CN1359447A - 热动力设备 - Google Patents

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Abstract

一种运转热机的闭路循环热动力设备(10)。该设备(10)具有压缩机(12),用于压缩流出容器(14)的温度为T1的工作介质。在压缩期间,该工作介质的温度增加,在离开压缩机(12)时达到温度T2。该工作介质然后在膨胀器(16)中膨胀,使机器转动。这样,便从工作介质中取出机械动力。该设备(10)具有第一热交换器(18)和第二热交换器(20),它们以闭路循环方式连接于压缩机(12)和膨胀器(16)。该设备还具有燃烧器(22)和第三热交换器(24)。作为热传递介质的空气其温度为大气温度T5,引入第二热交换器(20),它吸收其中热量而冷却工作介质。工作介质的温度因此从T4下降到T1,然后进入压缩机12,由此重复此种循环。达到高温的空气被送入燃烧器(22),在其中与燃料混合,形成燃烧气体而达到更高温度T7,并进入第一热交换器(18),在恒压下加热工作介质。这样,工作介质的温度在进入膨胀器16时增加到T3,接着膨胀,转换成机械动力,由此温度降到T4。装置(10)因此在所有热交换器(18)、(20)和(24)上回收热量。这样便减小了加热燃烧空气所需的燃料量。

Description

热动力设备
技术领域
本发明涉及热动力设备，该设备具有压缩机、膨胀器、连接于压缩机和膨胀器的热交换装置以及布置成在闭路循环***中流动的可压缩的工作介质。该设备是闭路循环装置和/或间接加热设备，但不限于此种设备。
背景技术
闭路循环热动力设备例如发动机、热泵、冷却器等长期以来已为人们所知。这种设备具有许多希望有的特性，例如：
在设备内不发生氧化和碳化反应；
可应用不合用的燃料源例如煤或核动力；
可用隋性气例如氦作为设备内的工作介质；
在设备内可用高比热的气体来增强性能；
可用高达20个大气压的压力来减小设备尺寸；
当膨胀器是涡轮机时不需要入口过滤，也不存在涡轮叶片腐蚀的问题。
在低于全功率操作时可达到平缓的燃料消耗率，因为可调节压缩机入口压力来保持循环压力比和定子出口温度。
然而，这些先有技术闭路循环设备的操作效率局限于约为开路循环燃气轮机的工作效率，即使装备有回收废气中一定热量的回收装置也是这样。
由于在闭路循环设备中需要热交换装置以及与此相关的附加费用和维修工作，所以现时一般喜欢用开路循环燃气轮机。
本申请人已知的其它热动力设备包括膨胀器，这种膨胀器具有设计成使用特定燃料的燃烧室。燃料一般用高级燃料。因此已知设备不能使用其它燃料或能源。
而现在存在很丰富的低级能源例如低级煤、生物物质、城市垃圾等，它们均不能获得利用，被认为是废物。
这些废物一般堆在露天，被看作为环境的疤痕。
发明目的
本发明的目的是提供一种闭路循环热动力设备，该设备至少可减小上述缺点中一个或多个。
本发明的另一目的是提供一种间接加热的热动力设备，该设备适合应用低级燃料源。
发明内容
在一方面，本发明在于一种热动力设备，该设备包括压缩机、膨胀器、将压缩机和膨胀器以闭路循环连接的热交换装置和布置成在闭路循环中流动的可压缩工作介质。该设备还包括具有热传递介质的热回收装置，该热传递介质布置成通过将至少一定热量传递到工作介质和/或带走工作介质的一定热量而利用热量。
热回收装置最好构形成在进入压缩机时工作介质的温度处在第一预定温度范围内，而在进入膨胀器时则位于第二预温度范围内。
该设备具有燃烧室，该燃烧室布置成先预热热传递介质，然后再将热量传递到工作介质。
热交换装置最好包括第一热交换器和第二热交换器，二者均连接在压缩机和膨胀器之间。第一热交换器布置在压缩机的下游，而第二热交换器布置在膨胀器的下游。该热传递介质布置成可将热量传输到上述第一和第二热交换器中的一个热交换器，而从第一和第二热交换器中的另一热交换器接收热量。
热传递介质最好布置成与上述工作介质以对流关系运行。
在一种形式中，热传递介质布置成穿过第二热交换器并接收工作介质中的热量，使得工作介质的温度下降到第一温度范围内。然后热传递介质在燃烧室中被加热，使得在第一热交换器它将热量传输给工作介质，使工作介质的温度升到第二温度范围内。
燃烧室一般包括加热该室的燃烧器，该设备具有用于预热燃烧器燃料的燃料预热装置。预热装置适合地为燃料热交换器的形式，热传递介质和燃料布置成穿过该热交换器，并形成热传递关系。
任何一个热交换器具有用于工作介质的第一流路和用于热传递介质的第二流路。第一和第二流路最好是布置在一个或多个热交换器中的管子。第一和第二流路的管子最好彼此平行并具有共用壁。
因此本发明的设备比先有技术闭路循环设备具有更高的热效率，因此它回收了原本要损失的热能。本发明的设备在理论上可将100％热能转换成机械动力。这表示在效率上的飞跃，因为先有技术的回收热量的蒸气发生涡轮机在理论上的最大效率只为60％。
另外，因为燃烧和工作介质循环是分开的，所以燃烧室内的燃料有足够时间进行完全燃烧。对于常规涡轮机这是不可能的。设备所用燃料源包括天然气、石油、核能和煤。
热传递介质可以是空气、煤矿排出瓦斯、水和其它合适流体。
因此，在另一方面，本发明在于一种热动力设备，该设备包括用于压缩可压缩工作流体的压缩机；用于使工作流体膨胀的膨胀器；热交换装置，其使上述压缩机和膨胀器相互连接，以便加热工作流体；和加热装置，其布置成用于加热热传递介质并使加热的介质输送到热交换装置，以便间接加热在上述热交换装置中的工作流体。
本发明的另一方面的热动力设备可以是开路循环或闭路循环类型。如前所述，最好是闭路循环类型。
加热装置最好是可燃烧低级燃料包括低级煤、生物物质或城市垃圾的燃烧器，该燃烧器可将上述燃料转换成热传递介质。或者加热装置可以是太阳能收集池装置，该装置具有通过热传递介质的管子和用于收集太阳能的一个或多个太阳能收集池。该一个或多个太阳能收集池布置成可向热传递介质供热。
燃烧器的一种形式是窑炉，用于燃烧上述燃料，将其转换成热传递介质。上述窑炉一般是旋转窑炉。
上述燃料最好是低级煤，而上述窑炉最好适于将上述煤转变成烟气和灰渣，前者形成上述热传递介质、而后者形成为副产品例如用作轻建筑材料的开孔或闭孔球形团粒。可以加入石灰石，以便将二氧化硫转换成硫酸钙。这样至少可以减少造成环境问题的低级煤的量。
如果需要，也可以将甲烷气体引入窑炉中进行燃烧。这是特别有利的，因为地下矿井中很低浓度的甲烷可以获得有效利用，同时又可除去矿井中的甲烷。
排出上述热交换装置的加热的热传递介质可经通道送入压缩机，以便用作工作流体或补充工作流体。
流出上述膨胀器的工作流体也经通道进入燃烧室，加入上述热传递介质。
该设备最好还包括热贮存装置，该热贮存装置可贮存上述热传递介质放出的热量并可控地释放热量，将其传递到工作流体。该热贮存装置用于大体控制工作流体的温度，也用于均衡因燃烧具有不同热值和质量的燃料所引起的温度变化。
上述热贮存装置包括可相变材料，该材料在设备操作时可在预期的温度下至少保持局部熔化。
该贮存装置具有贮存罐，该罐包含可与上述相变材料有热传递关系的另一种热传递介质。
上述相变材料通常是NaCl。上述另一种热传递介质可以是Pb/Sn低共熔合金。
热交换装置的一种形式包括第一热交换器和第二热交换器，前者布置成用于接收流出上述加热装置的热传递介质，后者布置成将热量传递到上述工作流体上，该热贮存装置连接于上述第一和第二热交换器。
设置一种泵，以便使上述另一种热传递介质在上述热交换装置和热贮存装置中循环。
该设备最好包括第一预热装置，以便在进入燃烧器之前预热燃料。
该设备最好还包括第二预热装置，以便在进入燃烧器之前预热空气和/或其它的燃料源。
也可以设置预调节装置，以便在进入压缩机之前预冷工作流体。
上述第一和第二预热装置中的至少一个装置最好包热交换器，该热交换器布置成使上述热传递介质或工作流体与上述燃料或空气和/或其它燃料源形成热传递关系。
上述预调节装置也包括热交换器，该热交换器布置成使上述工作流体与上述热交换介质形成热交换关系。
可设置压力控制装置，以便控制上述工作流体的压力。
附图说明
为了更容易理解本发明和其实际效果，下面参考附图说明，附图中：
图1是本发明的适用于涡轮机的闭路循环热动力设备的方框示意图；
图2是图1所示设备的示意图；
图3是本发明的间接点火的热动力设备一个实施例的方框示意图；
图4是图3所示设备的特定形式，这种形式适用于用低级煤和废甲烷作为燃料源；
图5是本发明的间接加热的热动力设备的另一实施的方框示意图，此实施例中结合有热贮存装置；
图6示意性示出图4和5所示热贮存装置的一种形式；
图7示意性示出本发明的间接加热的热动力装置的又一实施例，此实施例中用太阳辐射能收集器作为加热装置；
图8示意性示出图3所示的设有热回收装置的实施例的方框示意图；以及
图9是图5和6所示热传递贮存装置的另一种形式。
首先参考图1，图中示出本发明闭路循环热动力设备10的方框示意图。在此实施例中设备10用作给涡轮发动机供能。
设备10具有压缩机12，用于压缩工作介质，在这种情下该工作介质是氮气，温度开始为T1＝50℃，并由容器14供应。在压缩期间氮气的温度上升。当离开压缩机12时压缩的氮气的温度为T2，约280℃。然后其在膨胀器16中发生膨胀，用以使涡轮发动机的轴(未示出)转动。这样便从氮气中获得的机械功。
设备10在闭路循环中具有连接于压缩机12和膨胀器16的第一热交换器18和第二热交换器20。即设备10内的工作介质完全封闭在该设备10内。该设备还具有燃烧器22和下面要说明一第三热交换器24。
作为热传递介质的空气处在大气温度T5中，它被引入第二交换器20，通过吸收其中的热量来冷却氮气。因而氮气的温度从T4＝470℃下降到约温度T1＝50℃，然后进入压缩机12，以此重复循环过程。空气此时达到较高温度T6＝440℃，它然后被输送到燃烧器22，在该燃烧器中它与燃料即此时的液化石油气混合，以形成燃烧气体，该燃烧气体温度高到约T7＝1250℃，并进入第一交换器18，用以将氮气加热到恒压。这样氮气在进入膨胀器16时其温度增加到约T3＝1200℃，接着进行膨胀，转换成机械动力，由此氮气温度减小到约T4＝470℃。
燃烧器22的液化石油气起始为大气温度T5，并在第三交换器24中由燃烧产生的废气预热。该废气温度在进入第三热交换器24时约为T8＝330℃，该废气预热液化石油气，或将热传递到液化石油气至温度约T10＝316℃。
因此设备10完全回收热交换器18、20和24的热，这样便减小加热燃烧空气所需的燃料量。
在热交换器20、24中回收的热量可取代加热用于热交换器18的空气所需的燃料，由此得到很高的热效率。
压缩和膨胀的效率差表现为热量，而利用本发明的设备10还可利用这些热量。
总之，***损耗的热量只表现为排出废气温度和大气温度的差别。采用效率的标准卡诺(carnot)循环定义，最大理论效率为： η = 1 - T 4 - T 1 T 3 - T 2
因为热量回收，所以T4实际上是热废气的排出温度，而T1是大气温度，所以效率等于98％。
图2示意示出本发明的向Allison 25B涡轮发动机提供动力的设备10。作为工作介质的氮气首先经过轴向离心压缩机12被压缩。然后在第一热交换器18中在恒压下加热氮气。加热的氮气经过两级轴向涡轮机16膨胀，由此向该轴提供动力，从氮气中提取机械动力，膨胀后的氮气在第二热交换器20中冷却到大约其起始温度后返回到压缩机12。将处于大气温度的新鲜空气引入第二热交换器20，以冷却从涡轮机或膨胀器16排出的废气。第二热交换器20是焊接的板式热交换器，效率约为95％。流经第二热交换器20的空气然后流入燃烧器22，在该燃烧器中加入燃料例如液化石油气，使温度升到约1250℃。该高温燃烧燃料流过形式为等离子焊接的板式热交换器的第三热交换器24，以加热氮气。燃烧气体以约330℃的温度流出。多余的热量在第三热交换器24中通过预热燃料被回收，该交换器24是常规的板式热交换器。燃料从大气温度被加热到约315℃，并将此热量带入燃烧室。
在燃料和空气预热热交换器中回收的热量可减小燃烧器热交换器中加热空气所需的燃料，因而获得很高的热效率。
如果需要，可使所有部件具有绝热作用，以尽量减小热损耗。总之，设备10的热损耗只表现在废气排出温度和大气温度之间的差别。
通过调节从工作介质容器14进入压缩机的压缩机进口压力可维持循环压力比和燃烧器出口温度，由此可在低功率下达到平缓的燃料消耗率。
现在参考图3，图中示意性示出本发明间接加热的热动力设备100的一个实施例。该设备100包括用于压缩工作流体的压缩机112，该工作流体在此时是空气，该设备100使压缩空气流入在此情况下为燃气轮机的膨胀器114。该燃气轮机114是改型的250KW Allison250-C18型燃气轮机。其改型包括除去其燃烧室组件和将涡轮机114连接于热交换器116。
热交换器116布置成使压缩空气穿过其元件中的一个，然后进入涡轮机114。其它元件部分与加热装置或燃烧器118连通，使得燃料的燃烧产物通过上述其它元件，由此加热工作燃料。
加热的工作流体在涡轮机114中膨胀，并释放能量，以驱动连接于涡轮机114的发电机120，释放的能量也可用于驱动压缩机112。
图4中，设备100的燃烧器118为旋转窑122形成，该旋转窑适合于接收已磨碎到粒度约为6～8mm的低级煤。该旋转窑122还可设计成使低级煤在其中停留相当长时间并具有相当大的高温表面，用以确保很低浓度的矿井甲烷的燃烧。
干燥器124布置成用于干燥来自旋转窑122的煤。
因此图4所示的设备可用来燃烧次品煤(低级煤)和废的矿井甲烷。
煤燃烧后的灰渣可加工使其转变成有用的副产品例如闭孔或开孔的球形团粒，这是制造轻质建材的理想原料，并作为碎石代用品也很理想。这样，即使燃烧灰份很高的低级煤也基本上不或完全不产生飞灰或炉渣。
可以加入石灰石，以便将其中硫化物转化成硫酸钙。
图5所示设备100具有热交换装置116，其形式为按所示连接的第一热交器116A和第二热交换器116B。热贮存装置126设有可与另一热交换介质形成热交换关系的相变材料，使该另一种热交换介质可控地在第一和第二热交换器116A和116B之间循环，以保持压缩的工作流体的温度基本上恒定。这种配置使得可以均匀配送不同热值和质量的燃料。
图6更清楚示出热贮存装置126。如图所示，热贮存装置126形为绝热罐128的形式，例如为其中可流过Pb/Sn低共熔合金的50KWNaCl贮存罐。可以看出，Pb/Sn合金配置成可在第一热交换116A中由来自燃烧器118的废气加热到熔化的状态，而泵130将熔化的Pb/Sn合金泵送到贮存装置126内。在贮存罐128内，内装Pb/Sn合金的管子盘绕起来，以便增加在其中的流动时间，使得有更多的热量传递到潜热贮存器池(NaCl)内。熔化的Pb/Sn合金在第二热交换器116B内的流量可通过改变泵130的泵速进行控制，因而可控制传递到工作流体的热量。
在图7中燃烧器118由太阳热能电池32取代，热交换器116A改变为可以接纳该池132。
在图8中设备100包括用回收的热量预热燃料源或空气的热回收装置，该热回收装置可包括本发明上述一个方面说明的回收装置。
如图所示，该热回收装置具有燃料预热器42、第三热交换器136和第四热交换器138，该预热器用于回收废气中的热并用它来预热燃料，该第三热交换器用于回收工作流体中的热量，用于预热引入燃烧室118的空气，该第四热交换器用于在进入压缩机之前预冷工作流体。
图9示出另一种热交换器和贮存***140。***140包括成整体的热交换器42和熔盐贮存单元144，它们取代示于图5和6的热交换器116B和贮存单元126、128。在这种情况下，工作流体经热交换142的热交换器管146流过盐池。尽管没有具体示出，但盐贮存单元可以以标准组件方式与空气-空气热交换器分开制作。
尽管已通过本发明的示例性举例说明本发明，但本领域技术人员可以明显看出，可以进行许多改变和变型而不超出本文规定的本发明的界线和范围。

Claims (37)

1.一种热动力设备，其包括压缩机、膨胀器和以闭合循环方式连接压缩机和膨胀器的热交换装置以及布置成在闭合循环中流动的可压缩工作介质，热回收装置具有热传递介质，该传输介质布置成通过将至少部分热量传递到工作介质上和/或吸收工作介质中的热量而利用热量。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，热回收装置构形成工作介质在进入压缩机时的温度处于第一预定温度范围内和/或在进入膨胀器时其温度处于第二预定温度范围内。
3.如权利要求1或2所述的设备，其特征在于，热传递介质与上述工作介质布置成以反向流关系运行。
4.如权利要求1～3中任一项所述的设备，其特征在于，热交换装置包括第一热交换器和第二热交换器，二者均连接在压缩机和膨胀器之间，第一交换器布置在压缩机下游，而第二交换器布置在膨胀器下游，该热传递介质布置成可将热量传递到上述第一和第二交换器中的一个交换器上，并回收第一和第二交换器中的另一交换器的热量。
5.如权利要求4所述的设备，其特征在于，热传递介质布置成流过第二交换器，以便吸收工作介质中的热量，从而将工作介质的温度减小到第一温度范围内，并且，热传递介质布置成在燃烧室中被加热，从而在第二交换器中将热量传递到工作介质，从而使工作介质的温度上升到第二温度范围内。
6.如权利要求1～5中任一项所述的设备，该燃烧室布置成可预热热传递介质，然后再将热量传递给工作介质。
7.如权利要求6所述的设备，其特征在于，燃烧室包括加热该室的燃烧器以及布置成可预热燃烧器燃料的燃料预热装置。
8.如权利要求7所述的设备，其特征在于，预热装置的形式为燃料热交换器，热传递介质和燃料布置成以热量传输方式穿过该热交换器。
9.如权利要求4～8中任一项所述的设备，其特征在于，热交换器中的一个或每个具有工作介质的一第一流路和热传递介质的一第二流路。
10.如权利要求9所述的设备，其特征在于，第一和第二流路是布置在这个或每个交换器中的管道。
11.如权利要求10所述的设备，其特征在于，第一和第二流路的管道彼此平行布置，并具有共用壁。
12.如权利要求1～11中任一项所述的设备，其特征在于，设备用的燃料源可从天然气、石油、核能源和煤中选出一种，热传递介质是空气、矿井排气和水中的一种。
13.一种热动力设备，其包括用于压缩可压缩工作流体的压缩机；使工作流体膨胀的膨胀器；热交换器，其使上述压缩机和膨胀器相互连接，用于加热工作流体；和加热装置，其布置成用于加热热传递介质和将已加热的介质供送到热交换装置，以便在上述交换装置中间接加热工作流体。
14.如权利要求13所述的设备，其特征在于，设备是开路循环设备或闭路循环设备。
15.如权利要求13～14中任一项所述的设备，其特征在于，该设备是如权利要求1～12中任一项所述的闭路循环设备。
16.如权利要求13～15中任一项所述的设备，其特征在于，加热装置包括布置成用于燃烧低级燃料并将该燃料转换成热传递介质的燃烧器，低级燃料包括低级煤、生物物质或城市垃圾。
17.如权利要求16所述的设备，其特征在于，燃烧器是窑，用于燃烧上述燃料，以便将其转换成热传递介质。
18.如权利要求17所述的设备，其特征在于，上述窑是旋转窑。
19.如权利要求17、18中任一项所述的设备，其特征在于，上述燃料是低级煤，该窑适合于将上述煤转换成为所述热传递介质形式的废气和可形成副产品的煤灰。
20.如权利要求19所述的设备，其特征在于，副产品包括用于轻质建材的闭孔型或开孔型球形团粒。
21.如权利要求19所述的设备，其特征在于，加入石灰石，使得将二氧化硫转变成硫酸钙。
22.如权利要求19所述的设备，其特征在于，将甲烷气引入窑中，用来帮助从地下矿中抽出的很低浓度的甲烷燃烧。
23.如权利要求13～15中任一项所述的设备，其特征在于，加热装置包括太阳能收集池装置，该装置具有热传递介质流过的管道和布置成收集太阳能而向热传递介质供热的一个或多个太阳能收集池。
24.如权利要求13～24中任一项所述的装置，其特征在于，流出上述热交换装置的加热的传递介质布置成经通道送入压缩机，以便用作工作流体或补充工作流体。
25.如权利要求16～23中任一项所述的设备，其特征在于，从上述膨胀器流出的工作流体经通道送入燃烧器，以加入上述热传递介质。
26.如权利要求13～24中任一项所述的设备，其特征在于，该设备还包括热贮存装置，该贮存装置用于贮存上述热传递介质放出的热量以及用于可控地释放热量，将释放的热量传递到工作流体，因此该热贮存装置可基本上控制工作流体的温度，并基本上拉平由于燃烧具有不同热值和质量的燃料所引起的温度变化。
27.如权利要求25所述的设备，其特征在于，上述热贮存装置包括相变材料，该材料在设备运行时在预定的温度下至少保持部分熔化。
28.如权利要求25～26中任一项所述的设备，其特征在于，热贮存装置具有贮存罐，该罐装有可与上述相变材料形成热传递关系的另一种热传递介质。
29.如权利要求27所述的设备，其特征在于，设有使上述另一种热传递介质绕热交换装置和热贮存装置进行循环的泵。
30.如权利要求27～28中任一项所述的设备，其特征在于，上述相变材料是NaCl，而上述另一种热传递介质是Pb/Sn低共熔合金。
31.如权利要求25～29中任一项所述的设备，其特征在于，热交换装置包括第一热交换器和第二热交换器，前者布置成用于接收从上述加热装置流出的热传递介质，后者布置成将热传递到上述工作流体，上述热贮存装置连接于上述第一和第二热交换器。
32.如权利要求16～30中任一项所述的设备，其还包括第一预热装置，用于在进入燃烧器之前预热燃料。
33.如权利要求31所述的设备，其还包括第二预热装置，用于在进入燃烧器前预热空气和/或其它燃料。
34.如权利要求32所述的设备，其特征在于，上述第一和第二预热装置中的至少一个装置包括热交换器，该热交换器配置成使上述热传递介质或工作流体与上述燃料或空气和/或其它燃料形成热传递关系。
35.如权利要求13～33中任一项所述的设备，其特征在于，设置预调节装置，用于在进入压缩机之前预冷工作流体。
36.如权利要求34所述的设备，其特征在于，上述预调节装置包括热交换器，该热交换器配置成使上述工作流体与上述热传递介质形成热交换关系。
37.如权利要求13～35中任一项所述的装置，其特征在于，设置压力控制装置，以便控制上述工作流体的压力。
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