双热源热力循环与双热源燃气热动装置

技术领域：

本发明属于热力学与热动技术领域。

背景技术：

动力与电力，是人类生活与生产当中的两种基本和重要需求；其中，将热能转换为机械能是提供动力与电力的重要技术措施。在实现热能转换为机械能的过程中，人们追求安全、主动、经济、高效、清洁和低碳——其中，采用简单的技术举措来实现热变功的高效化是最基本的要求——为此，技术人员不懈努力。

现实中，燃料、工业余热、地热等都可以作为热变功装置的驱动热源；针对不同情况，人们将采取不同的具体技术措施。比如，对于温度差别特别大的热源，或是一种驱动能源为燃料而同时还有低温热源的情况来说，常规的做法是这样的——针对高温热源/燃料，关键的举措/第一步举措是采取气体热动循环装置；而对于低温热负荷，则采取朗肯循环蒸汽动力装置或低温驱动型布雷顿气体热动循环装置。显而易见，采用两套热动装置实现温度品位差别甚大的两种热源的热变功具有合理性；不过，这在装置上需要付出较高的代价。

本发明提出了双热源热力循环，其目的在于为实现不同品位热源的高效热变功提供尽可能简单的基本工作原理；基于双热源热力循环，为实现两类热源的热变功，本发明给出了流程合理、结构简单、热力学完善度高、系统制造成本低的双热源燃气热动装置。

发明内容：

本发明主要目的是要提供双热源热力循环与双热源燃气热动装置，具体发明内容分项阐述如下：

1.双热源热力循环，是指由一定质量的循环工质依序进行的六个过程——升压过程12，自低温热源吸热过程23，升压过程34，自高温热源吸热过程45，降压过程56，向热汇放热过程61——组成的闭合过程1234561。

2.双热源热力循环，是指由一定质量的循环工质依序进行的六个过程——升压过程12，自低温热源吸热过程23，升压过程34，自高温热源吸热过程45，降压过程56，向热汇放热过程61——组成的闭合过程1234561中，取消向热汇放热过程61之后形成的非闭合过程123456。

3.双热源燃气热动装置，主要由压缩机、第二压缩机、燃气轮机、热源热交换器和燃烧室所组成；外部有空气通道与压缩机连通，压缩机还有空气通道经热源热交换器与第二压缩机连通，第二压缩机还有空气通道与燃烧室连通，外部还有燃料通道与燃烧室连通，燃烧室还有燃气通道经燃气轮机与外部连通；热源热交换器还有热源介质通道与外部连通，燃气轮机连接压缩机和第二压缩机并传输动力，形成双热源燃气热动装置。

4.双热源燃气热动装置，主要由压缩机、第二压缩机、燃气轮机、热源热交换器、燃烧室和回热器所组成；外部有空气通道与压缩机连通，压缩机还有空气通道经热源热交换器与第二压缩机连通，第二压缩机还有空气通道经回热器与燃烧室连通，外部还有燃料通道与燃烧室连通，燃烧室还有燃气通道经燃气轮机和回热器与外部连通；热源热交换器还有热源介质通道与外部连通，燃气轮机连接压缩机和第二压缩机并传输动力，形成双热源燃气热动装置。

5.双热源燃气热动装置，主要由压缩机、第二压缩机、燃气轮机、热源热交换器、燃烧室和回热器所组成；外部有空气通道与压缩机连通，压缩机还有空气通道经热源热交换器与第二压缩机连通，第二压缩机还有空气通道经回热器与燃烧室连通，外部还有燃料通道与燃烧室连通，燃烧室还有燃气通道与燃气轮机连通之后燃气轮机再有燃气通道经回热器与自身连通，燃气轮机还有燃气通道与外部连通；热源热交换器还有热源介质通道与外部连通，燃气轮机连接压缩机和第二压缩机并传输动力，形成双热源燃气热动装置。

6.双热源燃气热动装置，主要由压缩机、第二压缩机、燃气轮机、热源热交换器、燃烧室和回热器所组成；外部有空气通道与压缩机连通，压缩机还有空气通道经热源热交换器与第二压缩机连通，第二压缩机还有空气通道经回热器与自身连通，第二压缩机还有空气通道与燃烧室连通，外部还有燃料通道与燃烧室连通，燃烧室还有燃气通道经燃气轮机和回热器与外部连通；热源热交换器还有热源介质通道与外部连通，燃气轮机连接压缩机和第二压缩机并传输动力，形成双热源燃气热动装置。

7.双热源燃气热动装置，主要由压缩机、第二压缩机、燃气轮机、热源热交换器、燃烧室和回热器所组成；外部有空气通道与压缩机连通，压缩机还有空气通道经热源热交换器与第二压缩机连通，第二压缩机还有空气通道经回热器与自身连通，第二压缩机还有空气通道与燃烧室连通，外部还有燃料通道与燃烧室连通，燃烧室还有燃气通道与燃气轮机连通之后燃气轮机再有燃气通道经回热器与自身连通，燃气轮机还有燃气通道与外部连通；热源热交换器还有热源介质通道与外部连通，燃气轮机连接压缩机和第二压缩机并传输动力，形成双热源燃气热动装置。

附图说明：

图1是依据本发明所提供的双热源热力循环第1种原则性流程示例图。

图2是依据本发明所提供的双热源热力循环第2种原则性流程示例图。

图3是依据本发明所提供的双热源燃气热动装置第1种原则性热力系统图。

图4是依据本发明所提供的双热源燃气热动装置第2种原则性热力系统图。

图5是依据本发明所提供的双热源燃气热动装置第3种原则性热力系统图。

图6是依据本发明所提供的双热源燃气热动装置第4种原则性热力系统图。

图7是依据本发明所提供的双热源燃气热动装置第5种原则性热力系统图。

图中，1-压缩机，2-第二压缩机，3-燃气轮机，4-热源热交换器，5-燃烧室，6-回热器。

具体实施方式：

首先要说明的是，在结构和流程的表述上，非必要情况下不重复进行，对显而易见的流程不作表述。下面结合附图和实例来详细描述本发明。

图1所示T-s图中的双热源热力循环示例是这样进行的：

(1)从循环过程上看：

循环工质进行——绝热升压升温过程12，自低温热源吸热升温过程23，绝热升压升温过程34，自高温热源吸热升温过程45，绝热降压膨胀过程56，向热汇(低温冷源)放热降温过程61——共8个过程。

(2)从能量转换上看：

①吸热过程——循环工质进行23过程需要的热量，由低温热源来提供；循环工质进行45过程需要的热量，由高温热源提供。

②放热过程——循环工质进行61过程的放热，向热汇(低温冷源)传递。

③能量转换过程——循环工质的升压过程12、34，一般由压缩机或双能压缩机或扩压管来完成；循环工质的降压膨胀过程56，一般由膨胀机或膨胀增速机或喷管来完成；降压释放机械能大于升压消耗机械能，循环净功对外输出，形成双热源热力循环。

图2所示T-s图中的双热源热力循环示例是这样进行的：

(1)从循环过程上看：

工作介质进行——绝热升压升温过程12，自低温热源吸热升温过程23，绝热升压升温过程34，自高温热源吸热升温过程45，绝热降压膨胀过程56——共5个过程。

(2)从能量转换上看：

①吸热过程——循环工质进行23过程需要的热量，由低温热源来提供；循环工质进行45过程需要的热量，由高温热源提供。

②放热过程——工作介质通过进出流程，带走相应热负荷。

③能量转换过程——工作介质的升压过程12、34，一般由压缩机来完成；循环工质的降压膨胀过程56，一般由膨胀机来完成；降压释放机械能大于升压消耗机械能，循环净功对外输出，形成双热源热力循环。

图3所示的双热源燃气热动装置是这样实现的：

(1)结构上，它主要由压缩机、第二压缩机、燃气轮机、热源热交换器和燃烧室所组成；外部有空气通道与压缩机1连通，压缩机1还有空气通道经热源热交换器4与第二压缩机2连通，第二压缩机2还有空气通道与燃烧室5连通，外部还有燃料通道与燃烧室5连通，燃烧室5还有燃气通道经燃气轮机3与外部连通；热源热交换器4还有热源介质通道与外部连通，燃气轮机3连接压缩机1和第二压缩机2并传输动力。

(2)流程上，外部空气流经压缩机1升压升温，流经热源热交换器4吸热升温，流经第二压缩机2升压升温，之后提供给燃烧室5；外部燃料进入燃烧室5，燃料和空气在燃烧室5内进行混合并燃烧形成高压高温燃气，燃烧室5排放的燃气流经燃气轮机3降压作功，之后对外排放；热源介质通过热源热交换器4提供驱动热负荷，燃料通过燃烧室5提供高温驱动热负荷，空气和燃气通过进出流程带走低温热负荷，燃气轮机3输出的功提供给压缩机1、第二压缩机2和外部作动力，形成双热源燃气热动装置。

图4所示的双热源燃气热动装置是这样实现的：

(1)结构上，它主要由压缩机、第二压缩机、燃气轮机、热源热交换器、燃烧室和回热器所组成；外部有空气通道与压缩机1连通，压缩机1还有空气通道经热源热交换器4与第二压缩机2连通，第二压缩机2还有空气通道经回热器6与燃烧室5连通，外部还有燃料通道与燃烧室5连通，燃烧室5还有燃气通道经燃气轮机3和回热器6与外部连通；热源热交换器4还有热源介质通道与外部连通，燃气轮机3连接压缩机1和第二压缩机2并传输动力。

(2)流程上，外部空气流经压缩机1升压升温，流经热源热交换器4吸热升温，流经第二压缩机2升压升温，流经回热器6吸热升温，之后提供给燃烧室5；外部燃料进入燃烧室5，燃料和空气在燃烧室5内进行混合并燃烧形成高压高温燃气，燃烧室5排放的燃气流经燃气轮机3降压作功，流经回热器6放热降温，之后对外排放；热源介质通过热源热交换器4提供驱动热负荷，燃料通过燃烧室5提供高温驱动热负荷，空气和燃气通过进出流程带走低温热负荷，燃气轮机3输出的功提供给压缩机1、第二压缩机2和外部作动力，形成双热源燃气热动装置。

图5所示的双热源燃气热动装置是这样实现的：

(1)结构上，它主要由压缩机、第二压缩机、燃气轮机、热源热交换器、燃烧室和回热器所组成；外部有空气通道与压缩机1连通，压缩机1还有空气通道经热源热交换器4与第二压缩机2连通，第二压缩机2还有空气通道经回热器6与燃烧室5连通，外部还有燃料通道与燃烧室5连通，燃烧室5还有燃气通道与燃气轮机3连通之后燃气轮机3再有燃气通道经回热器6与自身连通，燃气轮机3还有燃气通道与外部连通；热源热交换器4还有热源介质通道与外部连通，燃气轮机3连接压缩机1和第二压缩机2并传输动力。

(2)流程上，外部空气流经压缩机1升压升温，流经热源热交换器4吸热升温，流经第二压缩机2升压升温，流经回热器6吸热升温，之后提供给燃烧室5；外部燃料进入燃烧室5，燃料和空气在燃烧室5内进行混合并燃烧形成高压高温燃气，之后提供给燃气轮机3；燃气在燃气轮机3内降压作功至一定程度之后流经回热器6放热降温，进入燃气轮机3继续降压作功，之后对外排放；热源介质通过热源热交换器4提供驱动热负荷，燃料通过燃烧室5提供高温驱动热负荷，空气和燃气通过进出流程带走低温热负荷，燃气轮机3输出的功提供给压缩机1、第二压缩机2和外部作动力，形成双热源燃气热动装置。

图6所示的双热源燃气热动装置是这样实现的：

(1)结构上，它主要由压缩机、第二压缩机、燃气轮机、热源热交换器、燃烧室和回热器所组成；外部有空气通道与压缩机1连通，压缩机1还有空气通道经热源热交换器4与第二压缩机2连通，第二压缩机2还有空气通道经回热器6与自身连通，第二压缩机2还有空气通道与燃烧室5连通，外部还有燃料通道与燃烧室5连通，燃烧室5还有燃气通道经燃气轮机3和回热器6与外部连通；热源热交换器4还有热源介质通道与外部连通，燃气轮机3连接压缩机1和第二压缩机2并传输动力。

(2)流程上，外部空气流经压缩机1升压升温，流经热源热交换器4吸热升温，之后提供给第二压缩机2；空气在第二压缩机2内升压升温至一定程度之后流经回热器6吸热升温，进入第二压缩机2继续升压升温，再之后提供给燃烧室5；外部燃料进入燃烧室5，燃料和空气在燃烧室5内进行混合并燃烧形成高压高温燃气，燃烧室5排放的燃气流经燃气轮机3降压作功，流经回热器6放热降温，之后对外排放；热源介质通过热源热交换器4提供驱动热负荷，燃料通过燃烧室5提供高温驱动热负荷，空气和燃气通过进出流程带走低温热负荷，燃气轮机3输出的功提供给压缩机1、第二压缩机2和外部作动力，形成双热源燃气热动装置。

图7所示的双热源燃气热动装置是这样实现的：

(1)结构上，它主要由压缩机、第二压缩机、燃气轮机、热源热交换器、燃烧室和回热器所组成；外部有空气通道与压缩机1连通，压缩机1还有空气通道经热源热交换器4与第二压缩机2连通，第二压缩机2还有空气通道经回热器6与自身连通，第二压缩机2还有空气通道与燃烧室5连通，外部还有燃料通道与燃烧室5连通，燃烧室5还有燃气通道与燃气轮机3连通之后燃气轮机3再有燃气通道经回热器6与自身连通，燃气轮机3还有燃气通道与外部连通；热源热交换器4还有热源介质通道与外部连通，燃气轮机3连接压缩机1和第二压缩机2并传输动力。

(2)流程上，外部空气流经压缩机1升压升温，流经热源热交换器4吸热升温，之后提供给第二压缩机2；空气在第二压缩机2内升压升温至一定程度之后流经回热器6吸热升温，进入第二压缩机2继续升压升温，再之后提供给燃烧室5：外部燃料进入燃烧室5，燃料和空气在燃烧室5内进行混合并燃烧形成高压高温燃气，之后提供给燃气轮机3；燃气在燃气轮机3内降压作功至一定程度之后流经回热器6放热降温，进入燃气轮机3继续降压作功，之后对外排放；热源介质通过热源热交换器4提供驱动热负荷，燃料通过燃烧室5提供高温驱动热负荷，空气和燃气通过进出流程带走低温热负荷，燃气轮机3输出的功提供给压缩机1、第二压缩机2和外部作动力，形成双热源燃气热动装置。

本发明技术可以实现的效果——本发明所提出的双热源热力循环与双热源燃气热动装置，具有如下效果和优势：

(1)双热源热力循环，符合热力学原理，实现低温热负荷与高温热负荷之间的合理匹配，共同提供驱动热负荷。

(2)双热源燃气热动装置，低温驱动热负荷用于降低压缩比或用于降低燃料燃烧环节温差损失，提升燃料热变功效率和应用价值。

(3)双热源燃气热动装置，减少高温热负荷在正向循环中的低温热负荷排放数量，提升热变功系统热力学完善度。

(4)低温热负荷应用于高温热负荷热变功体系，流程合理，结构简单，显著降低热动系统制造成本，提高系统经济性。

(5)双热源燃气热动装置，提供多种具体技术方案，提升低温热负荷利用价值，实现能源合理利用，有利于扩展燃气热动装置的应用范围。