[其他]直接用火加熱的動力循環

無效

• 申請號: 88100935
• 申請日: 1988-02-16
• 公開（公告）號: CN88100935A
• 公開（公告）日: 1988-10-26
• 發明（設計）人: 阿歷山大·I·卡林納
• 申請（專利權）人: 阿歷山大·I·卡林納
• 主分類號: F01K25/06
• 分類號: F01K25/06
• 代理公司: 中國專利代理有限公司
• 代理人: 楊松齡

本發明一般涉及一種利用被膨脹和回熱的工作流體將熱源的熱能轉換成機械能然后轉換成電能的方法和設備。本發明還涉及一種提高熱力循環的熱效率的方法和設備。

眾所周知，根據熱力學第二定律可以知道，任何熱源的（能勢）隨該熱源溫度的升高而增大。由于這種作用，發電技術的改進已經以提高燃燒過程所釋放的熱溫度為目標。這種改進之一是用已燃氣對燃燒空氣進行逆流予熱，以提高燃燒溫度和從燃料燃燒所釋放的平均熱溫度。這種稱之為“粉煤燃燒”的技術，已經是眾所周知和被廣泛的確立。

和熱源的能勢的情況不同，動力循環的效率不直接取決于熱溫度，而是取決于工作流體在從熱源的熱轉換過程中的平均溫度。如果獲得的該熱溫度大大低于可利用的熱源的溫度，在熱轉換過程中就造成的不可逆損失，而循環的效率保持較低水平。

這個結果說明了傳統動力裝置的效率較低的原因。例如，動力裝置將熱能轉換成電力的效率極限約為63%的水平，甚至在工作流體的溫度保持在1000至1100°F的現代動力裝置所要求的冶金特性所限定的范圍內也是如此。同樣，以透平電功率輸出（循環供給泵的功從該功率中扣除）為基礎的最佳的直接加熱（direct-fired）動力裝置的效率不超過41-42%。換句話說，這些裝置的熱力效率不超過65%（熱效率與熱力學效率極限之比）。

這個現象的理論上的原因是傳輸給工作流體（即水）的大量熱可在蒸發器內得到，在那里水大約于660°F（350℃）沸騰，而可利用熱具有更高的溫度。從熱力學的觀點來看，非常清楚的是除非工作流體得到的熱的溫度急劇升高，否則熱能轉換成電能的過程的效率，即熱力循環的效率不能得到提高。

使用沸點比水高的工作流體實際上不能提高循環的效率，其原因如下。甚至在用水作為工作流體時冷凝器內的壓力必須保持高真空。如果所使用的是在正常情況下其沸點高于水的工作流體，冷凝器內需要更高程度的真空，這在技術上是不實際的。除非冷凝器內得以提供這種超低壓，不然這種假想的高沸點流體的冷凝溫度就會很高，從而蒸發器內所獲得的增益就會在冷凝器內失去。因為存在這個問題，在最近的六、七十年內在提高直接加熱動力裝置的效率方面只取得了很小的進展。

提高使用高溫度熱源的動力循環的有前途的方法是使用所謂的“同流換熱循環”。按照這一構思，工作流體必須用同一工作流體的回流予熱至較高的溫度。只有在予熱之后，才將外部傳輸給工作流體。結果，所有熱量的獲得都將在高溫度下發生，從理論上講，該循環的效率將被提高。

這種循環的唯一實例是所謂的“同流換熱式布萊頓循環”（recuperative????Brighton????Cycle），它采用了氣態的工作流體。在該循環中，工作流體在室溫下被壓縮，在同流換熱器中予熱，由熱源供熱，在透平中膨脹，并被送回同流換熱器，這樣進行予熱。

同流換熱式布萊頓循環盡管在理論上有很多優點，可實際上并不能提供很高的效率，這是由于以下兩個因素造成的：

（1）氣態的工作流體的“壓縮功”非常大，不能等溫地或者以較小的溫升進行;

（2）由于使用了氣態的工作流體，同流換熱器中的溫差必須較大，從而引起了不可逆的損失。

對高效動力循環的理想解決方案，是將以布萊頓循環為特征的高度同流換熱與蒸汽循環相接合，在蒸汽循環中，工作流體在液態下增大其壓力。這就使所使用的泵可以在較小的需要功（低“壓縮功”）下增大流體壓力。

很可惜，由于一個很簡單的原因，對這種循環的直接了解看來是不可能的。如果同流換熱式加熱過程包括液體予熱，蒸發和某些過熱加熱，則壓力比對向流的壓力低的回流將在低于對向流沸點的溫度下冷凝。這種現象顯示出在該過程中直接進行回熱是不可能的。

如上所述，為了討論的目的，熱力循環中的整個蒸發過程可以考慮成是由三個區別的部分組成的：予熱、蒸發和過熱。按照傳統工藝，熱源和工作流體的匹配只有在過熱的高溫部分期間才能滿足要求。但是，本發明的發明人理解到，在已知的過程中，可適合于高溫過熱的一部分高溫熱是用于蒸發和予熱。這引起兩個流之間有很大的溫差從而導致的不可逆損失。例如，在傳統的蘭金循環（Rankine cycle）中，由于熱源的燴-溫度特性與工作流體的不匹配所引起的損失占了有效的約25%。

對過去的熱源和工作流體的燴-溫度特性匹配不好的困境的理想解決方案，在于將可以從熱源得到的高溫熱用于過熱，從而降低過熱過程中的溫差，而同時又提供低溫熱，以盡量降低蒸發過程中的溫差。