CN1954134B - 热循环装置 - Google Patents

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Abstract

一种由热机(A)和致冷机(J)组合形成的高效率热循环装置，其中由锅炉(B)产生的蒸汽(Eg)在驱动涡轮机(S2)后由冷凝器(Y1)冷却，由泵(P2)加压后，以高压冷凝物形式循环回到锅炉(B)。经压缩机(C)压缩的致冷气体(Fg)驱动涡轮机(S)输出功(W1)后，通过热交换机(7)的散热侧被冷却，然后由泵(P1)加压后形成高压致冷液。高压致冷液驱动反动式水轮机(K)输出功(W2)且被膨胀并蒸发形成致冷气体。致冷气体通过热交换机(7)的热吸收侧和冷凝器(Y1)加热后被引入压缩机(C)中。

Description

热循环装置
技术领域
本发明涉及包括热机的热循环系统，所述热机从涡轮机提取功率，还涉及包括此类热机和致冷机组合的热循环系统。更具体地说，本发明涉及：通过将热机和致冷机组合在一起并将涡轮机出口蒸汽的废热传递(热交换heat crossing)到涡轮机入口侧的工作流体，从而提高热循环系统的热效率的技术。
背景技术
迄今，已经有许多使用废热提高包括汽轮机的热循环系统的效率的发明。例如，专利文件1公开了一种将高温废气的热能重新利用的电力发电系统。该电力发电系统具有安装在高温废气流动通道上游侧的废热锅炉和其下游侧的流体预热器。废热锅炉产生的蒸汽用于驱动汽轮机。低沸点的特殊流体经流体预热器预热，再进一步由流体蒸发器利用汽轮机排出的废气进行加热至蒸发。蒸发的特殊流体驱动特殊的流体涡轮机。汽轮机的输出和特殊流体涡轮机的输出结合在一起驱动发电机产生电能。从特殊流体涡轮机排出的低沸点特殊流体，在热交换机中冷凝成液体。冷凝的液体经过泵加压，并经过热交换机预热后，再循环回到流体预热器。专利文件1：JP-A-54-27640(日本专利公开)
假设当工作物质正在进行第一个循环，即，正在经历连续的变化，然后返回到先前状态，它从温度为Th的高热源接收的热量为Qh，从温度为Tb的低热源损失的热量为Qb，向外界做功为L(假设是以热量形式表示的值)，则以下的关系成立：Qh＝Qb+L…(等式1)在热机中，功L给予外界。在致冷机或热泵中，功L由外界给予工作流体。在热机情况下，希望从高热源接收到的热量Qh应该为最小，而向外界做的功L应该为最大。因此，用下面的等式表示热效率：η＝L/Qh…(等式2)在上面等式中，L可以被改写为：η＝(Qh-Qb)/Qh…(等式3)完成一个可逆卡诺循环的热机的热效率η，可以使用热力学温度Th °K和Tb°K表示为：η＝(Th-Tb)/Th＝1-(Tb/Th)…(等式4)
一般而言，将热量从低温物体传递到高温物体的设备称为“致冷机”。致冷机是一种通常用于冷却物体的设备。同时，将热量从低温物体传递到高温物体以加热高温物体的设备称为“热泵”。当用途变化时，“热泵”可以认为是致冷机的别名。例如，使用热泵进行空调的加热操作以加热和冷却。从低温物体吸收的热量Qb，给予高温物体的热量Qh和使热泵运行的外界所做的功L(以热量表示的值)之间的关系可以表示为：Qh＝Qb+L…(等式5)
可以说，对同样的功，给定的热量Qh越大，热泵的成本效率越高。因此，热泵的性能系数可表示为以下等式：ε＝Qh/L…(等式6)在上面等式5中，L为：L＝Qh-Qb…(等式7)因此，性能系数ε可以表示为：ε＝Qh/(Qh-Qb)…(等式8)假设低热源的绝对温度为Tb°K，高热源的绝对温度为Th°K，当热泵在两个热源之间运行时，完成一个可逆的卡诺循环的热泵显示出最大的性能系数。热泵的性能系数ε为：ε＝Tb/(Th-Tb)…(等式9)可逆的卡诺循环包括两个等温变化，两个隔热变化，并在相同的高低热源之间运行的所有循环中，显示出最大的热效率。
图1是说明常规致冷机J的组成部分的布置图。致冷气体Fg被压缩机C加压，将热量Qh送到热交换机(冷凝器)7的流体Z1，因此致冷气体Fg被冷凝了。之后，致冷剂通过膨胀阀V膨胀。结果，致冷剂温度降低，且同时，从热交换机8中的流体Z2中吸收热量Qb，使流体Z2冷却。之后，致冷剂又回到压缩机C中，然后再循环。我们来讨论如图1所示布置的致冷机的热量计算，该致冷机适于用氨水作为致冷剂。为了简便起见，我们假设没有机械损耗。压缩机C的出口的致冷剂的温度为110℃(T3)，冷凝器7的出口温度为38℃(T2)，蒸发器V的出口的温度为-10℃(T1)。因此，在可逆卡诺循环中的致冷机的性能系数(理论上的最大性能系数)ε为：
Figure GSB00000314610700031
Figure GSB00000314610700032
…(等式10)图1所示的致冷机中，如果压缩机C的输入L(功)假设为1，因为致冷机的性能系数为+1，热泵的性能系数εh为：εh＝5.4+1＝6.4…(等式11)
图2是说明包括汽轮机的热机A的基本组成部分的布置图，即包括兰金循环的热循环系统。在锅炉B内产生的高温高压蒸汽Fg送到涡轮机S，使其旋转，因此，产生功率(功)W。蒸汽在冷凝器Y1中被冷却以形成冷凝物Ee，冷凝器与涡轮机的废气开口相连。冷凝物Ee经泵P加压，然后送到锅炉B中。在图2所示的热循环系统中，当冷凝器Y1产生的废热Q2根本不被利用时，从涡轮机S产生的功W(以热量表示的值)没有损耗，可表示为：W＝Q1-Q2…(等式12)涡轮机S的热效率ηS为：ηS＝(Q1-Q2)/Q1…(等式13)在等式13中，Q1是涡轮机入口侧的工作流体保持的热量，Q2是涡轮机出口侧的工作流体输出的热量，其等于从冷凝器Y1排出的废热量。
图2所示的热循环系统的热效率η0，即涡轮机S产生的功W与输入到热循环系统的工作流体的热量(保持的热量)Q1的比率η0可表示为：η0＝W/Q1…(等式14)如果等式14中的W由等式12中的W＝Q1-Q2替换，得到：η0＝(Q1-Q2)/Q1…(等式16)这与上述的ηS相同。因此，下面的关系成立：η0＝ηS…(等式17)
在图2所示的热循环系统中，如果冷凝器Y1的废热Q2的一部分或全部Q3经过给水预热器Y2传递给锅炉入口处的冷凝物，即0≤Q3≤Q2…(等式18)且，同时，输入到锅炉的热量减少值与从冷凝器Y1传递来的热量相同，锅炉输入热量为Q1-Q3。涡轮机S的入口处的蒸汽Fg保持的热量可以表示为：锅炉输入热量(Q1-Q3)+(由Y2传递的热量Q3)＝Q1…(等式19)涡轮机S的出口处的蒸汽Fg保持的热量可以认为为Q2。因此，从涡轮机S产生的功率W(按热量表示的值)为：W＝Q1-Q2…(等式20)因此，涡轮机S的热效率ηS为：ηS＝(Q1-Q2)/Q1…(等式21)这样，涡轮机S的热效率ηS与冷凝器Y1产生的废热Q2不被利用的情况是相同的。
发明公开内容本发明要解决的问题
本发明的目的是提供一种热循环系统，其中汽轮机出口蒸汽的废热传递(热交换)(heat crossing)给汽轮机入口侧的工作流体，因此，即便涡轮机本身的热效率很小时，也可以提高热循环系统的热效率。本发明的又一目的是提高包括汽轮机的热循环系统的热效率，且也提高包括汽轮机和致冷机组合形成的热循环系统的热效率。更确切地说，本发明的目的是通过将汽轮机出口蒸汽的废热传递(热交换)(heat crossing)给汽轮机入口侧的工作流体，来提高热循环系统的热效率。本发明的另一目的是通过使用热泵将原本为废热或热的能量传递给工作流体，来提高热循环系统的热效率。本发明的再一目的是最小化致冷机的冷凝器向外耗散的热量，在没有实现热交换时，吸取可控的热量作为功率。
本发明更进一步的目的是通过使用致冷机将低利用率的低温废热转换成高温热输出，低温废热例如在兰金循环中的低温废热。本发明再进一步的目的是提供一种热循环系统，其中将致冷机的致冷输出用作安装在兰金循环中的涡轮机出口的冷凝器(冷却器)的低热源，且该致冷机用作热泵，这样，从冷凝器发出的热的温度升高，作为热输出提供给外界。在兰金循环中，提供给外界的一部分热输出可作为热源用于加热。在本发明中，通过使用致冷循环，可提高热交换或热交叉(heat crossing)比率Q3/Q1，以使η＝1…(等式27)可在η＝ηS/(1-Q3/Q1)…(等式32)中实现，或可以使η尽可能接近1。在本发明中，致冷循环中的涡轮机安装在常规致冷循环中冷凝器的上游，其中，致冷剂由压缩机进行压缩。冷凝器相当于汽轮机循环中的冷凝器。在对本发明的下面的描述中可以清楚了解本发明的其它目的。解决问题的方法
在图2所示的热循环系统中，如果冷凝器Y1的废热Q2的一部分或全部Q3通过给水预热器Y2传递到锅炉入口处的冷凝物，且同时，锅炉输入热量的减少值等于从冷凝器Y1传递的热量Q3，即(Q1-Q3)，图2所示的热循环系统的热效率η，也就是，涡轮机S产生的功W，即W＝Q1-Q2…(等式22)与热循环系统的输入热量(Q1-Q3)的比率，可以表示为：η＝W/(Q1-Q3)＝(Q1-Q2)/(Q1-Q3)…(等式23)
在图2的热循环系统中，如果来自冷凝器Y1的废热Q2根本没被利用，即Q3＝0，上述等式23变成：η＝(Q1-Q2)/Q1…(等式24)在0≤Q3≤Q2…(等式18)的情况下，得到：η＝(Q1-Q2)/(Q1-Q3)…(等式25)等式25中，分母比等式24中的分母小-Q3，且因此，η的值相应地较等式24中得到的值大。如果冷凝器产生的全部废热Q2传递到泵P的上游侧或下游侧的冷凝物，则：Q2＝Q3…(等式26)因此，热循环系统的热效率η为：η＝1…(等式27)
在图2的热循环系统中，在0≤Q3≤Q2…(等式18)的情况下，如上所述，热效率η可以表示为：η＝(Q1-Q2)/(Q1-Q3)…(等式28)如果等式28中的分母和分子各被Q1除，得到：η＝[(Q1-Q2)/Q1]/[(Q1-Q3)/Q1]...(等式29)等式29可以被改写为：η＝[(Q1-Q2)/Q1]/[1-(Q3/Q1)]...(等式30)如果将ηS＝(Q1-Q2)/Q1…(等式21)代入等式30中，得到：η＝ηS/(1-Q3/Q1)…(等式32)在本发明中，即使具有低利用价值的热，如废热，也通过使用热泵被引入热循环系统中，而热循环系统中功率输出由涡轮机引出。根据本发明的热循环系统使用热交换(heat crossing)以高效率地从涡轮机中吸取功率。根据等式27，当冷凝器Y1产生的废热Q2全部被利用时，热循环系统的热效率η为η＝1。
从上述等式32可以理解，热循环系统的热效率η是由涡轮机S的热效率ηS和将冷凝器Y1的废热传递到泵P的上游或下游侧的冷凝物中的热量Q3确定的。当Q3增加到接近Q1时，等式30的分母，也就是(1-Q3/Q1)减小。因此，η提高了。与致冷循环不同，很难增加热循环中的热交换率Q3/Q1。原因是不可能增加用于热传递(热交换)的高热源和低热源之间的温度差。此外，与致冷循环不同，等式27在热循环中是不能实现的。
根据本发明第一特征的热循环系统包括压缩机，涡轮机，热交换机和泵。在热循环系统中，工作气体(致冷气)经压缩机(C)压缩后，驱动涡轮机(S)做功(W1)。之后，工作气体通过第一热交换机(7)的散热侧进行冷却，然后由泵(P)加压以形成高压工作液体。高压工作液体驱动反动式水轮机(K)做功(W2)。同时，工作液体膨胀，一部分蒸发。剩余的液体通过第一热交换机(7)的热吸收侧和第二热交换机(8)，因此被加热到蒸发。之后，工作气体以有些过热的状态被引入压缩机(C)中(图3)。
从反动式水轮机(K)发出的功(W2)和被泵(P)消耗的功率或能量(L2)优选为大致相互抵消。此外，驱动电动机(M1)的压缩机，涡轮式发电机(G1)，驱动电动机(M2)的泵和水力涡轮驱动发电机(G2)互相电连接在一起(图3和图5)。第二热交换机(8)可以为冷凝器，它将兰金循环中涡轮机排出的蒸汽的废热传递到工作气体(图6)。第二热交换机(8)也可以为热交换机，它将燃料电池产生的废热传递到工作气体(图14)。
根据本发明第一特征的热循环系统，反动式水轮机(K)可以仅仅为膨胀阀(V)(图4)。在这种情况下，经泵(P)加或增压的高压工作液体通过膨胀阀(V)被膨胀。因此，一部分工作液体蒸发形成工作气体。剩余的液体通过第一热交换机(7)和第二热交换机(8)，因此被加热到蒸发。之后，工作气体以有些过热的状态被引入压缩机(C)中(图4)。在本发明中，图3和4所示系统的热循环为基本循环。图4所示的热循环为图3所示热循环的简化形式。
根据本发明第一特征的热循环系统，热循环系统的热效率η为：η＝(Q1-Q2)/(Q1-Q3)…(等式28)＝ηS/(1-Q3/Q1)…(等式32)Q3＝(1到0.1)Q2这里：ηS为涡轮机的热效率；Q1为传送到涡轮机入口侧的工作流体的输入热量；Q2为从涡轮机出口侧的工作流体输出的热量；且Q3为从涡轮机出口侧的工作流体传递(热交换)到涡轮机入口侧的工作流体的热量。当Q3增加时，等式28或32的分母减小，热循环系统的热效率η提高。
根据本发明第二特征的热循环系统包括压缩机，涡轮机，热交换机和泵。在热循环系统中，经压缩机(C)压缩的工作气体(致冷气体)驱动汽轮机(S)做功(W1)。之后，工作气体经过第一热交换机(7)的散热侧进行冷却，然后由泵(P)加压后形成高压工作液体(致冷液体)。高压工作液体驱动反动式水轮机(K)做功((W2)。同时，工作液体通过蒸发器(R)被膨胀和蒸发形成工作气体。工作气体被引入压缩机(C)中(图7)。
根据本发明第三特征的热循环系统包括锅炉，涡轮机，热交换机和泵。在热循环系统中，锅炉(B)产生的蒸汽驱动涡轮机(S2)做功(W3)。之后，蒸汽通过冷凝器(Y1)的散热侧进行冷却，然后由泵(P2)加压以形成高压工作液体。高压工作液体通过冷凝器(Y1)的热接收侧加热，然后返回到锅炉(B)中。优选地，通过冷凝器(Y1)的散热侧冷却的蒸汽经过外部冷却液体(U)进一步冷却，然后被吸入泵(P2)中。通过这种方式，可以向外界提供热输出(Q4)(图8)。同样，在该热循环系统中，下面的等式成立：η＝ηS/(1-Q3/Q1)…(等式32)
根据本发明第四特征的热循环系统包括热机和致冷机的一个组合，该热机包括锅炉，涡轮机，冷凝器和泵，该致冷机包括压缩机，热交换机和膨胀阀。在该热循环系统中，锅炉(B)产生的蒸汽(Eg)驱动涡轮机(S2)。之后，蒸汽在冷凝器(Y1)中冷却，然后由泵(P2)加压形成高压冷凝物，然后再循环回到锅炉(B)中。经压缩机(C)压缩的致冷气体(Fg)在热交换机(7)的散热侧被冷却和被液化形成致冷液(Fe)。致冷液(Fe)通过膨胀阀(V)被膨胀形成致冷气体(Fg)，然后被引入冷凝器(Y1)中，在此致冷气体(Fg)将涡轮机废汽或排出的蒸汽(exhaust steam)(Eg)冷却。同时，致冷气体(Fg)本身被加热然后返回到压缩机(C)中。高压冷凝物优选为通过热交换机(7)的热接收侧进行加热，再循环回到锅炉(B)中。热交换机(7)的热接收侧向外界提供热输出(U2)(图9)。
根据本发明的第五特征的热循环系统中的致冷机包括热机和致冷机的一个组合，致冷机包括涡轮机(S)，泵(P1)和反动式水轮机(K)。经压缩机(C)压缩的致冷气体驱动涡轮机(S)做功(W1)。之后，致冷气体经过热交换机(7)的散热侧被冷却，然后经泵(P1)加压，形成高压致冷液体。高压致冷液体驱动反动式水轮机(K)做功(W2)。同时，致冷液体膨胀并蒸发形成致冷气体。致冷气体通过热交换机(7)的热吸收侧和冷凝器(Y1)被加热。之后，致冷气体被引入压缩机(C)中。高压冷凝物在冷凝器(Y1)中被加热，再循环回到锅炉(B)中(图10)。
根据本发明的第六特征的热循环系统包括热机和致冷机的一个组合，致冷机包括压缩机，涡轮机，热交换机，泵和膨胀阀。在该热循环系统中，经压缩机(C)压缩的致冷气体(Fg)驱动涡轮机(S)做功(W1)。之后，致冷气体在热交换机(7)的散热侧被冷却，然后经泵(P1)加压形成高压致冷液体(Fe)。高压致冷液体驱动反动式水轮机(K)做功(W2)。同时，致冷液体膨胀并蒸发形成致冷气体(Fg)。致冷气体被引入热交换机(8)中，致冷气体(Fg)在此被热机(D)的废热加热，然后返回到压缩机(C)中。压缩机(C)优选为由热机(D)的输出(W3)驱动，或由燃料电池驱动(图12和13)。【0024a】本发明提供一种热循环系统，其包括压缩机、第一涡轮机、热交换机和第一泵，其中所述热交换机包括第一热交换机(7)和第二热交换机(8)，在所述压缩机(C)中压缩的工作气体驱动所述第一涡轮机(S)做第一功(W1)，之后所述工作气体通过所述第一热交换机(7)的散热侧被冷却，然后由所述第一泵(P)加压形成高压工作液体，所述高压工作液体驱动反动式水轮机(K)做第二功(W2)，同时所述高压工作液体被膨胀和蒸发形成工作气体，所述工作气体通过所述第一热交换机(7)和所述第二热交换机(8)被加热后被引入所述压缩机(C)中。【0024b】本发明仍提供一种热循环系统，其包括压缩机、第一涡轮机、热交换机和第一泵，其中所述热交换机包括第一热交换机(7)和第二热交换机(8)，在所述压缩机(C)中压缩的工作气体驱动所述第一涡轮机(S)做第一功(W1)，之后所述工作气体通过所述第一热交换机(7)的散热侧被冷却，然后由所述第一泵(P)加压形成高压工作液体，所述高压工作液体通过膨胀阀(V)膨胀和蒸发形成工作气体，所述工作气体通过所述第一热交换机(7)和所述第二热交换机(8)被加热后被引入所述压缩机(C)中。【0024c】本发明还提供一种热循环系统，其包括热机和致冷机的一个组合，该热机包括锅炉、第二涡轮机、冷凝器和第二泵，该致冷机包括压缩机和第一热交换机，其中所述锅炉(B)产生的蒸汽(Eg)驱动所述第二涡轮机(S2)，之后所述蒸汽(Eg)在所述冷凝器(Y1)中被冷却，然后由所述第二泵(P2)加压形成高压冷凝物(Ee)，其再循环回到所述锅炉(B)中，并且其中所述致冷机进一步包括第一涡轮机(S)、第一泵(P1)和反动式水轮机(K)，其中在所述压缩机(C)中压缩的第一致冷气体(Fg)驱动所述第一涡轮机(S)做第一功(W1)，之后所述第一致冷气体(Fg)经过所述第一热交换机(7)的散热侧被冷却并然后由所述第一泵(P1)加压形成高压致冷液体，所述高压致冷液体驱动所述反动式水轮机(K)做第二功(W2)，同时所述高压致冷液体被膨胀和蒸发形成第二致冷气体，所述第二致冷气体通过所述第一热交换机(7)的热吸收侧和所述冷凝器(Y1)被加热后被引入到所述压缩机(C)中。【0024d】本发明又提供一种热循环系统，其包括热机和致冷机的一个组合，该致冷机包括压缩机、第一涡轮机、第一热交换机、第一泵和膨胀阀，其中在所述压缩机(C)中压缩的第一致冷气体(Fg)驱动所述第一涡轮机(S)做第一功(W1)，之后所述第一致冷气体(Fg)在所述第一热交换机(7)的散热侧被冷却，然后由所述第一泵(P1)加压形成高压致冷液体(Fe)，所述高压致冷液体被膨胀和蒸发形成第二致冷气体(Fe)，所述第二致冷气体通过所述第一热交换机(7)的热吸收侧被加热和在第二热交换机(8)中由所述热机(D)产生的废热加热后返回到所述压缩机(C)中。【0024e】本发明再提供一种热循环系统，其包括燃料电池(N)和致冷机的一个组合，该致冷机包括压缩机、第一涡轮机、第一热交换机、第一泵和膨胀阀，其中在所述压缩机(C)中压缩的第一致冷气体(Fg)驱动所述第一涡轮机(S)做第一功(W1)，之后所述第一致冷气体(Fg)在所述第一热交换机(7)的散热侧被冷却，然后由所述第一泵(P1)加压形成高压致冷液体(Fe)，所述高压致冷液体被膨胀和蒸发形成第二致冷气体(Fg)，所述第二致冷气体通过所述第一热交换机(7)的热吸收侧被加热和在第二热交换机(8)中由所述燃料电池(N)产生的废热加热后返回到所述压缩机(C)中。本发明的有益效果
根据本发明的热循环系统(图6和9)包括兰金循环和带涡轮机的致冷机的一个组合，其不需要用水进行冷却，而对不带致冷机单独运行的兰金循环来说，水是不可少的。无需冷却水安装兰金循环的能力大大地放宽了热电厂对位置条件的要求，提高了使热电厂位于生产燃料或生物量燃料(biomass fuel)地区的可能性。尤其是在使用煤做燃料的发电厂，在产煤地区附近发电，并将电能传送到电能消耗地区，增加了提高经济效益的可能性。
如图3所示的热循环系统中，本发明能够重新利用致冷机中的冷凝过程产生的热能，且能够最小化释放到系统之外的热量。因此，本发明具有减轻“热岛”现象的有益效果，而近年来该现象一直恶化着大城市的环境。
附图的简要描述
图1为说明常规致冷机组成部分的布置图。图2为包括涡轮机的常规热机的基本组成部分的布置图，也即实现兰金循环的热循环系统。图3为根据本发明第一实施方式的热循环系统的布置图。图4为根据本发明第一实施方式的改进例的热循环系统中，显示温度和压力的例子的解释图。图5为根据本发明第一实施方式的热循环系统中，说明热量的例子的解释图。图6为根据本发明第二实施方式的热循环系统的布置图。图7为根据本发明第三实施方式的热循环系统的布置图。图8为根据本发明第四实施方式的热循环系统的布置图。图9为根据本发明第五实施方式的热循环系统的布置图。图10为根据本发明第六实施方式的热循环系统的布置图。图11为根据本发明第六实施方式的改进例的热循环系统的布置图。图12为根据本发明第七实施方式的热循环系统的布置图。图13为根据本发明第八实施方式的热循环系统的布置图。图14为根据本发明第九实施方式的热循环系统的布置图。参考符号说明
A，D：热机；B：锅炉；C：压缩机；ε：性能系数；η：热循环系统的热效率；ηS：单独使用的涡轮机的热效率；Eg：蒸汽；Ee：水(给水或冷凝物)；Fg：致冷气体；Fe：致冷液体；G1，G2：发电机；J：致冷机；K：水轮机；L1，L2：功(输入)；N：燃料电池；M1，M2：电动机；P：泵；Q1，Q2，Q3，Q4：热量；S，S2：汽轮机；V：膨胀阀；W1，W2，W3：功(输出)；7，8：热交换机；Y1：冷凝器；Y2：给水预热器。
本发明最佳实施方式
图3是本发明第一实施方式的热循环系统的布置图。热循环系统具有这样的配置，其中涡轮机S等被插入包括压缩机C和冷凝器的致冷机中。在压缩机C中压缩的工作流体(致冷气体)驱动涡轮机S做功W1。之后，工作液体在热交换机7(在其散热侧)中冷却并液化。连接到热交换机7的出口的泵P吸入工作液体并降低涡轮机S的背压，因此增加了涡轮机输出W1并提高了工作液体的压力。加压的工作液体驱动反动式水轮机K做功W2。同时，工作液体通过充当膨胀阀的反动式水轮机的管口膨胀。这样，工作液体蒸发形成工作气体(致冷气体)。工作气体在热交换机7(在其热吸收侧)中加热，并在热交换机8进一步被加热，再被引入压缩机C中。
在图3所示的热循环系统中，热交换机7将涡轮机S排出的热释放以加热反动式水轮机K出口的工作气体。在热交换机7中，涡轮机S排出的气体被冷却并冷凝成液体。图3所示的热交换机7通过冷却涡轮机S排出的气体，增大涡轮机S入口的工作流体和其出口的工作流体的温度差，因此增加了涡轮机的输出。涡轮机排出的废热Q1被传递(热交换)到反动式水轮机K下游侧的工作流体。因为通过提高热交换机7的冷却能力，工作流体的压力被大大降低，工作流体的压力被泵P提高。加压的工作流体供给反动式水轮机K，在那工作液体的势能被重新利用。这里假设相对全部势能，该势能很小，泵P消耗的功和反动式水轮机K的输出互相抵消。
在图3所示的热循环系统中，Q3为热交换机7传递的热量，Q4为热交换机8从外界吸收的热量。热循环系统的输出(涡轮机S的输出)可表示为：(L1+Q4)…(等式33)热量Q3为涡轮机S的出口侧的工作流体传递给压缩机C入口侧的工作流体的热量，以实现热交换。
图4为根据本发明第一实施方式的改进例的热循环系统的解释图，其中用膨胀阀V代替反动式水轮机K。图4还显示了热循环系统中的温度和压力的一个例子。涡轮机S排出的气体在冷凝器(热交换机)7中被温度为-10℃(T2)的致冷剂水蒸汽冷却到0℃(T4)。之后，致冷剂的压力经泵P从绝对值4.39kgf/cm2提高到绝对值为15.04kgf/cm2，并因此被液化。图4中，T4为冷凝器7出口的致冷剂的温度。经泵P加压的致冷剂通过膨胀阀V被膨胀和蒸发，并在热交换机7中接收热Q1以达到-10℃(T2)的温度。涡轮机入口温度为110℃(T3)，且冷凝器致冷剂温度为0℃(T4)。因此，卡诺循环中的涡轮机的效率ηS为：
Figure GSB00000314610700132
…(等式34)
图5为说明根据本发明第一实施方式的热循环系统中热量的例子的解释图。图5图解说明了当压缩机C的输入L1以1个单位(L1＝1)的量引入系统中时，涡轮机输出W1，及热交换机7出口的热交换量Q3和从外界引入到热交换机8中的热量Q4。热泵的性能系数εh为致冷机的性能系数加1，即εh＝5.4+1＝6.4…(等式35)涡轮机S的输出W1表示为：
Figure GSB00000314610700133
…(等式36)热交换机7出口的热交换量Q3为：Q3＝6.4-1.7＝4.7…(等式37)从外界吸收到热交换机8中的热量Q4为：Q4＝致冷机的性能系数-Q3…(等式38)因此，热量Q4为：Q4＝5.4-4.7＝0.7…(等式39)
图6为根据本发明第二实施方式的热循环系统的布置图。除了根据本发明的第二实施方式的热循环系统使用兰金循环A的废热，即将来自汽轮机S2的冷凝器Y1的废热作为系统的热源外，图6所示的热循环系统与本发明的第一实施方式(图3)的热循环系统有相似的配置。在图6所示的热循环系统中，从锅炉B给蒸汽的热量为10,000kW，涡轮机S2的输出W3为3,000kW(热效率：0.3)。从涡轮机S2产生的废热(冷凝器废热)为7,000kW。从蒸汽Eg传递给冷凝器Y1中的致冷剂Fg的热量为7,000kW。
进入和流出图6所示系统的每一元件或部分的热量通过比例运算得到，其中在图5所示的热循环系统中，从外界吸收到冷凝器Y1中的热量，即0.7，假设为7,000kW，也就是说图5中的一个单位被假设为10，000kW。压缩机C的输入L为L＝10,000kW，涡轮机S的功W1为W1＝17,000kW。热交换机7中的热交换量Q3为Q3＝47,000kW。泵P1消耗的功率L2为45kW，由反动式水轮机K产生的功率W2为45kW。相对于10,000kW的输入而言，45kW的功率很小，因此，可忽略而不会出现问题。
图7是根据本发明的第三实施方式的热循环系统的布置图。图7所示的热循环系统与根据本发明的第一实施方式(图3)的热循环系统的布置相似，除了根据第三实施方式的热循环系统具有这样的结构，其中热交换机(冷凝器)7的热吸收侧为外部热输出(外部冷却源)Z1，且在涡轮机S排出口和压缩机C的进口之间没有热交换。图7的热循环系统有涡轮机S，其安装在致冷机的冷凝器7的上游侧，以获得输出(功率或功)W1。在图7的热循环系统中，卡诺循环中的涡轮机S的热效率ηS为：…(等式40)可逆的卡诺循环中的致冷机的性能系数ε为：
Figure GSB00000314610700151
…(等式41)涡轮机S的输出(功率或功)W1为：
Figure GSB00000314610700152
…(等式42)假设泵P的泵功率L2和压缩机的功率L1的比率为0.4％，泵P的泵功率L2为：L2＝0.004…(等式43)从涡轮机S得到的功W1为：…(等式44)因为从涡轮机S得到的功W1比泵P的泵功率L2大很多，与仅仅从热交换机7耗散热的系统相比，从涡轮机S吸取功率的优势是很大的。
图8为根据本发明的第四实施方式的热循环系统的布置图。图8所示的热循环系统具有热机A，其包括锅炉B，涡轮机S2和冷凝器Y1。在冷凝器Y1中，废热传递到锅炉入口的给水。也就是，在热循环系统中，实现了热交换。图8的热循环系统进一步具有从冷凝器Y1向外界提供热输出U的配置。
图9为按照本发明第五实施方式的热循环系统的布置图。图9所示的热循环系统具有与热机A相结合或组合的热泵(致冷机J)以在热机A中实现增强的热交换。在图9所示的热循环系统中，锅炉B中产生的蒸汽Eg驱动涡轮机S2。之后，蒸汽Eg在冷凝器Y1中冷却，经泵P2加压以形成冷凝物Ee。冷凝物Ee在致冷机J的热交换机7(在其热接收侧)中被加热到一温度，例如80℃，然后再循环回到锅炉B中。在压缩机C中压缩的致冷水蒸汽Fg在热交换机7(在其散热侧)中冷却并被液化以形成致冷液体Fe。同时，致冷剂产生温度为80℃的热输出(热水供给)U2，例如，加热热机A中的冷凝物Ee到80℃。致冷液体Fe通过膨胀阀V膨胀以形成4℃的致冷水蒸汽Fg，例如，其被引入热交换机Y1中以冷却蒸汽Eg。因此，在排出的蒸汽或废汽(exhaust gas)Eg和热机中的冷凝物Ee之间实现了增强的热交换。
在图9的热循环系统中，以下对热机工作在热泵J处于静止(也就是热交换直接在排出蒸汽Eg和热机中的冷凝物Ee之间实现)的状态的一个例子进行描述。蒸汽温度(涡轮机入口)为400℃，冷凝物温度(汽轮机出口)为60℃。卡诺循环中的热效率η为：
Figure GSB00000314610700161
…(等式45)另一方面，当热泵J如图9所示工作时，蒸汽温度设为400℃，冷凝物温度(汽轮机出口)为10℃。卡诺循环中的热效率η为：…(等式46)这表明当热泵运行在如图9所示的热循环系统中时，温度差从340°增加到390℃，且使涡轮机主单元的热效率提高了：0.579-0.505＝0.074…(等式47)
接下来，我们来讨论图9的热循环系统中的热交换。当热泵J处于静止时，且没有产生热交换时，冷凝物温度(涡轮机出口)和给水温度(锅炉入口)均为10℃。为了将冷凝物和给水转换成400℃的蒸汽，需要90个单位的热量来将给水从10℃加热到100℃，需要539个单位的热量使100℃的冷凝物变成100℃的蒸汽。而且，假设蒸汽的比热为0.5，需要150个单位的热量将蒸汽从100℃加热到400℃。因此，一共需要779个单位的热量。
在热泵工作进行热交换的情况下，冷凝物温度(涡轮机出口)为10℃，锅炉入口的给水温度为70℃。因此，与没有进行热交换时的锅炉入口给水温度(即等于10℃)相比，节约本来应该用于将给水温度提高60℃需要的热量(即60个单位热量)是可能的。这可以表示为：60/779＝0.077…(等式48)因此，通过热交换，输入热量的减少提高了热循环系统的热效率，如下：从上述等式32，η＝ηS/(1-Q3/Q1)…(等式32)，即η/ηS＝1/(1-Q3/Q1)…(等式49)图9所示的热循环系统的热效率为：1÷(1-0.077)＝1.08…(等式50)因此，热效率提高了大约8％。
接下来，我们讨论图9的热循环系统中由热交换导致的热降或温降的增加。当热泵处于静止并且不产生热交换时，这时涡轮机的热效率ηS为：ηS＝(400-10)/(400+273.15)＝0.579…(等式51)用上述热效率的增加率乘以热效率ηS，即0.579，得到热循环系统的热效率为0.625。
在本发明使用的基本循环(图3)中，即使泵消耗的功率和反动式水轮机产生的功相互抵消或功率平衡稍微为正，通过实现兰金循环中的热交换，仍可以提高热效率。无需增加锅炉容量就可以提高热效率。例如，把常规系统中的蒸汽温度400℃，冷凝物温度(涡轮机出口)60℃，锅炉入口给水温度60℃，变成如上所述的蒸汽温度400℃，冷凝物温度(汽轮机出口)10℃，锅炉入口给水温度70℃。这样，锅炉入口给水温度仅变化了10℃。因此，无需增加锅炉容量。
图10为根据本发明第六实施方式的热循环系统的布置图。图10所示的热循环系统包括热机A和热泵(致冷机J)的一个组合，热机A本身执行热交换，而热泵(致冷机J)包括涡轮机，其中热机A中的涡轮机排出的气体经过致冷机J的致冷输出进行冷却。在图10所示的热循环系统的热机A中，锅炉B产生的蒸汽Eg驱动涡轮机S2。之后，蒸汽Eg在冷凝器Y1中冷却，经过泵P2加压以形成冷凝物Ee。冷凝物Ee由冷凝器Y1中的涡轮机排出的蒸汽或废汽进行加热，再循环回到锅炉B中。在图10所示的热循环系统的致冷机J中，经压缩机C加压的致冷气体Fg驱动涡轮机S。之后致冷气体Fg在热交换机7(在其散热侧)中冷却并压缩，然后由泵P1加压形成致冷液体Fe。
从泵P1排出的高压致冷液体Fe驱动反动式水轮机K做功W2。同时，致冷液体Fe通过作为膨胀阀工作的反动式水轮机K的管口(nozzle)膨胀并蒸发，形成致冷气体Fg。致冷气体Fg在热交换机7(在其热吸收侧)中加热，并在冷凝器Y1中进一步加热，再被引入到压缩机C中。图11为根据本发明第六实施方式的改进例的热循环系统的布置图。在图11所示的热循环系统中，涡轮机S2与压缩机C机械地连接以驱动压缩机C，因此无需电动机来驱动压缩机C。热循环系统的布置的其余部分与图10所示的热循环系统的其余部分相同。因此，省略对其进行重复描述。
图12为根据本发明第七实施方式的热循环系统的布置图。图12所示的热循环系统包括热机D和致冷机(热泵)的一个组合，热机D使用奥托循环，狄赛尔循环，萨巴泰循环，或斯特林循环，而所述致冷机包括涡轮机。在图12所示的热循环系统中，连接到涡轮机的发电机G1、压缩机电动机M和由热机驱动的发电机G3彼此电连接。在图12的热循环系统中，经压缩机C加压的致冷气体驱动涡轮机S。之后，致冷气体在热交换机7(在其散热侧)中被冷却并被压缩再由泵P1加压形成致冷液体Fe。
从泵P排出的高压致冷液体Fe驱动反动式水轮机K做功W2。同时，致冷液体Fe通过其工作如同一个膨胀阀的反动式水轮机K的管口膨胀并蒸发，形成致冷气体Fg。致冷气体在热交换机7(在其热吸收侧)中被加热，并进一步在热交换机8中用热机产生的废热(冷却热和废气热)进行加热，再被吸入到压缩机C中。从热机产生的废热传递到热交换机8中的致冷气体Fg。反动式水轮机K可以仅用作膨胀阀。
图13为根据本发明的第八实施方式的热循环系统的布置图。如同图12的热循环系统，图13所示的热循环系统包括热机D和致冷机(热泵)的一个组合，热机D使用奥托循环，狄赛尔循环，萨巴泰循环，或斯特林循环，而所述致冷机包括涡轮机。在图13的热循环系统中，压缩机C由热机的输出驱动。热循环系统的其余配置和图12所示的热循环系统的其余配置相同。在图12和13中，热机D使用奥托循环，狄赛尔循环，萨巴泰循环，和斯特林循环中的任意一种。
图14为根据本发明的第九实施方式的热循环系统的布置图。图14所示的热循环系统包括燃料电池N和致冷机(热泵)的一个组合，所述致冷机包括涡轮机。在图14的热循环系统中，经过压缩机C加压的致冷气体Fg驱动涡轮机S。之后，致冷气体Fg在热交换机7(在其散热侧)中被冷却并被压缩再由泵P加压形成致冷液体Fe。泵P排出的高压致冷液体Fe通过膨胀阀V膨胀并蒸发形成致冷气体Fg。致冷气体在热交换机7(在其热吸收侧)中被加热，并在热交换机8中由燃料电池N产生的废热进一步加热，再被吸入压缩机C中。燃料电池产生的废热传递到热交换机8中的致冷气体Fg。在图14的热循环系统中，连接到涡轮机S的发电机G、压缩电动机M和燃料电池的输出彼此电连接。

Claims (10)

1.一种热循环系统，其包括压缩机、第一涡轮机、热交换机和第一泵，其中所述热交换机包括第一热交换机(7)和第二热交换机(8)，在所述压缩机(C)中压缩的工作气体驱动所述第一涡轮机(S)做第一功(W1)，之后所述工作气体通过所述第一热交换机(7)的散热侧被冷却，然后由所述第一泵(P)加压形成高压工作液体，所述高压工作液体驱动反动式水轮机(K)做第二功(W2)，同时所述高压工作液体被膨胀和蒸发形成工作气体，所述工作气体通过所述第一热交换机(7)和所述第二热交换机(8)被加热后被引入所述压缩机(C)中。
2.根据权利要求1所述的热循环系统，其中由所述反动式水轮机(K)产生的所述第二功(W2)和所述第一泵(P)消耗的能量或功率(L2)大致相互抵消，并且压缩机驱动电动机(M1)、涡轮式发电机(G1)、泵驱动电动机(M2)和水力涡轮式发电机(G2)彼此电连接。
3.根据权利要求1所述的热循环系统，其中所述第二热交换机(8)将兰金循环中的涡轮机排出的蒸汽或废汽的废热或燃料电池的废热传递到所述工作气体。
4.一种热循环系统，其包括压缩机、第一涡轮机、热交换机和第一泵，其中所述热交换机包括第一热交换机(7)和第二热交换机(8)，在所述压缩机(C)中压缩的工作气体驱动所述第一涡轮机(S)做第一功(W1)，之后所述工作气体通过所述第一热交换机(7)的散热侧被冷却，然后由所述第一泵(P)加压形成高压工作液体，所述高压工作液体通过膨胀阀(V)膨胀和蒸发形成工作气体，所述工作气体通过所述第一热交换机(7)和所述第二热交换机(8)被加热后被引入所述压缩机(C)中。
5.一种热循环系统，其包括热机和致冷机的一个组合，该热机包括锅炉、第二涡轮机、冷凝器和第二泵，该致冷机包括压缩机和第一热交换机，其中所述锅炉(B)产生的蒸汽(Eg)驱动所述第二涡轮机(S2)，之后所述蒸汽(Eg)在所述冷凝器(Y1)中被冷却，然后由所述第二泵(P2)加压形成高压冷凝物(Ee)，其再循环回到所述锅炉(B)中，并且其中所述致冷机进一步包括第一涡轮机(S)、第一泵(P1)和反动式水轮机(K)，其中在所述压缩机(C)中压缩的第一致冷气体(Fg)驱动所述第一涡轮机(S)做第一功(W1)，之后所述第一致冷气体(Fg)经过所述第一热交换机(7)的散热侧被冷却并然后由所述第一泵(P1)加压形成高压致冷液体，所述高压致冷液体驱动所述反动式水轮机(K)做第二功(W2)，同时所述高压致冷液体被膨胀和蒸发形成第二致冷气体，所述第二致冷气体通过所述第一热交换机(7)的热吸收侧和所述冷凝器(Y1)被加热后被引入到所述压缩机(C)中。
6.根据权利要求5所述的热循环系统，其中所述高压冷凝物(Ee)在所述冷凝器(Y1)中被加热后再循环回到所述锅炉(B)中。
7.根据权利要求5或6所述的热循环系统，其中所述压缩机(C)由所述热机的所述第二涡轮机(S2)的输出驱动。
8.一种热循环系统，其包括热机和致冷机的一个组合，该致冷机包括压缩机、第一涡轮机、第一热交换机、第一泵和膨胀阀，其中在所述压缩机(C)中压缩的第一致冷气体(Fg)驱动所述第一涡轮机(S)做第一功(W1)，之后所述第一致冷气体(Fg)在所述第一热交换机(7)的散热侧被冷却，然后由所述第一泵(P1)加压形成高压致冷液体(Fe)，所述高压致冷液体被膨胀和蒸发形成第二致冷气体(Fe)，所述第二致冷气体通过所述第一热交换机(7)的热吸收侧被加热和在第二热交换机(8)中由所述热机(D)产生的废热加热后返回到所述压缩机(C)中。
9.根据权利要求8所述的热循环系统，其中所述压缩机(C)由所述热机(D)的第三功(W3)驱动。
10.一种热循环系统，其包括燃料电池(N)和致冷机的一个组合，该致冷机包括压缩机、第一涡轮机、第一热交换机、第一泵和膨胀阀，其中在所述压缩机(C)中压缩的第一致冷气体(Fg)驱动所述第一涡轮机(S)做第一功(W1)，之后所述第一致冷气体(Fg)在所述第一热交换机(7)的散热侧被冷却，然后由所述第一泵(P1)加压形成高压致冷液体(Fe)，所述高压致冷液体被膨胀和蒸发形成第二致冷气体(Fe)，所述第二致冷气体通过所述第一热交换机(7)的热吸收侧被加热和在第二热交换机(8)中由所述燃料电池(N)产生的废热加热后返回到所述压缩机(C)中。
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