循环整体热效率的大幅度提高。

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