CN104806297A - 一种余热利用的方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种余热利用的方法的目的是提供一种低温余热能量回收再利用的蒸气机械装置。特别是在低温余热的回收利用问题，尤其是在低温余热的利用方面，有着经济的制造成本，较高的投资回报。本发明的是利用活塞式蒸汽机来将余热转化为机械能。

Description

一种余热利用的方法

技术领域

一种余热利用方法特别是余热来驱动活塞蒸汽机。

背景技术

世界上第一台蒸汽机是由古希腊数学家亚历山大港的希罗（Hero of Alexandria）于1世纪发明的汽转球（Aeolipile），是蒸汽机的雏形。

约1679年法国物理学家丹尼斯·巴本在观察蒸汽逃离他的高压锅后制造了第一台蒸汽机的工作模型。约与此同时萨缪尔·莫兰也提出了蒸汽机詹姆斯·瓦特（James Watt).

的主意。

1698年托马斯·塞维利、1712年托马斯·纽科门和1769年詹姆斯·瓦特制造了早期的工业蒸汽机，他们对蒸汽机的发展都做出了自己的贡献。1807年罗伯特·富尔顿第一个成功地用蒸汽机来驱动轮船。瓦特运用科学理论，逐渐发现了这种蒸汽机的毛病所在。从1765年到1790年，他进行了一系列发明，比如分离式冷凝器、汽缸外设置绝热层、用油润滑活塞、行星式齿轮、平行运动连杆机构、离心式调速器、节气阀、压力计等等，使蒸汽机的效率提高到原来纽科门机的3倍多，最终发明出了现代意义上的蒸汽机。

16世纪末到17世纪后期，英国的采矿业，特别是煤矿，已发展到相当的规模，单靠人力、畜力已难以满足排除矿井地下水的要求，而现场又有丰富而廉价的煤作为燃料。现实的需要促使许多人，如英国的帕潘、萨弗里、纽科门等就致力于“以火力提水”的探索和试验。

最初的真空蒸汽机被用来将矿井里的水抽出来。纽科门的蒸汽机将蒸汽引入气缸后阀门被关闭，然后冷水被撒入汽缸，蒸汽凝结时造成真空。活塞另一面的空气压力推动活塞。在矿井中联结一根深入竖井的杆来驱动一个泵。蒸汽机活塞的运动通过这根杆传到泵的活塞来将水抽到井外。

第一个巨大的改善是将气缸与凝结缸通过一个阀门分开。瓦特在伯明翰发明了这个改进。这个改进提高了蒸汽机的效率。下一个改进是将阀门的操作自动化。

这些早期的真空蒸汽机的效率有限，但它们比较安全，因为它们的压力比较低，在物质发生损坏的情况下机器向内收缩，而不是向外爆炸。它们的效率受外部气压、气缸变形、燃烧和沸腾的效率和凝结能力的限制。理论最高效率受水在普通大气压下比较低的沸腾温度限制。使用高温高压的蒸汽为蒸汽机的效率带来了巨大的提高。但这种蒸汽机比真空蒸汽机危险得多。锅炉和机器的爆炸造成了许多大事故。安全阀在这里带来了很大的改进，在压力过高的情况下安全阀放气减压。但真正保证安全只有依靠建造、运行和维护的经验和安全规则。

萨弗里制成的世界上第一台实用的蒸汽提水机，在1698年取得标名为“矿工之友”的英国专利。他将一个蛋形容器先充满蒸汽，然后关闭进汽阀，在容器外喷淋冷水使容器内蒸汽冷凝而形成真空。打开进水阀，矿井底的水受大气压力作用经进水管吸入容器中；关闭进水阀，重开进汽阀，靠蒸汽压力将容器中的水经排水阀压出。待容器中的水被排空而充满蒸汽时，关闭进汽阀和排水阀，重新喷水使蒸汽冷凝。如此反复循环，用两个蛋形容器交替工作，可连续排水。

萨弗里的提水机依靠真空的吸力汲水，汲水深度不能超过六米。为了从几十米深的矿井汲水，须将提水机装在矿井深处，用较高的蒸汽压力才能将水压到地面上，这在当时无疑是困难而又危险的。

纽可门及其助手卡利在1705年发明了大气式蒸汽机，用以驱动独立的提水泵，被称为纽科门大气式蒸汽机。这种蒸汽机先在英国，后来在欧洲大陆得到迅速推广，它的改型产品直到19世纪初还在制造。纽科门大气式蒸汽机的热效率很低，这主要是由于蒸汽进入汽缸时，在刚被水冷却过的汽缸壁上冷凝而损失掉大量热量，只在煤价低廉的产煤区才得到推广。

蒸汽机火车头764年，英国的仪器修理工詹姆斯·瓦特为格拉斯哥大学修理纽可门蒸汽机模型时，注意到了这一缺点，并于1765年发明了设有与汽缸壁分开的凝汽器的蒸汽机，并于1769年取得了英国的专利。初期的瓦特蒸汽机仍用平衡杠杆和拉杆机构来驱动提水泵，为了从凝汽器中抽除凝结水和空气，瓦特装设了抽气泵。他还在汽缸外壁加装夹层，用蒸汽加热汽缸壁，以减少冷凝损失。

瓦特的创造性工作使蒸汽机迅速地发展，他使原来只能提水的机械，成为了可以普遍应用的蒸汽机，并使蒸汽机的热效率成倍提高，煤耗大大下降。因此瓦特是蒸汽机的改良者。

自18世纪晚期起，蒸汽机不仅在采矿业中得到广泛应用，在冶炼、纺织、机器制造等行业中也都获得迅速推广。它使英国的纺织品产量在20多年内(从1766年到1789年)增长了5倍，为市场提供了大量消费商品，加速了资金的积累，并对运输业提出了迫切要求。

在船舶上采用蒸汽机作为推进动力的实验始于1776年,经过不断改进，至1807年，美国的富尔顿制成了第一艘实用的明轮推进的蒸汽机船“克莱蒙”号。此后，蒸汽机在船舶上作为推进动力历百余年之久。

1800年，英国的特里维西克设计了可安装在较大车体上的高压蒸汽机。1803年，他把它用来推动在一条环形轨道上开动的机车，找来喜欢新奇玩意儿的人乘坐，向他们收费，这就是机车的雏型。英国的史蒂芬孙将机车不断改进，于1829年创造了“火箭”号蒸汽机车，该机车拖带一节载有30位乘客的车厢，时速达46公里/时，引起了各国的重视，开创了铁路时代。

19世纪末，随着电力应用的兴起，蒸汽机曾一度作为电站中的主要动力机械。1900年，美国纽约曾有单机功率达五兆瓦的蒸汽机电站。

蒸汽机的发展在20世纪初达到了顶峰。它具有恒扭矩、可变速、可逆转、运行可靠、制造和维修方便等优点，因此曾被广泛用于电站、工厂、机车和船舶等各个领域中，特别在军舰上成了当时唯一的原动机。

需要特别注意的是，许多教科书上（历史书、物理书）说瓦特是蒸汽机的发明者。这是误传。蒸汽机是英国人萨维利（Savery）于1698年、纽可门（Newcomen）于1705年各自独立发明的，用于矿井抽水。当时效率很低。1765年，瓦特在修理纽可门机的基础上，对蒸汽机做了重大改进，使冷凝器与汽缸分离，发明曲轴和齿轮传动以及离心调速器等，使蒸汽机实现了现代化，大大提高了蒸汽机的效率。瓦特的这些发明，仍使用在现代蒸汽机中，为纪念瓦特的贡献，功率的单位名称以其姓氏命名。（《物理学（第五版）》）。

功效 蒸汽机的发展首先体现在功率和效率的提高，而这又主要取决于蒸汽参数的提高。初期蒸汽机的蒸汽压力仅为0.11～0.13兆帕，19世纪初才达到0.35～0.7兆帕，20世纪20年代曾用到6～10兆帕。在蒸汽温度上，19世纪末还不超过250℃，而到20世纪30年代曾用到450～480℃。 效率 至于效率，瓦特初期连续运转的蒸汽机，按燃料热值计总效率不超过3%；到1840年，最好的凝汽式蒸汽机总效率可达8%；到20世纪，蒸汽机最高效率可达到20%以上。 转速 在转速方面，18世纪末瓦特蒸汽机仅40～50转/分；20世纪初转速达到100～300转/分，个别蒸汽机曾达到2500转/分。在功率方面，最初单机功率仅几马力，20世纪初的一台船用蒸汽机的功率可达25000马力。 随着蒸汽参数和功率的提高，蒸汽已不可能在一个汽缸中继续膨胀，还必须在相连接的汽缸中继续膨胀，于是出现了多级膨胀的蒸汽机。蒸汽机因受到润滑油闪点的限制，所用蒸汽的最高温度一般都不超过400℃，机车，船用等移动式蒸汽机还略低一些，多数不高于350℃。考虑到膨胀的可能性和结构的经济性，常用压力在2.5兆帕以下。蒸汽参数受到限制，从而也限制了蒸汽机功率的进一步提高。 意义 蒸汽机的出现和改进促进了社会经济的发展，但同时经济的发展反过来又向蒸汽机提出了更高的要求，如要求蒸汽机功率大、效率高、重量轻、尺寸小等。尽管人们对蒸汽机作过许多改进，不断扩大它的使用范围和改善它的性能，但是随着汽轮机和内燃机的发展，蒸汽机因存在不可克服的弱点而逐渐衰落。

按蒸汽在活塞一侧或两侧工作，蒸汽机可分为单作用和双作用式两种；

按汽缸布置方式，可分为立式和卧式；

按蒸汽是在一个汽缸中膨胀或依次连续在多个汽缸中膨胀，可分为单胀式和多胀式；按蒸汽在汽缸中的流向，可分为回流式和单流式；

按排汽方式和排汽压力可分为凝汽式、大气式和背压式。

余热是指生产过程中释放出来的可被利用的热能。主要有高温废气等，余热利用利用可以通过余热锅炉产生蒸汽，推动热能做机械功或发电，也可用来供暖或生产热水。目前，低温热源的浪费非常严重，传统用能大户广泛存在低温余热利用率低，甚至零利用率的现象。60—180℃温区中能量转化理论与技术的研究相对薄弱，而该温区中的余热排放量非常大，无法高效率利用，只能将其排放大气，导致热能白白浪费。

就现有的技术，汽轮机的排汽压力越低，蒸汽循环的热效率就越高。不过排汽压力主要取决凝汽器的真空度，真空度又取决于冷却水的温度和抽真空的设备(通常称为真空泵)，如果采用过低的排汽压力，就需要增大冷却水流量、增大凝汽器冷却水和冷却介质的换热面、降低被使用的冷却水的温度和抽真空的设备，较长的末级叶片，但同时真空太低又会导致汽轮机汽缸(低压缸)的蒸汽流速加快，使汽轮机汽缸(低压缸)差胀加剧，危及汽轮机安全运转。凝汽式汽轮机常用的排汽压力为5～10千帕。

直接驱动螺杆膨胀发电机的热源应用范围如下：  蒸汽参数： 0.15MPa － 3.0MPa ，温度 <300 ℃    热水参数：压力 0.8MPa 以上的热水，温度 >170 ℃ 间接应用的热源范围如下：      蒸汽参数：压力 <0.1MPa 以下的各种蒸汽　――双循环发电     热水参数：压力 <0.8MPa 以下，温度 >65 ℃ 的热水　――双循环发电     烟气参数：温度 >200 ℃ 的各种烟气　――配余热锅炉发电。

发明内容

本发明的目的是提供一种低温余热能量回收再利用的蒸气机械装置。特别是在余热的回收利用问题，尤其是在低温余热的利用方面。

本发明的是利用活塞式蒸汽机来将余热转化为机械能，特别是今天加工技术非常先进的今天利用活塞式蒸汽回收低温余热将会有很好的投资回报。

附图说明 

图1是本发明实施方式1的蒸汽机系统结构示意图。

图2是本发明实施方式2的蒸汽机系统结构示意图。

具体实施例

  为解决上述技术问题，本发明的技术方案1是：附图1所示例；热交换器31产生蒸汽，电子进气阀21打开蒸汽进入气缸25推动活塞12驱动活塞杆26活塞杆驱动曲轴27。活塞行进到下到下止点的时候打开电子出气阀，蒸汽进入冷凝器28通过喷淋器29冷凝排出。

本发明的技术方案2：本发明的技术方案2是：附图2所示例；电子进气阀1打开蒸汽进入气缸5推动活塞12驱动活塞杆6活塞杆驱动曲轴7。活塞行进到下到下止点的时候打开电子出气阀，蒸汽进入冷凝器8通过喷淋器9冷凝排出。蒸汽中所含的不凝气体通过射水抽射器排除。

比较100摄氏度的饱和蒸汽等熵效率和发电潜力

600MW的发电机组的1顿蒸汽发电量：

与1顿100摄氏度的饱和蒸汽等熵膨胀到0.01MPa，饱和温度45.80摄氏度的发电量比较：

与1顿100摄氏度的饱和蒸汽等熵膨胀到0.005MPa饱和温度32.88摄氏度的发电量比较。

600MW的发电机组1吨蒸汽可发电量379.65kWh

1顿100摄氏度的饱和蒸汽等熵膨胀到0.005MPa的发电量119.74 kWh

1顿100摄氏度的饱和蒸汽等熵膨胀到0.01MPa的发电量95.32kWh

等质量的100摄氏度饱和蒸汽等熵膨胀到0.01MPa饱和温度45.80摄氏度的发电量可以有600MW的发电机组的0.25% 的发电量。

等质量的100摄氏度饱和蒸汽等熵膨胀到0.005MPa饱和温度32.88摄氏度的发电量可以有600MW的发电机组的0.315% 的发电量。 

600MW的发电机组与瓦特初期连续运转的蒸汽机，按燃料热值计总效率3%比较：

600MW的发电机组与瓦特初期连续运转的蒸汽机有0.075%的发电量 。

Claims (9)

1.一种余热利用方法其特征在于：余热通过活塞式蒸汽机来转换为机械能。

2.一种余热回收方法其特征在于：余热蒸汽驱动活塞式蒸汽机。

3.一种余热回收方法其特征在于：余热气体通过热交换器加热水产生蒸汽驱动活塞式蒸汽机。

4.一种余热回收方法其特征在于：热水驱动活塞式蒸汽机。

5.一种余热回收方法其特征在于：小于大气压的蒸汽驱动活塞式蒸汽机。

6.一种活塞式蒸汽机其特征在于：其进气阀为电子阀，开关由电子控制。

7.一种活塞式蒸汽机其特征在于：其进气阀，排气阀为电子阀，其开关由电系统控制。

8.一种活塞式蒸汽机其特征在于：蒸汽机与冷凝的蒸汽处于同一压力系统。

9.一种活塞式蒸汽机其特征在于：蒸汽机与冷凝器的连接，冷凝器与抽射器的连接。