CN101737105B

CN101737105B - 一种采用热循环的机组

Info

Publication number: CN101737105B
Application number: CN 200810147740
Authority: CN
Inventors: 田家良
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-11-27
Filing date: 2008-11-27
Publication date: 2013-01-02
Anticipated expiration: 2028-11-27
Also published as: CN101737105A

Abstract

本发明公开了一种采用热循环的机组，对初始的工质加压，将已获得高压的工质导入到乏汽冷凝器的小头中，与乏汽隔壁逆向或横向流动，边流动边吸取乏汽里的热量，再对工质进行补充加热，形成高温高压，让高温高压的工质等容通过汽轮机，凭压差推动叶轮旋转做功，再将乏汽导入到乏汽冷凝器的大头中，与工质隔壁逆向或横向流动，边流动边放热降温，逐渐凝结成液体，液体再进一步冷却降温，又形成初始状态。本发明克服了公知的双曲线冷却塔冷却方式的缺点，也克服了现在所有热机都要大量消耗燃料，大量排出废气和严重污染环境的公知弊病。

Description

一种采用热循环的机组

技术领域

本发明涉及一种热机，特别是一种高效率热循环动力机组或动力发电机组。

背景技术

在现代火力发电厂中，人们根据《热力学》理论，以水为工质，通过锅炉设备加热，使水吸收燃料燃烧时放出的热量，产生具有一定压力和温度的蒸汽。将这种具有一定压力和温度的蒸汽导入到汽轮机里，冲击带叶轮的转子，使转子在转动的同时，带动同轴上的发电机转子旋转而发电。通过汽轮机做功后的工质叫做乏汽。乏汽通过双曲线冷却塔放热凝结成水，经过高压泵加压，提高压力后又送回锅炉继续工作，工质这样完成的循环，通常叫做朗肯循环。双曲线冷却塔是百年以前发明的，其工作原理是将自然界里的冷水抽到塔的高处，让冷水从塔的高处往下流，让乏汽从下往上升，冷水和乏汽隔着管壁充分交换热量，使乏汽放热降温后变成液体，体积缩小1700倍，通常利用同当量的低温蒸汽与水的体积比为1700∶1的物理特性，使汽轮机末端形成真空度，以提高工质在汽轮机前端和后端的压差。但是，这样交换的结果却使热能损失很多，浪费电厂40％以上的燃料。因此，电厂的冷却塔是当代最大的热能浪费及热污染源。能源浪费一方面是电厂燃料消耗巨大，很不经济，造成巨大的资源浪费；另一方面是锅炉排出大量的有害气体(CO₂、SO₂等)，以致于酸雨和温室效应增加，破坏了地球的环境。所以，这种现状必须得到改变。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够克服公知技术的缺点，使乏汽不通过现有技术的双曲线冷却塔，避免造成过多的热损失，直接利用乏汽里的热量去继续参与作功的一种热机的循环方法。

为实现上述目的，本发明的方案为：

1、对工质加压，

2、将已获得高压的工质导入到乏汽冷凝器小头的进口，从小头到大头，与乏汽隔壁逆向或横向流动，边流动边吸取乏汽里的热量，体积逐渐膨胀，实现回热升温，

3、对已回热升温的工质进行补充加热，实现进一步升温，形成具有做功潜力的高温高压状态，

4、让高温高压的工质等容通过汽轮机，凭压差推动叶轮旋转做功，

5、将乏汽导入到乏汽冷凝器大头的进口，从大头到小头，与工质隔壁逆向或横向流动，边流动边放热降温，逐渐凝结成液体，形成真空度，导致在汽轮机前端和后端出现很大的压强差，

6、将从乏汽冷凝器小头里出来的液态工质，导入到乏汽冷凝尻中，与自然界的冷水或空气隔壁逆向或横向或斜向流动，边流动边交换热量，实现排热和进一步降温，使之成为进入高压泵的最低温度状态，以便于重复从1开始的循环。

在进行热交换的乏汽冷凝器里，过程2和过程5，互为逆过程。

方案中所叙述的原理为：过程1中从乏汽冷凝尻里出来的液态工质进入到高压泵里，经过加压，状态由P₀V₀t₀变成P₁V₁t₁，其中的P为压强，V为体积，t表示温度，脚标0、1、2......是过程标识。

按过程2和5所述，乏汽冷凝器可制造成一头小，一头大，小头分别有工质进口和乏汽出口，大头分别有工质出口和乏汽进口，里面是横截总面积由小变大的管道组，管外是横截总面积由大变小的乏汽通道组。管道组是从小头到大头，数量逐渐增多，横截总面积逐渐增大的许多管道，管外的乏汽通道组是从大头到小头，数量逐渐减少，横截总面积逐渐减小的许多通道，并且管道和通道都是在具有绝热和耐高温高压的壳体之内。从高压泵里出来的工质，作为低温热源，从乏汽冷凝器的小头进、大头出；乏汽作为高温热源，从乏汽冷凝器的大头进、小头出，相互隔着管壁逆向或横向流动，在温差的作用下，边流动边交换热量。这样，工质吸取了热量，由液体膨胀成了气体，体积增长了很多倍，形成了能够做功的潜力；而乏汽放掉了热量，从气体冷缩成了液体，体积缩小了很多倍，形成了真空度，导致工质在汽轮机前端和后端出现很大的压差，压差与乏汽体积的改变量之积，就是工质在通过汽轮机凭压差推动叶轮旋转时做出的功量。通过热交换，工质到了乏汽冷凝器大头的出口，与乏汽的温度端差应该是尽可能的小，状态由P₁V₁t₁变成P₂V₂t₂，其中，1是工质出高压泵的状态，2是出了乏汽冷凝器大头的状态。

乏汽冷凝器的设计方案可以多样化，结构、形状和样式也可以多样化，只要工质和乏汽能够尽量、尽快地交换热量、壳体能够绝热就可以了。本方案设计的乏汽冷凝器是实施本方案技术的关键，用乏汽冷凝器将乏汽中的热量直接用来加热具有高压性质的工质，而不是白白的为了冷却乏汽而将其导入双曲线冷却塔，白白地放掉热量，这是与已有技术根本的区别。

在过程3中，从乏汽冷凝器大头出来状态为P₂V₂t₂的工质，进入到电热锅炉里，隔着管壁或器壁加热，使工质在温差的作用下得到补热升温，状态达到设计标准的P₃V₃t₃，。在启动时，电热锅炉烧燃料或用外电，在启动后用机组自身发出的电，电热锅炉的结构、形状和样式可以多样化。现有的汽轮机组、燃汽轮机组和各种内燃机都没有电热锅炉这个部件。本发明首先用电力代替燃料，是一个技术创新。

工质通过乏汽冷凝器后回收了热量，具有做功的潜力，但是由于客观存在着散热损失和摩擦阻力，会使循环总热量逐渐减少，运转逐渐变慢，做功终究不能持续，所以，要使工质和热量持续循环，机组持续做功，就必须通过电热锅炉给工质补充加热，补充的热量，作用不仅是参与了对外做功，更重要的是补充和维持了热量循环。

在过程4中，从电热锅炉里出来的工质，等容通过汽轮机，凭压差推动叶轮旋转做功后，状态变成P₄V₄t₄。所述的压差由工质热胀冷缩产生，压差和体积变化是作功的要素，可以这样理解：

在气缸里受了热的工质，因体积膨胀而做的功，称为膨胀功或热胀功，因体积冷缩而做的功，称为冷缩功。热胀功和冷缩功的性质完全相同。

为了便于理解，把机组看成是一个带有活塞的圆形气缸，而活塞可以看作是叶轮，气缸里是受了热的工质，活塞上所受到的外压是一堆细砂的重力作用。我们把每一粒砂子都看成是无限小的重量。当我们每取走一粒砂子时，都引起工质作无限小的膨胀，并且每次膨胀时，工质的内压总比外压大dp。这样，当砂子被取完后，整个过程在区间〔V_小，V_大〕所做的膨胀功，

dv。然而，如果不是一粒一粒地取走砂子，而是用冷却的办法，去一点一点地取走工质里的热量，那么，当我们每取走一点热量时，都引起工质的体积作无限小的冷缩，即体积的微小改变dv，并且，在每次冷缩过程中，活塞都因砂子的重力作用而下移并做微小的冷缩功dA＝10pdv。这样，当热量被取完后，整个过程在区间〔V_小，V_大〕所做的冷缩功

由于活塞上的砂子没有减少，重力压强P没有变化，所以，A_冷＝10P(V_大_V_小)。如果不是一点一点地取走热量，而是在一瞬间就全部取走工质里的热量，使气缸里的工质突然冷缩成坚冰。那么，活塞承受的外压是P，内压是0，工质的体积是V_大，坚冰的体积是V_小。当外压推动活塞移动到坚冰时，活塞对外做出的冷缩功A_冷＝10(P-0)(V_大-V_小)，即A_冷＝10P(V_大-V_小)。用其它方式也可以证明，A_冷＝10P(V_大-V_小)是计算冷缩功的唯一正确公式。

P表示压强，单位是公斤/[厘米]²。V表示体积，单位是升，t表示温度，单位是摄氏度。A表示功量，单位是公斤.米。10是公式中的常数。

按过程5所述，从汽轮机里出来的工质叫做乏汽，状态为P₄v₄t₄。乏汽进入到乏汽冷凝器的大头，从大头到小头，与工质隔着管壁逆向或横向流动，边流动边放热降温，逐渐凝结成液体，形成真空度，致使工质在汽轮机前端和后端出现能够推动叶轮旋转做功的压强差。乏汽凝结成的液态工质到了乏汽冷凝器小头的出口，状态由P₄v₄t₄变成P₅v₅t₅。

按过程6所述，从乏汽冷凝器小头出来的液态工质状态为P₅V₅t₅，进入到乏汽冷凝尻里，隔着管壁或器壁与自然界里的冷水或空气横向或逆向流动，在温差的作用下交换热量，进一步放热降温，直到状态达到设计标准的P₀V₀t₀时，才出了乏汽冷凝尻，进入到高压泵里，又重复进行从1开始的循环。冷水或空气吸取了热量，通过流动的方式，将热量排出乏汽冷凝尻，散发到自然界里。所述的乏汽冷凝尻的结构，为一个散热装置，当设计制造小的机组时，或者需要排放的热量很少，那么，乏汽冷凝尻可以尽量简化，可以简化得只用水箱或电风扇排热，甚至还可以简化得只用金属小管自然散热。

上述由(1)加压过程，(2)回热升温过程，(3)补热升温过程，(4)对外做功过程，(5)放热降温过程，(6)排热降温过程构成的循环，称为田淡循环。与朗肯循环不同，田淡循环是以回热为主，以补热为辅，只取冷缩功，不取膨胀功的高效循环。

为了尽量地回收乏汽里的热量，确保乏汽能够处于高温态势，所以，只准高温高压的工质等容通过汽轮机，以压差去推动叶轮旋转做功；对于温度仍然很高的乏汽，不是用现在公知的减压方式去使体积膨胀，导致温度降低；而是用取走热量的冷却方式去导致温度降低，体积缩小，才使压强减少。这样克服了现在所有热机不能将乏汽全部用作高温热源的公知缺点。

下面结合图示及实施例对本发明的方案作进一步的说明。

附图说明：

图1是一种采用热循环的机组结构示意图；

图2是电热锅炉正视图；

图3是电热锅炉俯视图；

图4是电热锅炉左视图；

图5是电热锅炉右视图；

图6是汽轮机纵截面示意图；

图7为长方圆管正视图；

图8为图7横截面示意图；

图9为长方管截面示意图；

图10为长方圆管俯视图；

图11为长方管俯视图；

图12是一种采用热循环的机组的原理图。

具体实施方式：

实施例1：本方案的原理可通过如图1的结构得到理解，如图1所示，工质的初始状态为P₀V₀t₀，经过高压泵1加压后，状态由P₀V₀t₀变为P₁V₁t₁，出了高压泵1，工质循着管道2进入乏汽冷凝器3的小头，通过热交换，实现回热升温，到了乏汽冷凝器3的大头，状态由P₁V₁t₁变为P₂V₂t₂，从乏汽冷凝器3的大头出来，工质循着管道4进入电热锅炉5，通过热交换，实现补热升温后，状态由P₂V₂t₂变为P₃V₃t₃，出了电热锅炉，工质循着管道6进入汽轮机7，通过等容做功后，状态由P₃V₃t₃变为P₄V₄t₄，做功后的工质形成乏汽，乏汽循着管道8进入乏汽冷凝器3的大头，通过热交换，实现放热降温，到了乏汽冷凝器3的小头，状态由P₄V₄t₄变成了液体状态的P₅V₅t₅，出了乏汽冷凝器3的小头，液态工质循着管道9进入乏汽冷凝尻10，通过热交换，实现排热降温，使工质进一步冷却，状态由P₅V₅t₅变成设计标准的最低温度状态P₀V₀t₀，出了乏汽冷凝尻，工质循着管道11进入高压泵1，就完成了一次循环，又开始进行重复循环。

在工质循环的同时，冷却工质也在循环，冷却工质经过水泵12加压，循着管道13进入乏汽冷凝尻10，通过热交换，吸取了热量，出了乏汽冷凝尻，循着管道14回热去处15，散发携带的热量，这是附属循环。16为发电机，其余的是除氧器，电脑控制系统等零配件。

乏汽冷凝器的内管等零部件必须要有耐高温、耐高压、耐腐蚀、传热快和内外光滑的性能，其壳必须要有耐高温、耐高压、耐腐蚀和绝热的性能。

乏汽冷凝尻是乏汽冷凝器的尾端，既有冷却排热的作用，又有调节和维持热平衡的作用。

图2是电热锅炉正视图，所述的电热锅炉包括锅炉底17，锅炉盖18，中隔19，气道20，燃烧室21，点火装置及燃烧嘴22，工质流动受热管23，烟囱24，热套管25，电热管26。

所述的电热锅炉分为前后两部分。前一部分是用燃烧燃料来增加热量，作用是启动机组运转，后一部分是用机组自身发出来的一少部分电来增加热量，作用是维持机组运转。如果机组较小或是很小，由于启动时耗热量不多，用电热启动代替用燃料启动的差值不太大，那么，就可以省去锅炉的前部分。这样，机组在启动时用外电，在启动后用自身发出的一少部分电，就显得尤为合算。机组无论是大还是小，电热锅炉及内部的管道都必须要有能够承受高温高压，内部光滑，传热快的性能，锅炉外必须要有隔热保温层。

图3是电热锅炉俯视图，包括锅炉壁27，中隔19，工质流动受热管23，热套管25，工质28，表示锅炉内的工质流动方向的箭头29。

热套管和电热管在图中是竖直的，横的也可以，工业上用电能转变成热能的方式和材料比较多，原则上选用效率高，经久耐用，简便易换的均可，结构和形状从优择用，只要能够实现用电热代替燃料燃烧的目的就行。

图4是电热锅炉左视图，包括锅炉壁27，锅炉底17，锅炉盖18，热套管25，电热管26，工质28。

电热锅炉必须要有电热元件和电路、开关、测温、控温、测压，控压的配套设备或部件，相关之处还需要有隔热盖(或门)，当机组启动后，炉火关闭时，炉底和烟囱要用隔热盖即时关闭，安装或更换电热元件后，其口也要用隔热盖即时关闭，以防热量散失，锅炉壳体必须要有绝热性能。

炉底除了有可开可关的隔热盖之外就是框架，框架内是些气管，气管跟燃烧嘴和点火装置相连接。

图5是电热锅炉右视图，包括锅炉壁27，锅炉底17，锅炉盖18，工质流动受热管23，工质28，点火装置及燃烧嘴30，燃烧室21，气道31。

图6是汽轮机纵截面示意图，包括壳32，叶片33，传动轴34，工质28，叶轮的组件，结构和形状等都可参照工业产品进行生产，也可以在工业产品的基础上进行如图示所示之意的改进。即叶片远端跟壳体有几毫米的啮合。

叶轮与其部件和它的壳体都必须要有耐高温、耐高压、耐冲击、耐磨损的性能，其壳体还须有隔热保温的性能。

传动轴的冷却，传动轴与固定部件之间的滚珠安装和密封，都按现有的工业方法处理或制造。

汽轮机的组成、结构和形状跟现有的水轮机组相似，而不同于现有的汽轮机，性能跟现有的汽轮机相似，而不同于现有的水轮机。

把现有工业产品的组成、结构、形状、技术、工艺等优点和性能揉和起来，生产出适用于田淡机组需要的一些部件，零件、机器、实质上就是创造出来的工业新产品。

图7为长方圆管正视图，包括管壁35，管底36，管盖37，管口38，虚线表示一方无壁。

图8为图7横截面示意图，包括管壁35，管底36，管盖37，上合沿，下合沿38。

图9为长方管截面示意图，包括管壁35，管底36，管盖37，长方管或长方圆管是大功率或超大功率机组前头需用的管道，性能要求耐高温高压，管内要求要光滑，阻力小，管外要求要有保温隔热层，如果要生产的机组功率一般，或者较小，那么，不用长方管或长方圆管，选用圆管也是可以的，但要求耐高温高压，隔热保温，内部光滑的性能不变。

图10为长方圆管俯视图，包括管盖37，上合沿38，进口39，出口40。

图11为长方管俯视图，包括管盖37，边沿41，管道的功能就是便于工质流动。至于形状是方的、圆的、扁的、正的、椭的、直的、弯的，只要造得出来，成本低廉，内部光滑，能够承受高温高压，具有隔热保温的作用，那么都是可以的。外形也一样，可以灵活选择。

实施例2：本方案的原理也可通过如图12的结构得到理解，如图12所示，工质的初始状态为P₀V₀t₀，经过高压泵42加压后，状态由P₀V₀t₀变为P₁V₁t₁，出了高压泵42，工质循着管道43进入乏汽冷凝器44的小头，通过热交换，实现回热升温，到了乏汽冷凝器44的大头，状态由P₁V₁t₁变为P₂V₂t₂，从乏汽冷凝器44的大头出来，工质循着管道45进入电热锅炉46，通过热交换，实现补热升温后，状态由P₂V₂t₂变为P₃V₃t₃，出了电热锅炉，工质循着管道47进入汽轮机48，通过等容做功后，状态由P₃V₃t₃变为P₄V₄t₄，做功后的工质形成乏汽，乏汽循着管道49进入乏汽冷凝器50的大头，通过热交换，实现放热降温，到了乏汽冷凝器50的小头，状态由P₄V₄t₄变成了液体状态的P₅V₅t₅，出了乏汽冷凝器50的小头，液态工质循着管道51进入乏汽冷凝尻52，通过热交换，实现排热降温，使工质进一步冷却，状态由P₅V₅t₅变成设计标准的最低温度状态P₀V₀t₀，出了乏汽冷凝尻52，工质循着管道53进入高压泵42，就完成了一次循环，又开始进行重复循环。

在工质循环的同时，冷却工质也在循环，冷却工质经过第二水泵54加压，循着管道55进入乏气冷凝尻52，通过热交换，吸取了热量，出了乏汽冷凝尻，循着管道56回热去处57，散发携带的热量，这是附属循环。

乏汽冷凝器的内管等零部件必须要有耐高温、耐高压、耐腐蚀、传热快和内外光滑的性能，其壳必须要在耐高温、耐高压、耐腐蚀和绝热的性能。

Claims

1.一种采用热循环的机组，其特征在于：按下列步骤进行：

(1)对工质加压，

(2)将已获得高压的工质导入到乏汽冷凝器小头的进口，从小头到大头，与乏汽隔壁逆向或横向流动，边流动边吸取乏汽里的热量，体积逐渐膨胀，实现回热升温，

(3)对已回热升温的工质进行补充加热，实现进一步升温，形成具有做功潜力的高温高压状态，

(4)让高温高压的工质等容通过汽轮机，凭压差推动叶轮旋转做功，

(5)将乏汽导入到乏汽冷凝器大头的进口，从大头到小头，与工质隔壁逆向或横向流动，边流动边放热降温，逐渐凝结成液体，形成真空度，导致在汽轮机前端和后端出现很大的压强差，

(6)将从乏汽冷凝器小头里出来的液态工质，导入到乏汽冷凝尻中，与自然界的冷水或空气隔壁逆向或横向或斜向流动，边流动边交换热量，实现排热和进一步降温，使之成为进入高压泵的最低温度状态，以便于重复从(1)开始的循环。

2.根据权利要求1所述的一种采用热循环的机组，其特征在于：乏汽冷凝器制造成一头小，一头大，里面是横截总面积由小变大的管道组，管外是横截总面积由大变小的乏汽通道组。

3.根据权利要求2所述的一种采用热循环的机组，其特征在于：管道组是从小头到大头，数量逐渐增多，横截总面积逐渐增大的许多管道。

4.根据权利要求2所述的一种采用热循环的机组，其特征在于：管外的乏汽通道组是从大头到小头，数量逐渐减少，横截总面积逐渐减小的许多通道，并且管道和通道都是在具有绝热和耐高温高压的壳体之内。

5.根据权利要求1所述的一种采用热循环的机组，其特征在于：乏汽冷凝尻是乏汽冷凝器的尾端，既有冷却排热的作用，又有调节和维持热平衡的作用。