專利名稱：利用高、低位熱能的汽輪機組的制作方法
技術領域：
本發(fā)明、利用高、低位熱能的汽輪機組、系高、低位熱能均可利用的蒸汽動力機。
現(xiàn)在的蒸汽機組以水作工質，不但因水的沸點高、無限的低位熱能不能利用，而且它的廢煙、廢汽溫度高，也浪費能源;還因水的汽化熱和比熱高，而耗能比高，使現(xiàn)在的蒸汽機熱效率很低。雖然已授予我專利權的，利用低位熱能的汽輪機組、能利用各種低位熱能，但對高、低位熱能并用的問題說的不明顯，也未提及全用高位熱能的問題。
本發(fā)明的目的，是提供一種既可只用各種低位熱能、或全用各種高位熱能，又可高、低位熱能并用，而且熱效率很高的蒸汽動力機。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的將現(xiàn)在的蒸汽機主要改變以下幾方面一、選用沸點低、汽化熱和比熱低、氣壓高、比容大、不腐蝕金屬、且價廉的物質，作此機組的工質。
這類物質有多種，其物理化學性質并不完全相同，應根據所用熱源的情況進行選用;還須根據工質不同的性質及熱源的特點，加以不同的構造的措施。
現(xiàn)將幾種低沸點物質與水的部分物理化學性質列表對比于下。
這類物質中、因氮和空氣(清除了雜質-即清除了沸點比氧高的水汽、碳酸氣、乙炔、甲烷等、以及灰塵的空氣，下同。)的物理化學性質廣為人知，而且價較廉，所以，現(xiàn)以氮和空氣作此機組的工質，來說明此機組的優(yōu)點和構造概況。
由上表可見，以氮或空氣作此機組的工質、有以下優(yōu)點。
1、能大量減耗燃料。
(一)、因氮和空氣的沸點及臨界溫度殊低，又比同溫的其他物質氣壓高，故可利用溫度很低的熱源。如“取之不盡，用之不竭”的海洋熱、江湖熱、大氣熱、地熱等，也可利用工業(yè)余熱。在溫帶或熱帶，如利用大氣熱，可將氮或空氣加溫到-100℃左右，而產生100千克/厘米2上下的氣壓;如利用海洋熱、江湖熱，地熱，可將氮或空氣加熱到0℃上下，產生224千克/厘米2上下的氣壓。(能升這樣高氣壓的根據，詳后)如利用工業(yè)余熱，則可加熱到更高的溫度和氣壓，而均不需燃料。
(二)因氮和空氣非可燃物，它還可高、低位熱能并用。如先以大氣熱將1千克液態(tài)空氣加熱到-100℃，再以高位熱能加熱到0℃，其氣壓可達224千克/厘米2，其體積為0.00345米3。因空氣在臨界溫度以上已無汽化熱，在臨界溫度以上再升溫，是按其氣態(tài)定容比熱吸收熱量。空氣在0℃上下的定容比熱是0.171千卡/千克，所以，只需17.1千卡熱能即可加溫到0℃;而將1千克水由常溫加熱，使它達到與上述空氣相同的氣壓224千克/厘米2，其體積為0.003807米3，則需升溫到373.566℃，需熱能527.1千卡。兩者相比，水比空氣多耗高位熱能31倍，而水汽的體積比空氣僅大11%;如按同壓同體積計算，水比空氣多耗高位熱能27倍多。
(三)因氮和空氣非可燃物，也可全用高位熱能。(如燃料熱或高溫余熱)。如將1千克液氮用高位熱能加熱到0℃，可具有224千克/厘米2的氣壓，具有0.00357米3的體積，只需熱量約74千卡。相當于將1千克水由常溫加熱到與上述氮同壓所需熱量527.1千卡的1/7，而其汽體體積0.003807米3，僅比同壓氮氣體積0.00357米3大10.7%。如按同壓同體積的耗熱量計算，水比氮多耗熱能六倍多。如再將氮易把高位熱能吸收到0℃下，而水卻不能的情況考慮進去，其可節(jié)能的倍數則更高。
(四)利用火電廠的余熱，可再發(fā)四到五倍的電。
現(xiàn)在火電廠的動力，大都是以燃料燃燒為熱源的蒸汽機，而且現(xiàn)在的蒸汽機，都是以水作工質的。在蒸汽機作功后的蒸汽及其廢煙，雖然溫度下降了，但其廢煙廢汽中所含的熱量，比燃料所產生的熱量，只減少了約百分之十的散熱損失和灰渣物理熱損失，其余熱量仍含于廢煙廢汽中，不過是由高位熱能變?yōu)榈臀粺崮芰T了。如再以本機組利用此低位熱能作功，帶動發(fā)電機發(fā)電，由于本機組熱效率極高，故可再發(fā)原發(fā)電量四至五倍的電，而不需再耗燃料。
2、因氮或空氣作本機組的工質，可不需燃料或需很少的燃料，而可無或大為減少對大氣的污染和煤灰的排放。
3、以氮或空氣作本機封閉循環(huán)作功的工質，比以水作工質的開式汽輪機組，可減少凈化水和化學清洗機組沉淀物的費用。而且以氮作工質，對機件無腐蝕性，以空氣作工質其腐蝕性亦比水小，故機組壽命長。
所用工質氮和空氣相比，氮無腐蝕性，但價較高;空氣因凈化成本低而價低，但微有氧化性。氮可由以空氣為原料的氧氣廠購買其副產品氮;空氣可向此類氧氣廠訂購。如需用量大，氮和空氣，需者均可自置設備自制。
它雖然有上述的優(yōu)點，但它和其他事務一樣，并非完美無缺的。如因它所用低位熱能、溫差小、熱交換慢，其汽化過熱器管束需較長，因此用材多，較龐大;還因需用價較高的耐低溫金屬材料，而使本機組的造價較高。其所需工質的價也較高。
二、根據工質的特性，確定機組的構造和措施。
1、搞嚴密封閉的工質循環(huán)作功系統(tǒng)。
因所采用的工質氮或空氣，如其中混有凝固溫度高的氣體-水氣、二氧化碳、二氧化氮、甲浣、乙炔等，將在本機組低溫部分凍結。而影響機組的正常運轉，甚至破壞機組。如混有灰塵，會堵塞工質循環(huán)作功的通路，和加速汽輪，循環(huán)泵等的磨損。還因此工質的價比水高，所以，必須搞嚴密封閉的工質循環(huán)作功系統(tǒng)，以防止外界的雜質侵入，和工質泄漏的損失。其辦法是將具有嚴密封閉的汽化過熱器，汽輪作功制冷機、容液器、工質循環(huán)泵(高壓泵)截止閥，止回閥、自動調節(jié)閥、和其他控制儀器等通過或接觸工質的器部件，均用管道密封連接。另外，給汽輪作功制冷機、容液器和工質循環(huán)泵，共加一個雙層絕熱密封箱，僅使汽輪軸輸出功的一端，和工質循環(huán)泵軸接受動力的一端，以動密封件密封的伸出絕熱密封箱外。并要使工質循環(huán)泵，既可用汽輪帶動，也可用電動機帶動。
為了避免泄漏于絕熱密封箱的工質泄漏于外界，再設一絕熱密封儲氣罐與絕熱密封箱接通。在泄漏于絕熱密封箱的工質，氣壓高于絕熱儲氣罐時，它能自流入絕熱儲氣罐，以降低絕熱密封箱的氣壓。再設一自控氣泵與絕熱儲氣罐接通，在絕熱儲氣罐的氣壓高于大氣壓時，氣泵自動將絕熱儲氣罐的工質打入汽輪作功制冷機尾部，而隨作功后的工質液化而液化。
因工質氮和空氣價不太高，故微量泄漏工質的損失，低于侵入雜質的危害，故寧使工質微量泄漏于外界，而絕不使外界雜質侵入。因而應使絕熱密封箱和絕熱儲氣罐的氣壓微高于外界，以保證工質僅可微量泄漏于外界，而外界雜質絕不能進入。
2、以制冷液化工質。
根據工質液化溫度的不同，分別采取，普冷、或深冷進行液化。
因氮和空氣的液化溫度極低，必須進行深冷液化。關于深冷的辦法是使高壓工質氣體在汽輪機(膨脹機)中膨脹并作外功。氣體在膨脹時，借其本身所含內部熱能對外作功，因而其本身強烈冷卻。氣體最初與最終壓力差(膨脹的程度)越大，氣體在膨脹時對外所作之功越多，則冷卻越深。同時其初溫(膨脹前的溫度)越低，其終溫(膨脹后的溫度)也越低。這種氣體冷卻的方法非常有效，甚至不太大的氣壓，也能使氮或空氣冷卻至極低的溫度，而轉變成液體。
經汽輪機膨脹作外功，而達到液化溫度的工質，經管道進入容液器。
空氣和氮當初溫為+30℃時，于不同初壓作外功膨脹到常壓的實際溫度如下表(絕對氣壓和℃
由上表可見
(一)膨脹后的實際溫度，高于理論溫度，這是因為氮和空氣在進行膨脹作功時，與理論過程并不完全一致，而且與外界介質進行了熱交換所致。
(二)其初壓低、則終溫高，其初壓高，則終溫低。
(三)其初壓越高，其終溫下降比卻越小。
另據實驗證明，初壓相同的氣體，其初溫低，其終溫也低;而且其初溫越低，其終溫下降比越大。
根據上述高壓氣體膨脹作外功，其初壓和初溫的下降規(guī)律說明，以高壓氣體膨脹作外功，從而降溫液化的方法，其液化，決定于氣體的初壓和初溫配合的適當。如初溫過低，在膨脹作功后則凍結，如初溫過高，在膨脹作功后則不液化。因此，各種高壓氣體，只要其初溫適當，都可經過膨脹作外功，達到降溫液化的目的。
根據實踐經驗，初壓為214個氣壓的氮，或初壓為205個氣壓的空氣，其初溫均為0℃，在作外功絕熱膨脹到常壓時，即液化。
又因氮和空氣的液化溫度與其凝固溫度相距較近，為了避免深冷液化時，萬一發(fā)生偏離適度，造成氮或空氣凍結事故，根據氣體氣壓低，則液化溫度低，而凝固溫度高;氣壓高，則液化溫度高，而凝固溫度低的規(guī)律，采取適當提高初壓，并在膨脹作外功時，適當留余壓的辦法，以使其液化溫度升高些，凝固溫度降低些，而使其液化溫度與凝固溫度相距遠些，以策安全。
為了避免在深冷過程中損失冷量，要在氣輪制冷機、容液器以及工質循環(huán)泵外，加上良好的絕熱層。
3、提高氣壓，并控制初壓和初溫的辦法(一)提高氣壓的辦法現(xiàn)在以水作工質的蒸汽機，因水的臨界氣壓高，一般是在達到一定飽和氣壓或達到臨界氣壓后，進行等壓過熱。而本機所用工質氮或空氣，臨界氣壓低，如果采取等容升溫，以提高氣壓，或以等壓升溫以增大體積，都需提高到很高的溫度，不但熱效率低，還受材料耐熱性能的限制，而溫度不能升高很多;況且如初溫過高，在膨脹作功后則不能液化，故必須采取其他提高氣壓的辦法。
因為(1)液態(tài)物質超過臨界溫度后，只能是氣態(tài)，而且無論用多大的壓力，都不可能使它們變成液態(tài);這時的體積不管怎樣縮小，總仍是氣體，其性質相同于強烈后縮的氣體。(2)其氣壓與單位容積內的質量成正比，與溫度也成正比。換言之，在臨界溫度以上，在單位容積內的質量越多，其氣壓越高;溫度越高，其氣壓也越高。
(3)又因氮和空氣的臨界溫度均在-140℃以下，所以，以大氣熱或海洋江湖熱，可給它加熱到遠高于其臨界溫度，其氣壓可提高到其密度接近其液態(tài)。
根據以上規(guī)律，本機在工質達到臨界溫度和臨界氣壓后，再提高氣壓的辦法是(1)將現(xiàn)在蒸汽機的汽化器和過熱器，改為一體直通的汽化過熱器。(2)工質循環(huán)泵以略高于所需氣壓的壓力，給汽化過熱器注液。(3)保持工質溫度高于臨界溫度。以此辦法將工質氣壓提高到所需的高度。
雖然熱機采用高的氣壓能提高熱效率，但由于受材料性能和加工精度的限制，目前還不宜用很高的氣壓。
(二)控制初壓與初溫配合適度的辦法因為以高壓氣體膨脹作外功，從而降溫液化的方法，其液化、決定于高壓氣體的初壓和初溫配合的適當，故需采取配合適當的辦法。其辦法是(1)根據需要，確定并控制工質氣壓。(2)根據高壓氣體膨脹作外功，其初壓和初溫下降的規(guī)律，以及此氣體的初壓和液化溫度，確定初溫并控制初溫。
4、根據不同的熱源，確定汽化過熱器管束的長度和安放位置。
(一)如以大氣熱為熱源，其汽化過熱器應架在空氣暢流的空中，但不宜過高。又因溫差小，熱交換慢，故應使汽化過熱器的管束細長，以利受熱快。
(二)如利用海洋、江湖水熱，其汽化過熱器應放在水面兩米以下，其汽化過熱器的管束亦應細長。
(三)如利用地熱或工業(yè)余熱，則應根據熱源的具體情況，將汽化過熱器置于適宜且易受熱的位置。
(四)如利用高位熱源(如燃料熱或高溫余熱)，則應將汽化過熱器裝在廠房內。為了充分利用熱源，應使熱源先給汽化過熱器的高溫部分加熱，而后給低溫部分加熱。
(五)如果高、低位熱源并用，則應將汽化過熱器，靠進液一端的大部，放置在低位熱源處;接近汽輪的少部分，置于高位熱源處。
5、本機組處于低溫的部件，應選用耐低溫和超低溫的材料制造。
本機組的汽輪制冷機、容液器，汽化過熱器的絕大部分和工質循環(huán)泵等，都處于低溫和超低溫，故都要采用耐低溫和超低溫的材料制成。如紅銅、黃銅、鋁合金、銅合金、鈦合金、及高鎳合金鋼等制成。
6、要適時補氣。
本機組雖然是工質封閉循環(huán)，但經長期的運轉后工質也要有微量的損耗，需適時補氣。在汽化過熱器的工質溫度未降，又無其他異情時，如工質氣壓降低，則是機組內工質不足的表現(xiàn)，應即時補氣。
補氣時，將新氣的容器與絕熱儲氣罐接通，(與汽輪作功制冷機、容液器和工質循環(huán)泵共用的絕熱密封箱相通的絕熱儲氣罐)因新氣容器內的氣壓都高于常壓，而絕熱儲氣罐的氣壓是自控微高于常壓，所以，新氣容器在與絕熱儲氣罐接通后，新氣能自流入絕熱儲氣罐。又因絕熱儲氣罐有保持其氣壓微高于常壓的自控氣泵，在新氣流入而氣壓升高后，自控氣泵則將新氣打入汽輪作工制冷機后部，而隨著作功后的工質氣液化。
因新氣的溫度高于液化溫度，它液化時，必須吸收舊氣的冷量;為了避免新氣吸收舊氣冷量過多，而影響液化，所以，每次補氣應量小且慢，并應采取勤補，少補的辦法。
7、充氣和換氣。
本機在啟用時，必然要充氣;在經過較長時間運轉后，如發(fā)現(xiàn)其系統(tǒng)內有較多雜氣，灰塵時，則應利用熱新氣沖洗并換新氣。為了使本機構造簡單，運行中少出故障，本機本身不含制氣和充氣前的液化設備，而采取充已制好的液態(tài)氣。
本機的構造及運轉概況，以


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圖1、系本機的構造示意圖。
液態(tài)工質經截止閥(1)和管道進入工質循環(huán)泵(3)，再經管道和止回閥(4)，進入汽化過熱器(5)，受熱汽化并過熱后，經管道和截止閥(6)，進入汽輪作功制冷機(7)膨脹作功降溫后，進入容液器(2)。再經管道進入工質循環(huán)泵(3)后，再行如上循環(huán)運轉。
汽輪作功制冷機和工質循環(huán)泵，泄漏于絕熱密封箱的工質氣超過常壓時，則經管道和止回閥(8)進入絕熱儲氣罐(9)。在絕熱儲氣罐的工質氣壓高于常壓時，經自控氣泵(10)將工質氣經管道打入汽輪作功制冷機(7)的尾部，而隨作功后的工質氣液化，進入容液器(2)。補氣時，新氣經截止閥(11)，進入絕熱儲氣罐。
(12)系絕熱密封箱
權利要求
1.本利用高、低位熱能的汽輪機組，系蒸汽動力機。其特征是利用比現(xiàn)在蒸汽機所用工質-水，沸點低，氣壓高、耗熱少的物質作工質。使工質在嚴密封閉的系統(tǒng)內循環(huán)作功。它既可只用低位熱能，又可只用高位熱能，還可高、低位熱能并用。以膨脹作外功的制冷法液化工質。在工質臨界溫度以上，按所需的工質氣壓，給汽化過熱器升壓注液，并升溫，以提高工質氣壓。
2.根據權利要求1所述的汽輪機組，其特征是，用比水沸點低、氣壓高、耗熱少的物質作工質。
3.根據權利要求1所述的汽輪機組，其特征是，工質在密封的系統(tǒng)內循環(huán)作功。
4.根據權利要求1所述的汽輪機組，其特征是，既可只用低位熱能，又可只用高位熱能，還可高、低位熱能并用。
5.根據權利要求1所述的汽輪機組，其特征是，以膨脹作外功的制冷法、液化工質。
6.根據權利要求1所述的汽輪機組，其特征是，在工質臨界溫度以上，按所需的工質氣壓，給汽化過熱器升壓注液，并升溫，以提高工質氣壓。
全文摘要
本利用高、低熱能的汽輪機組，系蒸汽動力機?，F(xiàn)在蒸汽機以水作工質，因水沸點高，低位熱能不能利用；因水耗熱比高，熱效率很低；因它廢煙，汽溫度高，也浪費能源。本機以沸點低、耗熱比低的物質作工質，可只用無限的低位熱能，不需燃料；可高、低位熱能并用，節(jié)燃料26/27；可全用高位熱能，并提高熱效率六倍多，且減少污染。因此類工質價較高，須在封閉系統(tǒng)內循環(huán)作功，以免損耗；因它沸點低，以制冷液化；因它臨界氣壓低，在它臨界溫度以上，升壓注液并升溫，以提高氣壓；還依其他特點，增加措施。
文檔編號F01D13/00GK1077516SQ92102410
公開日1993年10月20日 申請日期1992年4月16日 優(yōu)先權日1992年4月16日
發(fā)明者李桂霖 申請人:李桂霖