专利名称：利用高、低位热能的汽轮机组的制作方法
技术领域：
本发明、利用高、低位热能的汽轮机组、系高、低位热能均可利用的蒸汽动力机。
现在的蒸汽机组以水作工质，不但因水的沸点高、无限的低位热能不能利用，而且它的废烟、废汽温度高，也浪费能源;还因水的汽化热和比热高，而耗能比高，使现在的蒸汽机热效率很低。虽然已授予我专利权的，利用低位热能的汽轮机组、能利用各种低位热能，但对高、低位热能并用的问题说的不明显，也未提及全用高位热能的问题。
本发明的目的，是提供一种既可只用各种低位热能、或全用各种高位热能，又可高、低位热能并用，而且热效率很高的蒸汽动力机。
本发明的目的是这样实现的将现在的蒸汽机主要改变以下几方面一、选用沸点低、汽化热和比热低、气压高、比容大、不腐蚀金属、且价廉的物质，作此机组的工质。
这类物质有多种，其物理化学性质并不完全相同，应根据所用热源的情况进行选用;还须根据工质不同的性质及热源的特点，加以不同的构造的措施。
现将几种低沸点物质与水的部分物理化学性质列表对比于下。
这类物质中、因氮和空气(清除了杂质-即清除了沸点比氧高的水汽、碳酸气、乙炔、甲烷等、以及灰尘的空气，下同。)的物理化学性质广为人知，而且价较廉，所以，现以氮和空气作此机组的工质，来说明此机组的优点和构造概况。
由上表可见，以氮或空气作此机组的工质、有以下优点。
1、能大量减耗燃料。
(一)、因氮和空气的沸点及临界温度殊低，又比同温的其他物质气压高，故可利用温度很低的热源。如“取之不尽，用之不竭”的海洋热、江湖热、大气热、地热等，也可利用工业余热。在温带或热带，如利用大气热，可将氮或空气加温到-100℃左右，而产生100千克/厘米2上下的气压;如利用海洋热、江湖热，地热，可将氮或空气加热到0℃上下，产生224千克/厘米2上下的气压。(能升这样高气压的根据，详后)如利用工业余热，则可加热到更高的温度和气压，而均不需燃料。
(二)因氮和空气非可燃物，它还可高、低位热能并用。如先以大气热将1千克液态空气加热到-100℃，再以高位热能加热到0℃，其气压可达224千克/厘米2，其体积为0.00345米3。因空气在临界温度以上已无汽化热，在临界温度以上再升温，是按其气态定容比热吸收热量。空气在0℃上下的定容比热是0.171千卡/千克，所以，只需17.1千卡热能即可加温到0℃;而将1千克水由常温加热，使它达到与上述空气相同的气压224千克/厘米2，其体积为0.003807米3，则需升温到373.566℃，需热能527.1千卡。两者相比，水比空气多耗高位热能31倍，而水汽的体积比空气仅大11%;如按同压同体积计算，水比空气多耗高位热能27倍多。
(三)因氮和空气非可燃物，也可全用高位热能。(如燃料热或高温余热)。如将1千克液氮用高位热能加热到0℃，可具有224千克/厘米2的气压，具有0.00357米3的体积，只需热量约74千卡。相当于将1千克水由常温加热到与上述氮同压所需热量527.1千卡的1/7，而其汽体体积0.003807米3，仅比同压氮气体积0.00357米3大10.7%。如按同压同体积的耗热量计算，水比氮多耗热能六倍多。如再将氮易把高位热能吸收到0℃下，而水却不能的情况考虑进去，其可节能的倍数则更高。
(四)利用火电厂的余热，可再发四到五倍的电。
现在火电厂的动力，大都是以燃料燃烧为热源的蒸汽机，而且现在的蒸汽机，都是以水作工质的。在蒸汽机作功后的蒸汽及其废烟，虽然温度下降了，但其废烟废汽中所含的热量，比燃料所产生的热量，只减少了约百分之十的散热损失和灰渣物理热损失，其余热量仍含于废烟废汽中，不过是由高位热能变为低位热能罢了。如再以本机组利用此低位热能作功，带动发电机发电，由于本机组热效率极高，故可再发原发电量四至五倍的电，而不需再耗燃料。
2、因氮或空气作本机组的工质，可不需燃料或需很少的燃料，而可无或大为减少对大气的污染和煤灰的排放。
3、以氮或空气作本机封闭循环作功的工质，比以水作工质的开式汽轮机组，可减少净化水和化学清洗机组沉淀物的费用。而且以氮作工质，对机件无腐蚀性，以空气作工质其腐蚀性亦比水小，故机组寿命长。
所用工质氮和空气相比，氮无腐蚀性，但价较高;空气因净化成本低而价低，但微有氧化性。氮可由以空气为原料的氧气厂购买其副产品氮;空气可向此类氧气厂订购。如需用量大，氮和空气，需者均可自置设备自制。
它虽然有上述的优点，但它和其他事务一样，并非完美无缺的。如因它所用低位热能、温差小、热交换慢，其汽化过热器管束需较长，因此用材多，较庞大;还因需用价较高的耐低温金属材料，而使本机组的造价较高。其所需工质的价也较高。
二、根据工质的特性，确定机组的构造和措施。
1、搞严密封闭的工质循环作功系统。
因所采用的工质氮或空气，如其中混有凝固温度高的气体-水气、二氧化碳、二氧化氮、甲浣、乙炔等，将在本机组低温部分冻结。而影响机组的正常运转，甚至破坏机组。如混有灰尘，会堵塞工质循环作功的通路，和加速汽轮，循环泵等的磨损。还因此工质的价比水高，所以，必须搞严密封闭的工质循环作功系统，以防止外界的杂质侵入，和工质泄漏的损失。其办法是将具有严密封闭的汽化过热器，汽轮作功制冷机、容液器、工质循环泵(高压泵)截止阀，止回阀、自动调节阀、和其他控制仪器等通过或接触工质的器部件，均用管道密封连接。另外，给汽轮作功制冷机、容液器和工质循环泵，共加一个双层绝热密封箱，仅使汽轮轴输出功的一端，和工质循环泵轴接受动力的一端，以动密封件密封的伸出绝热密封箱外。并要使工质循环泵，既可用汽轮带动，也可用电动机带动。
为了避免泄漏于绝热密封箱的工质泄漏于外界，再设一绝热密封储气罐与绝热密封箱接通。在泄漏于绝热密封箱的工质，气压高于绝热储气罐时，它能自流入绝热储气罐，以降低绝热密封箱的气压。再设一自控气泵与绝热储气罐接通，在绝热储气罐的气压高于大气压时，气泵自动将绝热储气罐的工质打入汽轮作功制冷机尾部，而随作功后的工质液化而液化。
因工质氮和空气价不太高，故微量泄漏工质的损失，低于侵入杂质的危害，故宁使工质微量泄漏于外界，而绝不使外界杂质侵入。因而应使绝热密封箱和绝热储气罐的气压微高于外界，以保证工质仅可微量泄漏于外界，而外界杂质绝不能进入。
2、以制冷液化工质。
根据工质液化温度的不同，分别采取，普冷、或深冷进行液化。
因氮和空气的液化温度极低，必须进行深冷液化。关于深冷的办法是使高压工质气体在汽轮机(膨胀机)中膨胀并作外功。气体在膨胀时，借其本身所含内部热能对外作功，因而其本身强烈冷却。气体最初与最终压力差(膨胀的程度)越大，气体在膨胀时对外所作之功越多，则冷却越深。同时其初温(膨胀前的温度)越低，其终温(膨胀后的温度)也越低。这种气体冷却的方法非常有效，甚至不太大的气压，也能使氮或空气冷却至极低的温度，而转变成液体。
经汽轮机膨胀作外功，而达到液化温度的工质，经管道进入容液器。
空气和氮当初温为+30℃时，于不同初压作外功膨胀到常压的实际温度如下表(绝对气压和℃
由上表可见
(一)膨胀后的实际温度，高于理论温度，这是因为氮和空气在进行膨胀作功时，与理论过程并不完全一致，而且与外界介质进行了热交换所致。
(二)其初压低、则终温高，其初压高，则终温低。
(三)其初压越高，其终温下降比却越小。
另据实验证明，初压相同的气体，其初温低，其终温也低;而且其初温越低，其终温下降比越大。
根据上述高压气体膨胀作外功，其初压和初温的下降规律说明，以高压气体膨胀作外功，从而降温液化的方法，其液化，决定于气体的初压和初温配合的适当。如初温过低，在膨胀作功后则冻结，如初温过高，在膨胀作功后则不液化。因此，各种高压气体，只要其初温适当，都可经过膨胀作外功，达到降温液化的目的。
根据实践经验，初压为214个气压的氮，或初压为205个气压的空气，其初温均为0℃，在作外功绝热膨胀到常压时，即液化。
又因氮和空气的液化温度与其凝固温度相距较近，为了避免深冷液化时，万一发生偏离适度，造成氮或空气冻结事故，根据气体气压低，则液化温度低，而凝固温度高;气压高，则液化温度高，而凝固温度低的规律，采取适当提高初压，并在膨胀作外功时，适当留余压的办法，以使其液化温度升高些，凝固温度降低些，而使其液化温度与凝固温度相距远些，以策安全。
为了避免在深冷过程中损失冷量，要在气轮制冷机、容液器以及工质循环泵外，加上良好的绝热层。
3、提高气压，并控制初压和初温的办法(一)提高气压的办法现在以水作工质的蒸汽机，因水的临界气压高，一般是在达到一定饱和气压或达到临界气压后，进行等压过热。而本机所用工质氮或空气，临界气压低，如果采取等容升温，以提高气压，或以等压升温以增大体积，都需提高到很高的温度，不但热效率低，还受材料耐热性能的限制，而温度不能升高很多;况且如初温过高，在膨胀作功后则不能液化，故必须采取其他提高气压的办法。
因为(1)液态物质超过临界温度后，只能是气态，而且无论用多大的压力，都不可能使它们变成液态;这时的体积不管怎样缩小，总仍是气体，其性质相同于强烈后缩的气体。(2)其气压与单位容积内的质量成正比，与温度也成正比。换言之，在临界温度以上，在单位容积内的质量越多，其气压越高;温度越高，其气压也越高。
(3)又因氮和空气的临界温度均在-140℃以下，所以，以大气热或海洋江湖热，可给它加热到远高于其临界温度，其气压可提高到其密度接近其液态。
根据以上规律，本机在工质达到临界温度和临界气压后，再提高气压的办法是(1)将现在蒸汽机的汽化器和过热器，改为一体直通的汽化过热器。(2)工质循环泵以略高于所需气压的压力，给汽化过热器注液。(3)保持工质温度高于临界温度。以此办法将工质气压提高到所需的高度。
虽然热机采用高的气压能提高热效率，但由于受材料性能和加工精度的限制，目前还不宜用很高的气压。
(二)控制初压与初温配合适度的办法因为以高压气体膨胀作外功，从而降温液化的方法，其液化、决定于高压气体的初压和初温配合的适当，故需采取配合适当的办法。其办法是(1)根据需要，确定并控制工质气压。(2)根据高压气体膨胀作外功，其初压和初温下降的规律，以及此气体的初压和液化温度，确定初温并控制初温。
4、根据不同的热源，确定汽化过热器管束的长度和安放位置。
(一)如以大气热为热源，其汽化过热器应架在空气畅流的空中，但不宜过高。又因温差小，热交换慢，故应使汽化过热器的管束细长，以利受热快。
(二)如利用海洋、江湖水热，其汽化过热器应放在水面两米以下，其汽化过热器的管束亦应细长。
(三)如利用地热或工业余热，则应根据热源的具体情况，将汽化过热器置于适宜且易受热的位置。
(四)如利用高位热源(如燃料热或高温余热)，则应将汽化过热器装在厂房内。为了充分利用热源，应使热源先给汽化过热器的高温部分加热，而后给低温部分加热。
(五)如果高、低位热源并用，则应将汽化过热器，靠进液一端的大部，放置在低位热源处;接近汽轮的少部分，置于高位热源处。
5、本机组处于低温的部件，应选用耐低温和超低温的材料制造。
本机组的汽轮制冷机、容液器，汽化过热器的绝大部分和工质循环泵等，都处于低温和超低温，故都要采用耐低温和超低温的材料制成。如红铜、黄铜、铝合金、铜合金、钛合金、及高镍合金钢等制成。
6、要适时补气。
本机组虽然是工质封闭循环，但经长期的运转后工质也要有微量的损耗，需适时补气。在汽化过热器的工质温度未降，又无其他异情时，如工质气压降低，则是机组内工质不足的表现，应即时补气。
补气时，将新气的容器与绝热储气罐接通，(与汽轮作功制冷机、容液器和工质循环泵共用的绝热密封箱相通的绝热储气罐)因新气容器内的气压都高于常压，而绝热储气罐的气压是自控微高于常压，所以，新气容器在与绝热储气罐接通后，新气能自流入绝热储气罐。又因绝热储气罐有保持其气压微高于常压的自控气泵，在新气流入而气压升高后，自控气泵则将新气打入汽轮作工制冷机后部，而随着作功后的工质气液化。
因新气的温度高于液化温度，它液化时，必须吸收旧气的冷量;为了避免新气吸收旧气冷量过多，而影响液化，所以，每次补气应量小且慢，并应采取勤补，少补的办法。
7、充气和换气。
本机在启用时，必然要充气;在经过较长时间运转后，如发现其系统内有较多杂气，灰尘时，则应利用热新气冲洗并换新气。为了使本机构造简单，运行中少出故障，本机本身不含制气和充气前的液化设备，而采取充已制好的液态气。
本机的构造及运转概况，以
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图1、系本机的构造示意图。
液态工质经截止阀(1)和管道进入工质循环泵(3)，再经管道和止回阀(4)，进入汽化过热器(5)，受热汽化并过热后，经管道和截止阀(6)，进入汽轮作功制冷机(7)膨胀作功降温后，进入容液器(2)。再经管道进入工质循环泵(3)后，再行如上循环运转。
汽轮作功制冷机和工质循环泵，泄漏于绝热密封箱的工质气超过常压时，则经管道和止回阀(8)进入绝热储气罐(9)。在绝热储气罐的工质气压高于常压时，经自控气泵(10)将工质气经管道打入汽轮作功制冷机(7)的尾部，而随作功后的工质气液化，进入容液器(2)。补气时，新气经截止阀(11)，进入绝热储气罐。
(12)系绝热密封箱
权利要求
1.本利用高、低位热能的汽轮机组，系蒸汽动力机。其特征是利用比现在蒸汽机所用工质-水，沸点低，气压高、耗热少的物质作工质。使工质在严密封闭的系统内循环作功。它既可只用低位热能，又可只用高位热能，还可高、低位热能并用。以膨胀作外功的制冷法液化工质。在工质临界温度以上，按所需的工质气压，给汽化过热器升压注液，并升温，以提高工质气压。
2.根据权利要求1所述的汽轮机组，其特征是，用比水沸点低、气压高、耗热少的物质作工质。
3.根据权利要求1所述的汽轮机组，其特征是，工质在密封的系统内循环作功。
4.根据权利要求1所述的汽轮机组，其特征是，既可只用低位热能，又可只用高位热能，还可高、低位热能并用。
5.根据权利要求1所述的汽轮机组，其特征是，以膨胀作外功的制冷法、液化工质。
6.根据权利要求1所述的汽轮机组，其特征是，在工质临界温度以上，按所需的工质气压，给汽化过热器升压注液，并升温，以提高工质气压。
全文摘要
本利用高、低热能的汽轮机组，系蒸汽动力机。现在蒸汽机以水作工质，因水沸点高，低位热能不能利用；因水耗热比高，热效率很低；因它废烟，汽温度高，也浪费能源。本机以沸点低、耗热比低的物质作工质，可只用无限的低位热能，不需燃料；可高、低位热能并用，节燃料26/27；可全用高位热能，并提高热效率六倍多，且减少污染。因此类工质价较高，须在封闭系统内循环作功，以免损耗；因它沸点低，以制冷液化；因它临界气压低，在它临界温度以上，升压注液并升温，以提高气压；还依其他特点，增加措施。
文档编号F01D13/00GK1077516SQ92102410
公开日1993年10月20日 申请日期1992年4月16日 优先权日1992年4月16日
发明者李桂霖 申请人:李桂霖