專利名稱：進(jìn)口空氣加熱和冷卻系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請一般地涉及燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)，并且更具體而言，涉及提供自主式(free)進(jìn) 口空氣加熱和冷卻的燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口空氣系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
空氣制冷系統(tǒng)通常與燃?xì)廨啓C(jī)一起使用以使進(jìn)口空氣溫度達(dá)到要求。依賴于環(huán)境 溫度，與燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)一起使用制冷系統(tǒng)可使總功率輸出提高相當(dāng)大的百分比。尤其地， 在寬溫度范圍內(nèi)，燃?xì)廨啓C(jī)的功率輸出與進(jìn)口空氣溫度幾乎成反比。例如，在約83華氏度 (約28. 3攝氏度)的環(huán)境溫度下已知的燃?xì)廨啓C(jī)僅可產(chǎn)生約154兆瓦特的功率，而在約50 華氏度(約10攝氏度)下可產(chǎn)生171. 2兆瓦特的功率，提高了超過約百分之十一。同樣地， 制冷系統(tǒng)可在更涼的環(huán)境溫度下利用廢熱來調(diào)節(jié)冷的進(jìn)口空氣，以便為燃?xì)廨啓C(jī)提供高效 的部分負(fù)荷運行。然而，已知的空氣制冷系統(tǒng)通常使用制冷設(shè)備以產(chǎn)生冷水。因而，需要外部能源以 運行制冷設(shè)備。因此，這種寄生功率消耗可稍微有損總動力設(shè)備輸出和效率。因此，期望改進(jìn)的燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口空氣加熱和冷卻系統(tǒng)。這樣的加熱和冷卻系統(tǒng)應(yīng) 提供燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口空氣溫度的增強(qiáng)的加熱和冷卻，與此同時提高總系統(tǒng)功率輸出和效率。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本申請?zhí)峁┮环N用于渦輪壓縮機(jī)的進(jìn)口空氣的加熱和冷卻系統(tǒng)。該加熱和 冷卻系統(tǒng)可包括定位在渦輪壓縮機(jī)周圍的流體盤管和熱能儲存罐。流體盤管和熱能儲存罐 處于流體連通中，以使得流體不但從熱能儲存罐提供至流體盤管以用于與進(jìn)口空氣交換熱 量，而且在沒有進(jìn)一步的熱交換的情況下返回至熱能儲存罐。本申請還提供一種壓縮機(jī)的進(jìn)口空氣的自主式加熱和冷卻的方法。該方法可包括 步驟使流體從熱能儲存罐的第一端以第一溫度直接流動至盤管；在盤管中與進(jìn)口空氣的 第一進(jìn)入流交換熱量以使得流體達(dá)到第二溫度；使流體以第二溫度直接流動至熱能儲存罐 的第二端；以及使流體從熱能儲存罐的第二端直接流動至盤管以與進(jìn)口空氣的第二進(jìn)入流 交換熱量?；诮Y(jié)合數(shù)個附圖和所附權(quán)利要求來查閱下文詳細(xì)的描述，對于本領(lǐng)域中的普通 技術(shù)人員來說，本申請的這些和其它特征將變得顯而易見。


圖1是帶有進(jìn)口空氣制冷系統(tǒng)的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的示意性視圖。圖2是加熱模式中的燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口空氣加熱和冷卻系統(tǒng)的示意性視圖。圖3是冷卻模式中的燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口空氣加熱和冷卻系統(tǒng)的示意性視圖。部件清單10 燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)
20壓縮機(jī)30燃燒器40渦輪機(jī)50夕卜負(fù)荷60進(jìn)口空氣加熱和冷卻系統(tǒng) 70冷/熱水盤管100渦輪機(jī)進(jìn)口空氣加熱和冷卻系統(tǒng)110冷/熱水盤管120 水制冷器130 一級回路140 7jC 泵141 制冷器進(jìn)口泵142 盤管進(jìn)口泵150 閥151 制冷器進(jìn)口閥152 盤管進(jìn)口閥160 自主式進(jìn)口空氣加熱和冷卻系統(tǒng)170 熱能儲存罐171 頂部172 底部180 二級回路190 閥191 罐閥192 溫水閥193 冷水閥194 旁通閥195 罐閥
具體實施例方式現(xiàn)參考附圖(在其中，全部數(shù)個視圖，相同的標(biāo)號代表相同的元件)，圖1顯示了燃 氣渦輪發(fā)動機(jī)10的示意性視圖。已知的是，燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)10可包括壓縮機(jī)20以壓縮進(jìn) 入的空氣流。壓縮機(jī)20將壓縮的空氣流輸送至燃燒器30。燃燒器30將壓縮的空氣流與燃 料流相混合并點燃混合物。(雖然只顯示了單個燃燒器30，但是燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)10可包括 任何數(shù)量的燃燒器30)。熱燃燒氣體順次輸送至渦輪機(jī)40。渦輪機(jī)40驅(qū)動壓縮機(jī)20和例 如發(fā)電機(jī)等的外負(fù)荷50。燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)10可使用天然氣、各種類型的合成氣以及其它的 燃料。在本文中，燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)10可使用其它的構(gòu)造和部件。在本示例中，燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)10還包括進(jìn)口空氣加熱和冷卻系統(tǒng)60。進(jìn)口空氣加 熱和冷卻系統(tǒng)60可定位在壓縮機(jī)20周圍并將進(jìn)入的空氣流加熱或冷卻至期望的溫度。進(jìn) 口空氣加熱和冷卻系統(tǒng)60包括冷/熱水盤管70。熱水或冷水流過盤管70并與進(jìn)入的空氣流交換熱量。進(jìn)口空氣加熱和冷卻系統(tǒng)60在其中可使用任何類型的熱交換裝置。如上文 所述，冷水可由水制冷設(shè)備提供，而熱水可通過廢熱回收系統(tǒng)或從其它的來源中提供。圖2和圖3顯示如本文所描述的渦輪機(jī)進(jìn)口空氣加熱和冷卻系統(tǒng)100。類似于上 文所述的系統(tǒng)，渦輪機(jī)進(jìn)口空氣加熱和冷卻系統(tǒng)100包括冷/熱水盤管110。如上文所述， 冷/熱水盤管Iio可定位在壓縮機(jī)20的進(jìn)口周圍。冷/熱水盤管110通過行進(jìn)通過其的 水流來加熱或冷卻進(jìn)口空氣。在本文中，可使用其它類型的熱交換裝置。
冷/熱水盤管110可與水制冷器120相連通。水制冷器120可為機(jī)械式制冷器、 吸收式制冷器，或任何傳統(tǒng)類型的制冷裝置。已知的是，水制冷器120將冷水提供至冷/熱 水盤管110，在該冷/熱水盤管110中與進(jìn)入的空氣流交換熱量。然后，溫水返回至水制冷 器120。冷/熱水盤管110可通過一級回路130與水制冷器120相連通。來自廢熱或其它 的來源的熱水也可通過一級回路130提供至冷/熱水盤管110。一級回路可包括數(shù)個水泵 140(其包括制冷器進(jìn)口泵141和盤管進(jìn)口泵142)和數(shù)個閥150(其包括制冷器進(jìn)口閥151 和盤管進(jìn)口閥152)，以控制通過其的水流。值得注意的是，術(shù)語“熱”、“溫”、“冷”以及“涼”以相對意義加以使用。在本文中，
不意在限制可適用的溫度范圍。渦輪機(jī)進(jìn)口空氣加熱和冷卻系統(tǒng)100還可包括自主式進(jìn)口空氣加熱和冷卻系統(tǒng) 160。自主式進(jìn)口空氣加熱和冷卻系統(tǒng)160可包括熱能儲存罐170。熱能儲存罐170可為傳 統(tǒng)的分層水熱儲存系統(tǒng)。在本文中，還可使用其它類型的液體。溫水上升至罐170的頂部 分171，而較涼的水下落至罐170的底部分172。熱能儲存罐170可通過二級回路180與冷 /熱水盤管110相連通。二級回路180通過數(shù)個二級回路閥190聯(lián)結(jié)到一級回路130中。 這些閥包括罐閥191和195、溫水閥192、冷水閥193、以及旁通閥194。圖2顯示加熱模式中的自主式進(jìn)口空氣加熱和冷卻系統(tǒng)160的使用。在該模式中， 切斷水制冷器120。冷水閥193和罐閥195關(guān)閉，而罐閥191、溫水閥192以及旁通閥194打 開。來自熱能儲存罐170的頂部171的溫水通過溫水閥192并進(jìn)入到一級回路130中。溫 水通過冷/熱水盤管110，在該冷/熱水盤管110中，溫水對冷的進(jìn)入空氣進(jìn)行加溫。此時 較冷的水流通過一級回路130、旁通閥194以及罐閥191返回到熱能儲存罐170的底部172 中?？蓪⒃诩s40華氏度(約4. 4攝氏度)以下的冷的環(huán)境空氣調(diào)節(jié)到約55華氏度 (約12. 8攝氏度)，以便提供在非峰荷時間期間可為有利的高效的部分加荷。通過冷/熱水 盤管110的水將從約58華氏度(約14. 4攝氏度)冷卻至約42華氏度(約5. 6攝氏度)。因此，自主式進(jìn)口空氣加熱和冷卻系統(tǒng)160的加熱模式在不消耗外部熱能的情況 下加熱進(jìn)入的空氣流。行進(jìn)通過冷/熱水盤管110的溫水還可用于壓縮機(jī)防凍，以便避免 使用進(jìn)口排熱(inlet bleed heat)。同樣地，在無外部能量或不使用防凍劑的情況下溫水 給冷/熱水盤管110以及進(jìn)口過濾器提供防凍。圖3顯示冷卻模式中的自主式進(jìn)口空氣加熱和冷卻系統(tǒng)160的使用。在該模式中， 再次切斷水制冷器120。同樣地，切斷制冷器進(jìn)口泵141。溫水閥192和旁通閥194關(guān)閉， 而冷水閥193以及罐閥191和195打開。來自熱能儲存罐170的底部172的冷水通過罐閥 191并通過冷水閥193進(jìn)入一級回路130中。然后，冷水被泵送進(jìn)入并通過冷/熱水盤管 110。因此，冷水冷卻溫的進(jìn)入的空氣流。此時較溫的水繼續(xù)流過一級回路130和罐閥195并進(jìn)入到熱能儲存罐170的頂部171中。當(dāng)環(huán)境空氣為約62華氏度(約16. 7攝氏度)時，處于約42華氏度(約5. 6攝氏度)下的排出冷水可將環(huán)境空氣流冷卻至低約45華氏度(約7. 2攝氏度)。此時較溫的水 流可以約58華氏度(約14. 4攝氏度)返回。這種冷卻效果將在峰值需求時間期間增大總 功率輸出。因此，冷卻模式在不消耗制冷能量的情況下提供進(jìn)口空氣的制冷。因此，渦輪機(jī)進(jìn)口空氣加熱和冷卻系統(tǒng)100可以許多模式運行(1)僅使用制冷器 120的進(jìn)口冷卻；(2)僅使用熱能儲存罐170的進(jìn)口冷卻；(3)通過制冷器120和熱能儲存 罐170的組合的進(jìn)口冷卻；(4)僅使用制冷器120來充填熱能儲存罐170 ； (5)使用通過余 熱回收熱交換器(未顯示)的廢熱回收的進(jìn)口加熱；(6)僅使用熱能儲存罐170的充填的 進(jìn)口加熱；以及(7)使用來自余熱回收熱交換器的廢熱和熱能儲存罐170的充填的組合的 進(jìn)口加熱。模式2和模式6提供完全自主式的冷卻和加熱。在本文中，可使用其它的構(gòu)造。 在本文中，還可使用其它類型的熱源。渦輪機(jī)進(jìn)口空氣加熱和冷卻系統(tǒng)100俘獲并儲存進(jìn)口空氣自身的熱能量或冷能 量以用于隨后的高效使用。因此，可提供相當(dāng)大的量的自主式加熱和冷卻。同樣地，可降低 寄生功率，與此同時可提高總功率生成。應(yīng)顯而易見的是，前述內(nèi)容只涉及本申請的某些實施例，并且在此可由本領(lǐng)域中 的普通技術(shù)人員進(jìn)行許多變化和改型，而不脫離如由所附權(quán)利要求及其等同物所限定的本 發(fā)明的一般的精神和范圍。
權(quán)利要求
一種用于渦輪壓縮機(jī)(20)的進(jìn)口空氣的加熱和冷卻系統(tǒng)(100)，包括定位在所述渦輪壓縮機(jī)(20)周圍的流體盤管(110)；和熱能儲存罐(170)；所述流體盤管(110)和所述熱能儲存罐(170)處于流體連通中，以使得流體不但從所述熱能儲存罐(170)提供至所述流體盤管(110)以用于與所述進(jìn)口空氣交換熱量，而且在沒有進(jìn)一步的熱交換的情況下返回至所述熱能儲存罐(170)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加熱和冷卻系統(tǒng)(100)，其特征在于，所述流體盤管(100)包 括冷/熱水盤管(110)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加熱和冷卻系統(tǒng)(100)，其特征在于，所述熱能儲存罐(170) 包括帶有頂部(171)和底部(172)的分層水熱儲存罐(170)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加熱和冷卻系統(tǒng)(100)，其特征在于，所述流體盤管(100)和 所述熱能儲存罐(170)通過回路(180)處于流體連通中。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加熱和冷卻系統(tǒng)(100)，其特征在于，所述加熱和冷卻系統(tǒng) (100)還包括冷流體閥(193)，所述冷流體閥(193)定位在所述回路(180)上以將來自所 述熱能儲存罐(170)的冷流體提供至所述流體盤管(180)；和熱流體閥(192)，所述熱流體 閥(192)定位在所述回路(180)上以將來自所述熱能儲存罐(170)的熱流體提供至所述流 體盤管(110)。
6.一種壓縮機(jī)(20)的進(jìn)口空氣的自主式加熱和冷卻的方法，包括使流體從熱能儲存罐(170)的第一端(171，172)以第一溫度直接流動至盤管(110)；在所述盤管(110)中與所述進(jìn)口空氣的第一進(jìn)入流交換熱量，以使得所述流體達(dá)到第 二溫度；以及使所述流體以所述第二溫度直接流動至所述熱能儲存罐(170)的第二端(171，172)；以及使所述流體從所述熱能儲存罐(170)的第二端(171，172)直接流動至所述盤管(110) 以與所述進(jìn)口空氣的第二進(jìn)入流交換熱量。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，使流體從熱能儲存罐(170)的第一端 (171，172)以第一溫度直接流動至盤管(110)的步驟包括使涼水從所述熱能儲存罐(170) 的底部(172)流動至水盤管(110)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，在盤管(110)中與所述進(jìn)口空氣的第一進(jìn) 入流交換熱量以使得所述流體達(dá)到第二溫度的步驟包括與溫的所述進(jìn)口空氣的進(jìn)入流交 換熱量。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述使流體從熱能儲存罐(170)的第一端 (171，172)以第一溫度直接流動至盤管(110)的步驟包括使溫水從所述熱能儲存罐(170) 的頂部(171)流動至水盤管(110)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，在盤管(110)中與所述進(jìn)口空氣的第一 進(jìn)入流交換熱量以使得所述流體達(dá)到第二溫度的步驟包括與涼的所述進(jìn)口空氣的進(jìn)入流 交換熱量。
全文摘要
本發(fā)明涉及進(jìn)口空氣加熱和冷卻系統(tǒng)，具體而言，一種用于渦輪壓縮機(jī)(20)的進(jìn)口空氣的加熱和冷卻系統(tǒng)(100)。該加熱和冷卻系統(tǒng)(100)可包括定位在渦輪壓縮機(jī)(20)周圍的流體盤管(120)和熱能儲存罐(170)。流體盤管(110)和熱能儲存罐(170)處于流體連通中，以使得流體不但從熱能儲存罐(170)提供至流體盤管(110)以用于與進(jìn)口空氣交換交換熱量，而且在沒有進(jìn)一步的熱交換的情況下返回至熱能儲存罐(170)。
文檔編號F02C7/04GK101846101SQ20091025869
公開日2010年9月29日 申請日期2009年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月11日
發(fā)明者A·莫塔克夫, P·費赫爾 申請人:通用電氣公司