專利名稱：核能中冷等壓吸熱空氣輪機的制作方法
核能中冷等壓吸熱空氣輪機技術領域一種空氣輪機，特別是用于電廠的核能中冷等壓吸熱空氣輪^1。
背景技術：
在專利申請號為"200710097404.7"的中冷等壓吸熱式空氣輪機中， 都是采用燃燒固體燃料的鍋爐來作為供熱系統，由于這種空氣輪機的等壓吸熱 系統能把鍋爐產生的熱量基本吸盡，同時作功后的排氣熱量也會返回鍋爐被完 全回收，從而讓這種空氣輪機能達到很高的熱效率，但上述專利申請中的中冷 等壓吸熱式空氣輪機在利用核能作為供熱系統時其作功后的排氣熱量并不能很 好的回收利用。
發明內容
本發明的目的是提供一種核能中冷等壓吸熱空氣輪機，它可以很 好的利用液冷或氣冷反應堆作為供熱系統，也能讓作功后的排氣熱量通過回熱 器重新利用或返回反應堆，從而提高對核能的利用效率。為實現上述目的，本發明的核能中冷等壓吸熱空氣輪機包括核能供熱系統、 加熱器、配氣裝置、中間冷卻器、氣輪機和用傳動軸相連的壓氣機；所述的核 能供熱系統由液冷反應堆和其上設有放熱交換器的一回路構成，在所述的配氣 裝置中設有被傳動軸帶動的可繞固定內軸轉動的旋轉缸體，在旋轉缸體的兩側 分別設有環形排列的小副缸和大副缸，各副缸內的配氣活塞通過相應的連桿與 固定內軸上的周轉斜盤傳動相連，在小副缸上設有冷通氣口，該氣口可分別與 配氣裝置側面的小閥盤上所設的充氣口和換氣出口相溝通，在大副缸上設有熱 通氣口，該氣口可分別與配氣裝置另一側面的大閥盤上所設的換氣進口和出氣 口相溝通；壓氣機的壓縮空氣出口經出氣管道和中間冷卻器與配氣裝置小閥盤 上的充氣口連通，小閥盤的換氣出口經連通管道和加熱器與配氣裝置大閥盤上 的換氣進口連通，大閥盤的出氣口與氣輪機的進氣口連通。加熱器作為吸熱側 與液冷反應堆的一回路上的放熱交換器制成一體，在換氣出口與加熱器之間的 連通管路上設有排氣回熱器和散熱回熱器，氣輪機的排氣口經排氣管路與排氣 回熱器的放熱側排氣進口連通，放熱側的排氣出口經回流管路與壓氣機的空氣 進口連通，散熱回熱器安裝在壓氣機與中間冷卻器之間的出氣管道中。并且，在排氣回熱器與壓氣機之間的回流管路上還增設有空氣預冷器。 在采用液冷反應堆、尤其是壓水堆的中冷等壓吸熱空氣輪機中，因可把氣 輪機的排氣熱量和中間冷卻器所散發的壓縮熱通過排氣回熱器和散熱回熱器進 行相應的回收，實現了對壓水堆熱量、氣輪機排氣熱量和中間冷卻器散熱量的 梯級利用，大幅度減少了冷源中間冷卻器所產生的熱量損失，使空氣輪機核能 利用的效率大幅度提高，在循環效率上超過了普通壓水堆一蒸汽輪機動力系統 電廠。采用蒸氣輪機動力系統的核電廠因存在大量的蒸汽冷凝損失，使電廠的 核能利用效率一直不高。在本發明第二實施方式的核能中冷等壓吸熱空氣輪機中，它包括核能供熱系統、加熱器、配氣裝置、中間冷卻器、氣輪機和用傳動軸相連的壓氣機；所 述的核能供熱系統由氣冷反應堆、 一回路及一回路上所設的放熱交換器和回熱 器構成，在所述的配氣裝置中設有被傳動軸帶動的可繞固定內軸轉動的旋轉缸 體，在旋轉缸體的兩側分別設有環形排列的小副缸和大副缸，各副缸內的配氣 活塞通過相應的連桿與固定內軸上的周轉斜盤傳動相連，在小副缸上設有冷通 氣口，該氣口可分別與配氣裝置側面的小閥盤上所設的充氣口和換氣出口相溝 通，在大副缸上設有熱通氣口，該氣口可分別與配氣裝置另一側面的大閥盤上 所設的換氣進口和出氣口相溝通；壓氣機的壓縮空氣出口經出氣管道和中間冷 卻器與配氣裝置小閥盤上的充氣口連通，小閥盤的換氣出口經連通管道和加熱 器與配氣裝置大閥盤上的換氣進口連通，大閥盤的出氣口與氣輪機的進氣口連 通。加熱器作為吸熱側與氣冷反應堆的一回路上的放熱交換器制成一體，氣輪機的排氣口經排氣管路與一回路上的回熱器的放熱側排氣進口連通，放熱側的的排氣出口經回流管路與壓氣機的空氣進口連通。在回熱器與壓氣機之間的回流管路上還增設有空氣預冷器。在采用氣冷反應堆的中冷等壓吸熱空氣輪機中，因作功工質能被加熱到更 高的溫度，氣輪機的排氣溫度較高，而經作功放熱后的氦氣冷卻劑又溫度較低， 很適合通過回熱器被排氣熱量加熱，使排氣熱量能充分回收，然后再讓被加熱 的氦氣返回氣冷堆。由于中冷等壓吸熱空氣輪機的中間冷卻器散熱損失低于采 用氣冷堆供熟蒸汽輪機動力系統中的蒸汽冷凝損失，而氣輪機的排氣熱量又能 被回熱器充分回收并返回氣冷堆，因此采用氣冷堆作供熱系統的中冷等壓吸熱 空氣輪機也會具有很高的循環熱效率。
本發明將通過兩種實施例并結合附圖進行詳細說明 圖1是本發明采用液冷反應堆作供熱系統的核能中冷等壓吸熱空氣輪機的總體 結構布置圖。圖2是本發明采用氣冷反應堆作供熱系統的核能中冷等壓吸熱空氣輪機的總體 結構布置圖。
具體實施方式
采用液冷反應堆作供熱系統的核能中冷等壓吸熱空氣輪機 如圖1所示，包括核能供熱系統1、加熱器36、配氣裝置48、中間冷卻器14、 氣輪機28和用傳動軸26相連的壓氣機8。在這一實施方式中，核能供熱系統 采用了液冷反應堆2作為空氣輪機的供熱熱源，所述的氣冷反應堆主要是壓水 堆型(PWR),占目前核電廠反應堆類型的半數以上。這種核供熱系統基本由液
冷反應堆2、 一回路5和一回路上所設的放熱交換器6構成，采用壓水堆型的 反應堆冷卻劑出口溫度為330'C，進口溫度為290'C。中冷等壓吸熱空氣輪機的 等壓吸熱系統主要包括配氣裝置48和通過二回路管道相連通的加熱器36，在 配氣裝置48中設有被傳動軸26帶動的可繞固定內軸62轉動的旋轉缸體76， 旋轉缸體通過傳動軸26與氣輪機28和壓氣機8保持聯動。在旋轉缸體76的 兩側分別設有環形排列的小副缸82和大副缸92，小副缸內的小配氣活塞85 通過曲桿86與另一側相對應的大副缸92內的大配氣活塞95相連，大配氣活 塞95再通過相應的連桿96與固定內軸62上的周轉斜盤66傳動相連，以便 在旋轉缸體76被帶動旋轉時，讓各副缸中的大小配氣活塞也隨著進行往復移 動，使大小副缸具有相應的進氣和排氣功能。在小副缸82上設有冷通氣口 83， 該氣口可分別與配氣裝置48側面的小閥盤50上所設的充氣口 51和換氣出口 53相溝通。在大副缸92上設有熱通氣口 93，該氣口可分別與配氣裝置另一側 面的大閥盤56上所設的換氣進口 58和出氣口 60相溝通。壓氣機8的壓縮空 氣出口 9經出氣管道11和中間冷卻器14與配氣裝置小閥盤50上的充氣口 51連通，小閥盤的換氣出口 53經連通管道35和加熱器36與配氣裝置大閥盤 56上的換氣進口 58連通，加熱器36作為吸熱側被制成外殼結構與液冷反應堆 一回路5上的放熱交換器6合為一體。由于從小閥盤50的換氣出口 53流出 的工質被中間冷卻器14充分冷卻后溫度很低，為了讓低溫工質在進入加熱器 36之前也能回收部分氣輪機28的排氣熱量和壓氣機8所產生的壓縮熱，在配 氣裝置的換氣出口 53與加熱器36之間的二回路連通管路35上依次設有排氣 回熱器40和散熱回熱器43。氣輪機28的排氣口 32經排氣管路34與排氣回 熱40的放熱側排氣進口 41連通，放熱側的排氣出口 42經回流管路7與壓氣 機8的空氣進口 IO連通，讓這種中冷等壓吸熱空氣輪機成為一種采用閉式循環 的動力系統。因氣輪機的排氣溫度為80'C左右，低于壓氣機后200'C左右的壓 縮空氣溫度，所以散熱回熱器43設在了排氣回熱器40之后，散熱回熱器43 安裝在壓氣機8與中間冷卻器14之間的出氣管道11內。實際中，如壓氣機之后的壓縮空氣所含熱量明顯多于氣輪機的排氣熱量時， 也可只設散熱回熱器43，這樣不僅能達到相同的節能效果，也有利于簡化循環 系統的結構布局。在圖1的這種核能中冷等壓吸熱空氣輪機運行過程中，作為工質的空氣(或 其它氣體)經空氣進口 IO被壓氣機8吸入，被壓氣機8壓縮后的空氣溫度和 壓力都相應升高，在增壓比為6: 1時溫度升高約20(TC，所形成的壓縮空氣從 壓氣機的壓縮空氣出口 9經出氣管道ll流向散熱回熱器43，壓縮空氣中的壓 縮熱經散熱回熱器43后溫度降到85°C，然后這部分壓縮空氣又經中間冷卻器 14進一步被冷卻到稍高于環境溫度的28°C。壓氣機8所產生的壓縮空氣經散熱 回熱器43和中間冷卻器14的二次降溫后其溫度大幅度降低，為將要進行的等 壓吸熱過程創造了很大的溫度差。壓縮空氣溫度的降低讓壓縮空氣的體積相應 收縮，也讓其壓力相應降低，使壓氣機能更容易的把壓縮空氣向外推出，從而 減少了壓縮功的消耗。流出中間冷卻器14的低溫壓縮空氣在配氣裝置48的小副缸82轉到與充 氣口 51相溝通的位置后進入小副缸，隨著旋轉缸體的繼續轉動，在小副缸82 轉到與換氣出口 53相溝通位置時，小配氣活塞85把已充入小副缸的低溫壓縮 空氣經換氣出口 53向外排出，沿等壓吸熱系統的連通管路35先進入排氣回熱 器40、被排氣回熱器從28t:加熱到65-C后，又進入散熱回熱器43，被外面的 熱壓縮空氣加熱到18(TC，然后，這部分經兩級低溫加熱的壓縮空氣再進入加熱 器36，被一回路5上的壓水反應堆的放熱交換器6加熱到31(TC，形成作功熱 壓縮空氣。這部分作功熱壓縮空氣在配氣裝置48的大副缸92轉到與換氣進口 58相溝通位置時充入大副缸，并讓被加熱了的作功熱壓縮空氣體積在大副缸92 內相應膨脹(也有少量的作功)，使系統內的壓力并不上升，讓加熱器36內的 吸熱過程在等壓狀態下進行。等壓吸熱可使流出小副缸82的低溫壓縮空氣溫度并不上升，這樣才能利用 排氣回熱器40和散熱回熱器43回收溫度較低的排氣和散熱熱量，實現工質對 不同溫度熱量的梯級利用，擴大了工質在作功吸熱過程中的溫度利用范圍，使 循環熱量的利用效率提高。當大副缸92充滿作功熱壓縮空氣后，繼續轉動的大副缸又與大閥盤56上 的出氣口 60溝通，大副缸中的作功熱壓縮空氣在大配氣活塞95的作用下向外 排出，推動氣輪機28旋轉作功。氣輪機28經傳動軸26帶動壓氣機8和配氣 裝置的旋轉缸體76，余下的動力再帶動發電機發電(未畫)。從氣輪機28流出 的8(TC排氣在經過排氣回熱器40后，因熱量被回熱器內的低溫壓縮空氣部分 吸收，其溫度降到45。C。然后這部分排氣被回流管路7上所設的空氣預冷器18 進一步冷卻，使其溫度被降低到28°C,回到循環的起始狀態，以便繼續進入壓 氣機8，開始進行接下去的循環過程。在上述采用壓水反應堆的核能中冷等壓吸熱空氣輪機循環過程中，中間冷 卻器14要把散熱回熱器之后壓縮空氣中的85'C少部分熱量散到外界，空氣預 冷器18要把排氣回熱器之后排氣中的45'C少部分熱量散到外界，但與采用壓水 反應堆的蒸汽輪機動力系統中的大量蒸汽冷凝損失相比，其熱量損失還是相對 較低的，因此能讓核能中冷等壓吸熱空氣輪機獲得較高的循環效率。因圖1中的核能中冷等壓吸熱空氣輪機能高效的利用30(TC左右的熱源進行工作，實際中也可以用太陽能加熱裝置或工廠的高溫工藝廢氣代替壓水反應堆 來作為供熱系統的熱源。采用氣冷反應堆作供熱系統的核能中冷等壓吸熱空氣輪機如圖2所示，包 括核能供熱系統3、加熱器36、配氣裝置48、中間冷卻器14、氣輪機28和 用傳動軸26相連的壓氣機8。在這一實施方式中，所述的配氣裝置結構與圖1 中的實施方式完全相同，配氣裝置48通過相應的連接管路與加熱器36、氣輪機 28、壓氣機8和中間冷卻器14的基本連接布置也與圖1中的實施方式相同， 不同之處是在本實施方式中，核能供熱系統3采用了用氦氣作冷卻劑的氣冷反 應堆4。本實施方式中的核能供熱系統由氣冷反應堆4、 一回路5及一回路上 所設的放熱交換器6和回熱器45構成，所采用的氣冷反應堆比圖1實施方式中 的壓水反應堆具有更高的工作溫度,其冷卻劑的出口溫度可達到750°C。在圖2的本發明實施方式中，等壓吸熱系統的加熱器36作為吸熱側與氣冷 反應堆4的一回路5上的放熱交換器6制成一體，氣輪機28的排氣口 32經 排氣管路34與一回路5上的回熱器45的放熱側排氣進口 46連通，放熱側的 排氣出口 47經回流管路7與壓氣機8的空氣進口 10連通，從而構成了一個 完整的閉式核能中冷等壓吸熱空氣輪機的循環系統。在圖2的這種核能中冷等壓吸熱空氣輪機運行過程中，空氣進入壓氣機8， 經壓氣機壓縮后所形成的壓縮空氣被中間冷卻器14降溫到28°C。壓縮空氣的 壓縮熱由中間冷卻器導致外界后，為將要進行的等壓吸熱過程提供了很大的溫 度差，也減少了壓氣機壓縮功的消耗。從中間冷卻器14流出的低溫壓縮空氣在 配氣裝置48的小副缸82轉到與充氣口 51溝通位置時充進小副缸，并在小副 缸轉到與換氣出口 53溝通位置時，小副缸內的低溫壓縮空氣被小配氣活塞85 向外排出，流向加熱器36并被外面75(TC的高溫氦氣加熱，形成54(TC的高溫 作功壓縮空氣。這部分作功壓縮空氣在配氣裝置的大副缸92轉到與換氣進口 58相溝通時充入大副缸，在大副缸轉到與出氣口 60相溝通位置時，大副缸內 的高溫作功壓縮空氣在大配氣活塞95的推動下沖向氣輪機28旋轉作功，并通 過傳動軸26帶動壓氣機8和配氣裝置的旋轉缸體76，余下的動力帶動發電機 發電(未畫)。從氣輪機28排出的230'C排氣沿排氣管路34流過一回路5上 的回熱器45，把從加熱器36流過來的一回路內的46'C低溫氦氣加熱，使其溫 度升到210'C后返回氣冷反應堆4。流過回熱器45的排氣在大部分熱量被回熱 器中的低溫氦氣吸收后溫度從230。C隆到60°C，然后，60。C的排氣再沿回流管 路7流過其上所設的空氣預冷器18，使排氣被進一步冷卻到28'C并重新進入 壓氣機8，以便進行接下去的循環過程。在圖2所示采用氣冷反應堆的核能中冷等壓吸熱空氣輪機循環過程中，因
加熱器36進行的是等壓吸熱過程，可讓進入其內的工質從28'C被外面氣冷反 應堆的高溫氦氣加熱到540'C，從而讓空氣輪機具有了很大的吸熱能力，使氣輪 機28的輸出功率增加。而作功后氣輪機28的排氣熱量因能被核能供熱系統一 回路上的回熱器45充分回收，也進一步提高了這種核能中冷等壓吸熱空氣輪機 的循環熱效率，使電廠的經濟效益明顯改善。
權利要求
1、 核能中冷等壓吸熱空氣輪機，它包括核能供熱系統(1)、加熱器(36)、 配氣裝置(48)、中間冷卻器(14)、氣輪機(28)和用傳動軸(26)相連的壓 氣機(8);所述的核能供熱系統(1)由液冷反應堆(2)和其上設有放熱交換 器(6)的一回路(5)構成，李所述的配氣裝置(48)中設有被傳動軸(26) 帶動的可繞固定內軸(62)轉動的旋轉缸體(76),在旋轉缸體的兩側分別設有 環形排列的小副缸(82)和大副缸(92)，各副缸內的配氣活塞通過相應的連桿 與固定內軸(62)上的周轉斜盤(66)傳動相連，在小副缸(82)上設有冷通 氣口 (83)，該氣口可分別與配氣裝置(48)側面的小閥盤(50)上所設的充氣 口 (51)和換氣出口 (53)相溝通，在大副缸(92)上設有熱通氣口 (93)，該 氣口可分別與配氣裝置(48)另一側面的大閥盤(56)上所設的換氣進口 (58) 和出氣口 (60)相溝通；壓氣機(8)的壓縮空氣出口 (9)經出氣管道(11) 和中間冷卻器(14)與配氣裝置小閥盤(50)上的充氣口 (51)連通，小閥盤 的換氣出口 (53)經連通管道(35)和加熱器(36)與配氣裝置大閥盤(56) 上的換氣進口 (58)連通，大閥盤的出氣口 (60)與氣輪機(28)的進氣口連 通，其特征在于加熱器(36)作為吸熱側與液冷反應堆的一回路(5)上的放 熱交換器(6)制成一體，在換氣出口 (53)與加熱器(36)之間的連通管路(35) 上設有排氣回熱器(40)和散熱回熱器(43)，氣輪機(28)的排氣口 (32)經 排氣管路(34)與排氣回熱器(40)的放熱側排氣進口 (41)連通，放熱側的 排氣出口 (42)經回流管路(7)與壓氣機(8)的空氣進口 (10)連通，散熱 回熱器(43)安裝在壓氣機(8)與中間冷卻器(14)之間的出氣管道(11)中。
2、 根據權利要求1所述的空氣輪機，其特征在于在排氣回熱器(40)與 壓氣機(8)之間的回流管路(7)上增設有空氣預冷器(18)。
3、 核能中冷等壓吸熱空氣輪機，它包括核能供熱系統(3)、加熱器(36)、 配氣裝置(48)、中間冷卻器(14)、氣輪機(28)和用傳動軸(26)相連的壓 氣機(8);所述的核能供熱系統(3)由氣冷反應堆(4)、 一回路(5)及一回 路上所設的放熱交換器(6)和回熱器(45)構成，在所述的配氣裝置(48)中 設有被傳動軸(26)帶動的可繞固定內軸(62)轉動的旋轉缸體(76)，在旋轉 缸體的兩側分別設有環形排列的小副缸(82)和大副缸(92)，各副缸內的配氣 活塞通過相應的連桿與固定內軸(62)上的周轉斜盤(66)傳動相連，在小副 缸(82)上設有冷通氣口 (83)，該氣口可分別與配氣裝置(48)側面的小閥盤(50)上所設的充氣口 (51)和換氣出口 (53)相溝通，在大副缸(92)上設 有熱通氣口 (93)，該氣口可分別與配氣裝置(48)另一側面的大閥盤(56)上 所設的換氣進口 (58)和出氣口 (60)相溝通；壓氣機(8)的壓縮空氣出口 (9)經出氣管道(11)和中間冷卻器(14)與配氣裝置小閥盤(50)上的充氣口 (51) 連通，小閥盤的換氣出口 (53)經連通管道(35)和加熱器(36)與配氣裝置 大閥盤(56)上的換氣進口 (58)連通，大閥盤的出氣口 (60)與氣輪機(28) 的進氣口連通，其特征在于加熱器(36)作為吸熱側與氣冷反應堆(4)的一 回路(5)上的放熱交換器(6)制成一體，氣輪機(28)的排氣口 (32)經排 氣管路(34)與一回路(5)上的回熱器(45)的放熱側排氣進口 (46)連通， 放熱側的的排氣出口 (47)經回流管路(7)與壓氣機(8)的空氣進口 (10) 連通。
4、根據權利要求3所述的空氣輪機，其特征在于在回熱器(45)與壓氣 機(8)之間的回流管路(7)上增設有空氣預冷器(18)。
全文摘要
一種核能中冷等壓吸熱空氣輪機，包括核能供熱系統(1)或(3)、加熱器(36)、配氣裝置(48)、中間冷卻器(14)、氣輪機(28)和用傳動軸相連的壓氣機(8)，加熱器(36)作為吸熱側與核能供熱系統的一回路(5)上的放熱交換器(6)制成一體。在第一實施方式中，在配氣裝置(53)與加熱器(36)之間的連通管路(35)上設有排氣回熱器(40)和散熱回熱器(43)，使壓水反應堆的熱量能被更高效的利用。在第二實施方式中，氣輪機(28)的排氣熱量經核能供熱系統一回路(5)上的回熱器(45)充分回收，并使之返回氣冷堆，提高了對核能的利用效率。
文檔編號F01K11/00GK101144395SQ200710163549
公開日2008年3月19日 申請日期2007年10月15日 優先權日2007年10月15日
發明者韓培洲 申請人:韓培洲