專利名稱：冷卻空氣的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種冷卻空氣，特別是冷卻燃氣輪機的燃燒空氣的方法和裝置。
目前，用燃氣輪機發(fā)電正日益廣泛被采用，因為不僅所有國家都受水資源的限制，還因為原子能電站技術非常昂貴和復雜。
燃氣輪機對環(huán)境空氣溫度非常敏感，所供給的供燃燒用的空氣溫度越高，燃氣輪機產(chǎn)生的最大功率越低，其效率也越低，引起所生產(chǎn)的單位KW電能耗油的增加。通常，這一問題出現(xiàn)在夏季，特別是在功率消耗較大的時期。
由于功率隨著燃燒用空氣的溫度變化，ISO國際標準以15℃干泡溫度建立燃氣輪機功率的標稱額定值，以此為參考基準，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在35℃下運行的燃氣輪機功率將下降17％之多。先有技術這樣，為提高燃氣輪機的效率，采用了燃燒空氣冷卻系統(tǒng)，它基本上由下列部分構成a)一個帶壓縮機(往復式，螺桿式或離心式)的公共冷卻系統(tǒng)，設置或者不設(水或冰)蓄熱系統(tǒng)；b)多個吸收裝置，用蒸汽或熱流體作為獲得冷卻作用的能源。
在具有蓄熱裝置的燃燒空氣的冷卻系統(tǒng)中，用燃氣輪機本身的一部分功率，在夜間制冰，將冰存在適當?shù)墓拗校诖稳盏募夥遑摵蓵r將冰用于冷卻燃氣輪機的燃燒空氣，以提高其效率和功率。先有技術缺陷現(xiàn)有技術的燃燒空氣冷卻系統(tǒng)的第一個缺點是初期裝置成本高。
另一個缺點是，由于消耗燃氣輪機本身的功率僅有部分能回收，這類系統(tǒng)的運行成本相當高。由于冷卻空氣過程中不可避免地會產(chǎn)生水份凝結，這類系統(tǒng)中會產(chǎn)生大量能量損失。冷凝空氣所需的能量，在大多數(shù)情況下，高于降低空氣溫度所需的的能量，也就是說所消耗的一半以上的能量毫無效果地消耗掉了。本發(fā)明的目的本發(fā)明的目的是借助降低燃氣輪機的燃燒空氣的溫度來提高燃氣輪機的效率和功率利用率。發(fā)明概要用一種冷卻空氣的方法實現(xiàn)上述目的，該方法包括a)至少一個用提高空氣溫度的減濕步驟之后，接著進行冷卻；b)一個用冷卻使空氣加濕的步驟。
為實施上述方法，還提供了一種裝置，它包括a)一個空氣減濕器；b)供一第一外部流體進入所述減濕器的進口裝置；c)伴隨從減濕器中去除水份，供所述第一外部流體離開該減濕器的出口裝置；d)一由一第二外部流體冷卻的空氣冷卻器，其設置成能接收來自該減濕器的減濕空氣；和e)一個空氣飽和裝置，其設置成能對來自所述冷卻器的空氣加濕。
這樣，例如35℃溫度的燃燒空氣被引入減濕器，在第一外部流體作用下，其水份被降低，該第一外部流體包括溫度范圍為130℃-170℃的燃氣輪機(和熱回收蒸發(fā)器)的排氣。這個減濕步驟的結果，使空氣溫度升高，因而該空氣必須在一個冷卻器中冷卻，在該冷卻器中冷卻之后，近似達到同樣的初始干泡溫度。在該冷卻器中作用的第二外部流體包括環(huán)境空氣或水(作為降熱源)。經(jīng)過至少一個濕度降低步驟和隨后的冷卻之后，空氣在通過再循環(huán)水的飽和器中再加濕，被冷卻至20℃以下的溫度。
本發(fā)明的優(yōu)點，除較高的效率外，還在于采用的是通常被廢棄的能量。通常由燃氣輪機煙囪和/或與燃氣輪機相連的回熱鍋爐排入大氣的熱排氣，在減濕器中被利用。因此該空氣冷卻過程所需的全部能量(除用于流體的流動外)皆來自排放氣流。
本發(fā)明的另一個顯著的優(yōu)點是，裝置成本低于已有的技術中使用的機械冷卻系統(tǒng)。
本發(fā)明第三個優(yōu)點是，由于燃氣輪機的效率提高，礦物燃料的消耗減少，這又減小了用燃氣輪機進行電能生產(chǎn)對環(huán)境產(chǎn)生的影響。目前電能生產(chǎn)是造成環(huán)境污染的最重要的原因之一。
為使冷卻系統(tǒng)達到較高的效率水平，可以采用兩個或多個空氣減濕級，并隨后進行冷卻。在高干泡溫度的極端條件下，除上述用具有環(huán)境溫度的水或空氣冷卻的熱交換器外，還可采用使用冷卻過的水的熱交換器。本發(fā)明的詳細描述以下結合各附圖，以舉例方式更詳細地說明本發(fā)明。


圖1為按照本發(fā)明的一種優(yōu)選實施例給出的一個與一燃氣輪機相連的空氣冷卻裝置示意圖，它具有一個減濕步驟，隨后進行冷卻；圖2為該裝置的示意圖，它主要示出其中的基本部件；圖3為圖1所示裝置的示意圖，它具有兩個減濕步驟，隨后進行冷卻；圖4為圖1所示裝置的示意圖，其中增加了冷卻水熱交換器；圖5為圖3所示裝置的示意圖，其中增加了冷卻水熱交換器；圖6為具有一個減濕步驟的冷卻循環(huán)圖；圖7為具有兩個減濕步驟的冷卻循環(huán)圖；圖8為具有三個減濕步驟的冷卻循環(huán)圖；和圖9為具有一個減濕步驟的冷卻循環(huán)圖，不同的是采用了冷卻水。
圖1示出本發(fā)明的一種優(yōu)選實施例，它具有一個減濕步驟，隨后進行冷卻，它包括一個與燃氣輪機2相連的空氣冷卻裝置1，該燃氣輪機驅動一發(fā)電機3，其排氣4可直接或者通過一回熱鍋爐5后用于該空氣冷卻裝置1。
在該裝置1中，風扇6吸入的排氣4通過一臺減濕器7后排入到大氣中。氣體輸送管包括稱為減濕器進口裝置(4′)的第一部分和稱為減濕器出口裝置(4″)的第二部分。
關于燃氣輪機的燃燒空氣，產(chǎn)生了分步驟給出的下列過程，以有助于理解a)在排放排氣的同時，燃氣輪機吸入環(huán)境空氣8，在其通過裝置1的路徑的初始段，先通過一預過濾器9，然后通過高效過濾器10；b)過濾后，環(huán)境空氣8或者燃氣輪機的燃燒空氣8通過減濕器7，在減濕器中減濕，去除大量水蒸氣。在這個過程中，它還獲得熱，其溫度提高到60℃左右，因而需要被冷卻；c)用一熱交換器11進行冷卻，其中采用自然冷卻裝置12(未用機械制冷)，用例如室溫下的水或外界空氣。熱交換器可以是空氣-空氣型，其中熱被傳遞到另一外部空氣流中，可以是橫向流翅片型，感應熱傳導轉筒型，或“熱管”類有翅旋管型；或者是采用冷卻旋管的空氣-水熱交換器，其中的冷卻水來自冷卻塔，河流，水井，海等，或者使用這些流體的其它類型的熱交換器。
d)通過熱交換器11后，空氣流8的溫度接近外部環(huán)境溫度，但具有非常低的濕度；e)之后，空氣流8通過一臺基本上包括空氣增濕設備的絕熱飽和器13，其濕度增加至接近飽和點。該飽和器13也是工業(yè)上常見的設備，并且可以是帶噴淋噴嘴列的空氣噴淋器或者帶紙，木元件或帶其它有助封閉的空氣一水接觸的元件的飽和器，這種接觸在于使水蒸發(fā)，并且隨后被空氣流8吸收，直至所述空氣流實際達到飽和。
從熱力學的觀點看，水的蒸發(fā)是等熵過程，提供水15蒸發(fā)所需熱量的空氣流8，因而被冷卻。進入飽和器13之前的空氣濕度越低，在這個過程中空氣8被冷卻的程度越高。因此，在減濕器7中，空氣已經(jīng)預先干燥。該冷卻程度與空氣的濕泡溫度降低成正比例，也就是說，與空氣的干泡溫度和濕泡溫度之間的差成正比例。
這樣，就在飽和器13后的這一點，空氣流8的干泡溫度已經(jīng)低于環(huán)境空氣溫度。這一差值可從圖6，7和8的圖表清楚看出。
f)一臺小型泵14，其使來自罐15a的水15在飽和器13中循環(huán)，以維持水的不斷蒸發(fā)；g)最后，空氣流8通過一臺水滴去除器16，然后進入燃氣輪機，從而結束循環(huán)。
該圖還示出部件17和18，它們分別控制排氣溫度的最大和最小極限。部件17可以是，例如一個蝴蝶閥，在一溫度控制器的作用下動作，當排氣4溫度過高時打開外界空氣19的進口。部件18可以是，例如燃料燃燒器，或電加熱線圈，也在一溫度控制器的作用下，在排氣溫度需要升高時投入工作。
當然，在所謂“開式循環(huán)”系統(tǒng)的情況下，不需要熱回收鍋爐，高溫排氣4直接由燃氣輪機2排入冷卻裝置1。這種情況下，借助部件17控制溫度就很重要。
該圖還示出部件20，用以控制排氣流量，通過減少經(jīng)過減濕器7的氣體質量調節(jié)減濕能力。這個部件是，例如自動操作的蝴蝶閥。
部件17，18和20可以位于，例如將排氣送至減濕器的管道(4′)中。
圖2是圖1所示裝置的示意圖，主要示出其基本部件，即減濕器7，熱交換器11和飽和器13。該圖更清楚地示出排氣4和燃氣輪機的燃燒空氣8的流動。
減濕器7也是可從若干個制造商處獲得的標準產(chǎn)品，可以是，例如具有轉鼓的類型，或者具有吸濕洗滌器的類型。圖中示出的為轉鼓型，其包括一個由電動機22驅動的轉鼓21。轉鼓內有例如二氧化硅吸濕物質，它可在再生區(qū)23被排氣4干燥或再生。扇區(qū)24是利用干燥物質吸收空氣中水份的能力對燃燒空氣流8進行干燥的部位。
圖3示出本發(fā)明的一第二實施例，采用兩級減濕和隨后的冷卻。如上所述，通過飽和器前的空氣越干，其經(jīng)過增濕后最終溫度越低。以這樣的方式，采用兩級或更多級數(shù)的減濕，以盡可能地減少空氣中的水份。
級數(shù)越多，燃氣輪機進口的燃燒空氣溫度越低。理想級數(shù)的確定取決于對系統(tǒng)的技術經(jīng)濟分析，考慮安裝場地的氣象條件等?；旧险f，由于“燃燒空氣”和減濕器中的“再生空氣”之間的質量關系為1∶4左右，用通常獲得的排氣質量有可能進行三級減濕，因為允許由燃氣輪機吸入的同一空氣質量正是其排氣中可利用的質量。
這樣，如從圖3可看出的，在多級循環(huán)中，排氣4以并列方式進入各減濕器7的再生區(qū)23，這在圖中是用部分排氣流4a和4b表示的。
圖3還示出一第二減濕器7′，其后接一第二熱交換器11′，它也可用普通冷卻空氣的裝置。圖3的其余部件與圖1相同。
圖4和5為本發(fā)明的兩個新實施例，它們各與圖1和3所示實施例不同之處在于在增濕器13之前增加了一臺熱交換器25，使用低溫冷卻流體26，該流體可以是，例如冷卻后的水。使用冷卻后的水的上述實施例可用于高外界溫度的惡劣條件，或者要求低燃燒空氣溫度的場所。然而，即使在高外界溫度的條件下，不使用冷卻后的水，系統(tǒng)也能滿意地工作，這可從圖6至8所示的圖表中看出。
應當指出的是，不同于那些一半以上的空氣冷卻能量消耗在空氣水份的凝結上的已有的冷卻系統(tǒng)，本發(fā)明的系統(tǒng)中，使用冷卻后的水的情況下，沒有任何能量用在空氣水份的凝結上，因為空氣已經(jīng)干燥。因此，冷卻水螺旋管25是在全干的條件下工作，勿需減濕，因為空氣的露點低于冷卻水系統(tǒng)中通常使用的溫度。這樣，用于空氣附加的冷卻所消耗的能量將非常小。
在現(xiàn)有技術的冷卻系統(tǒng)已經(jīng)存在的地方，采用冷卻水的上述替換方案也是非常實用的。需要再次強調指出的是，用冷卻后的水冷卻空氣，被現(xiàn)存冷卻系統(tǒng)消耗的能量將相當?shù)?，因為系統(tǒng)的這一點空氣具有低的濕度。
圖6示出繪制在空氣濕度圖上的具有一個減濕步驟的空氣冷卻循環(huán)，室外溫度為35℃(干泡溫度)和26.5℃濕泡溫度。根據(jù)圖1所示裝置圖表中各點和各線段標明如下-點A表示進入冷卻裝置1之前的外界空氣狀態(tài)，即溫度35℃，濕度0.017kg/kg；-線段AB表示減濕器7中的減濕；-點B表示通過減濕器后的空氣狀態(tài)，可以看出，空氣濕度降至0.012kg/kg，其干泡溫度已升至60℃左右；-線段BC表示熱交換器11中空氣的冷卻；-點C表示離開熱交換器11后的空氣狀態(tài)，可以看出，其干泡溫度已降至接近A點的同一溫度，同時濕度仍保持在0.012kg/kg，即低于A點的濕度；-線段CD表示空氣在飽和器13中增濕；-點D表示離開飽和器13準備進入燃氣輪機的空氣狀態(tài)，可以看出，其濕度已升高，而干泡溫度已從35℃降至接近23℃。
圖7根據(jù)圖3所示的裝置，示出在圖6中相同外界空氣狀態(tài)下，具有兩個減濕步驟的空氣冷卻循環(huán)，結合圖6可以看出，第二減濕步驟(在減濕器7′中進行)由線段CD表示，隨后接一第二冷卻段DE(在熱交換器11中進行)，而空氣的增濕(在飽和器13中進行)用線段EF表示。在這種情況下應注意的是，燃氣輪機的燃燒空氣的溫度已從35℃(外界空氣溫度)降至燃氣輪機允許的20℃左右。
圖8示出在圖6中相同外界空氣狀態(tài)下，具有三個減濕步驟的空氣冷卻循環(huán)，結合圖7可以看出，第三減濕步驟由線段EF表示，隨后接一第三冷卻段DE，而空氣的增濕用線段GH表示。
在這種情況下應注意的是，燃氣輪機的燃燒空氣的溫度已從35℃(外界空氣溫度)降至燃氣輪機允許的約15℃。盡管圖中未示出具有三級的任何裝置，但僅需在圖3所示的裝置中增加一級減濕器和隨后的熱交換器。
圖9示出一種空氣冷卻循環(huán)，與圖6所示循環(huán)不同之處在于，在這種情況下，可預見到用冷卻后的水進行的附加冷卻，這已在圖4和5的裝置中示出。
可以看出，該用冷卻后的水進行的附加冷卻級是用線段CD表示的。在這種情況下，有可能在進入減濕級之前，將空氣冷卻至接近25℃(點D)。
除上述給出的實施例外，同樣的發(fā)明原理還可用在采用本發(fā)明的其它各種替換方案和可能的方案。
例如，本發(fā)明還可用于推進船舶的燃氣輪機。其它例子包括將本發(fā)明的冷卻系統(tǒng)用于冷卻工廠車間，船艙或其它類型的車輛，或者存在熱氣排放的任何場所，廉價地取代使用壓縮機和/或吸附循環(huán)的傳統(tǒng)空調系統(tǒng)。在工廠，例如可用鍋爐排氣；船舶上來自鍋爐的以及自身交流電動機的氣體等。另一種能取代傳統(tǒng)空調系統(tǒng)的例子是，本發(fā)明的裝置可連接在一直燃吸附式深冷器上。眾所周知，直燃吸附式深冷器-加熱器是借助燃燒燃料，例如天然氣，LPG(液化石油氣)或可燃性燃油，生產(chǎn)冷卻水的。燃料燃燒產(chǎn)生的通常不加任何利用就排入大氣的氣體可用于本發(fā)明的裝置，制造用于房間的冷卻空氣。為更好地理解后一個實施例，只要用吸附式裝置取代圖1至5中的燃氣輪機(2)和回熱鍋爐5即可。在這種情況下，也沒有發(fā)電機(3)，冷卻后的空氣(8)一旦由裝置(1)出來，便被送去冷卻房間和/或工藝設備。
應當理解，本發(fā)明的范圍僅由各權利要求限定。
權利要求
1.一種冷卻空氣的方法，其特征在于其包括a)至少一級隨空氣加熱進行減濕的步驟，并隨后進行冷卻；和然后b)一個隨冷卻進行空氣增濕的步驟，
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，環(huán)境空氣(8)的減濕借助一第一外部流體(4)，在一個減濕器(7，7′)中隨著升高空氣溫度進行，空氣的冷卻，借助一第二外部流體(12)，在一個冷卻器(11，11′)中進行，以及空氣(8)的增濕，借助循環(huán)水(15)，在一個飽和器(13)中進行。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，它具有兩級或三級空氣減濕步驟，每一步驟后接著進行冷卻。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，第一外部流體(4)包括來自一熱機的熱排氣。
5.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，第二外部流體(12)為室溫水。
6.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，第二外部流體(12)為室溫空氣。
7.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，在減濕之前，空氣在一冷卻器(25)中由冷凝水(26)或制冷劑的直接膨漲額外冷卻
8.一種用于進行權利要求1限定的方法的裝置，其特征在于，其包括a)一個空氣(8)的減濕器(7，7′)；b)供一第一外部流體(4)進入所述減濕器(7，7′)的進口裝置(4′)；c)供從減濕器去除空氣水份的所述第一外部流體(4)流出減濕器(7)的出口裝置(4″)；d)一個由一第二外部流體(12)冷卻，并設置成能接收來自減濕器的減濕空氣(8)的空氣冷卻器(11，11’)；和e)一個設置成能對來自冷卻器(11，11’)的空氣增濕的飽和器(13)，
9.如權利要求8所述的裝置，其特征在于，減濕器(7，7′)是轉鼓型，作用在其上的第一外部流體(4)包括來自一熱機的排氣。
10.如權利要求8所述的裝置，其特征在于，減濕器(7，7′)是帶吸濕洗滌器的類型。
11.如權利要求8、9或10所述的裝置，其特征在于，設有控制排氣(17)的高溫的控制裝置，它附著在減濕器(7，7′)上。
12.如權利要求11所述的裝置，其特征在于，控制排氣(17)的高溫的控制裝置是能自動操作的打開外部空氣(19)進口的閥。
13.如權利要求8所述的裝置，其特征在于，設有控制排氣(18)的低溫的控制裝置，它附著在減濕器(7，7′)上。
14.如權利要求13所述的裝置，其特征在于，控制排氣(18)的低溫的控制裝置是一燃料燃燒爐。
15.如權利要求13所述的裝置，其特征在于，控制低溫的裝置是一電阻器。
16.如權利要求8所述的裝置，其特征在于，設有控制落到減濕器上的排氣(20)的流量的裝置。
17.如權利要求16所述的裝置，其特征在于，控制排氣(20)的流量的裝置是一能自動操作的閥。
18.如權利要求8所述的裝置，其特征在于，空氣冷卻器(11，11’)是一熱交換器，冷卻它的第二外部流體(12)為室溫水。
19.如權利要求8所述的裝置，其特征在于，空氣冷卻器(11，11’)是一熱交換器，冷卻它的第二外部流體(12)為室溫空氣。
20.一種用于進行權利要求1限定的方法的裝置，其特征在于，其包括a)一個減濕器(7，7′)；b)供一第一外部流體(4’)進入所述減濕器(7，7′)的進口裝置(4′)；c)供從減濕器去除空氣水份的所述第一外部流體(4)流出減濕器(7)的出口裝置(4″)；d)一個由一第二外部流體(12)冷卻，并設置成能接收來自減濕器的減濕空氣(8)的空氣冷卻器(11，11’)；和e)一個由冷凝水(26)冷卻的空氣冷卻器(26)且其設置在冷卻器(11，11’)的后面，和f)一個設置成能對來自冷卻器(25)的空氣增濕的飽和器(13)。
全文摘要
本發(fā)明涉及冷卻空氣,特別是冷卻燃氣輪機的燃燒空氣的方法和裝置,其中借助一第一外部流體(4)在一減濕器(7,7′)中先減少空氣濕度,然后借助一第二外部流體(12)在一冷卻器(11,11′)中冷卻空氣,近似達到原始干泡溫度,在至少一級減濕步驟之后進行冷卻,空氣然后在一飽和器(13)中增濕。
文檔編號F24F3/14GK1199445SQ9619751
公開日1998年11月18日 申請日期1996年3月8日 優(yōu)先權日1995年8月9日
發(fā)明者愛迪生·蒂托·圭馬拉斯 申請人:愛迪生·蒂托·圭馬拉斯