[其他]空氣循環的熱力轉換系統

無效

• 申請號: 86104890
• 申請日: 1986-07-31
• 公開（公告）號: CN86104890A
• 公開（公告）日: 1988-02-10
• 發明（設計）人: 威廉·米勒·法雷爾
• 申請（專利權）人: 通用電氣公司
• 主分類號: F02C6/00
• 分類號: F02C6/00
• 代理公司: 中國專利代理有限公司
• 代理人: 吳增勇,董江雄

本發明涉及熱動力轉換設備，更具體地說，涉及使用空氣作為工作介質的熱力轉換設備。

某些熱動力轉換或化學過程會產生大量的含有足夠熱能的副產熱氣，為節約能源，去收集和利用這種熱能已引起人們的注意。例如，燃氣輪機在一個燃燒室內燃燒帶有空氣的燃料以產生各種熱氣。這些熱氣在氣輪機內膨脹時產生力矩。部分力矩被用來驅動一個空氣壓縮機-將壓縮空氣送給燃燒室。其余力矩用在輸出軸上。

排出燃氣輪機的廢氣的溫度約為1000°F。當這種熱廢氣被排入大氣時，這樣一種燃氣輪機的熱動力效率是比較低的，（例如，與蒸汽輪機相比）。盡管其效率比較低，但由于燃氣輪機可提供快速起動和靈活的操作，已促使其用作一種為產生峰值功率和在船用推進系統中的原動機。

回收熱量的蒸氣鍋爐一般同燃氣輪機配合而形成一個蒸氣和燃氣輪機組合的循環系統。熱回收蒸氣鍋爐吸取存在于廢氣中的相當大部分熱能，從而產生蒸氣-通過任何使用過程，便可加以應用。這種組合的循環系統，其總效率高于蒸氣輪機的效率。

蒸氣和燃氣輪機組合的循環系統有許多缺點。蒸氣是難以盛裝和操縱的介質。例如，為了避免熱回收蒸氣鍋爐側的水的腐蝕和結垢，必須對補給水進行精心處理，以確保其純度。為獲得這種純水的設備是昂貴的。此外，熱回收蒸氣鍋爐是需要投入大量資金的龐大裝置和實際上的不動產。

熱回收蒸氣鍋爐對所需輸出變化的響應要比燃氣輪機慢得多。對于熱回收蒸氣鍋爐的冷起動（cold????start）來說，需要持續一段時間-例如，2小時，在這段時間內，輸出功率僅由燃氣輪機產生，同時，燃氣輪機的廢氣加熱熱回收蒸氣鍋爐里的水，使其達到工作溫度和壓力。在不利用熱回收蒸氣鍋爐的輸出時，又需要一個相應于起動周期的關閉（shut-down）周期。若蒸氣和燃氣輪機系統每天運行16小時的話，則其中要有4個小時單靠燃氣輪機的運行，使熱回收蒸氣鍋爐加熱至工作狀態，或使其冷卻至靜止狀態。這樣，雖然保持了由燃氣輪機提供的起動和操作的靈活性，由熱回收蒸氣鍋爐提供輸出功率并改善了效率，但其有效時間明顯地少于其總的運行時間。

我已發現：從具有（放出熱的介質和接收熱的介質間）最小熱梯度的熱氣中吸取熱量時，可獲得最大熱動力效率。產生蒸氣必須要有一個這樣的區域即在此區域，在熱交換側水中的介質保持恒溫，而水就蒸發成蒸氣。這個過程違背上面關于最小熱梯度的規律，因而降低了可從熱廢氣中吸收而傳到一個應用過程中的能量的數量。無數的生產和化學過程需要供應大量的熱的，未被污染的壓縮空氣。未被污染的空氣中的氧氣還未經燃燒，反之在燃燒過程中，大部分氧氣要被燃燒產物（通常包括二氧化碳、一氧化碳、未燒盡的燃料和在固體燃料的燃燒情況下，夾帶燃料、灰塵和爐渣粒子）所替代。蒸氣和燃氣輪機組合的循環系統，在不要求單獨硬設備去產生無污染空氣的情況下，就不可得到這種無污染空氣的供應。

離開蒸氣和燃氣輪機組合循環系統的煙氣的溫度大約為270°F。雖然這意味著能量的一種顯著的浪費，但由于腐蝕劑（主要是硫化物）的存在，只要其溫度大大降低便能從煙氣中析出，因此再用傳統方法從煙氣回收熱是不實際的。反之，對被加熱的廢氣流來說，要求沒這種溫度約束。在不產生有害物質析出的情況下加熱空氣的溫度可被盡可能地降低，降低這種熱空氣的溫度至多使其內所含的水份析出。而這種被析出的水可能是某些環境下的一種有經濟價值的商品。

因此，本發明的一個目的是為提供一個組合循環系統，該系統包括一個燃氣輪機-其熱動力效率高于單個燃氣輪機的效率，并保持燃氣輪機的操作靈活性。

本發明的另一目的是提供一種組合循環系統，該系統應用空氣閉鎖循環。以一種有利的方式回收加熱氣體流中的熱能。

本發明的又一目的是用至少在兩級壓縮之間帶有中間冷卻的多級壓縮過程去壓縮空氣。在壓縮空氣進入同熱氣流交換前，中間冷卻先將其冷卻到盡可能低的溫度。使熱交換能從熱氣流和空氣流之間的最小溫度梯度開始進行，從而獲得最大熱傳輸效率。通過將空氣質量流量控制到某一個具有基本上等于熱氣容量的熱容量的值，來增強這種最小熱梯度作用。

本發明的另一目的是為提供一種空氣閉鎖循環，該循環包括輔助燃燒，以增加被加熱的壓縮空氣中的熱能。