專利名稱：高效率熱循環(huán)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
0001本發(fā)明涉及包括熱機(jī)的熱循環(huán)系統(tǒng)，所述熱機(jī)從渦輪機(jī)提取功率，還涉及包括此類熱機(jī)和致冷機(jī)組合的熱循環(huán)系統(tǒng)。更具體地說，本發(fā)明涉及通過將熱機(jī)和致冷機(jī)組合在一起并將渦輪機(jī)出口蒸汽的廢熱傳遞(熱交換heat crossing)到渦輪機(jī)入口側(cè)的工作流體，從而提高熱循環(huán)系統(tǒng)的熱效率的技術(shù)。
背景技術(shù)：
0002迄今，已經(jīng)有許多使用廢熱提高包括汽輪機(jī)的熱循環(huán)系統(tǒng)的效率的發(fā)明。例如，專利文件1公開了一種將高溫廢氣的熱能重新利用的電力發(fā)電系統(tǒng)。該電力發(fā)電系統(tǒng)具有安裝在高溫廢氣流動(dòng)通道上游側(cè)的廢熱鍋爐和其下游側(cè)的流體預(yù)熱器。廢熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽用于驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)。低沸點(diǎn)的特殊流體經(jīng)流體預(yù)熱器預(yù)熱，再進(jìn)一步由流體蒸發(fā)器利用汽輪機(jī)排出的廢氣進(jìn)行加熱至蒸發(fā)。蒸發(fā)的特殊流體驅(qū)動(dòng)特殊的流體渦輪機(jī)。汽輪機(jī)的輸出和特殊流體渦輪機(jī)的輸出結(jié)合在一起驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能。從特殊流體渦輪機(jī)排出的低沸點(diǎn)特殊流體，在熱交換機(jī)中冷凝成液體。冷凝的液體經(jīng)過泵加壓，并經(jīng)過熱交換機(jī)預(yù)熱后，再循環(huán)回到流體預(yù)熱器。
專利文件1JP-A-54-27640(日本專利公開)0003假設(shè)當(dāng)工作物質(zhì)正在進(jìn)行第一個(gè)循環(huán)，即，正在經(jīng)歷連續(xù)的變化，然后返回到先前狀態(tài)，它從溫度為Th的高熱源接收的熱量為Qh，從溫度為Tb的低熱源損失的熱量為Qb，向外界做功為L(假設(shè)是以熱量形式表示的值)，則以下的關(guān)系成立Qh＝Qb+L…(等式1)在熱機(jī)中，功L給予外界。在致冷機(jī)或熱泵中，功L由外界給予工作流體。在熱機(jī)情況下，希望從高熱源接收到的熱量Qh應(yīng)該為最小，而向外界做的功L應(yīng)該為最大。因此，用下面的等式表示熱效率η＝L/Qh…(等式2)在上面等式中，L可以被改寫為η＝(Qh-Qb)/Qh…(等式3)完成一個(gè)可逆卡諾循環(huán)的熱機(jī)的熱效率η，可以使用熱力學(xué)溫度Th°K和Tb°K表示為η＝(Th-Tb)/Th＝1-(Tb/Th)…(等式4)0004一般而言，將熱量從低溫物體傳遞到高溫物體的設(shè)備稱為“致冷機(jī)”。致冷機(jī)是一種通常用于冷卻物體的設(shè)備。同時(shí)，將熱量從低溫物體傳遞到高溫物體以加熱高溫物體的設(shè)備稱為“熱泵”。當(dāng)用途變化時(shí)，“熱泵”可以認(rèn)為是致冷機(jī)的別名。例如，使用熱泵進(jìn)行空調(diào)的加熱操作以加熱和冷卻。從低溫物體吸收的熱量Qb，給予高溫物體的熱量Qh和使熱泵運(yùn)行的外界所做的功L(以熱量表示的值)之間的關(guān)系可以表示為Qh＝Qb+L…(等式5)0005可以說，對(duì)同樣的功，給定的熱量Qh越大，熱泵的成本效率越高。因此，熱泵的性能系數(shù)可表示為以下等式ε＝Qh/L…(等式6)在上面等式5中，L為L＝Qh-Qb…(等式7)因此，性能系數(shù)ε可以表示為ε＝Qh/(Qh-Qb)…(等式8)假設(shè)低熱源的絕對(duì)溫度為Tb°K，高熱源的絕對(duì)溫度為Th°K，當(dāng)熱泵在兩個(gè)熱源之間運(yùn)行時(shí)，完成一個(gè)可逆的卡諾循環(huán)的熱泵顯示出最大的性能系數(shù)。熱泵的性能系數(shù)ε為ε＝Tb/(Th-Tb)…(等式9)可逆的卡諾循環(huán)包括兩個(gè)等溫變化，兩個(gè)隔熱變化，并在相同的高低熱源之間運(yùn)行的所有循環(huán)中，顯示出最大的熱效率。
0006

圖1是說明常規(guī)致冷機(jī)J的組成部分的布置圖。致冷氣體Fg被壓縮機(jī)C加壓，將熱量Qh送到熱交換機(jī)(冷凝器)7的流體Z1，因此致冷氣體Fg被冷凝了。之后，致冷劑通過膨脹閥V膨脹。結(jié)果，致冷劑溫度降低，且同時(shí)，從熱交換機(jī)8中的流體Z2中吸收熱量Qb，使流體Z2冷卻。之后，致冷劑又回到壓縮機(jī)C中，然后再循環(huán)。我們來討論如圖1所示布置的致冷機(jī)的熱量計(jì)算，該致冷機(jī)適于用氨水作為致冷劑。為了簡便起見，我們假設(shè)沒有機(jī)械損耗。壓縮機(jī)C的出口的致冷劑的溫度為110℃(T3)，冷凝器7的出口溫度為38℃(T2)，蒸發(fā)器V的出口的溫度為-10℃(T1)。因此，在可逆卡諾循環(huán)中的致冷機(jī)的性能系數(shù)(理論上的最大性能系數(shù))ε為ε＝T1/(T2-T1)＝[273.15+(-10)]/[38-(-10)]5.4…(等式10)圖1所示的致冷機(jī)中，如果壓縮機(jī)C的輸入L(功)假設(shè)為1，因?yàn)橹吕錂C(jī)的性能系數(shù)為+1，熱泵的性能系數(shù)εh為εh＝5.4+1＝6.4…(等式11)0007圖2是說明包括汽輪機(jī)的熱機(jī)A的基本組成部分的布置圖，即包括蘭金循環(huán)的熱循環(huán)系統(tǒng)。在鍋爐B內(nèi)產(chǎn)生的高溫高壓蒸汽Fg送到渦輪機(jī)S，使其旋轉(zhuǎn)，因此，產(chǎn)生功率(功)W。蒸汽在冷凝器Y1中被冷卻以形成冷凝物Ee，冷凝器與渦輪機(jī)的廢氣開口相連。冷凝物Ee經(jīng)泵P加壓，然后送到鍋爐B中。在圖2所示的熱循環(huán)系統(tǒng)中，當(dāng)冷凝器Y1產(chǎn)生的廢熱Q2根本不被利用時(shí)，從渦輪機(jī)S產(chǎn)生的功W(以熱量表示的值)沒有損耗，可表示為W＝Q1-Q2…(等式12)渦輪機(jī)S的熱效率ηs為ηs＝(Q1-Q2)/Q1…(等式13)在等式13中，Q1是渦輪機(jī)入口側(cè)的工作流體保持的熱量，Q2是渦輪機(jī)出口側(cè)的工作流體輸出的熱量，其等于從冷凝器Y1排出的廢熱量。
0008圖2所示的熱循環(huán)系統(tǒng)的熱效率η0，即渦輪機(jī)S產(chǎn)生的功W與輸入到熱循環(huán)系統(tǒng)的工作流體的熱量(保持的熱量)Q1的比率η0可表示為η0＝W/Q1…(等式14)如果等式14中的W由等式12中的W＝Q1-Q2替換，得到η0＝(Q1-Q2)/Q1…(等式16)
這與上述的ηs相同。因此，下面的關(guān)系成立η0＝ηs…(等式17)0009在圖2所示的熱循環(huán)系統(tǒng)中，如果冷凝器Y1的廢熱Q2的一部分或全部Q3經(jīng)過給水預(yù)熱器Y2傳遞給鍋爐入口處的冷凝物，即0≤Q3≤Q2…(等式18)且，同時(shí)，輸入到鍋爐的熱量減少值與從冷凝器Y1傳遞來的熱量相同，鍋爐輸入熱量為Q1-Q3。渦輪機(jī)S的入口處的蒸汽Fg保持的熱量可以表示為鍋爐輸入熱量(Q1-Q3)+(由Y2傳遞的熱量Q3)＝Q1…(等式19)渦輪機(jī)S的出口處的蒸汽Fg保持的熱量可以認(rèn)為為Q2。因此，從渦輪機(jī)S產(chǎn)生的功率W(按熱量表示的值)為W＝Q1-Q2…(等式20)因此，渦輪機(jī)S的熱效率ηs為ηs＝(Q1-Q2)/Q1…(等式21)這樣，渦輪機(jī)S的熱效率ηs與冷凝器Y1產(chǎn)生的廢熱Q2不被利用的情況是相同的。
發(fā)明公開內(nèi)容本發(fā)明要解決的問題0010本發(fā)明的目的是提供一種熱循環(huán)系統(tǒng)，其中汽輪機(jī)出口蒸汽的廢熱傳遞(熱交換)(heat crossing)給汽輪機(jī)入口側(cè)的工作流體，因此，即便渦輪機(jī)本身的熱效率很小時(shí)，也可以提高熱循環(huán)系統(tǒng)的熱效率。本發(fā)明的又一目的是提高包括汽輪機(jī)的熱循環(huán)系統(tǒng)的熱效率，且也提高包括汽輪機(jī)和致冷機(jī)組合形成的熱循環(huán)系統(tǒng)的熱效率。更確切地說，本發(fā)明的目的是通過將汽輪機(jī)出口蒸汽的廢熱傳遞(熱交換)(heat crossing)給汽輪機(jī)入口側(cè)的工作流體，來提高熱循環(huán)系統(tǒng)的熱效率。本發(fā)明的另一目的是通過使用熱泵將原本為廢熱或熱的能量傳遞給工作流體，來提高熱循環(huán)系統(tǒng)的熱效率。本發(fā)明的再一目的是最小化致冷機(jī)的冷凝器向外耗散的熱量，在沒有實(shí)現(xiàn)熱交換時(shí)，吸取可控的熱量作為功率。
0011本發(fā)明更進(jìn)一步的目的是通過使用致冷機(jī)將低利用率的低溫廢熱轉(zhuǎn)換成高溫?zé)彷敵?，低溫廢熱例如在蘭金循環(huán)中的低溫廢熱。本發(fā)明再進(jìn)一步的目的是提供一種熱循環(huán)系統(tǒng)，其中將致冷機(jī)的致冷輸出用作安裝在蘭金循環(huán)中的渦輪機(jī)出口的冷凝器(冷卻器)的低熱源，且該致冷機(jī)用作熱泵，這樣，從冷凝器發(fā)出的熱的溫度升高，作為熱輸出提供給外界。在蘭金循環(huán)中，提供給外界的一部分熱輸出可作為熱源用于加熱。在本發(fā)明中，通過使用致冷循環(huán)，可提高熱交換或熱交叉(heat crossing)比率Q3/Q1，以使η＝1…(等式27)可在η＝ηs/(1-Q3/Q1)…(等式32)中實(shí)現(xiàn)，或可以使η盡可能接近1。在本發(fā)明中，致冷循環(huán)中的渦輪機(jī)安裝在常規(guī)致冷循環(huán)中冷凝器的上游，其中，致冷劑由壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮。冷凝器相當(dāng)于汽輪機(jī)循環(huán)中的冷凝器。在對(duì)本發(fā)明的下面的描述中可以清楚了解本發(fā)明的其它目的。
解決問題的方法0012在圖2所示的熱循環(huán)系統(tǒng)中，如果冷凝器Y1的廢熱Q2的一部分或全部Q3通過給水預(yù)熱器Y2傳遞到鍋爐入口處的冷凝物，且同時(shí)，鍋爐輸入熱量的減少值等于從冷凝器Y1傳遞的熱量Q3，即(Q1-Q3)，圖2所示的熱循環(huán)系統(tǒng)的熱效率η，也就是，渦輪機(jī)S產(chǎn)生的功W，即W＝Q1-Q2…(等式22)與熱循環(huán)系統(tǒng)的輸入熱量(Q1-Q3)的比率，可以表示為η＝W/(Q1-Q3)＝(Q1-Q2)/(Q1-Q3)…(等式23)0013在圖2的熱循環(huán)系統(tǒng)中，如果來自冷凝器Y1的廢熱Q2根本沒被利用，即Q3＝0，上述等式23變成η＝(Q1-Q2)/Q1…(等式24)在0≤Q3≤Q2…(等式18)的情況下，得到η＝(Q1-Q2)/(Q1-Q3)…(等式25)等式25中，分母比等式24中的分母小-Q3，且因此，η的值相應(yīng)地較等式24中得到的值大。
如果冷凝器產(chǎn)生的全部廢熱Q2傳遞到泵P的上游側(cè)或下游側(cè)的冷凝物，則
Q2＝Q3…(等式26)因此，熱循環(huán)系統(tǒng)的熱效率η為η＝1…(等式27)0014在圖2的熱循環(huán)系統(tǒng)中，在0≤Q3≤Q2…(等式18)的情況下，如上所述，熱效率η可以表示為η＝(Q1-Q2)/(Q1-Q3)…(等式28)如果等式28中的分母和分子各被Q1除，得到η＝[(Q1-Q2)/Q1]/[(Q1-Q3)/Q1]…(等式29)等式29可以被改寫為η＝[(Q1-Q2)/Q1]/[1-(Q3/Q1)]…(等式30)如果將ηs＝(Q1-Q2)/Q1…(等式21)代入等式30中，得到η＝ηs/(1-Q3/Q1)…(等式32)在本發(fā)明中，即使具有低利用價(jià)值的熱，如廢熱，也通過使用熱泵被引入熱循環(huán)系統(tǒng)中，而熱循環(huán)系統(tǒng)中功率輸出由渦輪機(jī)引出。根據(jù)本發(fā)明的熱循環(huán)系統(tǒng)使用熱交換(heat crossing)以高效率地從渦輪機(jī)中吸取功率。根據(jù)等式27，當(dāng)冷凝器Y1產(chǎn)生的廢熱Q2全部被利用時(shí)，熱循環(huán)系統(tǒng)的熱效率η為η＝1。
0015從上述等式32可以理解，熱循環(huán)系統(tǒng)的熱效率η是由渦輪機(jī)S的熱效率ηs和將冷凝器Y1的廢熱傳遞到泵P的上游或下游側(cè)的冷凝物中的熱量Q3確定的。當(dāng)Q3增加到接近Q1時(shí)，等式30的分母，也就是(1-Q3/Q1)減小。因此，η提高了。與致冷循環(huán)不同，很難增加熱循環(huán)中的熱交換率Q3/Q1。原因是不可能增加用于熱傳遞(熱交換)的高熱源和低熱源之間的溫度差。此外，與致冷循環(huán)不同，等式27在熱循環(huán)中是不能實(shí)現(xiàn)的。
0016根據(jù)本發(fā)明第一特征的熱循環(huán)系統(tǒng)包括壓縮機(jī)，渦輪機(jī)，熱交換機(jī)和泵。在熱循環(huán)系統(tǒng)中，工作氣體(致冷氣)經(jīng)壓縮機(jī)(C)壓縮后，驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)(S)做功(W1)。之后，工作氣體通過第一熱交換機(jī)(7)的散熱側(cè)進(jìn)行冷卻，然后由泵(P)加壓以形成高壓工作液體。高壓工作液體驅(qū)動(dòng)反動(dòng)式水輪機(jī)(K)做功(W2)。同時(shí)，工作液體膨脹，一部分蒸發(fā)。剩余的液體通過第一熱交換機(jī)(7)的熱吸收側(cè)和第二熱交換機(jī)(8)，因此被加熱到蒸發(fā)。之后，工作氣體以有些過熱的狀態(tài)被引入壓縮機(jī)(C)中(圖3)。
0017從反動(dòng)式水輪機(jī)(K)發(fā)出的功(W2)和被泵(P)消耗的功率或能量(L2)優(yōu)選為大致相互抵消。此外，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)(M1)的壓縮機(jī)，渦輪式發(fā)電機(jī)(G1)，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)(M2)的泵和水力渦輪驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)(G2)互相電連接在一起(圖3和圖5)。第二熱交換機(jī)(8)可以為冷凝器，它將蘭金循環(huán)中渦輪機(jī)排出的蒸汽的廢熱傳遞到工作氣體(圖6)。第二熱交換機(jī)(8)也可以為熱交換機(jī)，它將燃料電池產(chǎn)生的廢熱傳遞到工作氣體(圖14)。
0018根據(jù)本發(fā)明第一特征的熱循環(huán)系統(tǒng)，反動(dòng)式水輪機(jī)(K)可以僅僅為膨脹閥(V)(圖4)。在這種情況下，經(jīng)泵(P)加或增壓的高壓工作液體通過膨脹閥(V)被膨脹。因此，一部分工作液體蒸發(fā)形成工作氣體。剩余的液體通過第一熱交換機(jī)(7)和第二熱交換機(jī)(8)，因此被加熱到蒸發(fā)。之后，工作氣體以有些過熱的狀態(tài)被引入壓縮機(jī)(C)中(圖4)。在本發(fā)明中，圖3和4所示系統(tǒng)的熱循環(huán)為基本循環(huán)。圖4所示的熱循環(huán)為圖3所示熱循環(huán)的簡化形式。
0019根據(jù)本發(fā)明第一特征的熱循環(huán)系統(tǒng)，熱循環(huán)系統(tǒng)的熱效率η為η＝(Q1-Q2)/(Q1-Q3)…(等式28)＝ηs/(1-Q3/Q1)…(等式32)Q3＝(1到0.1)Q2這里ηs為渦輪機(jī)的熱效率；Q1為傳送到渦輪機(jī)入口側(cè)的工作流體的輸入熱量；Q2為從渦輪機(jī)出口側(cè)的工作流體輸出的熱量；且Q3為從渦輪機(jī)出口側(cè)的工作流體傳遞(熱交換)到渦輪機(jī)入口側(cè)的工作流體的熱量。
當(dāng)Q3增加時(shí)，等式28或32的分母減小，熱循環(huán)系統(tǒng)的熱效率η提高。
0020根據(jù)本發(fā)明第二特征的熱循環(huán)系統(tǒng)包括壓縮機(jī)，渦輪機(jī)，熱交換機(jī)和泵。在熱循環(huán)系統(tǒng)中，經(jīng)壓縮機(jī)(C)壓縮的工作氣體(致冷氣體)驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)(S)做功(W1)。之后，工作氣體經(jīng)過第一熱交換機(jī)(7)的散熱側(cè)進(jìn)行冷卻，然后由泵(P)加壓后形成高壓工作液體(致冷液體)。高壓工作液體驅(qū)動(dòng)反動(dòng)式水輪機(jī)(K)做功((W2)。同時(shí)，工作液體通過蒸發(fā)器(R)被膨脹和蒸發(fā)形成工作氣體。工作氣體被引入壓縮機(jī)(C)中(圖7)。
0021根據(jù)本發(fā)明第三特征的熱循環(huán)系統(tǒng)包括鍋爐，渦輪機(jī)，熱交換機(jī)和泵。在熱循環(huán)系統(tǒng)中，鍋爐(B)產(chǎn)生的蒸汽驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)(S2)做功(W3)。之后，蒸汽通過冷凝器(Y1)的散熱側(cè)進(jìn)行冷卻，然后由泵(P2)加壓以形成高壓工作液體。高壓工作液體通過冷凝器(Y1)的熱接收側(cè)加熱，然后返回到鍋爐(B)中。優(yōu)選地，通過冷凝器(Y1)的散熱側(cè)冷卻的蒸汽經(jīng)過外部冷卻液體(U)進(jìn)一步冷卻，然后被吸入泵(P2)中。通過這種方式，可以向外界提供熱輸出(Q4)(圖8)。同樣，在該熱循環(huán)系統(tǒng)中，下面的等式成立η＝ηs/(1-Q3/Q1)…(等式32)0022根據(jù)本發(fā)明第四特征的熱循環(huán)系統(tǒng)包括熱機(jī)和致冷機(jī)的一個(gè)組合，該熱機(jī)包括鍋爐，渦輪機(jī)，冷凝器和泵，該致冷機(jī)包括壓縮機(jī)，熱交換機(jī)和膨脹閥。在該熱循環(huán)系統(tǒng)中，鍋爐(B)產(chǎn)生的蒸汽(Eg)驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)(S2)。之后，蒸汽在冷凝器(Y1)中冷卻，然后由泵(P2)加壓形成高壓冷凝物，然后再循環(huán)回到鍋爐(B)中。經(jīng)壓縮機(jī)(C)壓縮的致冷氣體(Fg)在熱交換機(jī)(7)的散熱側(cè)被冷卻和被液化形成致冷液(Fe)。致冷液(Fe)通過膨脹閥(V)被膨脹形成致冷氣體(Fg)，然后被引入冷凝器(Y1)中，在此致冷氣體(Fg)將渦輪機(jī)廢汽或排出的蒸汽(exhaust steam)(Eg)冷卻。同時(shí)，致冷氣體(Fg)本身被加熱然后返回到壓縮機(jī)(C)中。高壓冷凝物優(yōu)選為通過熱交換機(jī)(7)的熱接收側(cè)進(jìn)行加熱，再循環(huán)回到鍋爐(B)中。熱交換機(jī)(7)的熱接收側(cè)向外界提供熱輸出(U2)(圖9)。
0023根據(jù)本發(fā)明的第五特征的熱循環(huán)系統(tǒng)中的致冷機(jī)包括熱機(jī)和致冷機(jī)的一個(gè)組合，致冷機(jī)包括渦輪機(jī)(S)，泵(P1)和反動(dòng)式水輪機(jī)(K)。經(jīng)壓縮機(jī)(C)壓縮的致冷氣體驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)(S)做功(W1)。之后，致冷氣體經(jīng)過熱交換機(jī)(7)的散熱側(cè)被冷卻，然后經(jīng)泵(P1)加壓，形成高壓致冷液體。高壓致冷液體驅(qū)動(dòng)反動(dòng)式水輪機(jī)(K)做功(W2)。同時(shí)，致冷液體膨脹并蒸發(fā)形成致冷氣體。致冷氣體通過熱交換機(jī)(7)的熱吸收側(cè)和冷凝器(Y1)被加熱。之后，致冷氣體被引入壓縮機(jī)(C)中。高壓冷凝物在冷凝器(Y1)中被加熱，再循環(huán)回到鍋爐(B)中(圖10)。
0024根據(jù)本發(fā)明的第六特征的熱循環(huán)系統(tǒng)包括熱機(jī)和致冷機(jī)的一個(gè)組合，致冷機(jī)包括壓縮機(jī)，渦輪機(jī)，熱交換機(jī)，泵和膨脹閥。在該熱循環(huán)系統(tǒng)中，經(jīng)壓縮機(jī)(C)壓縮的致冷氣體(Fg)驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)(S)做功(W1)。之后，致冷氣體在熱交換機(jī)(7)的散熱側(cè)被冷卻，然后經(jīng)泵(P1)加壓形成高壓致冷液體(Fe)。高壓致冷液體驅(qū)動(dòng)反動(dòng)式水輪機(jī)(K)做功(W2)。同時(shí)，致冷液體膨脹并蒸發(fā)形成致冷氣體(Fg)。致冷氣體被引入熱交換機(jī)(8)中，致冷氣體(Fg)在此被熱機(jī)(D)的廢熱加熱，然后返回到壓縮機(jī)(C)中。壓縮機(jī)(C)優(yōu)選為由熱機(jī)(D)的輸出(W3)驅(qū)動(dòng)，或由燃料電池驅(qū)動(dòng)(圖12和13)。
本發(fā)明的有益效果0025根據(jù)本發(fā)明的熱循環(huán)系統(tǒng)(圖6和9)包括蘭金循環(huán)和帶渦輪機(jī)的致冷機(jī)的一個(gè)組合，其不需要用水進(jìn)行冷卻，而對(duì)不帶致冷機(jī)單獨(dú)運(yùn)行的蘭金循環(huán)來說，水是不可少的。無需冷卻水安裝蘭金循環(huán)的能力大大地放寬了熱電廠對(duì)位置條件的要求，提高了使熱電廠位于生產(chǎn)燃料或生物量燃料(biomass fuel)地區(qū)的可能性。尤其是在使用煤做燃料的發(fā)電廠，在產(chǎn)煤地區(qū)附近發(fā)電，并將電能傳送到電能消耗地區(qū)，增加了提高經(jīng)濟(jì)效益的可能性。
0026如圖3所示的熱循環(huán)系統(tǒng)中，本發(fā)明能夠重新利用致冷機(jī)中的冷凝過程產(chǎn)生的熱能，且能夠最小化釋放到系統(tǒng)之外的熱量。因此，本發(fā)明具有減輕“熱島”現(xiàn)象的有益效果，而近年來該現(xiàn)象一直惡化著大城市的環(huán)境。
附圖的簡要描述0027圖1為說明常規(guī)致冷機(jī)組成部分的布置圖。
圖2為包括渦輪機(jī)的常規(guī)熱機(jī)的基本組成部分的布置圖，也即實(shí)現(xiàn)蘭金循環(huán)的熱循環(huán)系統(tǒng)。
圖3為根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方式的熱循環(huán)系統(tǒng)的布置圖。
圖4為根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方式的改進(jìn)例的熱循環(huán)系統(tǒng)中，顯示溫度和壓力的例子的解釋圖。
圖5為根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方式的熱循環(huán)系統(tǒng)中，說明熱量的例子的解釋圖。
圖6為根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施方式的熱循環(huán)系統(tǒng)的布置圖。
圖7為根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施方式的熱循環(huán)系統(tǒng)的布置圖。
圖8為根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施方式的熱循環(huán)系統(tǒng)的布置圖。
圖9為根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施方式的熱循環(huán)系統(tǒng)的布置圖。
圖10為根據(jù)本發(fā)明第六實(shí)施方式的熱循環(huán)系統(tǒng)的布置圖。
圖11為根據(jù)本發(fā)明第六實(shí)施方式的改進(jìn)例的熱循環(huán)系統(tǒng)的布置圖。
圖12為根據(jù)本發(fā)明第七實(shí)施方式的熱循環(huán)系統(tǒng)的布置圖。
圖13為根據(jù)本發(fā)明第八實(shí)施方式的熱循環(huán)系統(tǒng)的布置圖。
圖14為根據(jù)本發(fā)明第九實(shí)施方式的熱循環(huán)系統(tǒng)的布置圖。
參考符號(hào)說明0028A，D熱機(jī)；B鍋爐；C壓縮機(jī)；ε性能系數(shù)；η熱循環(huán)系統(tǒng)的熱效率；ηs單獨(dú)使用的渦輪機(jī)的熱效率；Eg蒸汽；Ee水(給水或冷凝物)；Fg致冷氣體；Fe致冷液體；G1，G2發(fā)電機(jī)；J致冷機(jī)；K水輪機(jī)；L1，L2功(輸入)；N燃料電池；M1，M2電動(dòng)機(jī)；P泵；Q1，Q2，Q3，Q4熱量；S，S2汽輪機(jī)；V膨脹閥；W1，W2，W3功(輸出)；7，8熱交換機(jī)；Y1冷凝器；Y2給水預(yù)熱器。
本發(fā)明最佳實(shí)施方式0029圖3是本發(fā)明第一實(shí)施方式的熱循環(huán)系統(tǒng)的布置圖。熱循環(huán)系統(tǒng)具有這樣的配置，其中渦輪機(jī)S等被插入包括壓縮機(jī)C和冷凝器的致冷機(jī)中。在壓縮機(jī)C中壓縮的工作流體(致冷氣體)驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)S做功W1。之后，工作液體在熱交換機(jī)7(在其散熱側(cè))中冷卻并液化。連接到熱交換機(jī)7的出口的泵P吸入工作液體并降低渦輪機(jī)S的背壓，因此增加了渦輪機(jī)輸出W1并提高了工作液體的壓力。加壓的工作液體驅(qū)動(dòng)反動(dòng)式水輪機(jī)K做功W2。同時(shí)，工作液體通過充當(dāng)膨脹閥的反動(dòng)式水輪機(jī)的管口膨脹。這樣，工作液體蒸發(fā)形成工作氣體(致冷氣體)。工作氣體在熱交換機(jī)7(在其熱吸收側(cè))中加熱，并在熱交換機(jī)8進(jìn)一步被加熱，再被引入壓縮機(jī)C中。
0030在圖3所示的熱循環(huán)系統(tǒng)中，熱交換機(jī)7將渦輪機(jī)S排出的熱釋放以加熱反動(dòng)式水輪機(jī)K出口的工作氣體。在熱交換機(jī)7中，渦輪機(jī)S排出的氣體被冷卻并冷凝成液體。圖3所示的熱交換機(jī)7通過冷卻渦輪機(jī)S排出的氣體，增大渦輪機(jī)S入口的工作流體和其出口的工作流體的溫度差，因此增加了渦輪機(jī)的輸出。渦輪機(jī)排出的廢熱Q1被傳遞(熱交換)到反動(dòng)式水輪機(jī)K下游側(cè)的工作流體。因?yàn)橥ㄟ^提高熱交換機(jī)7的冷卻能力，工作流體的壓力被大大降低，工作流體的壓力被泵P提高。加壓的工作流體供給反動(dòng)式水輪機(jī)K，在那工作液體的勢能被重新利用。這里假設(shè)相對(duì)全部勢能，該勢能很小，泵P消耗的功和反動(dòng)式水輪機(jī)K的輸出互相抵消。
0031在圖3所示的熱循環(huán)系統(tǒng)中，Q3為熱交換機(jī)7傳遞的熱量，Q4為熱交換機(jī)8從外界吸收的熱量。熱循環(huán)系統(tǒng)的輸出(渦輪機(jī)S的輸出)可表示為(L1+Q4)…(等式33)熱量Q3為渦輪機(jī)S的出口側(cè)的工作流體傳遞給壓縮機(jī)C入口側(cè)的工作流體的熱量，以實(shí)現(xiàn)熱交換。
0032圖4為根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方式的改進(jìn)例的熱循環(huán)系統(tǒng)的解釋圖，其中用膨脹閥V代替反動(dòng)式水輪機(jī)K。圖4還顯示了熱循環(huán)系統(tǒng)中的溫度和壓力的一個(gè)例子。渦輪機(jī)S排出的氣體在冷凝器(熱交換機(jī))7中被溫度為-10℃(T2)的致冷劑水蒸汽冷卻到0℃(T4)。之后，致冷劑的壓力經(jīng)泵P從絕對(duì)值4.39kgf/cm2提高到絕對(duì)值為15.04kgf/cm2，并因此被液化。圖4中，T4-為冷凝器7出口的致冷劑的溫度。經(jīng)泵P加壓的致冷劑通過膨脹閥V被膨脹和蒸發(fā)，并在熱交換機(jī)7中接收熱Q1以達(dá)到-10℃(T2)的溫度。渦輪機(jī)入口溫度為110℃(T3)，且冷凝器致冷劑溫度為0℃(T4)。因此，卡諾循環(huán)中的渦輪機(jī)的效率ηs為ηs＝(T3-T4)/T3＝(110-0)/(273.15+110)0.28…(等式34)0033圖5為說明根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方式的熱循環(huán)系統(tǒng)中熱量的例子的解釋圖。圖5圖解說明了當(dāng)壓縮機(jī)C的輸入L1以1個(gè)單位(L1＝1)的量引入系統(tǒng)中時(shí)，渦輪機(jī)輸出W1，及熱交換機(jī)7出口的熱交換量Q3和從外界引入到熱交換機(jī)8中的熱量Q4。
熱泵的性能系數(shù)εh為致冷機(jī)的性能系數(shù)加1，即εh＝5.4+1＝6.4…(等式35)渦輪機(jī)S的輸出W1表示為W1＝εh×ηs＝6.4×0.281.7…(等式36)熱交換機(jī)7出口的熱交換量Q3為Q3＝6.4-1.7＝4.7…(等式37)從外界吸收到熱交換機(jī)8中的熱量Q4為Q4＝致冷機(jī)的性能系數(shù)-Q3…(等式38)因此，熱量Q4為Q4＝5.4-4.7＝0.7…(等式39)0034圖6為根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施方式的熱循環(huán)系統(tǒng)的布置圖。除了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施方式的熱循環(huán)系統(tǒng)使用蘭金循環(huán)A的廢熱，即將來自汽輪機(jī)S2的冷凝器Y1的廢熱作為系統(tǒng)的熱源外，圖6所示的熱循環(huán)系統(tǒng)與本發(fā)明的第一實(shí)施方式(圖3)的熱循環(huán)系統(tǒng)有相似的配置。在圖6所示的熱循環(huán)系統(tǒng)中，從鍋爐B給蒸汽的熱量為10,000kW，渦輪機(jī)S2的輸出W3為3,000kW(熱效率0.3)。從渦輪機(jī)S2產(chǎn)生的廢熱(冷凝器廢熱)為7,000kW。從蒸汽Eg傳遞給冷凝器Y1中的致冷劑Fg的熱量為7,000kW。
0035進(jìn)入和流出圖6所示系統(tǒng)的每一元件或部分的熱量通過比例運(yùn)算得到，其中在圖5所示的熱循環(huán)系統(tǒng)中，從外界吸收到冷凝器Y1中的熱量，即0.7，假設(shè)為7,000kW，也就是說圖5中的一個(gè)單位被假設(shè)為10,000kW。壓縮機(jī)C的輸入L為L＝10,000kW，渦輪機(jī)S的功W1為W1＝17,000kW。熱交換機(jī)7中的熱交換量Q3為Q3＝47,000kW。泵P1消耗的功率L2為45kW，由反動(dòng)式水輪機(jī)K產(chǎn)生的功率W2為45kW。相對(duì)于10,000kW的輸入而言，45kW的功率很小，因此，可忽略而不會(huì)出現(xiàn)問題。
0036圖7是根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施方式的熱循環(huán)系統(tǒng)的布置圖。圖7所示的熱循環(huán)系統(tǒng)與根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方式(圖3)的熱循環(huán)系統(tǒng)的布置相似，除了根據(jù)第三實(shí)施方式的熱循環(huán)系統(tǒng)具有這樣的結(jié)構(gòu)，其中熱交換機(jī)(冷凝器)7的熱吸收側(cè)為外部熱輸出(外部冷卻源)Z1，且在渦輪機(jī)S排出口和壓縮機(jī)C的進(jìn)口之間沒有熱交換。圖7的熱循環(huán)系統(tǒng)有渦輪機(jī)S，其安裝在致冷機(jī)的冷凝器7的上游側(cè)，以獲得輸出(功率或功)W1。在圖7的熱循環(huán)系統(tǒng)中，卡諾循環(huán)中的渦輪機(jī)S的熱效率ηs為ηs＝(110-38)/273.15+1100.18…(等式40)可逆的卡諾循環(huán)中的致冷機(jī)的性能系數(shù)ε為ε＝[273.15+(-10)]/[38-(-10)]5.4…(等式41)渦輪機(jī)S的輸出(功率或功)W1為W1＝(ε+1)×ηs1.1…(等式42)假設(shè)泵P的泵功率L2和壓縮機(jī)的功率L1的比率為0.4％，泵P的泵功率L2為L2＝0.004…(等式43)從渦輪機(jī)S得到的功W1為W11.1…(等式44)因?yàn)閺臏u輪機(jī)S得到的功W1比泵P的泵功率L2大很多，與僅僅從熱交換機(jī)7耗散熱的系統(tǒng)相比，從渦輪機(jī)S吸取功率的優(yōu)勢是很大的。
0037圖8為根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施方式的熱循環(huán)系統(tǒng)的布置圖。圖8所示的熱循環(huán)系統(tǒng)具有熱機(jī)A，其包括鍋爐B，渦輪機(jī)S2和冷凝器Y1。在冷凝器Y1中，廢熱傳遞到鍋爐入口的給水。也就是，在熱循環(huán)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了熱交換。圖8的熱循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)一步具有從冷凝器Y1向外界提供熱輸出U的配置。
0038圖9為按照本發(fā)明第五實(shí)施方式的熱循環(huán)系統(tǒng)的布置圖。圖9所示的熱循環(huán)系統(tǒng)具有與熱機(jī)A相結(jié)合或組合的熱泵(致冷機(jī)J)以在熱機(jī)A中實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的熱交換。在圖9所示的熱循環(huán)系統(tǒng)中，鍋爐B中產(chǎn)生的蒸汽Eg驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)S2。之后，蒸汽Eg在冷凝器Y1中冷卻，經(jīng)泵P2加壓以形成冷凝物Ee。冷凝物Ee在致冷機(jī)J的熱交換機(jī)7(在其熱接收側(cè))中被加熱到一溫度，例如80℃，然后再循環(huán)回到鍋爐B中。在壓縮機(jī)C中壓縮的致冷水蒸汽Fg在熱交換機(jī)7(在其散熱側(cè))中冷卻并被液化以形成致冷液體Fe。同時(shí)，致冷劑產(chǎn)生溫度為80℃的熱輸出(熱水供給)U2，例如，加熱熱機(jī)A中的冷凝物Ee到80℃。致冷液體Fe通過膨脹閥V膨脹以形成4℃的致冷水蒸汽Fg，例如，其被引入熱交換機(jī)Y1中以冷卻蒸汽Eg。因此，在排出的蒸汽或廢汽(exhaust gas)Eg和熱機(jī)中的冷凝物Ee之間實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)的熱交換。
0039在圖9的熱循環(huán)系統(tǒng)中，以下對(duì)熱機(jī)工作在熱泵J處于靜止(也就是熱交換直接在排出蒸汽Eg和熱機(jī)中的冷凝物Ee之間實(shí)現(xiàn))的狀態(tài)的一個(gè)例子進(jìn)行描述。蒸汽溫度(渦輪機(jī)入口)為400℃，冷凝物溫度(汽輪機(jī)出口)為60℃。卡諾循環(huán)中的熱效率η為η＝(400-60)/(400+273.15)0.505…(等式45)另一方面，當(dāng)熱泵J如圖9所示工作時(shí)，蒸汽溫度設(shè)為400℃，冷凝物溫度(汽輪機(jī)出口)為10℃。卡諾循環(huán)中的熱效率η為η0.579…(等式46)這表明當(dāng)熱泵運(yùn)行在如圖9所示的熱循環(huán)系統(tǒng)中時(shí)，溫度差從340°增加到390℃，且使渦輪機(jī)主單元的熱效率提高了0.579-0.505＝0.074…(等式47)0040接下來，我們來討論圖9的熱循環(huán)系統(tǒng)中的熱交換。當(dāng)熱泵J處于靜止時(shí)，且沒有產(chǎn)生熱交換時(shí)，冷凝物溫度(渦輪機(jī)出口)和給水溫度(鍋爐入口)均為10℃。為了將冷凝物和給水轉(zhuǎn)換成400℃的蒸汽，需要90個(gè)單位的熱量來將給水從10℃加熱到100℃，需要539個(gè)單位的熱量使100℃的冷凝物變成100℃的蒸汽。而且，假設(shè)蒸汽的比熱為0.5，需要150個(gè)單位的熱量將蒸汽從100℃加熱到400℃。因此，一共需要779個(gè)單位的熱量。
0041在熱泵工作進(jìn)行熱交換的情況下，冷凝物溫度(渦輪機(jī)出口)為10℃，鍋爐入口的給水溫度為70℃。因此，與沒有進(jìn)行熱交換時(shí)的鍋爐入口給水溫度(即等于10℃)相比，節(jié)約本來應(yīng)該用于將給水溫度提高60℃需要的熱量(即60個(gè)單位熱量)是可能的。
這可以表示為60/779＝0.077…(等式48)因此，通過熱交換，輸入熱量的減少提高了熱循環(huán)系統(tǒng)的熱效率，如下從上述等式32，η＝ηs/(1-Q3/Q1)…(等式32)，即η/ηs＝1/(1-Q3/Q1)…(等式49)圖9所示的熱循環(huán)系統(tǒng)的熱效率為1÷(1-0.077)＝1.08…(等式50)因此，熱效率提高了大約8％。
0042接下來，我們討論圖9的熱循環(huán)系統(tǒng)中由熱交換導(dǎo)致的熱降或溫降的增加。當(dāng)熱泵處于靜止并且不產(chǎn)生熱交換時(shí)，這時(shí)渦輪機(jī)的熱效率ηs為ηs＝(400-10)/(400+273.15)＝0.579…(等式51)用上述熱效率的增加率乘以熱效率ηs，即0.579，得到熱循環(huán)系統(tǒng)的熱效率為0.625。
0043在本發(fā)明使用的基本循環(huán)(圖3)中，即使泵消耗的功率和反動(dòng)式水輪機(jī)產(chǎn)生的功相互抵消或功率平衡稍微為正，通過實(shí)現(xiàn)蘭金循環(huán)中的熱交換，仍可以提高熱效率。無需增加鍋爐容量就可以提高熱效率。例如，把常規(guī)系統(tǒng)中的蒸汽溫度400℃，冷凝物溫度(渦輪機(jī)出口)60℃，鍋爐入口給水溫度60℃，變成如上所述的蒸汽溫度400℃，冷凝物溫度(汽輪機(jī)出口)10℃，鍋爐入口給水溫度70℃。這樣，鍋爐入口給水溫度僅變化了10℃。因此，無需增加鍋爐容量。
0044圖10為根據(jù)本發(fā)明第六實(shí)施方式的熱循環(huán)系統(tǒng)的布置圖。圖10所示的熱循環(huán)系統(tǒng)包括熱機(jī)A和熱泵(致冷機(jī)J)的一個(gè)組合，熱機(jī)A本身執(zhí)行熱交換，而熱泵(致冷機(jī)J)包括渦輪機(jī)，其中熱機(jī)A中的渦輪機(jī)排出的氣體經(jīng)過致冷機(jī)J的致冷輸出進(jìn)行冷卻。在圖10所示的熱循環(huán)系統(tǒng)的熱機(jī)A中，鍋爐B產(chǎn)生的蒸汽Eg驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)S2。之后，蒸汽Eg在冷凝器Y1中冷卻，經(jīng)過泵P2加壓以形成冷凝物Ee。冷凝物Ee由冷凝器Y1中的渦輪機(jī)排出的蒸汽或廢汽進(jìn)行加熱，再循環(huán)回到鍋爐B中。在圖10所示的熱循環(huán)系統(tǒng)的致冷機(jī)J中，經(jīng)壓縮機(jī)C加壓的致冷氣體Fg驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)S。之后致冷氣體Fg在熱交換機(jī)7(在其散熱側(cè))中冷卻并壓縮，然后由泵P1加壓形成致冷液體Fe。
0045從泵P1排出的高壓致冷液體Fe驅(qū)動(dòng)反動(dòng)式水輪機(jī)K做功W2。同時(shí)，致冷液體Fe通過作為膨脹閥工作的反動(dòng)式水輪機(jī)K的管口(nozzle)膨脹并蒸發(fā)，形成致冷氣體Fg。致冷氣體Fg在熱交換機(jī)7(在其熱吸收側(cè))中加熱，并在冷凝器Y1中進(jìn)一步加熱，再被引入到壓縮機(jī)C中。圖11為根據(jù)本發(fā)明第六實(shí)施方式的改進(jìn)例的熱循環(huán)系統(tǒng)的布置圖。在圖11所示的熱循環(huán)系統(tǒng)中，渦輪機(jī)S2與壓縮機(jī)C機(jī)械地連接以驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)C，因此無需電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)C。熱循環(huán)系統(tǒng)的布置的其余部分與圖10所示的熱循環(huán)系統(tǒng)的其余部分相同。因此，省略對(duì)其進(jìn)行重復(fù)描述。
0046圖12為根據(jù)本發(fā)明第七實(shí)施方式的熱循環(huán)系統(tǒng)的布置圖。圖12所示的熱循環(huán)系統(tǒng)包括熱機(jī)D和致冷機(jī)(熱泵)的一個(gè)組合，熱機(jī)D使用奧托循環(huán)，狄賽爾循環(huán)，薩巴泰循環(huán)，或斯特林循環(huán)，而所述致冷機(jī)包括渦輪機(jī)。在圖12所示的熱循環(huán)系統(tǒng)中，連接到渦輪機(jī)的發(fā)電機(jī)G1、壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)M和由熱機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)G3彼此電連接。在圖12的熱循環(huán)系統(tǒng)中，經(jīng)壓縮機(jī)C加壓的致冷氣體驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)S。之后，致冷氣體在熱交換機(jī)7(在其散熱側(cè))中被冷卻并被壓縮再由泵P1加壓形成致冷液體Fe。
0047從泵P排出的高壓致冷液體Fe驅(qū)動(dòng)反動(dòng)式水輪機(jī)K做功W2。同時(shí)，致冷液體Fe通過其工作如同一個(gè)膨脹閥的反動(dòng)式水輪機(jī)K的管口膨脹并蒸發(fā)，形成致冷氣體Fg。致冷氣體在熱交換機(jī)7(在其熱吸收側(cè))中被加熱，并進(jìn)一步在熱交換機(jī)8中用熱機(jī)產(chǎn)生的廢熱(冷卻熱和廢氣熱)進(jìn)行加熱，再被吸入到壓縮機(jī)C中。從熱機(jī)產(chǎn)生的廢熱傳遞到熱交換機(jī)8中的致冷氣體Fg。反動(dòng)式水輪機(jī)K可以僅用作膨脹閥。
0048圖13為根據(jù)本發(fā)明的第八實(shí)施方式的熱循環(huán)系統(tǒng)的布置圖。如同圖12的熱循環(huán)系統(tǒng)，圖13所示的熱循環(huán)系統(tǒng)包括熱機(jī)D和致冷機(jī)(熱泵)的一個(gè)組合，熱機(jī)D使用奧托循環(huán)，狄賽爾循環(huán)，薩巴泰循環(huán)，或斯特林循環(huán)，而所述致冷機(jī)包括渦輪機(jī)。在圖13的熱循環(huán)系統(tǒng)中，壓縮機(jī)C由熱機(jī)的輸出驅(qū)動(dòng)。熱循環(huán)系統(tǒng)的其余配置和圖12所示的熱循環(huán)系統(tǒng)的其余配置相同。在圖12和13中，熱機(jī)D使用奧托循環(huán)，狄賽爾循環(huán)，薩巴泰循環(huán)，和斯特林循環(huán)中的任意一種。
0049圖14為根據(jù)本發(fā)明的第九實(shí)施方式的熱循環(huán)系統(tǒng)的布置圖。圖14所示的熱循環(huán)系統(tǒng)包括燃料電池N和致冷機(jī)(熱泵)的一個(gè)組合，所述致冷機(jī)包括渦輪機(jī)。在圖14的熱循環(huán)系統(tǒng)中，經(jīng)過壓縮機(jī)C加壓的致冷氣體Fg驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)S。之后，致冷氣體Fg在熱交換機(jī)7(在其散熱側(cè))中被冷卻并被壓縮再由泵P加壓形成致冷液體Fe。泵P排出的高壓致冷液體Fe通過膨脹閥V膨脹并蒸發(fā)形成致冷氣體Fg。致冷氣體在熱交換機(jī)7(在其熱吸收側(cè))中被加熱，并在熱交換機(jī)8中由燃料電池N產(chǎn)生的廢熱進(jìn)一步加熱，再被吸入壓縮機(jī)C中。燃料電池產(chǎn)生的廢熱傳遞到熱交換機(jī)8中的致冷氣體Fg。在圖14的熱循環(huán)系統(tǒng)中，連接到渦輪機(jī)S的發(fā)電機(jī)G、壓縮電動(dòng)機(jī)M和燃料電池的輸出彼此電連接。
權(quán)利要求
1.一種熱循環(huán)系統(tǒng)，包括壓縮機(jī)，渦輪機(jī)，熱交換機(jī)和泵，其中在所述壓縮機(jī)(C)中壓縮的工作氣體驅(qū)動(dòng)所述渦輪機(jī)(S)做功(W1)，之后通過第一熱交換機(jī)(7)的散熱側(cè)被冷卻，然后在所述泵(P)中加壓形成高壓工作液體，所述高壓工作液體驅(qū)動(dòng)反動(dòng)式水輪機(jī)(K)做功(W2)，同時(shí)所述高壓工作液體被膨脹和蒸發(fā)形成工作氣體，所述工作氣體通過第一熱交換機(jī)(7)和第二熱交換機(jī)(8)被加熱后被引入所述壓縮機(jī)C中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的熱循環(huán)系統(tǒng)，其中由所述反動(dòng)式水輪機(jī)(K)產(chǎn)生的所述功(W2)和所述泵(P)消耗的功率(L2)大致相互抵消，壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)(M1)、渦輪式發(fā)電機(jī)(G1)、泵驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)(M2)和水力渦輪式發(fā)電機(jī)(G2)互相電連接。
3.一種熱循環(huán)系統(tǒng)，包括壓縮機(jī)，渦輪機(jī)，熱交換機(jī)和泵，其中經(jīng)所述壓縮機(jī)(C)壓縮的工作氣體驅(qū)動(dòng)所述渦輪機(jī)(S)做功(W1)，之后通過第一熱交換機(jī)(7)的散熱側(cè)被冷卻，然后由所述泵(P)加壓形成高壓工作液體，所述高壓工作液體通過膨脹閥(V)被膨脹和蒸發(fā)形成工作氣體，所述工作氣體通過第一熱交換機(jī)(7)和第二熱交換機(jī)(8)被加熱后被引入所述壓縮機(jī)C中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1到3中的任意一項(xiàng)權(quán)利要求的熱循環(huán)系統(tǒng)，其中所述第二熱交換機(jī)(8)將蘭金循環(huán)中的渦輪機(jī)廢汽或排出汽的廢熱或燃料電池的廢熱傳遞到所述工作氣體。
5.一種熱循環(huán)系統(tǒng)，包括壓縮機(jī)，渦輪機(jī)，熱交換機(jī)和泵，其中經(jīng)所述壓縮機(jī)(C)壓縮的工作氣體驅(qū)動(dòng)所述渦輪機(jī)(S)做功(W1)，之后所述工作氣體通過第一熱交換機(jī)(7)的散熱側(cè)被冷卻，然后由所述泵(P)加壓形成高壓工作液體，所述高壓工作液體驅(qū)動(dòng)反動(dòng)式水輪機(jī)(K)做功(W2)，且然后所述高壓工作通過蒸發(fā)器(R)膨脹和蒸發(fā)形成工作氣體，再被引入到所述壓縮機(jī)(C)中。
6.一種熱循環(huán)系統(tǒng)，包括鍋爐，渦輪機(jī)，熱交換機(jī)和泵，其中所述鍋爐(B)中產(chǎn)生的蒸汽驅(qū)動(dòng)所述渦輪機(jī)(S2)做功(W3)，渦輪機(jī)廢汽或排出汽通過冷凝器(Y1)的散熱側(cè)被冷卻，然后由所述泵(P2)加壓形成高壓工作液體，所述高壓工作液體通過所述冷凝器(Y1)的熱接收側(cè)加熱后返回到所述鍋爐(B)中。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至3、5和6中任意一項(xiàng)權(quán)利要求中的熱循環(huán)系統(tǒng)，其中所述熱循環(huán)系統(tǒng)的熱效率η為η＝(Q1-Q2)/(Q1-Q3)＝ηS/(1-Q3/Q1)Q3＝(1到0.1)Q2這里ηS為所述渦輪機(jī)的熱效率；Q1為所述渦輪機(jī)入口側(cè)的所述工作流體保持的熱量；Q2為所述渦輪機(jī)出口側(cè)的所述工作流體輸出的熱量；和Q3為從所述渦輪機(jī)出口側(cè)的所述工作流體傳遞到所述渦輪機(jī)入口側(cè)的所述工作流體的熱量。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的熱循環(huán)系統(tǒng)，其中所述冷凝器(Y1)將熱輸出(U)傳送給外界，因此，進(jìn)一步對(duì)渦輪機(jī)廢汽或排出汽進(jìn)行冷卻。
9.一種熱循環(huán)系統(tǒng)，包括熱機(jī)和致冷機(jī)的一個(gè)組合，該熱機(jī)包括鍋爐，渦輪機(jī)，冷凝器和泵；該致冷機(jī)包括壓縮機(jī)，熱交換機(jī)和膨脹閥，其中所述鍋爐(B)產(chǎn)生的蒸汽(Eg)驅(qū)動(dòng)所述渦輪機(jī)(S2)，之后蒸汽(Eg)在所述冷凝器(Y1)中被冷卻，然后由所述泵(P2)加壓形成高壓冷凝物(Ee)，其再循環(huán)回到所述鍋爐(B)中，且其中經(jīng)所述壓縮機(jī)(C)壓縮的致冷氣體(Fg)在所述熱交換機(jī)(7)的散熱側(cè)被冷卻并被液化形成致冷液體(Fe)，所述致冷液體(Fe)通過所述膨脹閥(V)膨脹形成致冷氣體(Fg)，所述致冷氣體(Fg)然后被引入所述冷凝器(Y1)中對(duì)渦輪機(jī)廢汽(Eg)進(jìn)行冷卻并同時(shí)被加熱，然后返回到所述壓縮機(jī)(C)中。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的熱循環(huán)系統(tǒng)，其中所述高壓冷凝物通過所述熱交換機(jī)(7)的熱接收側(cè)被加熱后再循環(huán)回到所述鍋爐(B)中，由此從所述熱交換機(jī)(7)的所述熱接收側(cè)向外界提供熱輸出(U2)。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的熱循環(huán)系統(tǒng)，其中所述致冷機(jī)進(jìn)一步包括渦輪機(jī)(S)，泵(P1)和反動(dòng)式水輪機(jī)(K)，其中在所述壓縮機(jī)(C)壓縮的致冷氣體驅(qū)動(dòng)所述渦輪機(jī)(S)做功(W1)，之后所述致冷氣體經(jīng)過所述熱交換機(jī)(7)的散熱側(cè)被冷卻，然后由所述泵(P1)加壓形成高壓致冷液，所述高壓致冷液驅(qū)動(dòng)所述反動(dòng)式水輪機(jī)(K)做功(W2)，同時(shí)所述高壓致冷液被膨脹和蒸發(fā)形成致冷氣體，所述致冷氣體通過所述熱交換機(jī)(7)的熱吸收側(cè)和所述冷凝器(Y1)被加熱后被引入到所述壓縮機(jī)(C)中。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11的熱循環(huán)系統(tǒng)，其中所述高壓冷凝物(Ee)在所述冷凝器(Y1)中加熱后再循環(huán)回到所述鍋爐(B)中。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12的熱循環(huán)系統(tǒng)，其中所述壓縮機(jī)(C)由所述渦輪機(jī)(S2)的輸出驅(qū)動(dòng)。
14.一種熱循環(huán)系統(tǒng)，包括熱機(jī)和致冷機(jī)的一個(gè)組合，該致冷機(jī)包括壓縮機(jī)，渦輪機(jī)，熱交換機(jī)，泵和膨脹閥，其中在所述壓縮機(jī)(C)中壓縮的致冷氣體(Fg)驅(qū)動(dòng)所述渦輪機(jī)(S)做功(W1)，之后在熱交換機(jī)(7)的散熱側(cè)被冷卻，然后由所述泵(P1)加壓形成高壓致冷液(Fe)，所述高壓致冷液被膨脹和蒸發(fā)形成致冷氣體(Fe)，所述致冷氣體在熱交換機(jī)(8)中由所述熱機(jī)(D)產(chǎn)生的廢熱加熱后返回到所述壓縮機(jī)(C)中。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的熱循環(huán)系統(tǒng)，其中所述壓縮機(jī)(C)由所述熱機(jī)(D)的輸出(W3)驅(qū)動(dòng)。
16.一種熱循環(huán)系統(tǒng)，包括燃料電池(N)和致冷機(jī)的一個(gè)組合，該致冷機(jī)包括壓縮機(jī)，渦輪機(jī)，熱交換機(jī)，泵和膨脹閥，其中在所述壓縮機(jī)(C)中壓縮的致冷氣體(Fg)驅(qū)動(dòng)所述渦輪機(jī)(S)做功(W1)，之后所述致冷氣體(Fg)在所述熱交換機(jī)(7)的散熱側(cè)冷卻，然后由所述泵(P1)加壓形成高壓致冷液(Fe)，所述高壓致冷液被膨脹和蒸發(fā)形成致冷氣體(Fg)，所述致冷氣體在熱交換機(jī)(8)中被燃料電池(N)產(chǎn)生的廢熱加熱后返回到所述壓縮機(jī)(C)中。
全文摘要
一種由熱機(jī)(A)和致冷機(jī)(J)組合形成的高效率熱循環(huán)裝置，其中由鍋爐(B)產(chǎn)生的蒸汽(Eg)在驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)(S
文檔編號(hào)F01K23/02GK1954134SQ200480043108
公開日2007年4月25日 申請(qǐng)日期2004年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月1日
發(fā)明者正田登 申請(qǐng)人:正田登