[发明专利]用于延时和延长的空气冷却冷凝系统的方法和装置

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年9月12日提交的USSN61/533,551的优先权和权益，该申请出于所有的目的通过引用全文纳入本文。

政府资助的声明

[不适用]

背景技术

在发电厂，需要去除来自蒸汽轮机废蒸汽的低温蒸汽携带的大量潜热，并将之冷凝成水以完成发电的朗肯循环。类似的情况存在于其他热机和设备，如中央空调系统中。通常，使用大量的冷却水去除低质量（温度）的潜热，这是大多数燃煤电厂和核电站使用的方法。但是，这种所谓的“湿冷却”方法消耗极大量的水，几乎占工业用水总量的50%和总耗水量的20%。

对于水资源稀缺的地区，开发了“干冷却”方法以将潜热直接消散到环境空气中，免去使用大量的水。空气冷却冷凝方法主要有两类，其一是直接空气冷却冷凝，另一种是间接空气冷却冷凝。这两种方法之间的区别在于热传导过程是直接发生在低温蒸汽和环境空气之间还是经由其他热传导介质。

空气冷却冷凝法的传热效率极大依赖于废蒸汽和环境空气之间的温差，以及空气吹在冷凝换热器表面的速度。为了即刻消散废蒸汽，要求废蒸汽和环境空气之间有较大的温差，在“干冷却”法中通常约为30℃到40℃，而在“湿冷却”法中为10℃到15℃。此外，由于空气的容积热容量几乎比水的小几千倍，要将极大量的冷却空气吹到换热器表面进行制冷。废蒸汽和环境空气之间的大温差产生了较高的排汽压。例如，在典型的干冷却系统中，通常其排汽压为约25到50kPa，而典型的湿冷却系统的为5到7kPa。排汽压的增加导致汽轮发电机的热电转换效率下降。例如，对于典型的600MW燃煤发电机，如果采用“干冷却”而非“湿冷却”，热电转换效率将从40%下降到35%。

另一方面，在“干冷却”的过程中，散热率依赖于冷却器中热交换器的表面积和经过热交换器表面的风速。出于成本考虑，热交换器的表面不能太大，否则为了实现有效制冷，风速需要非常大。根据空气动力学，用于干冷却的吹风机的功耗与其产生的风速呈三次方的比例。需要的风速越高，其耗电量越大。因此，干冷却法可能要消耗发电厂生成的电量的几个百分点到超过10个百分点。

概述

为了克服空气冷却冷凝过程中的上述缺陷，人们发现采用间接空气冷却方法，同时将冷却过程分为两个时间段或“循环”是有利的：1）冷凝期，在该期间低温的废蒸汽在冷凝为水时将其潜热传递到低温储热材料，例如，在环境空气温度较高的时期；和2）消散期，在该期间热量通过空气冷却从储热材料消散到环境空气中，例如，在环境空气温度较低的时期。如果将这两个阶段及时分开，则有可能减少上述干冷却法的缺陷。也可将该双阶段（时期）法部分应用于(例如，在某些实施方式中)高温时期，即，仅有部分生成的潜热储存在储热材料中，并在冷却时期消散到环境空气中；而其他部分潜热仍然利用传统的冷却方法消散。这对于改变和改善现有的发电厂特别有用。

对于聚光型太阳能热发电厂（concentration solar thermal power（CSP）），使用干冷却法更有益，因为在多数情况下，CSP发电厂建在水资源非常有限的沙漠地区中。在这种情况下，分开的双阶段干冷却法相比于传统的干冷却法能带来更多的优势，因为沙漠地区的昼夜温差通常大于其他区域的。

鉴于以上要点开发了本文所述的装置和方法。因此，在各实施方式中，描述的方法和装置提供延时的和延长的干冷却冷凝方法，该方法在降低废蒸汽的冷凝温度的同时利用白天和夜间的环境空气温度不同来降低制冷（如送风机）所需的能耗，从而提高干冷却法的整体热电转换效率。

将第一冷凝阶段的初始时间设为t₁，而阶段1的持续时间为Δt₁；从储热介质中(散热)的第2散热阶段的初始时间设为t₂，而阶段2的持续时间为Δt₂。如果t₁等于t₂而且Δt₁等于Δt₂，则整个冷却过程变成了标准的间接空气冷却冷凝过程。对于延时和延长的间接空气冷却冷凝，t₂（消散阶段的初试时间）通常晚于t₁（例如，在给定某天气温较低的时间），在某些实施方式中，Δt₂不等于Δt₁。这样，能够独立于随后的散热过程来优化该冷凝过程的效率，从而改进空气冷却过程的效率。