CN1322896A - 一种可使热机增效节能的方法——内冷增效法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可使往复式内燃机、燃气轮机、蒸汽轮机“增效节能”的方法。它解决了以上各种动力热机能耗高、效率低,对环境的污染严重等缺点。本方法是将原来的外冷散热式改为“内冷增效式”,由燃气与空气的混合工质改为燃气、空气、蒸汽的混合工质,应用本方法,可使往复式内燃机有效热效率达到60%以上;可使燃气轮机与蒸汽轮机的有效热效率提高一倍以上,并大大降低了废气排放量,有利于环境保护,而且使其制造成本大幅度下降。

Description

一种可使热机增效节能的方法--内冷增效法

本发明涉及一种可使往复式内燃机、蒸汽轮机、燃气轮机等热机增效节能的方法，属于机械工程领域。

现在国际上普遍应用的动力热机如：往复式内燃机、蒸汽轮机、燃气轮机等，它们在航空、航海、工农业生产、交通运输等领域中发挥着不可替代的重要作用。但是，它们也都存在着能耗高、热效率低的缺点，例如：蒸汽轮机燃料产生的热量只有31％作了有用功，而热效率最高的往复式增压内燃机的有效热效率也只有45％，且对环境的污染较为严重。现在世界各国都在为各种动力热机的降低能耗，提高效率、减少污染等进行着不懈的努力。

本发明的目的在于提供一种能使往复式内燃机、蒸汽轮机、燃气轮机等热机的热能利用率有较大提高，且能净化和减少废气的排放，减少对环境污染的一种方法--内冷增效法。

本发明是这样实现的：根据热力学第一定律：“任何发生能量转换的热力过程中，转换前后能量的总量维持恒定。如热能转换为机械能，转换前后能量的总量维持不变”。这就提供了一个在实际应用中尽可能地将热能转换为机械能的理论依据。“内冷增效法”就是在热机的运作中，利用水蒸汽的热物理性质，将水雾直接喷入热机的高温燃气或烟气中，使其直接吸收燃气或烟气的热量而膨胀作功，在作功的同时也对系统进行冷却，避免了为给系统冷却而损失大量的热能。另外，还可去除热机的某些耗功机构，如燃气轮机的压气机、蒸气轮机的锅炉等。应用本方法后可使工质在绝热情况下作功，减少了热能的损失，还可在往复式内燃机的废气排放口设置回热器，减少被废气带走的热能损失。

下面以各种热机实体为例，将本方法的实施方案加以说明：

一、应用于往复式发动机

以柴油机为例(见图3)：自活塞到达上死点始向下行，曲轴转角约30°，燃油的燃烧基本完毕时，将水雾经喷咀6呈扩散状喷入燃烧室5(喷咀可设置在气缸缸盖的适当位置上)，使水雾与高温烟气充分混合，在瞬间吸热膨胀作功。系统应加绝热层4，以避免热能向外散失，在废气排放阀外部设置回热器2，用以回收被废气带走的热能，进一步提高热能的利用率。

应用本方法应注意以下几点：

1、应适当加快燃料的燃烧速度，以便尽可能将水雾提前喷入燃烧室，以延长其吸热膨胀时间。

2、喷入水雾的雾滴应尽可能细小，以便有利于在极短时间内吸热膨胀。

其有益效果以一台非增压六缸四冲程柴油机为例加以说明(按混合加热循环见图1、图2)。其主要参数有：

20℃时空气的密度ρ≈1.2kg/m³，空气常R=287，气缸底面积为490.625cm²,P₂=3.63MPa,P₄=6.0MPa，查过热水蒸汽表得：6MPa,550℃时过热水蒸汽的焓为3540.0KJ/Kg=3.54KJ/g，比溶为0.06096m³/kg=60.96cm³/g，柴油机转速600r/min，气缸的工作容积14.71875L，气缸直径25cm，活塞行程30cm,V₂=V₄=0.77467L=774.67cm³，油耗率190g/PS.h，功率434.88ps，柴油的低位发热量按46054KJ/Kg=46.054KJ/g,T₄=550+273=823K(以上参数取自于《工程热力学和传热学》150-153页中例1，大连海运出版社，只有耗油190g/PS.h与掺入水蒸汽后的工作温度823K除外)。

求：在燃烧室中加入水蒸汽后的混合工质对活塞的单位工作压力。解：①每只气缸的功率： $\frac{434.88}{6}=72.48\mathrm{PS}$

②每只气缸每次的喷油量： $\frac{72.48\×190}{\frac{600}{2}\×60}=0.7651g$

③单只气缸每个工作循环燃油的低位发热量：

0.7651×46.054=35.239KJ

④单只气缸每个工作循环的燃油在6MPa、550℃的状态下可将水雾变为过热蒸汽的数量35.235KJ÷3.54KJ/g=9.9533g

⑤6MPa、550℃时9.9533g水雾变为过热蒸汽时的体积60.96cm³/g×9.9533g=606.7532cm³

⑥将气缸在V₄状态下的容积减去过热水蒸汽的体积

V₄=V₂=0.774671L=774.671cm³

774.671-606.7532=168cm³

⑦气缸在V₁状态下，与气缸容积相等体积的空气，温度20℃时的质量：

m=0.01471875m³×1.2kg/m³=17.6625×10^-3kg

⑧根据理想气体状态方程PV=MRT $P=\frac{17.6625\×{10}^{-3}\×287\×823}{168\×{10}^{-6}}=24.83\mathrm{MPa}$

⑨在V₄状态下过热水蒸汽所占缸筒底面积 $\frac{606.7532}{774.67}\×490.625=384.2775c{m}^2$

⑩过热蒸汽对活塞的压力

384.2775×6.0=2305.665MPa

(11)假定原V₄状态下的压缩空气被过热蒸汽挤压，其体积为：774.67-606.7532=168cm³

(12)被过热蒸汽挤压后的空气所占气缸的底面积 $\frac{168}{774.67}\×490.625=106.4c{m}^2$

(13)被挤压后的空气对活塞的压力

106.4×24.83=2641.9149MPa

(14)空气与过热水蒸汽混合后的单位压力(根据热力学第一定律，气体混合后与混合前的内能相等) $\frac{2305.665+2641.9149}{490.625}=10.08\mathrm{MPa}$

以上计算结果表明：应用“内冷增效法”后，将气缸的最高工作压力由原来6.0MPa增加到了10MPa，由此可知应用本方法后的功效比未用本方法的功效提高了10÷6=1.667倍。

二、应用于蒸汽轮机与燃气轮机

蒸汽轮机的蒸汽动力循环由锅炉，过热器、管道、汽轮机冷凝器、水泵等装置组成，燃气轮机由启动装置、压气机、燃烧室，透平等装置组成。这两种热机结构都比较复杂，且体积较大、循环效率较低，现在蒸汽轮机的有效热效率约31％；燃气轮机的有效热效率约20％。造成上述热机热效率低的主要原因在于：蒸汽动力循环中锅炉的烟气带走了56％的热能，而压气机消耗了燃轮机的2/3热能。

若采用“内冷增效法”，用于燃油与燃气蒸汽轮机，可将锅炉及过热器去除，代之以燃烧室和汽化室，空气泵与水泵。将工质的加热形式由“外部”间接加热变为内部直接加热，这样可避免锅炉烟气所带走的热能损失，空气泵的作用只限于给燃烧室提供足够使燃料充分燃烧的空气；水泵的作用是给喷水咀提供高压水。

下面结合示意图4加以具体说明：

燃烧室2的外部装有冷却水，该水在冷却腔3吸热后经水雾喷咀5喷向蒸汽汽化屏6，该屏的作用在于不使水雾因紊流而混入燃烧室中，使燃料能充分燃烧，并使水雾能迅速吸热气化，气化后的蒸汽在汽化室4与高温燃气充分混合并继续吸热变为过热蒸气进入汽轮机膨胀作功。冷却腔外还设置了保温绝热层7，使工质在绝热状态下作功，8为空气射流孔，9为燃料喷咀。

应用本方法时应注意以下几点：

1、水雾射出喷咀时要有足够的速度，以利水雾的扩散，水雾的水滴要尽可能细小，以便快速吸热汽化。

2、汽化室内要有足够的紊流强度，以便使蒸气与高温燃气充分均匀混合，变为过热蒸气。

3、燃烧室内层1应采用耐高温材料。

4、水泵所提供水的质量应以燃料产生的热量能将其完全变为过热蒸气为准。

本方法的有益效果以下例说明：

根据“基本蒸汽动力装置实际循环的热力分析”中“实际循环的功(

)平衡图”(参见《工程热力学和传热学》173-183页，大连海运出版社)所述：燃料发热量的有用功为31.67％，功的损失率为68.33％，其中锅炉损失了56.39％，管道损失0.40％，汽轮机损失6.17％，冷凝器损失4.39％，轴系损失0.98％。

根据以上各参数计算锅炉输出的有效功为：

0.4％+6.17％+4.39％+0.98％+31.67％=43.61％

锅炉输出有效功的损失率为：(0.4％+6.17％+4.39％+0.98％)÷43.61％=27.38％

去除锅炉后的总有用功为：

56.39％×(1-27.38％)+31.67％=72.6％

应用本方法后将以上实际循环的有用功中去除空气压缩泵、给水泵的有用功耗损，若按10％计算，总有用功仍可达到62％以上。

燃气轮机应用“内冷增效法”可去除压气机，其各部分的装置结构形式与应用本方法的蒸轮机的装置结构相同，其实质就是燃气·蒸汽混合型动力热机。

综上所述，应用“内冷增效法”不仅较充分地利用了燃料的热能，提高了有效热效率，使更多的热能转换为机械能，作了有用功，还可将某些热机的制造成本大幅度降低，并净化，减少了废气排放，有利保护环境。

Claims (6)

1、一种可使往复式内燃机、燃气轮机、蒸汽轮机等热机增效节能的方法--内冷增效法，本方法的主要特征在于：在所述热机运作中，将水雾直接喷入热机的高温燃气中或汽化屏的一侧，使其直接从燃气或烟气中吸热变为过热蒸汽与烟气混合并共同膨胀作功。由燃气与空气的混合工质改为燃气、空气、蒸汽的混合工质。

2、根据权利要求1所述的“内冷增效法”，其特征还在于：本方法运用于往复式内燃机，是在燃料燃烧基本完毕时，将水雾直接喷入燃烧室，使其与高温烟气混合并吸热变成过热蒸汽与烟气共同膨胀作功。

3、根据权利要求1所述“内冷增效法”其特征还在于：本方法运用于往复式内燃机时，在废气排放阀外侧设置回热器。

4、根据权利要求1所述“内冷增效法”其特征还在于：本方法运用于热机时，其工质为燃气、空气、蒸气的混合物。

5、根据权利要求1所述“内冷增效法”其特征还在于：将内燃机的外冷散热式改为“内冷增效式”，也就是将原来为内燃机系统冷却散热用的水或其它物质改为使用水雾在高温燃气或烟气内直接吸热为系统降温。

6、根据权利要求1所述“内冷增效法”其特征还在于：在热机系统的外部作绝热处理，避免热能向外散失，并使工质在绝热状态下膨胀作功。

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