低熵混燃高超临界热动力系统

技术领域

本发明涉及热能与动力领域， 尤其是一种热动力系统。

技术背景

外燃热动力系统目前应用十分广泛， 如热电厂等， 但是目前最先进超超临 界的外燃热动力系统的工质温度也仅有 630度左右，其原因是外燃加热方式所 致， 因为热量要穿过锅炉的传热壁， 所以锅炉传热壁不仅要承受工质的高压作 用， 而且还要承受高于工质温度的高温作用， 所以在现有材料技术的前提下， 无法使工质的温度和压力继续提高。 因此， 急需发明一种具有更高工质温度和 压力的热动力系统。

发明内容

为了解决上述问题， 本发明提出的技术方案如下：

一种低熵混燃高超临界热动力系统， 包括锅炉、 锅炉工质腔、 作功机构和 燃烧室， 所述燃烧室上设有燃烧室工质入口、 燃烧室工质出口、 氧化剂入口和 燃料入口， 氧化剂源经氧化剂高压供送系统与所述氧化剂 入口连通， 燃料源经 燃料高压供送系统与所述燃料入口连通，所述 燃烧室全部设置在所述锅炉工质 腔内或所述燃烧室部分设置在所述锅炉工质腔 内或所述燃烧室设置在所述锅 炉外；

所述锅炉工质腔与所述燃烧室工质入口连通， 所述燃烧室工质出口与所述 作功机构连通。

在所述燃烧室工质入口处设增压器，所述增压 器对所述燃烧室内的工质增 压。

所述作功机构与发电机连接。

所述低熵混燃高超临界热动力系统还包括冷凝 冷却器，所述作功机构的工 质出口与所述冷凝冷却器的被冷却流体入口连 通，所述冷凝冷却器的被冷却流 体出口与液体高压回流泵的入口连通，所述液 体高压回流泵的出口与所述锅炉 工质腔连通，在所述液体高压回流泵的作用下 被所述冷凝冷却器液化的工质回 流到所述锅炉工质腔内。

在所述燃烧室工质出口处设动力单元，所述动 力单元对所述增压器输出动 力。

所述作功机构对所述增压器输出动力。

在所述冷凝冷却器的被冷却流体出口处设不凝 气体导出口。

在所述冷凝冷却器的被冷却流体入口处和 /或在所述冷凝冷却器的被冷却 流体出口处设余量工质导出口。

所述动力单元与所述增压器同轴设置。

所述作功机构与所述增压器同轴设置。

所述作功机构设为动力透平或设为活塞式作功 机构。

所述增压器设为叶轮式压縮机或活塞式压縮机 。

所述动力单元设为叶轮式动力单元或活塞式动 力单元。

所述燃料源内的燃料设为碳氢化合物、 碳氢氧化合物或设为氢气。

所述氧化剂源内的氧化剂设为液氧、 高压气态氧或过氧化氢水溶液。 所述燃料源内的燃料设为金属燃料， 在所述燃烧室内和 /或在所述作功机 构前和 /或在所述作功机构后设工质金属化合物分离� �。

所述冷凝冷却器设为晾水塔。

在所述作功机构的工质出口处设回热器。

所述增压器设为叶轮式压縮机， 所述作功机构设为动力透平， 所述动力透 平对所述叶轮式压縮机输出动力， 所述叶轮式压縮机、所述燃烧室和所述动力 透平的高压区设在所述锅炉工质腔内。

所述燃烧室工质入口设为冲压发动机的进气口 ，所述燃烧室设为冲压发动 机燃烧室， 所述燃烧室工质出口设为冲压发动机扩压区气 体出口。

一种提高所述低熵混燃高超临界热动力系统效 率和环保性的方法，即将开 始作功的气体工质的温度和压力符合类绝热关 系。

一种低熵混燃高超临界热动力系统， 包括锅炉和作功机构， 所述锅炉的气 体工质出口与所述作功机构的气体工质入口连 通，调整所述锅炉的液体工质入 口的流量和压力， 调整所述锅炉的气体工质出口处的流量， 调整所述锅炉的加 热强度使所述锅炉的气体工质出口处的气体工 质压力大于 30. 5MPa， 使所述锅 炉的气体工质出口处的气体工质温度高于 880K。

一种提高所述低熵混燃高超临界热动力系统效 率和环保性的方法，所述锅 炉的气体工质出口处的气体工质的温度和压力 符合类绝热关系。

本发明的原理是将由所述锅炉工质腔产生的高 温高压工质在所述燃烧室 内通过相内加热的方式（即燃烧反应在来自锅 炉工质腔的工质中进行）使工质 吸收热量提高温度，或者将来自锅炉工质腔的 高温高压工质经所述增压器增压 后在所述燃烧室内通过相内加热的方式使工质 的温度和压力都进一步提高， 升 温后或升温升压后的工质进入所述作功机构对 外作功。

本发明所公开的低熵混燃高超临界热动力系统 ， 不仅可以提高热动力系统 的效率， 而且还可以有效利用粗糙燃料（如煤、 生物质等）和精细燃料（如汽 油、 柴油、 氢气、 金属燃料等）， 使燃料资源得到更加充分的利用。

本发明所公开的低熵混燃高超临界热动力系统 ，所谓的金属燃料是指直接 与氧发生剧烈化学反应的金属或与水反应产生 氢气 （氢气与氧发生化学反应） 的金属， 例如金属铝或金属镁等。金属燃料的使用的主 要目的是规避在燃烧后 产生不凝气二氧化碳； 所谓的工质金属化合物分离器是指将金属燃料 燃烧后产 生的金属化合物进行分离的装置。

本发明所谓的冲压发动机的进气口是指冲压发 动机进气道的空气入口，所 谓的冲压发动机燃烧室是指由冲压发动机进气 道进入的气体经扩压区增压后 的气体所在的空间，所谓的冲压发动机扩压区 气体出口是指冲压发动机中进入 喷管之前的气体高压区。这一结构的目的是利 用冲压发动机进气道将工质加速 再经扩压区增压后经所述燃烧室增温后提高工 质的作功能力。

在传统的利用锅炉工质腔产生高温高压工质的 热动力系统中， 由于是外燃 加热方式， 所以汽化室壁的温度要远高于其内部工质的温 度， 这就造成了如上 所述工质的压力和温度都严重受限制的状况。 而在本发明所公开的低熵混燃高 超临界热动力系统中， 作为进一步提高工质温度或工质温度和压力的 技术手 段， 是采用了在工质相内混合加热的方式， 即将燃烧火焰直接与工质混合， 这 种燃烧产生的热量不经固体界面直接对工质传 热的方式可以使工质的温度远 高于承载此工质的容器或管道壁的温度， 为此， 本发明所公开的低熵混燃高超 临界热动力系统可以在现有材料技术的基础上 大幅度提高作功工质的温度和 压力， 最终提高热动力系统的效率。

本发明中， 调整所述锅炉的液体工质入口的流量和压力， 调整所述锅炉的 气体工质出口处的流量， 调整所述锅炉的加热强度使所述锅炉的气体工 质出口 处的气体工质压力大于 31 MPa、 31 . 5MPa、 32MPa、 32. 5MPa、 33MPa、 33. 5MPa、 34MPa、 34. 5MPa、 35MPa、 35. 5MPa、 36MPa、 36. 5MPa、 37MPa、 37. 5MPa 38MPa、 38. 5MPa 39MPa、 39. 5MPa或大于 40MPa。

本发明中， 调整所述锅炉的液体工质入口的流量和压力， 调整所述锅炉的 气体工质出口处的流量，调整所述锅炉的加热 强度使所述锅炉的气体工质出口 处的气体工质温度高于 885Κ、 890Κ、 895Κ、 900Κ、 905Κ、 910Κ、 915Κ、 920Κ、 925Κ、 930Κ、 935Κ、 940Κ、 945Κ、 950Κ、 955Κ、 960Κ、 965Κ、 970Κ、 975Κ、 980Κ、 985Κ、 990Κ、 995Κ或高于 1000Κ。

本发明所公开的低熵混燃高超临界热动力系统 中， 为了增加从所述燃烧室 到所述作功机构高压区的承压能力， 可在所述燃烧室、 连接所述燃烧室和所述 作功机构的连通通道和 /或所述作功机构内设隔热衬。 为了增加从所述燃烧室 到所述作功机构高压区的承压能力， 可以对所述燃烧室、 连接所述燃烧室和所 述作功机构的连通通道和 /或所述作功机构进行适当冷却， 以降低它们的壁的 温度， 增大其承压能力。

本发明中， 所谓的环保性是衡量热动力系统污染排放的指 标， 环保性高热 动力系统排放污染少， 环保性低热动力系统排放污染多。

本发明所公开的低熵混燃高超临界热动力系统 中所谓的工质可以是水或 其他介质，进入所述作功机构的工质可以处于 含湿状态、过热状态、临界状态、 超临界状态、 超超临界状态或更高压力温度状态。

本发明所谓的高超临界不仅包括工质处于过热 状态、 临界状态、超临界状 态和超超临界状态， 还包括工质处于更高温度压力状态。

本发明中，图 19是气体工质的温度 Τ和压力 Ρ的关系图， 0-A-H所示曲线 是通过状态参数为 298Κ和 0. 1 MPa的 0点的气体工质绝热关系曲线； B点为气 体工质的实际状态点， E-B-D所示曲线是通过 B点的绝热关系曲线， A点和 B 点的压力相同； F- G所示曲线是通过 2800K和 10MPa (即目前内燃机中即将开 始作功的气体工质的状态点） 的工质绝热关系曲线。

本发明中， 图 19中的 = cr^中的/是气体工质绝热指数， P是气体工质 的压力， Γ是气体工质的温度， （：是常数。

本发明中， 所谓的类绝热关系包括下列三种情况： 1.气体工质的状态参数 (即工质的温度和压力）点在所述工质绝热关� �曲线上， 即气体工质的状态参 数点在图 19中 0-A-H所示曲线上； 2.气体工质的状态参数 （即工质的温度和 压力） 点在所述工质绝热关系曲线左侧， 即气体工质的状态参数点在图 19 中 0-A-H所示曲线的左侧； 3.气体工质的状态参数 （即工质的温度和压力） 点在 所述工质绝热关系曲线右侧， 即气体工质的状态参数点在图 19中 0-A-H所示 曲线的右侧，但是气体工质的温度不高于由此 气体工质的压力按绝热关系计算 所得温度加 1000K的和、 加 950K的和、 加 900K的和、 加 850K的和、 加 800K 的和、 加 750K的和、 加 700K的和、 加 650K的和、 加 600K的和、 加 550K的 和、 加 500K的和、 加 450K的和、 加 400K的和、 加 350K的和、 加 300K的和、 加 250K的和、 加 200K的和、 力 U 190K的和、 力 U 180K的和、 力 Π 170K的和、 加 160K的和、力卩 150K的和、力!] 140K的和、力卩 130K的和、力卩 120K的和、力 Q 110K 的和、 加 100K的和、 加 90K的和、 加 80K的和、 加 70K的和、 加 60K的和、 加 50K的和、 加 40K的和、 加 30K的和或不高于加 20K的和， 即如图 19所示， 所述气体工质的实际状态点为 B点， A点是压力与 B点相同的绝热关系曲线上 的点， A点和 B点之间的温差应小于 1000Κ、 900Κ、 850Κ、 800Κ、 750Κ、 700Κ、 650Κ、 600Κ、 550Κ、 500Κ、 450Κ、 400Κ、 350Κ、 300Κ、 250Κ、 200Κ、 190Κ、 180Κ、 170Κ、 160Κ、 150Κ、 140Κ、 130Κ、 120Κ、 1 10Κ、 100Κ、 90Κ、 80Κ、 70Κ、 60Κ、 50Κ、 40Κ、 30Κ或小于 20Κ。

本发明中，所谓类绝热关系可以是上述三种情 况中的任何一种，也就是指: 即将开始作功的气体工质的状态参数（即气体 工质的温度和压力）点在如图 19 所示的通过 Β点的绝热过程曲线 E- B-D的左侧区域内。

本发明中，所谓的即将开始作功的气体工质是 指即将进入所述作功机构的 的气体工质。

本发明中， 将即将开始作功的气体工质的状态参数（即气 体工质的温度和 压力） 符合类绝热关系的发动机系统 （即热动力系统） 定义为低熵发动机。

本发明中，调整所述锅炉的外燃加热强度及所 述锅炉对外输出工质的流量 进而调整所述锅炉工质腔内的气体工质的状态 （即温度和压力）， 调整所述燃 烧室的内燃加热强度使即将开始作功的气体工 质的温度和压力符合类绝热关 系。

本发明所公开的低熵混燃高超临界热动力系统 中，在将所述燃烧室全部设 在所述锅炉工质腔的结构中， 不仅可以减少所述燃烧室的热量损失， 而且由于 所述燃烧室外部受到所述锅炉工质腔内的工质 由外向内的压力作用，所以可以 减少对所述燃烧室的承压能力的要求；特别是 当在所述燃烧室工质入口处设置 增压器时， 所述燃烧室内的压力会大幅度增加， 在这种情况下， 如果将所述燃 烧室设置在所述锅炉工质腔内， 会大大减少对所述燃烧室结构强度的要求， 减 少所述燃烧室的造价。在将所述作功机构设为 动力透平并利用所述动力透平对 所述增压器输出动力的结构中， 如果将所述增压器、所述燃烧室和所述动力透 平的高压区设置在所述锅炉工质腔内， 会减少系统的制造成本。

本发明所谓的燃烧室是指一切可以在其内部发 生燃烧 （剧烈放热化学反 应） 的容器； 所谓锅炉工质腔是指存储锅炉受热后所产生的 工质， 此时的工质 可以是蒸气、 过热蒸气、 临界状态工质、 超临界状态工质、 超超临界状态工质 或更高温度压力状态的工质； 所谓的作功机构是指一切可以将高温高压工质 的 能量转化为机械功向外输出的机械设备， 如传统往复式的气缸活塞机构， 动力 透平， 喷管等； 所谓增压器是指一切可以对工质增压的装置， 可以是叶轮式压 縮机， 也可以是活塞式压縮机等； 所谓冷凝冷却器是指一切可以将工质降温冷 却、 冷凝的装置， 它可以是散热器， 也可以是热交换器， 还可以是晾水塔； 所 谓不凝气是指在冷凝冷却器中不冷凝的气体； 所谓余量工质是指因为燃烧化学 反应而产生的多余的工质； 所谓连通是指直接连通、 间接连通或经泵、 控制阀 等受控连通； 所谓动力单元是指为了给所述增压器提供动力 而设置的可以利用 所述低熵混燃高超临界热动力系统中的工质产 生动力的机构， 如透平或活塞曲 柄连杆机构等。

本发明中应根据公知技术，在适当位置设阀、 泵和相应的控制装置等部件、 单元或系统。

本发明的有益效果如下：

本发明所公开的低熵混燃高超临界热动力系统 ， 不仅效率高， 而且还可以 充分利用燃料资源。

附图说明

图 1为本发明的实施例 1的示意图；

图 2为本发明的实施例 2的示意图；

图 3为本发明的实施例 3的示意图；

图 4为本发明的实施例 4的示意图；

图 5为本发明的实施例 5的示意图；

图 6为本发明的实施例 6的示意图；

图 7为本发明的实施例 7的示意图；

图 8为本发明的实施例 8的示意图；

图 9为本发明的实施例 9的示意图；

图 10为本发明的实施例 10的示意图；

图 1 1为本发明的实施例 11的示意图；

图 12为本发明的实施例 12的示意图；

图 13为本发明的实施例 13的示意图；

图 14为本发明的实施例 14的示意图；

图 15为本发明的实施例 15的示意图；

图 16为本发明的实施例 16的示意图；

图 17为本发明的实施例 17的示意图；

图 18为本发明的实施例 18的示意图；

图 19为气体工质的温度 T和压力 P的关系图；

图 20为本发明的实施例 19的示意图。

图中： 1锅炉、 2锅炉工质腔、 3作功机构、 4燃烧室、 5氧化剂源、

6燃料源、 7增压器、 8动力单元、 9发电机、 10冷凝冷却器、

11液体高压回流泵、 12不凝气体导出口、 13余量工质导出口、

401燃烧室工质入口、 402燃烧室工质出口、 403氧化剂入口、

404燃料入口、 501氧化剂高压供送系统、 601燃料高压供送系统、

301动力透平、 302活塞式作功机构、 701叶轮式压縮机、

702活塞式压縮机、 801叶轮式动力单元、 405工质金属化合物分离器、 100晾水塔、 200回热器、 400冲压发动机燃烧室、

4001冲压发动机的进气口、 4002冲压发动机扩压区气体出口

具体实施方式

实施例 1

如图 1所示的低熵混燃高超临界热动力系统， 包括锅炉 1、 锅炉工质腔 2、 作功机构 3和燃烧室 4， 所述燃烧室 4上设有燃烧室工质入口 401、 燃烧室工 质出口 402、 氧化剂入口 403和燃料入口 404， 氧化剂源 5经氧化剂高压供送 系统 501与所述氧化剂入口 403连通， 燃料源 6经燃料高压供送系统 601与所 述燃料入口 404连通， 所述燃烧室 4全部设置在所述锅炉工质腔 2内， 所述锅 炉工质腔 2与所述燃烧室工质入口 401连通，所述燃烧室工质出口 402与所述 作功机构 3连通。所述低熵混燃高超临界热动力系统还� �括冷凝冷却器 10，所 述作功机构 3的工质出口与所述冷凝冷却器 10的被冷却流体入口连通， 所述 冷凝冷却器 10的被冷却流体出口与液体高压回流泵 11的入口连通，所述液体 高压回流泵 11的出口与所述锅炉工质腔 2连通，在所述液体高压回流泵 1 1的 作用下被所述冷凝冷却器 10液化的工质回流到所述锅炉工质腔 2内， 即将开 始作功的气体工质的温度和压力符合类绝热关 系。所述燃料源 6内的燃料设为 碳氢化合物、碳氢氧化合物或设为氢气。所述 氧化剂源 5内的氧化剂设为液氧、 高压气态氧或过氧化氢水溶液。

实施例 2

如图 2所示的低熵混燃高超临界热动力系统，其与� �施例 1的区别在于：。 所述燃烧室 4部分设置在所述锅炉工质腔 2内。这样设置的目的不仅可以减少 所述燃烧室的热量损失，而且由于所述燃烧室 外部受到所述锅炉工质腔内的工 质由外向内的压力作用， 所以可以减少对所述燃烧室的承压能力的要求 。

实施例 3

如图 3所示的低熵混燃高超临界热动力系统， 其与实施例 1的区别在于： 所述燃烧室 4设置在所述锅炉 1外。

实施例 4

如图 4所示的低熵混燃高超临界热动力系统， 其与实施例 3的区别在于： 在所述燃烧室工质入口 401处设增压器 7， 所述增压器 7对所述燃烧室 4内的 工质增压， 在所述燃烧室工质出口 402处设动力单元 8， 所述动力单元 8对所 述増压器 7输出动力， 所述动力单元 8与所述增压器 7同轴设置， 并且所述动 力单元 8与所述増压器 7的连接轴设在所述燃烧室 4内。

实施例 5

如图 5所示的低熵混燃高超临界热动力系统， 其与实施例 4的区别在于： 所述动力单元 8与所述增压器 7同轴设置，并且所述动力单元 8与所述增压器 7的连接轴设在所述燃烧室 4外， 这样设置的目的是为了减少对所述连接轴的 热负荷要求， 减少制造成本。

实施例 6

如图 6所示的低熵混燃高超临界热动力系统， 其与实施例 3的区别在于： 在所述燃烧室工质入口 401处设增压器 7， 所述增压器 7对所述燃烧室 4内的 工质增压， 所述作功机构 3对所述增压器 7输出动力， 所述作功机构 3与所述 增压器 7同轴设置。

实施例 7

如图 7所示的低熵混燃高超临界热动力系统， 其与实施例 5的区别在于： 所述作功机构与发电机 9连接， 在所述冷凝冷却器 10的被冷却流体出口处设 不凝气体导出口 12， 所述作功机构设为动力透平 301。

实施例 8

如图 8所示的低熵混燃高超临界热动力系统， 其与实施例 1的区别在于： 所述作功机构设为活塞式作功机构 302，在所述冷凝冷却器 10的被冷却流体入 口处和所述冷凝冷却器 10的被冷却流体出口处设余量工质导出口 13。 具体实施时， 还可以在所述冷凝冷却器 10的被冷却流体入口处或在所述 冷凝冷却器 10的被冷却流体出口处设余量工质导出口 13。

实施例 9

如图 9所示的低熵混燃高超临界热动力系统， 其与实施例 1的区别在于： 所述低熵混燃高超临界热动力系统还包括增压 器和动力单元，所述增压器设为 叶轮式压縮机 701， 所述动力单元设为叶轮式动力单元 801。

实施例 10

如图 10所示的低熵混燃高超临界热动力系统，其与� ��施例 6的区别在于： 所述低熵混燃高超临界热动力系统还包括增压 器和动力单元 8， 所述增压器设 为活塞式压縮机 702， 所述动力单元 8设为活塞式动力单元。

实施例 11

如图 11所示的低熵混燃高超临界热动力系统，其与� ��施例 3的区别在于： 在所述燃烧室 4壁的内侧设隔热衬 40。

实施例 12

如图 12所示的低熵混燃高超临界热动力系统，其与� ��施例 3的区别在于： 在所述燃烧室 4壁的外侧设散热结构 110。

实施例 13

如图 13所示的低熵混燃高超临界热动力系统，其与� ��施例 1的区别在于： 所述燃料源 6内的燃料设为金属燃料， 在所述燃烧室 4内和 /或在所述作功机 构 3前和 /或在所述作功机构 3后设工质金属化合物分离器 405。

实施例 14

如图 14所示的低熵混燃高超临界热动力系统，其与� ��施例 3的区别在于: 所述冷凝冷却器 10设为晾水塔 100。

实施例 15

如图 15所示的低熵混燃高超临界热动力系统，其与� ��施例 3的区别在于: 在所述作功机构 3的工质出口处设回热器 200。

实施例 16 如图 16所示的低熵混燃高超临界热动力系统，其与� ��施例 3的区别在于: 所述燃烧室工质入口设为冲压发动机的进气口 4001，所述燃烧室 4设为冲压发 动机燃烧室 400， 所述燃烧室工质出口设为冲压发动机扩压区气 体出口 4002。 这样可以利用冲压发动机的扩压区对气体工质 进行压縮，提高气体工质的作功 能力。

实施例 1 7

如图 17所示的低熵混燃高超临界热动力系统，其与� ��施例 3的区别在于： 所述低熵混燃高超临界热动力系统还包括增压 器，所述作功机构设为动力透平 301，所述増压器设为叶轮式压縮机 701，所述动力透平 301设在所述燃烧室工 质出口 402内，所述动力透平 301对所述叶轮式压縮机 701输出动力的同时对 外输出动力。

实施例 18

如图 18所示的低熵混燃高超临界热动力系统，其与� ��施例 4的区别在于: 所述增压器设为叶轮式压縮机 701， 所述作功机构 3设为动力透平 301， 所述 动力透平 301对所述叶轮式压縮机 701输出动力， 所述叶轮式压縮机 701、 所 述燃烧室 4和所述动力透平 301的高压区设在所述锅炉工质腔 2内。

实施例 19

如图 20所示的低熵混燃高超临界热动力系统， 包括锅炉 1和作功机构 3， 所述锅炉 1的气体工质出口与所述作功机构 3的气体工质入口连通，调整所述 锅炉 1的液体工质入口的流量和压力，调整所述锅� � 1的气体工质出口处的流 量，调整所述锅炉 1的加热强度使所述锅炉 1的气体工质出口处的气体工质压 力大于 30. 5MPa、 31 MPa、 31 . 5MPa、 32MPa、 32. 5MPa、 33MPa、 33. 5MPa、 34MPa、 34. 5MPa、 35MPa、 35. 5MPa、 36MPa、 36. 5MPa、 37MPa、 37. 5MPa、 38MPa、 38. 5MPa、 39MPa、 39. 5MPa或大于 40MPa， 使所述锅炉 1的气体工质出口处的气体工质温 度高于 880Κ、 885Κ、 890Κ、 895Κ、 900Κ、 905Κ、 910Κ、 915Κ、 920Κ、 925Κ、 930Κ、 935Κ、 940Κ、 945Κ、 950Κ、 955Κ、 960Κ、 965Κ、 970Κ、 975Κ、 980Κ、 985Κ、 990Κ、 995Κ或高于 1000Κ,并使所述锅炉 1的气体工质出口处的气体工质的温度和压 力符合类绝热关系。 显然， 本发明不限于以上实施例， 根据本领域的公知技术和本发明所公开 的技术方案， 可以推导出或联想出许多变型方案， 所有这些变型方案， 也应认 为是本发明的保护范围。