CN102313273A - 低熵混燃高超临界热动力系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低熵混燃高超临界热动力系统，包括锅炉、锅炉工质腔、作功机构和燃烧室，所述燃烧室上设有燃烧室工质入口、燃烧室工质出口、氧化剂入口和燃料入口，氧化剂源经氧化剂高压供送系统与所述氧化剂入口连通，燃料源经燃料高压供送系统与所述燃料入口连通，所述燃烧室全部设置在所述锅炉工质腔内或所述燃烧室部分设置在所述锅炉工质腔内或所述燃烧室设置在所述锅炉外；所述锅炉工质腔与所述燃烧室工质入口连通，所述燃烧室工质出口与所述作功机构连通。本发明所公开的低熵混燃高超临界热动力系统，不仅效率高，而且还可以充分利用燃料资源。

Description

低熵混燃高超临界热动力系统

技术领域

本发明涉及热能与动力领域，尤其是一种低熵混燃高超临界热动力系统。

技术背景

外燃热动力系统目前应用十分广泛，如热电厂等，但是目前最先进超超临界的外燃热动力系统的工质温度也仅有630度左右，其原因是外燃加热方式所致，因为热量要穿过锅炉的传热壁，所以锅炉传热壁不仅要承受工质的高压作用，而且还要承受高于工质温度的高温作用，所以在现有材料技术的前提下，无法使工质的温度和压力继续提高。因此，急需发明一种具有更高工质温度和压力的热动力系统。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出的技术方案如下：

一种低熵混燃高超临界热动力系统，包括锅炉、锅炉工质腔、作功机构和燃烧室，所述燃烧室上设有燃烧室工质入口、燃烧室工质出口、氧化剂入口和燃料入口，氧化剂源经氧化剂高压供送系统与所述氧化剂入口连通，燃料源经燃料高压供送系统与所述燃料入口连通，所述燃烧室全部设置在所述锅炉工质腔内或所述燃烧室部分设置在所述锅炉工质腔内或所述燃烧室设置在所述锅炉外；

所述锅炉工质腔与所述燃烧室工质入口连通，所述燃烧室工质出口与所述作功机构连通。

在所述燃烧室工质入口处设增压器，所述增压器对所述燃烧室内的工质增压。

在所述燃烧室工质出口处设动力单元，所述动力单元对所述增压器输出动力。

所述作功机构对所述增压器输出动力。

所述作功机构与发电机连接。

所述低熵混燃高超临界热动力系统还包括冷凝冷却器，所述作功机构的工质出口与所述冷凝冷却器的被冷却流体入口连通，所述冷凝冷却器的被冷却流体出口与液体高压回流泵的入口连通，所述液体高压回流泵的出口与所述锅炉工质腔连通，在所述液体高压回流泵的作用下被所述冷凝冷却器液化的工质回流到所述锅炉工质腔内。

在所述冷凝冷却器的被冷却流体出口处设不凝气体导出口。

在所述冷凝冷却器的被冷却流体入口处和/或在所述冷凝冷却器的被冷却流体出口处设余量工质导出口。

所述动力单元与所述增压器同轴设置。

所述作功机构与所述增压器同轴设置。

所述作功机构设为动力透平或设为活塞式作功机构。

所述增压器设为叶轮式压缩机或活塞式压缩机。

所述动力单元设为叶轮式动力单元或活塞式动力单元。

所述燃料源内的燃料设为碳氢化合物、碳氢氧化合物或设为氢气。

所述氧化剂源内的氧化剂设为液氧、高压气态氧或过氧化氢水溶液。

所述燃料源内的燃料设为金属燃料，在所述燃烧室内和/或在所述作功机构前和/或在所述作功机构后设工质金属化合物分离器。

所述冷凝冷却器设为晾水塔。

在所述作功机构的工质出口处设回热器。

所述增压器设为叶轮式压缩机，所述作功机构设为动力透平，所述动力透平对所述叶轮式压缩机输出动力，所述叶轮式压缩机、所述燃烧室和所述动力透平的高压区设在所述锅炉工质腔内。

所述燃烧室工质入口设为冲压发动机的进气口，所述燃烧室设为冲压发动机燃烧室，所述燃烧室工质出口设为冲压发动机扩压区气体出口。

本发明的原理是将由所述锅炉工质腔产生的高温高压工质在所述燃烧室内通过相内加热的方式(即燃烧反应在来自锅炉工质腔的工质中进行)使工质吸收热量提高温度，或者将来自锅炉工质腔的高温高压工质经所述增压器增压后在所述燃烧室内通过相内加热的方式使工质的温度和压力都进一步提高，升温后或升温升压后的工质进入所述作功机构对外作功。

本发明所公开的低熵混燃高超临界热动力系统，不仅可以提高热动力系统的效率，而且还可以有效利用粗糙燃料(如煤、生物质等)和精细燃料(如汽油、柴油、氢气、金属燃料等)，使燃料资源得到更加充分的利用。

本发明所公开的低熵混燃高超临界热动力系统，所谓的金属燃料是指直接与氧发生剧烈化学反应的金属或与水反应产生氢气(氢气与氧发生化学反应)的金属，例如金属铝或金属镁等。金属燃料的使用的主要目的是规避在燃烧后产生不凝气二氧化碳；所谓的工质金属化合物分离器是指将金属燃料燃烧后产生的金属化合物进行分离的装置。

本发明所谓的冲压发动机的进气口是指冲压发动机进气道的空气入口，所谓的冲压发动机燃烧室是指由冲压发动机进气道进入的气体经扩压区增压后的气体所在的空间，所谓的冲压发动机扩压区气体出口是指冲压发动机中进入喷管之前的气体高压区。这一结构的目的是利用冲压发动机进气道将工质加速再经扩压区增压后经所述燃烧室增温后提高工质的作功能力。

在传统的利用锅炉工质腔产生高温高压工质的热动力系统中，由于是外燃加热方式，所以汽化室壁的温度要远高于其内部工质的温度，这就造成了如上所述工质的压力和温度都严重受限制的状况。而在本发明所公开的低熵混燃高超临界热动力系统中，作为进一步提高工质温度或工质温度和压力的技术手段，是采用了在工质相内混合加热的方式，即将燃烧火焰直接与工质混合，这种燃烧产生的热量不经固体界面直接对工质传热的方式可以使工质的温度远高于承载此工质的容器或管道壁的温度，为此，本发明所公开的低熵混燃高超临界热动力系统可以在现有材料技术的基础上大幅度提高作功工质的温度和压力，最终提高热动力系统的效率。

本发明所公开的低熵混燃高超临界热动力系统中，为了增加从所述燃烧室到所述作功机构高压区的承压能力，可在所述燃烧室、连接所述燃烧室和所述作功机构的连通通道和/或所述作功机构内设隔热衬。为了增加从所述燃烧室到所述作功机构高压区的承压能力，可以对所述燃烧室、连接所述燃烧室和所述作功机构的连通通道和/或所述作功机构进行适当冷却，以降低它们的壁的温度，增大其承压能力。

本发明所公开的低熵混燃高超临界热动力系统中所谓的工质可以是水或其他介质，进入所述作功机构的工质可以处于含湿状态、过热状态、临界状态、超临界状态、超超临界状态或更高压力温度状态。

本发明所谓的高超临界不仅包括工质处于过热状态、临界状态、超临界状态和超超临界状态，还包括工质处于更高温度压力状态。

本发明所公开的低熵混燃高超临界热动力系统中，在将所述燃烧室全部设在所述锅炉工质腔的结构中，不仅可以减少所述燃烧室的热量损失，而且由于所述燃烧室外部受到所述锅炉工质腔内的工质由外向内的压力作用，所以可以减少对所述燃烧室的承压能力的要求；特别是当在所述燃烧室工质入口处设置增压器时，所述燃烧室内的压力会大幅度增加，在这种情况下，如果将所述燃烧室设置在所述锅炉工质腔内，会大大减少对所述燃烧室结构强度的要求，减少所述燃烧室的造价。在将所述作功机构设为动力透平并利用所述动力透平对所述增压器输出动力的结构中，如果将所述增压器、所述燃烧室和所述动力透平的高压区设置在所述锅炉工质腔内，会减少系统的制造成本。

本发明所谓的燃烧室是指一切可以在其内部发生燃烧(剧烈放热化学反应)的容器；所谓锅炉工质腔是指存储锅炉受热后所产生的工质，此时的工质可以是蒸气、过热蒸气、临界状态工质、超临界状态工质、超超临界状态工质或更高温度压力状态的工质；所谓的作功机构是指一切可以将高温高压工质的能量转化为机械功向外输出的机械设备，如传统往复式的气缸活塞机构，动力透平，喷管等；所谓增压器是指一切可以对工质增压的装置，可以是叶轮式压缩机，也可以是活塞式压缩机等；所谓冷凝冷却器是指一切可以将工质降温冷却、冷凝的装置，它可以是散热器，也可以是热交换器，还可以是晾水塔；所谓不凝气是指在冷凝冷却器中不冷凝的气体；所谓余量工质是指因为燃烧化学反应而产生的多余的工质；所谓连通是指直接连通、间接连通或经泵、控制阀等受控连通；所谓动力单元是指为了给所述增压器提供动力而设置的可以利用所述低熵混燃高超临界热动力系统中的工质产生动力的机构，如透平或活塞曲柄连杆机构等。

本发明中应根据公知技术，在适当位置设阀、泵和相应的控制装置等。

本发明的有益效果如下：

本发明所公开的低熵混燃高超临界热动力系统，不仅效率高，而且还可以充分利用燃料资源。

附图说明

图1为本发明的实施例1的示意图；

图2为本发明的实施例2的示意图；

图3为本发明的实施例3的示意图；

图4为本发明的实施例4的示意图；

图5为本发明的实施例5的示意图；

图6为本发明的实施例6的示意图；

图7为本发明的实施例7的示意图；

图8为本发明的实施例8的示意图；

图9为本发明的实施例9的示意图；

图10为本发明的实施例10的示意图；

图11为本发明的实施例11的示意图；

图12为本发明的实施例12的示意图；

图13为本发明的实施例13的示意图；

图14为本发明的实施例14的示意图；

图15为本发明的实施例15的示意图；

图16为本发明的实施例16的示意图；

图17为本发明的实施例17的示意图；

图18为本发明的实施例18的示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示的低熵混燃高超临界热动力系统，包括锅炉1、锅炉工质腔2、作功机构3和燃烧室4，所述燃烧室4上设有燃烧室工质入口401、燃烧室工质出口402、氧化剂入口403和燃料入口404，氧化剂源5经氧化剂高压供送系统501与所述氧化剂入口403连通，燃料源6经燃料高压供送系统601与所述燃料入口404连通，所述燃烧室4全部设置在所述锅炉工质腔2内，所述锅炉工质腔2与所述燃烧室工质入口401连通，所述燃烧室工质出口402与所述作功机构3连通。所述低熵混燃高超临界热动力系统还包括冷凝冷却器10，所述作功机构3的工质出口与所述冷凝冷却器10的被冷却流体入口连通，所述冷凝冷却器10的被冷却流体出口与液体高压回流泵11的入口连通，所述液体高压回流泵11的出口与所述锅炉工质腔2连通，在所述液体高压回流泵11的作用下被所述冷凝冷却器10液化的工质回流到所述锅炉工质腔2内。所述燃料源6内的燃料设为碳氢化合物、碳氢氧化合物或设为氢气。所述氧化剂源5内的氧化剂设为液氧、高压气态氧或过氧化氢水溶液。

实施例2

如图2所示的低熵混燃高超临界热动力系统，其与实施例1的区别在于：。所述燃烧室4部分设置在所述锅炉工质腔2内。这样设置的目的不仅可以减少所述燃烧室的热量损失，而且由于所述燃烧室外部受到所述锅炉工质腔内的工质由外向内的压力作用，所以可以减少对所述燃烧室的承压能力的要求。

实施例3

如图3所示的低熵混燃高超临界热动力系统，其与实施例1的区别在于：所述燃烧室4设置在所述锅炉1外。

实施例4

如图4所示的低熵混燃高超临界热动力系统，其与实施例3的区别在于：在所述燃烧室工质入口401处设增压器7，所述增压器7对所述燃烧室4内的工质增压，在所述燃烧室工质出口402处设动力单元8，所述动力单元8对所述增压器7输出动力，所述动力单元8与所述增压器7同轴设置，并且所述动力单元8与所述增压器7的连接轴设在所述燃烧室4内。

实施例5

如图5所示的低熵混燃高超临界热动力系统，其与实施例4的区别在于：所述动力单元8与所述增压器7同轴设置，并且所述动力单元8与所述增压器7的连接轴设在所述燃烧室4外，这样设置的目的是为了减少对所述连接轴的热负荷要求，减少制造成本。

实施例6

如图6所示的低熵混燃高超临界热动力系统，其与实施例3的区别在于：在所述燃烧室工质入口401处设增压器7，所述增压器7对所述燃烧室4内的工质增压，所述作功机构3对所述增压器7输出动力，所述作功机构3与所述增压器7同轴设置。

实施例7

如图7所示的低熵混燃高超临界热动力系统，其与实施例5的区别在于：所述作功机构3与发电机9连接，在所述冷凝冷却器10的被冷却流体出口处设不凝气体导出口12，所述作功机构3设为动力透平301。

实施例8

如图8所示的低熵混燃高超临界热动力系统，其与实施例1的区别在于：所述作功机构3设为活塞式作功机构302，在所述冷凝冷却器10的被冷却流体入口处和所述冷凝冷却器10的被冷却流体出口处设余量工质导出口13。

具体实施时，还可以在所述冷凝冷却器10的被冷却流体入口处或在所述冷凝冷却器10的被冷却流体出口处设余量工质导出口13。

实施例9

如图9所示的低熵混燃高超临界热动力系统，其与实施例1的区别在于：所述增压器7设为叶轮式压缩机701，所述动力单元8设为叶轮式动力单元801。

实施例10

如图10所示的低熵混燃高超临界热动力系统，其与实施例3的区别在于：所述增压器7设为活塞式压缩机702，所述动力单元8设为活塞式动力单元。

实施例11

如图11所示的低熵混燃高超临界热动力系统，其与实施例3的区别在于：在所述燃烧室4壁的内侧设隔热衬40。

实施例12

如图12所示的低熵混燃高超临界热动力系统，其与实施例3的区别在于：在所述燃烧室4壁的外侧设散热结构110。

实施例13

如图13所示的低熵混燃高超临界热动力系统，其与实施例1的区别在于：所述燃料源6内的燃料设为金属燃料，在所述燃烧室4内和/或在所述作功机构3前和/或在所述作功机构3后设工质金属化合物分离器405。

实施例14

如图14所示的低熵混燃高超临界热动力系统，其与实施例3的区别在于：所述冷凝冷却器10设为晾水塔100。

实施例15

如图15所示的低熵混燃高超临界热动力系统，其与实施例3的区别在于：在所述作功机构3的工质出口处设回热器200。

实施例16

如图16所示的低熵混燃高超临界热动力系统，其与实施例3的区别在于：所述燃烧室工质入口401设为冲压发动机的进气口4001，所述燃烧室4设为冲压发动机燃烧室400，所述燃烧室工质出口402设为冲压发动机扩压区气体出口4002。这样可以利用冲压发动机的扩压区对气体工质进行压缩，提高气体工质的作功能力。

实施例17

如图17所示的低熵混燃高超临界热动力系统，其与实施例3的区别在于：所述作功机构3设为动力透平301，所述增压器7设为叶轮式压缩机701，所述动力透平301设在所述燃烧室工质出口402内，所述动力透平301对所述叶轮式压缩机701输出动力的同时对外输出动力。

实施例18

如图18所示的低熵混燃高超临界热动力系统，其与实施例4的区别在于：所述增压器7设为叶轮式压缩机701，所述作功机构3设为动力透平301，所述动力透平301对所述叶轮式压缩机701输出动力，所述叶轮式压缩机701、所述燃烧室4和所述动力透平301的高压区设在所述锅炉工质腔2内。

Claims (20)

1.一种低熵混燃高超临界热动力系统，包括锅炉(1)、锅炉工质腔(2)、作功机构(3)和燃烧室(4)，其特征在于：所述燃烧室(4)上设有燃烧室工质入口(401)、燃烧室工质出口(402)、氧化剂入口(403)和燃料入口(404)，氧化剂源(5)经氧化剂高压供送系统(501)与所述氧化剂入口(403)连通，燃料源(6)经燃料高压供送系统(601)与所述燃料入口(404)连通，所述燃烧室(4)全部设置在所述锅炉工质腔(2)内或所述燃烧室(4)部分设置在所述锅炉工质腔(2)内或所述燃烧室(4)设置在所述锅炉(1)外；

所述锅炉工质腔(2)与所述燃烧室工质入口(401)连通，所述燃烧室工质出口(402)与所述作功机构(3)连通。

2.根据权利要求1所述低熵混燃高超临界热动力系统，其特征在于：在所述燃烧室工质入口(401)处设增压器(7)，所述增压器(7)对所述燃烧室(4)内的工质增压。

3.根据权利要求2所述低熵混燃高超临界热动力系统，其特征在于：在所述燃烧室工质出口(402)处设动力单元(8)，所述动力单元(8)对所述增压器(7)输出动力。

4.根据权利要求2所述的低熵混燃高超临界热动力系统，其特征在于：所述作功机构(3)对所述增压器(7)输出动力。

5.根据权利要求1所述低熵混燃高超临界热动力系统，其特征在于：所述作功机构(3)与发电机(9)连接。

6.根据权利要求1所述低熵混燃高超临界热动力系统，其特征在于：所述低熵混燃高超临界热动力系统还包括冷凝冷却器(10)，所述作功机构(3)的工质出口与所述冷凝冷却器(10)的被冷却流体入口连通，所述冷凝冷却器(10)的被冷却流体出口与液体高压回流泵(11)的入口连通，所述液体高压回流泵(11)的出口与所述锅炉工质腔(2)连通，在所述液体高压回流泵(11)的作用下被所述冷凝冷却器(10)液化的工质回流到所述锅炉工质腔(2)内。

7.根据权利要求6所述低熵混燃高超临界热动力系统，其特征在于：在所述冷凝冷却器(10)的被冷却流体出口处设不凝气体导出口(12)。

8.根据权利要求6所述低熵混燃高超临界热动力系统，其特征在于：在所述冷凝冷却器(10)的被冷却流体入口处和/或在所述冷凝冷却器(10)的被冷却流体出口处设余量工质导出口(13)。

9.根据权利要求3所述低熵混燃高超临界热动力系统，其特征在于：所述动力单元(8)与所述增压器(7)同轴设置。

10.根据权利要求4所述低熵混燃高超临界热动力系统，其特征在于：所述作功机构(3)与所述增压器(7)同轴设置。

11.根据权利要求1所述低熵混燃高超临界热动力系统，其特征在于：所述作功机构(3)设为动力透平(301)或设为活塞式作功机构(302)。

12.根据权利要求2所述低熵混燃高超临界热动力系统，其特征在于：所述增压器(7)设为叶轮式压缩机(701)或活塞式压缩机(702)。

13.根据权利要求3所述低熵混燃高超临界热动力系统，其特征在于：所述动力单元(8)设为叶轮式动力单元(801)或活塞式动力单元。

14.根据权利要求1所述低熵混燃高超临界热动力系统，其特征在于：所述燃料源(6)内的燃料设为碳氢化合物、碳氢氧化合物或设为氢气。

15.根据权利要求1所述低熵混燃高超临界热动力系统，其特征在于：所述氧化剂源(5)内的氧化剂设为液氧、高压气态氧或过氧化氢水溶液。

16.根据权利要求1所述低熵混燃高超临界热动力系统，其特征在于：所述燃料源(6)内的燃料设为金属燃料，在所述燃烧室(4)内和/或在所述作功机构(3)前和/或在所述作功机构(3)后设工质金属化合物分离器(405)。

17.根据权利要求6所述低熵混燃高超临界热动力系统，其特征在于：所述冷凝冷却器(10)设为晾水塔(100)。

18.根据权利要求1所述低熵混燃高超临界热动力系统，其特征在于：在所述作功机构(3)的工质出口处设回热器(200)。

19.根据权利要求2所述低熵混燃高超临界热动力系统，其特征在于：所述增压器(7)设为叶轮式压缩机(701)，所述作功机构(3)设为动力透平(301)，所述动力透平(301)对所述叶轮式压缩机(701)输出动力，所述叶轮式压缩机(701)、所述燃烧室(4)和所述动力透平(301)的高压区设在所述锅炉工质腔(2)内。

20.根据权利要求1所述低熵混燃高超临界热动力系统，其特征在于：所述燃烧室工质入口(401)设为冲压发动机的进气口(4001)，所述燃烧室(4)设为冲压发动机燃烧室(400)，所述燃烧室工质出口(402)设为冲压发动机扩压区气体出口(4002)。

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