[发明专利]空气循环的热力转换系统

说明书

本发明涉及热动力转换设备，更具体地说，涉及使用空气作为工作介质的热力转换设备。

某些热动力转换或化学过程会产生大量的含有足够热能的副产热气，为节约能源，去收集和利用这种热能已引起人们的注意。例如，燃气轮机在一个燃烧室内燃烧带有空气的燃料以产生各种热气。这些热气在气轮机内膨胀时产生力矩。部分力矩被用来驱动一个空气压缩机-将压缩空气送给燃烧室。其余力矩用在输出轴上。

排出燃气轮机的废气的温度约为1000°F。当这种热废气被排入大气时，这样一种燃气轮机的热动力效率是比较低的，（例如，与蒸汽轮机相比）。尽管其效率比较低，但由于燃气轮机可提供快速起动和灵活的操作，已促使其用作一种为产生峰值功率和在船用推进系统中的原动机。

回收热量的蒸气锅炉一般同燃气轮机配合而形成一个蒸气和燃气轮机组合的循环系统。热回收蒸气锅炉吸取存在于废气中的相当大部分热能，从而产生蒸气-通过任何使用过程，便可加以应用。这种组合的循环系统，其总效率高于蒸气轮机的效率。

蒸气和燃气轮机组合的循环系统有许多缺点。蒸气是难以盛装和操纵的介质。例如，为了避免热回收蒸气锅炉侧的水的腐蚀和结垢，必须对补给水进行精心处理，以确保其纯度。为获得这种纯水的设备是昂贵的。此外，热回收蒸气锅炉是需要投入大量资金的庞大装置和实际上的不动产。

热回收蒸气锅炉对所需输出变化的响应要比燃气轮机慢得多。对于热回收蒸气锅炉的冷起动（cold    start）来说，需要持续一段时间-例如，2小时，在这段时间内，输出功率仅由燃气轮机产生，同时，燃气轮机的废气加热热回收蒸气锅炉里的水，使其达到工作温度和压力。在不利用热回收蒸气锅炉的输出时，又需要一个相应于起动周期的关闭（shut-down）周期。若蒸气和燃气轮机系统每天运行16小时的话，则其中要有4个小时单靠燃气轮机的运行，使热回收蒸气锅炉加热至工作状态，或使其冷却至静止状态。这样，虽然保持了由燃气轮机提供的起动和操作的灵活性，由热回收蒸气锅炉提供输出功率并改善了效率，但其有效时间明显地少于其总的运行时间。

我已发现：从具有（放出热的介质和接收热的介质间）最小热梯度的热气中吸取热量时，可获得最大热动力效率。产生蒸气必须要有一个这样的区域即在此区域，在热交换侧水中的介质保持恒温，而水就蒸发成蒸气。这个过程违背上面关于最小热梯度的规律，因而降低了可从热废气中吸收而传到一个应用过程中的能量的数量。无数的生产和化学过程需要供应大量的热的，未被污染的压缩空气。未被污染的空气中的氧气还未经燃烧，反之在燃烧过程中，大部分氧气要被燃烧产物（通常包括二氧化碳、一氧化碳、未烧尽的燃料和在固体燃料的燃烧情况下，夹带燃料、灰尘和炉渣粒子）所替代。蒸气和燃气轮机组合的循环系统，在不要求单独硬设备去产生无污染空气的情况下，就不可得到这种无污染空气的供应。

离开蒸气和燃气轮机组合循环系统的烟气的温度大约为270°F。虽然这意味着能量的一种显著的浪费，但由于腐蚀剂（主要是硫化物）的存在，只要其温度大大降低便能从烟气中析出，因此再用传统方法从烟气回收热是不实际的。反之，对被加热的废气流来说，要求没这种温度约束。在不产生有害物质析出的情况下加热空气的温度可被尽可能地降低，降低这种热空气的温度至多使其内所含的水份析出。而这种被析出的水可能是某些环境下的一种有经济价值的商品。

因此，本发明的一个目的是为提供一个组合循环系统，该系统包括一个燃气轮机-其热动力效率高于单个燃气轮机的效率，并保持燃气轮机的操作灵活性。

本发明的另一目的是提供一种组合循环系统，该系统应用空气闭锁循环。以一种有利的方式回收加热气体流中的热能。

本发明的又一目的是用至少在两级压缩之间带有中间冷却的多级压缩过程去压缩空气。在压缩空气进入同热气流交换前，中间冷却先将其冷却到尽可能低的温度。使热交换能从热气流和空气流之间的最小温度梯度开始进行，从而获得最大热传输效率。通过将空气质量流量控制到某一个具有基本上等于热气容量的热容量的值，来增强这种最小热梯度作用。

本发明的另一目的是为提供一种空气闭锁循环，该循环包括辅助燃烧，以增加被加热的压缩空气中的热能。