技术领域
[0001] 本实用新型涉及
热能与动力领域，尤其是一种热动力系统。技术背景
[0002] 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
[0003] 为了解决上述问题，本实用新型提出的技术方案如下：
[0004] 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；
[0005] 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。
[0006] 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。
[0008] 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。
[0009] 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。
[0010] 所述作功机构对所述增压器输出动力。
[0011] 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。
[0012] 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。
[0013] 所述动力单元与所述增压器同轴设置。
[0014] 所述作功机构与所述增压器同轴设置。
[0015] 所述作功机构设为动力透平或设为
活塞式作功机构。
[0016] 所述增压器设为
叶轮式
压缩机或
活塞式压缩机。
[0017] 所述动力单元设为叶轮式动力单元或活塞式动力单元。
[0018] 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。
[0019] 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。
[0020] 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
金属化合物分离器。
[0021] 所述冷凝冷却器设为晾水塔。
[0022] 在所述作功机构的工质出口处设
回热器。
[0023] 所述增压器设为叶轮式压缩机，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缩机输出动力，所述叶轮式压缩机、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。
[0024] 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。
[0025] 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。
[0026] 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。
[0027] 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。
[0028] 本实用新型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。
[0029] 本实用新型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。
[0030] 本实用新型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。
[0031] 本实用新型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。
[0032] 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。而在本实用新型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，本实用新型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。
[0033] 本实用新型中，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31MPa、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。
[0034] 本实用新型中，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885K、890K、895K、900K、905K、910K、915K、920K、925K、930K、935K、940K、945K、950K、955K、960K、965K、970K、975K、980K、985K、990K、995K或高于1000K。
[0035] 本实用新型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。
[0036] 本实用新型中，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。
[0037] 本实用新型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。
[0038] 本实用新型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。
[0039] 本实用新型中，图19是气体工质的温度T和压力P的关系图，O-A-H所示曲线是通过状态参数为298K和0.1MPa的O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。
[0040] 本实用新型中，图19中的 中的K是气体工质绝热指数，P是气体工质的压力，T是气体工质的温度，C是常数。
[0041] 本实用新型中，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系曲线上，即气体工质的状态参数点在图19中O-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O-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O-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、加190K的和、加180K的和、加170K的和、加160K的和、加150K的和、加140K的和、加130K的和、加120K的和、加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1000K、900K、850K、800K、750K、700K、650K、600K、550K、500K、450K、400K、350K、
300K、250K、200K、190K、180K、170K、160K、150K、140K、130K、120K、110K、100K、90K、80K、70K、
60K、50K、40K、30K或小于20K。
[0042] 本实用新型中，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B点的
绝热过程曲线E-B-D的左侧区域内。
[0043] 本实用新型中，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。
[0044] 本实用新型中，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。
[0045] 本实用新型中，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。
[0046] 本实用新型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。
[0047] 本实用新型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，可以是叶轮式压缩机，也可以是活塞式压缩机等；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。
[0048] 本实用新型中应根据公知技术，在适当
位置设阀、泵和相应的控制装置等部件、单元或系统。
[0049] 本实用新型的有益效果如下：
[0050] 本实用新型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
[0051] 图1为本实用新型的
实施例1的示意图；
[0052] 图2为本实用新型的实施例2的示意图；
[0053] 图3为本实用新型的实施例3的示意图；
[0054] 图4为本实用新型的实施例4的示意图；
[0055] 图5为本实用新型的实施例5的示意图；
[0056] 图6为本实用新型的实施例6的示意图；
[0057] 图7为本实用新型的实施例7的示意图；
[0058] 图8为本实用新型的实施例8的示意图；
[0059] 图9为本实用新型的实施例9的示意图；
[0060] 图10为本实用新型的实施例10的示意图；
[0061] 图11为本实用新型的实施例11的示意图；
[0062] 图12为本实用新型的实施例12的示意图；
[0063] 图13为本实用新型的实施例13的示意图；
[0064] 图14为本实用新型的实施例14的示意图；
[0065] 图15为本实用新型的实施例15的示意图；
[0066] 图16为本实用新型的实施例16的示意图；
[0067] 图17为本实用新型的实施例17的示意图；
[0068] 图18为本实用新型的实施例18的示意图；
[0069] 图19为气体工质的温度T和压力P的关系图；
[0070] 图20为本实用新型的实施例19的示意图。
[0071] 图中：
[0072] 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叶轮式压缩机、702活塞式压缩机、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
[0073] 实施例1
[0074] 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包括冷凝冷却器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11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。
[0075] 实施例2
[0076] 如图2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。
[0077] 实施例3
[0078] 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。
[0079] 实施例4
[0080] 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对所述增压器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与所述增压器7的连接轴设在所述燃烧室
4内。
[0081] 实施例5
[0082] 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。
[0083] 实施例6
[0084] 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。
[0085] 实施例7
[0086] 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。
[0087] 实施例8
[0088] 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。
[0089] 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。
[0090] 实施例9
[0091] 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缩机701，所述动力单元设为叶轮式动力单元801。
[0092] 实施例10
[0093] 如图10所示的低熵混燃高超临界热动力系统，其与实施例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缩机702，所述动力单元8设为活塞式动力单元。
[0094] 实施例11
[0095] 如图11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4壁的内侧设隔热衬40。
[0096] 实施例12
[0097] 如图12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4壁的外侧设散热结构110。
[0098] 实施例13
[0099] 如图13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。
[0100] 实施例14
[0101] 如图14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：所述冷凝冷却器10设为晾水塔100。
[0102] 实施例15
[0103] 如图15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：在所述作功机构3的工质出口处设回热器200。
[0104] 实施例16
[0105] 如图16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：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缩，提高气体工质的作功能力。
[0106] 实施例17
[0107] 如图17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：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，所述增压器设为叶轮式压缩机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对所述叶轮式压缩机701输出动力的同时对外输出动力。
[0108] 实施例18
[0109] 如图18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：所述增压器设为叶轮式压缩机701，所述作功机构3设为动力透平301，所述动力透平301对所述叶轮式压缩机701输出动力，所述叶轮式压缩机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。
[0110] 实施例19
[0111] 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，调整所述锅炉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、31MPa、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880K、885K、890K、895K、900K、905K、910K、915K、920K、925K、930K、935K、
940K、945K、950K、955K、960K、965K、970K、975K、980K、985K、990K、995K或高于1000K，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。
[0112] 显然，本实用新型不限于以上实施例，根据本领域的公知技术和本实用新型所公开的技术方案，可以推导出或联想出许多变型方案，所有这些变型方案，也应认为是本实用新型的保护范围。
