專利名稱：生成有效能的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及動(dòng)力工程(power-engineering)，具體地涉及一種通過(guò)將熱量轉(zhuǎn)換成有用的機(jī)械功或者電功而生成有效能(exergy)(能量的有效部分)的方法。
更具體地，本發(fā)明涉及一種將熱源的能量通過(guò)工質(zhì)轉(zhuǎn)換成有用的形式，該工質(zhì)以連續(xù)循環(huán)的熱力學(xué)動(dòng)力過(guò)程膨脹或者壓縮。借助處于干蒸汽狀態(tài)的均勻單相工質(zhì)，熱量被轉(zhuǎn)換為有用的機(jī)械的和電的有效能。當(dāng)在不改變聚合(aggregation)狀態(tài)的情況下持續(xù)處于蒸汽(例如水蒸氣)區(qū)域的時(shí)候，工質(zhì)周期性地膨脹或者壓縮，于是，進(jìn)行所供應(yīng)的熱能向在高熵值區(qū)域的過(guò)熱蒸汽的膨脹的有用功的轉(zhuǎn)換。
本發(fā)明還涉及一種提高將熱量轉(zhuǎn)換為在熱力學(xué)蒸汽動(dòng)力循環(huán)(steampower cycle)中的功的熱力學(xué)效率的方法，并且因此涉及一種使用該方法的新的熱力學(xué)蒸汽動(dòng)力循環(huán)。本發(fā)明可以用于通過(guò)在熱力設(shè)備、供熱裝置等中，在蒸汽作為工質(zhì)的情況下，將熱量轉(zhuǎn)換為熱機(jī)中的有用功，而生成有效能。
背景技術(shù)：
在熱機(jī)的蒸汽動(dòng)力熱力學(xué)循環(huán)中，生成有效能的方法是公知的，在該方法中，借助于工質(zhì)進(jìn)行所供應(yīng)的熱動(dòng)力向功的轉(zhuǎn)換。最普遍利用的從熱源產(chǎn)生有用能量的熱力學(xué)循環(huán)是關(guān)于濕飽和蒸汽的朗肯(Rankine)循環(huán)。在朗肯循環(huán)中，諸如水、氨水或者氟利昂(Freon)的工質(zhì)在具有有效熱源的蒸發(fā)器中蒸發(fā)。已蒸發(fā)的蒸汽工質(zhì)接著膨脹穿過(guò)渦輪機(jī)，從而將熱能轉(zhuǎn)換為功。然后使用有效的冷卻介質(zhì)，在冷凝器中冷凝所消耗的蒸汽工質(zhì)。通過(guò)將冷凝液用泵提升到增強(qiáng)的壓力，而提高冷凝液的壓力，在此之后處于高壓的工質(zhì)再次蒸發(fā)，并且如此繼續(xù)循環(huán)。當(dāng)大量使用朗肯循環(huán)時(shí)，由于蒸汽冷凝過(guò)程中的中等的飽和溫度和相對(duì)大的熱損失，其效率相對(duì)較低。
已知改進(jìn)的熱力學(xué)循環(huán)，其中干蒸汽過(guò)熱用于類似的應(yīng)用中，例如采用干蒸汽的單次過(guò)熱的格林(Girn)循環(huán)，以及采用干蒸汽的連續(xù)的或者多重的反復(fù)中間過(guò)熱的循環(huán)。蒸汽過(guò)熱有利于提高工質(zhì)的熱量供應(yīng)的平均溫度，并且有利于提高循環(huán)熱力學(xué)效率。
由于在冷凝過(guò)程中的相變期間的工質(zhì)的部分熱量的浪費(fèi)，而在理論上無(wú)法避免地有熱量損失，在蒸汽動(dòng)力循環(huán)中熱源的熵變化被補(bǔ)償，通過(guò)在熱動(dòng)力學(xué)蒸汽動(dòng)力循環(huán)中將所供應(yīng)的熱量轉(zhuǎn)換為功的有效能生成的公知方法的熱力學(xué)效率有限。在朗肯循環(huán)和格林循環(huán)中，熱效率不高于0.3-0.5。
與所提出方法的最接近的技術(shù)方案是通過(guò)使用過(guò)熱的蒸汽將熱量轉(zhuǎn)換為在蒸汽動(dòng)力熱力學(xué)循環(huán)中的功的有效能生成方法，該方法屬于同一申請(qǐng)人的另外一項(xiàng)發(fā)明專利申請(qǐng)。
由于將熱量轉(zhuǎn)換為功的低熱力學(xué)效率，利用過(guò)熱蒸汽生成高效的有效能的現(xiàn)有方法的技術(shù)潛能有限，由于巨大的熱量損失，其阻止了轉(zhuǎn)換效率的增長(zhǎng)，該熱量損失是由蒸汽冷凝過(guò)程中系統(tǒng)外的有效能的浪費(fèi)處理引起的。
因此，需要提出一種方法和/或處理系統(tǒng)，其對(duì)上述問(wèn)題提供更為有效的解決方案。尤其是，期望提供一種在蒸汽動(dòng)力循環(huán)中更為高效地產(chǎn)生有效能的方法。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，正如此處具體說(shuō)明的或者廣泛描述的內(nèi)容，與本發(fā)明的原則相一致的方法和系統(tǒng)提供了下述功能通過(guò)向經(jīng)受膨脹和壓縮循環(huán)的蒸汽工質(zhì)提供熱量，并且通過(guò)獲得循環(huán)的膨脹階段中的有效能，將能量轉(zhuǎn)換為有效能，其特征在于，在蒸汽工質(zhì)的單相區(qū)域中進(jìn)行循環(huán)，并且在壓縮階段期間為循環(huán)供應(yīng)液態(tài)的工質(zhì)。
基于從所供應(yīng)的熱量到熱力學(xué)動(dòng)力循環(huán)的有用功的再生有效能節(jié)省(即，節(jié)省能量載體的有效能)轉(zhuǎn)換，根據(jù)本發(fā)明及其實(shí)施例的方法對(duì)于熱機(jī)的蒸汽動(dòng)力循環(huán)中生成更為高效的有效能是有用的，該熱機(jī)利用蒸汽均勻工質(zhì)產(chǎn)生的交替地加熱和冷卻、在工質(zhì)未返回液態(tài)的情況下的原動(dòng)力。三種物理相對(duì)極(antipodes)-熵、有效能和能量之間在循環(huán)中的相互作用在根本上被改變，并且熱交換的結(jié)構(gòu)和在熱力學(xué)循環(huán)中熱量向功的轉(zhuǎn)換效率被顯著地提高，其在兩種熱源的溫度水平之間進(jìn)行(符合熱力學(xué)第一和第二定律的規(guī)定)，但是沒(méi)有熱量浪費(fèi)并且沒(méi)有另一個(gè)熱源的熱量(熵)衰減。這提高了循環(huán)的熱力學(xué)效率。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，正如此處具體說(shuō)明的或者廣泛描述的內(nèi)容，與本發(fā)明的原則相一致的方法和系統(tǒng)提供了根據(jù)權(quán)利要求13和14所述的蒸汽渦輪機(jī)。
本發(fā)明及其實(shí)施方式的其他目標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)將在說(shuō)明書中分部分地給出，或者可以在本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)中獲知。目標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)可以借助于尤其是從屬權(quán)利要求中指出的元件或者其組合實(shí)現(xiàn)和獲得。本發(fā)明的實(shí)施方式在具體實(shí)施方式
部分和所附的從屬權(quán)利要求中揭示。
應(yīng)當(dāng)理解上述總體描述和下述詳細(xì)描述都僅僅是示例性和解釋性的，并且其并不限制于本發(fā)明及其實(shí)施方式。


下述附圖被結(jié)合并且構(gòu)成說(shuō)明書的一部分，其闡釋了本發(fā)明實(shí)施方式的示例，并且與說(shuō)明書一起解釋本發(fā)明的原則。在附圖中圖1出于闡釋目的示出了熵圖，該圖解釋了通過(guò)從外部供應(yīng)的熱量的熱力學(xué)轉(zhuǎn)換至在標(biāo)準(zhǔn)類型的T-溫度(縱坐標(biāo))和S-有效能(橫坐標(biāo))的坐標(biāo)系中等溫膨脹過(guò)程并執(zhí)行蒸汽動(dòng)力有效能節(jié)省循環(huán)中外部有用功而生成有效能的方法的特性。
圖2示出為闡釋目的的示意圖，該圖解釋了將熱量轉(zhuǎn)換為在標(biāo)準(zhǔn)類型的P-壓力(縱坐標(biāo))和V-體積(橫坐標(biāo))的坐標(biāo)系中的蒸汽動(dòng)力有效能節(jié)省恒溫循環(huán)中的功的熱力學(xué)特性。
圖3示出為闡釋目的的示意圖，該圖解釋了將熱量轉(zhuǎn)換為在標(biāo)準(zhǔn)類型的i-焓值(縱坐標(biāo))和S-有效能(橫坐標(biāo))的坐標(biāo)系中蒸汽動(dòng)力有效能節(jié)省恒溫循環(huán)中的功的特性。
圖4示出為闡釋目的將等容狀態(tài)下的從外部供應(yīng)的熱量轉(zhuǎn)換為在標(biāo)準(zhǔn)類型的蒸汽動(dòng)力有效能節(jié)省恒溫循環(huán)中的功的熱力學(xué)多級(jí)熱量轉(zhuǎn)換方法的實(shí)施框圖。
圖5示出為闡釋目的的熵值圖，該圖解釋了通過(guò)從外部供應(yīng)的熱量轉(zhuǎn)換至標(biāo)準(zhǔn)類型的T-溫度(縱坐標(biāo))和S-有效能(橫坐標(biāo))的坐標(biāo)系中的等容-等壓膨脹過(guò)程并滿足蒸汽動(dòng)力有效能節(jié)省循環(huán)的絕熱過(guò)程而生成有效能的方法的特性。
圖6出于闡釋目的示出了通過(guò)在絕熱過(guò)程中多級(jí)膨脹的蒸汽均勻工質(zhì)例如水蒸氣進(jìn)行的在蒸汽動(dòng)力循環(huán)中的蒸汽動(dòng)力循環(huán)等容-等壓過(guò)程中供應(yīng)的熱量的多級(jí)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)有效能生成的方法的框圖，其中進(jìn)行從熱能向其他有用形式的機(jī)械能的轉(zhuǎn)換以及進(jìn)一步向電能的轉(zhuǎn)換。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在通過(guò)基于熱力學(xué)蒸汽循環(huán)過(guò)程解釋本發(fā)明而詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明的原理，在附圖中闡釋了熱力學(xué)蒸汽循環(huán)過(guò)程的示例。此處提及的示例旨在解釋本發(fā)明而非以任何方式限定本發(fā)明。
根據(jù)本發(fā)明及其實(shí)施方式，產(chǎn)生干飽和蒸汽工質(zhì)的初始通量(flux)，在不改變其聚集狀態(tài)的情況下，該通量在單相區(qū)域進(jìn)行蒸汽動(dòng)力循環(huán)。在蒸汽工質(zhì)壓縮階段，處于液態(tài)的工質(zhì)的某些部分會(huì)被額外地注入壓縮腔，并且該被注入的工質(zhì)會(huì)在壓縮腔中完全蒸發(fā)，而在壓縮下工質(zhì)的加熱被除熱。注入液態(tài)工質(zhì)的量每隔一段時(shí)間會(huì)優(yōu)選地調(diào)節(jié)，從而蒸汽工質(zhì)的壓縮過(guò)程沿著蒸汽邊界線進(jìn)行，即，沿著干飽和蒸汽的冷凝線，冷凝線的蒸汽干度(vapourquality)x＝1，其中x-蒸汽含量(vapour content)或者蒸汽干度，無(wú)因次量(dimensionless quantity)等于干飽和蒸汽的量和濕蒸汽的量的比，無(wú)因次量取值從x＝0(沸點(diǎn)線的沸騰液體)到x＝1(冷凝線的干飽和蒸汽)。在壓縮階段，工質(zhì)經(jīng)受加熱；在膨脹階段之前、在再生熱交換的階段中，其經(jīng)受過(guò)熱。工質(zhì)可在容器(detander)中膨脹以做有用功。在膨脹過(guò)程中，蒸汽工質(zhì)的壓力被降低到消耗的通量的低壓水平以將能量轉(zhuǎn)換為有用的形式。同時(shí)，進(jìn)行工質(zhì)的循環(huán)單向再生向最初狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，其不是在蒸汽動(dòng)力循環(huán)的相鄰部分而是在相對(duì)部分通過(guò)工質(zhì)的熱有效能進(jìn)行完全的再生交換。
因此，進(jìn)一步的優(yōu)選實(shí)施方式的特征在于供應(yīng)的液態(tài)工質(zhì)的量被調(diào)節(jié)成沿著飽和干蒸汽工質(zhì)的冷凝線進(jìn)行至少部分地壓縮。
進(jìn)一步的優(yōu)選實(shí)施方式的特征在于在膨脹(19)階段之前(21)，工質(zhì)受到過(guò)熱。
在進(jìn)一步的實(shí)施方式中，本發(fā)明包括等溫地進(jìn)行膨脹。
進(jìn)一步的優(yōu)選實(shí)施方式包括工質(zhì)受到多級(jí)等壓過(guò)熱，并且經(jīng)受多級(jí)絕熱膨脹。
另一實(shí)施方式的特征在于工質(zhì)受到多級(jí)等容過(guò)熱，并且受到多級(jí)絕熱膨脹。
進(jìn)一步的優(yōu)選實(shí)施例包括當(dāng)借助于熱力學(xué)T-S圖說(shuō)明時(shí)，循環(huán)包括下述步驟
從點(diǎn)2(T3，S4)到點(diǎn)3(T1，S3)等壓壓縮；沿著從點(diǎn)3到點(diǎn)4(T2，S1)的冷凝線壓縮；從點(diǎn)4到點(diǎn)1(T3，S2)等容過(guò)熱；從點(diǎn)1到點(diǎn)4的等溫或者多級(jí)膨脹；T和S分別是溫度和熵，其中T3＞T2＞T1，P3和P4位于臨界點(diǎn)(critical point)下的冷凝線，P1和P2位于單相區(qū)域。
在進(jìn)一步的優(yōu)選實(shí)施方式中，蒸汽工質(zhì)可以在容器中的膨脹階段等溫地膨脹。
在進(jìn)一步的優(yōu)選實(shí)施方式中，蒸汽工質(zhì)會(huì)受到容器中的膨脹階段的絕熱多級(jí)膨脹。
在進(jìn)一步的優(yōu)選實(shí)施方式中，蒸汽工質(zhì)會(huì)受到恒定容積下膨脹階段的多級(jí)過(guò)熱。
在進(jìn)一步的優(yōu)選實(shí)施方式中，在無(wú)外部熱源并且不做功的情況下，，采用單向轉(zhuǎn)換的熱有效能再生，并且不可逆地增加另一個(gè)熱源的溫度場(chǎng)的熵，可通過(guò)另一個(gè)熱源進(jìn)行在容器內(nèi)膨脹之后向蒸汽工質(zhì)初始狀態(tài)的循環(huán)轉(zhuǎn)化。在該過(guò)程的示例性實(shí)現(xiàn)方案中，工質(zhì)有效能的再生可以不是在蒸汽動(dòng)力循環(huán)的相鄰部分而是在相對(duì)部分上進(jìn)行，在系統(tǒng)內(nèi)組合熱交換期間，進(jìn)行蒸汽工質(zhì)的熱有效能的平衡在于通過(guò)其他絕熱的熱源的溫度場(chǎng)從工質(zhì)的邊界狀態(tài)變到初始通量的狀態(tài)。在工質(zhì)的熵連續(xù)循環(huán)的不可逆的變化過(guò)程中，可以進(jìn)行熵變化的補(bǔ)償。
在進(jìn)一步的優(yōu)選實(shí)施方式中，工質(zhì)被加熱到低于壓縮階段的臨界點(diǎn)的水平，并且在干飽和蒸汽的場(chǎng)中，等容地進(jìn)行在壓縮機(jī)中的工質(zhì)加熱，和在膨脹階段之前和膨脹階段中的工質(zhì)過(guò)熱。
在進(jìn)一步的優(yōu)選實(shí)施方式中，通過(guò)改變熱源的溫度場(chǎng)的熱能，進(jìn)行工質(zhì)熵的不可逆的連續(xù)循環(huán)變化?；谶@一目的，在熱源的溫度場(chǎng)中的溫度和恒定壓力下，工質(zhì)的體積不可逆地改變；并且不是在循環(huán)的相鄰部分而是在相對(duì)部分，隨著通過(guò)工質(zhì)的熱有效能的組合交換，進(jìn)行在單向轉(zhuǎn)化過(guò)程中的再生熱交換。
另外，動(dòng)力熱力學(xué)循環(huán)中，可以根據(jù)以下方程進(jìn)行不是在蒸汽動(dòng)力循環(huán)的相鄰部分而是在相對(duì)部分、從等壓過(guò)程到等容過(guò)程的工質(zhì)的熱有效能傳遞進(jìn)行蒸汽工質(zhì)的組合再生交換其中∏T(Δp＝0)-在等壓處理中溫度的下降幅度∏T(Δv＝0)-在等容處理中溫度的上升幅度k-比熱比。
進(jìn)一步的優(yōu)選實(shí)施方式包括在無(wú)外部熱源且不做功的情況下，通過(guò)熱源采用單向傳送的熱有效能的理想再生并且不可逆地提高熱源的溫度場(chǎng)中的熵，至少部分地進(jìn)行在容器中膨脹之后初始狀態(tài)的蒸汽工質(zhì)循環(huán)轉(zhuǎn)化。
在該實(shí)施例中，理想的工質(zhì)有效能再生可以優(yōu)選地不在蒸汽動(dòng)力循環(huán)的相鄰部分而在相對(duì)部分上實(shí)現(xiàn)。在蒸汽動(dòng)力循環(huán)中的組合熱交換期間，執(zhí)行蒸汽工質(zhì)熱有效能的平衡在于通過(guò)其他的溫度場(chǎng)、絕熱熱源將工質(zhì)從邊界狀態(tài)變成初始通量狀態(tài)；并且在工質(zhì)熵的連續(xù)循環(huán)變化的不可逆過(guò)程中，進(jìn)行熵變化的補(bǔ)償。
通過(guò)基于熱力學(xué)蒸汽循環(huán)過(guò)程的解釋，現(xiàn)在詳細(xì)參考本發(fā)明的基本原理及其實(shí)施方式，其示例在附圖中加以闡釋。此處提及的示例僅僅用于解釋的目的并且不以任何方式限定本發(fā)明。
在圖1、2、3的圖表和圖4的框圖中，示出等容膨脹的通常類型的蒸汽動(dòng)力有效能節(jié)省循環(huán)的方法的可替代的實(shí)現(xiàn)方案。在圖1、2、3所示的圖表中，示出相同的直接動(dòng)力有效能節(jié)省循環(huán)，但是其處于不同的坐標(biāo)系統(tǒng)中，圖1中，TS-圖表處于T-溫度(縱坐標(biāo))和S-熵(橫坐標(biāo))的坐標(biāo)系下，圖2中，PV-圖表處于P-壓力(縱坐標(biāo))和V-體積(橫坐標(biāo))的坐標(biāo)系下，iS-圖表處于S-熵(縱坐標(biāo))和I-焓(橫坐標(biāo))的坐標(biāo)系下，其中下述部分被定義為4，1-等容過(guò)程階段(具有恒定容積ΔV＝0)，其采用從等壓階段2、3提供的有效能QRG運(yùn)行，執(zhí)行有效能平衡e2，3＝e4，1；2，3-在溫度范圍T3、T1內(nèi)等壓過(guò)程部分(具有恒定壓力ΔP＝0)，其取出熱有效能QRG提供到等容過(guò)程4，1中；3，4-在溫度范圍T2-T1內(nèi)蒸汽邊界壓縮過(guò)程部分，該部分通過(guò)吸收過(guò)熱熱量Q1p運(yùn)行、采用液體分段注入(具有恒定的蒸汽干度，等式x＝1)；
1，2-容器18中的等溫(具有恒定的蒸汽溫度T3)氣相膨脹部分，供應(yīng)外部熱量Q1p.
圖5所示的圖表和圖6所示的框圖闡釋了方法的實(shí)現(xiàn)方式，該方法將標(biāo)準(zhǔn)類型的蒸汽動(dòng)力有效能節(jié)省循環(huán)與等容多級(jí)加熱和絕熱多級(jí)膨脹組合，其具有其他的定義部分1，5-在加熱器16中的等容蒸汽加熱部分(處于恒定值的狀態(tài)，ΔV＝0)，有熱量供應(yīng)。
5，6；7，8；9，10；11，12；13，14；15，2-為在容器1的各階段中的多級(jí)附加絕熱(具有恒定熵值，ΔS＝0)蒸汽膨脹的部分。
6，7；8，9；10，11；12，13；14，15-在容器18中的蒸汽膨脹各階段之間的蒸汽過(guò)熱器17中，多級(jí)附加等壓(具有恒定壓力，ΔP＝0)蒸汽過(guò)熱部分。
可以以如下方式實(shí)現(xiàn)所提供的在蒸汽動(dòng)力有效能循環(huán)中生成有效能的方法，其在均勻蒸汽的膨脹中具有等溫?zé)崃抗?yīng)形成干飽和的蒸汽均勻工質(zhì)的初始通量，其在單相區(qū)域進(jìn)行蒸汽動(dòng)力循環(huán)，其聚合狀態(tài)不變。在圖1、2、3的圖表中給出等溫?zé)峁?yīng)和膨脹的在圖4所示的加熱器動(dòng)力有效能節(jié)省循環(huán)中的方法的實(shí)現(xiàn)方案。該方法包括壓縮機(jī)19(部分3、4)中的蒸汽壓縮階段，借助于單元20的裝置將一定量的水同時(shí)注入壓縮機(jī)、再生器21(部分4、1)中的蒸汽的組合再生加熱、向外供應(yīng)熱量Qp的容器18中的蒸汽等溫膨脹。
在部分3、4，進(jìn)行用壓縮機(jī)19實(shí)現(xiàn)的蒸汽工質(zhì)壓縮和低于其臨界點(diǎn)水平的工質(zhì)加熱。為了提供蒸汽邊界線-干飽和蒸汽的冷凝線(對(duì)該線而言蒸汽干度x＝1)，處于液態(tài)的工質(zhì)的某些部分被單元20額外地注入到壓縮機(jī)19的壓縮腔中，其在壓縮機(jī)19的壓縮腔中蒸發(fā)而除去過(guò)熱熱量，每隔一段時(shí)間調(diào)節(jié)注入的液態(tài)工質(zhì)的量，并且沿著蒸汽邊界線-干飽和蒸汽的冷凝線(蒸汽干度r-1)進(jìn)行蒸汽工質(zhì)的壓縮過(guò)程。在壓縮階段，蒸汽經(jīng)受加熱并且蒸汽溫度從數(shù)值T1提升到數(shù)值T2，其低于臨界點(diǎn)k的水平。
在再生器21(部分4、1)的再生熱交換階段中，在膨脹階段之前蒸汽經(jīng)受單向再生過(guò)熱，為了進(jìn)行該操作，用部分2、3的熱量完成有效能平衡。
在膨脹階段(部分1、2)中，在容器18中蒸汽工質(zhì)恒溫膨脹，并且蒸汽的機(jī)械有效能做有用功Lp。在膨脹過(guò)程中蒸汽工質(zhì)的壓力被降低到消耗的通量的低壓水平(圖2中的點(diǎn)2)，以將能量轉(zhuǎn)換為有用的形式。
在再生交換的階段中，通過(guò)另一個(gè)熱源21采用單向轉(zhuǎn)化的熱有效能的理想再生進(jìn)行處于初始狀態(tài)的(在容器18中膨脹之后)蒸汽工質(zhì)的循環(huán)轉(zhuǎn)化。因此，其在蒸汽動(dòng)力循環(huán)內(nèi)的組合熱量交換中，采用完全的蒸汽工質(zhì)的有效能平衡e2，3＝e4，1，進(jìn)行在蒸汽動(dòng)力循環(huán)(3，2和4，1)的相鄰部分之外的單向轉(zhuǎn)化的熱有效能的理想再生。在無(wú)外部熱量供應(yīng)并且不做功的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)另一個(gè)熱源21的溫度場(chǎng)不可逆的熵增長(zhǎng)的補(bǔ)償。在絕熱熱源21的溫度場(chǎng)之上從工質(zhì)的邊界狀態(tài)向初始通量狀態(tài)的轉(zhuǎn)化中，在工質(zhì)的熵連續(xù)循環(huán)變化的不可逆過(guò)程中進(jìn)行熵變化的補(bǔ)償。
在處于初始狀態(tài)的工質(zhì)的循環(huán)單向再生轉(zhuǎn)化過(guò)程中，獲得從等壓(ΔP＝0)過(guò)程2、3到等容(ΔV ＝ 0)過(guò)程4、1容器18之后的蒸汽熱有效能，于是，采用有效能平衡e2，3＝e4，1，在部分2、3和4、1之間，在蒸汽動(dòng)力循環(huán)的相鄰部分之外，進(jìn)行工質(zhì)的熱有效能完全交換。
熱力學(xué)有效能通過(guò)下述等式計(jì)算e＝Δi-ΔST1其中Δi、ΔiS-焓值和熵值的變化，其分別等于Δi＝CpΔT；ΔS＝Cvln(T3/T2)-當(dāng)在等容過(guò)程中ΔV＝0；Δi＝CPΔT；ΔS＝CPln(T3/T1)-當(dāng)在等壓過(guò)程中ΔP＝0；Δi＝0；ΔS＝Rln(P3/P1)＝Rln(V3/V1)＝RlnΠP＝RlnΠV-當(dāng)在等溫過(guò)程中ΔT＝0；Δi＝CPΔT；ΔS＝0-在等熵過(guò)程中；Δi＝0；ΔS＝R(ΔV/V)＝mR-當(dāng)ΔP＝0，ΔT＝0時(shí)；T3、T1-分別是高溫和低溫下的源溫度；R＝CP-CV-氣體常量；K＝CP/CV-比熱比；Cv、CP-當(dāng)V＝常量或者P＝常量時(shí)的氣體熱容量；U-1kg工質(zhì)的內(nèi)部能量。
當(dāng)在圖1中的循環(huán)1、2、3、4中的相對(duì)的部分2、3和4、1發(fā)生再生時(shí)，有效能平衡等式e2，3＝e4，1，關(guān)于等式可以寫成
(i3-i1)-T1(S3-S1)＝(i3-i2)-T2(S2-S1)。
并且，其在置換之后CP(T3-T1)-T1CPln(T3/T1)＝CP(T3-T2)-T2CVln(T3/T2)并且變換，給出T1(1+ln(T3/T1))＝T2(1+1/k*ln(T3/T2))或者，1+lnΠT(ΔP＝0)＝ΠT(ΔS＝0)(1+1/k*lnΠT(ΔV＝0))因此，根據(jù)下述等式，在蒸汽動(dòng)力循環(huán)內(nèi)，通過(guò)從等壓過(guò)程至相鄰部分之外的等容過(guò)程的工質(zhì)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)在動(dòng)力熱力學(xué)循環(huán)內(nèi)的組合再生的單向的蒸汽工質(zhì)的熱交換，1+lnΠT(ΔP＝0)＝ΠT(ΔS＝0)(1+1/k*lnΠT(Δv＝0))其中ΠT(ΔP＝0)-在等壓過(guò)程2、3中溫度降低的幅度ΠT(Δv＝0)-在等容過(guò)程1、4中溫度升高的幅度k-比熱比。
工質(zhì)的熵的不可逆的連續(xù)循環(huán)變化是通過(guò)改變另一個(gè)源21的溫度場(chǎng)中的熱能而實(shí)現(xiàn)的，為了該目的，在另一個(gè)源21的溫度場(chǎng)的溫度和恒定壓力下不可逆地改變工質(zhì)的容積，并且隨著在蒸汽動(dòng)力循環(huán)的相鄰部分之外工質(zhì)的組合有效能交換，進(jìn)行單向轉(zhuǎn)化過(guò)程中的再生熱交換。
根據(jù)圖5的TS-圖中給出的圖6的閉合加熱器的動(dòng)力有效能節(jié)省循環(huán)中的方法的實(shí)現(xiàn)方案，執(zhí)行所提出的在蒸汽動(dòng)力熱力學(xué)循環(huán)中生成有效能的方法，該循環(huán)采用等容加熱和多級(jí)等壓過(guò)熱和絕熱膨脹。其包括再生等壓-等容熱交換的部分2、3和4、1，用于由壓縮機(jī)19實(shí)現(xiàn)的蒸汽工質(zhì)的壓縮和工質(zhì)的低于臨界點(diǎn)的等容加熱的部分4、3。為了沿著蒸汽邊界線-干飽和蒸汽的冷凝線(該線上蒸汽干度x＝1)進(jìn)行壓縮，處于液態(tài)的一部分工質(zhì)由單元20額外地注入到壓縮機(jī)19的壓縮腔，其優(yōu)選地在壓縮機(jī)19的壓縮腔中完全蒸發(fā)而除去過(guò)熱熱量。每隔一段時(shí)間，調(diào)節(jié)注入的液態(tài)工質(zhì)的量，并且沿著蒸汽邊界線-干飽和蒸汽的壓縮線(在該線上蒸汽干度x＝1)提供蒸汽工質(zhì)的壓縮過(guò)程。在壓縮階段蒸汽經(jīng)受加熱，其中的蒸汽溫度從數(shù)值T1上升到數(shù)值T2，低于臨界點(diǎn)k的水平。
在再生器21(部分4、1)中再生熱交換的階段，蒸汽在膨脹階段之前經(jīng)受從溫度T2到溫度T3的加熱，因此，使用部分2、3的熱量。在再生熱交換的階段，在無(wú)熱交換和不做功的情況下，優(yōu)選地采用單向轉(zhuǎn)化的蒸汽有效能理想的再生，并且另一個(gè)熱源的溫度場(chǎng)的熵不可逆的增長(zhǎng)，通過(guò)另一個(gè)熱源22進(jìn)行蒸汽工質(zhì)到初始狀態(tài)的循環(huán)轉(zhuǎn)化(在容器18膨脹到點(diǎn)2之后)。出于該目的，通過(guò)另一個(gè)絕熱熱源的溫度場(chǎng)，在從工質(zhì)的邊界狀態(tài)轉(zhuǎn)化為初始通量狀態(tài)的轉(zhuǎn)化處，蒸汽動(dòng)力循環(huán)內(nèi)的組合熱交換期間，進(jìn)行蒸汽工質(zhì)的有效能平衡，工質(zhì)有效能的理想的再生不在能量循環(huán)的相鄰部分2、3和4、1上完成，而在相對(duì)部分完成。在不可逆的工質(zhì)連續(xù)循環(huán)變化過(guò)程中進(jìn)行熵變化的補(bǔ)償。
圖5的圖表和上述圖1的圖表之間的差異在于在部分4、1中的再生等容加熱之后，在容器18的各階段的絕熱膨脹階段之前，在部分1、5的過(guò)熱器16中的恒定的體積下，蒸汽工質(zhì)經(jīng)受從溫度T3到溫度T4的等容過(guò)熱；以及，其經(jīng)受從溫度T2到溫度T4的多級(jí)絕熱加熱，在過(guò)熱器17中有恒定的壓力，過(guò)熱器17被置于部分8、7；8、9；10、11；12、13；14、15中的容器18的各階段之間，并且在容器18的膨脹階段其經(jīng)受部分5、6；7、8；9、10；11、12；13、14；15、2的多級(jí)絕熱膨脹。在干飽和蒸汽場(chǎng)中進(jìn)行等容過(guò)熱、多級(jí)等壓過(guò)熱和在膨脹階段的絕熱膨脹。
可將外部熱量Q1p從明火加熱源提供到過(guò)熱器16、17。由于與過(guò)熱器多孔-金屬的或者陶瓷材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，碳?xì)浠衔餁怏w的催化放熱交換體氧化(catalytic exothermic permutoidal oxidation)導(dǎo)致熱量的生成。熱量也可以由核熱源或者諸如太陽(yáng)、地球、海洋的自然熱源生成，或者由可再生的能量源生成。
在膨脹階段中，蒸汽工質(zhì)在容器18的各階段膨脹，最大程度地接近在平均溫度Tcp下的等溫膨脹，其中機(jī)械有效能做有用功。在膨脹過(guò)程中，蒸汽工質(zhì)的壓力被降至所消耗的通量(圖5中的點(diǎn)2)的低壓P1水平以將能量轉(zhuǎn)換為有用的形式。
重要的是，在高熵值的場(chǎng)中采用注入液體和容器工作、沿著冷凝線的蒸汽壓縮需要特別的3D(三維)的能夠提供類似的工作模式的壓縮機(jī)和容器。因?yàn)楫?dāng)根據(jù)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)生成有效能的等溫或者絕熱的替代性方法時(shí)，循環(huán)的熱損耗降低，本發(fā)明具有提高蒸汽動(dòng)力循環(huán)的熱能和有效能效率的優(yōu)勢(shì)。
因?yàn)楸景l(fā)明可以通過(guò)使用公知的生產(chǎn)裝置和現(xiàn)有的技術(shù)而實(shí)現(xiàn)，本發(fā)明符合“工業(yè)實(shí)用性”的保護(hù)條件。
對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，在考慮到此處揭示的本發(fā)明的說(shuō)明書和實(shí)踐情況的基礎(chǔ)上，本發(fā)明的改變和變化是顯而易見(jiàn)的。本發(fā)明的實(shí)施例的上述描述處于闡釋和揭示的目的加以提出。其非排他性的，并非將本發(fā)明限制為揭示的精確形式。在上述教導(dǎo)的指引下改變和變化是可能的，或者改變和變化可以從本發(fā)明的實(shí)踐中獲得。意在使說(shuō)明書和例子僅僅被認(rèn)為是示例，本發(fā)明的真正的保護(hù)范圍和精神由下述權(quán)利要求表示。
權(quán)利要求
1.一種將能量轉(zhuǎn)換為有效能的方法，該方法通過(guò)向經(jīng)受膨脹(18)和壓縮(19)循環(huán)的蒸汽工質(zhì)供應(yīng)熱量和通過(guò)在該循環(huán)的該膨脹階段中獲得該有效能而實(shí)現(xiàn)，其特征在于該循環(huán)在該蒸汽工質(zhì)的單相區(qū)域中進(jìn)行并且在該壓縮階段(19)期間處于液態(tài)的工質(zhì)被供應(yīng)(20)給該循環(huán)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中供應(yīng)的液態(tài)工質(zhì)的量被調(diào)節(jié)成使得沿著飽和干蒸汽工質(zhì)的冷凝線至少部分地進(jìn)行壓縮。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中在膨脹(19)的階段之前(21)，該工質(zhì)受到過(guò)熱。
4.如權(quán)利要求1至3之一所述的方法，其中等溫地進(jìn)行該膨脹。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中該工質(zhì)經(jīng)受多級(jí)等壓過(guò)熱，和經(jīng)受多級(jí)絕熱膨脹。
6.如權(quán)利要求4所述的方法，其中該工質(zhì)經(jīng)受多級(jí)等容過(guò)熱，和經(jīng)受多級(jí)絕熱膨脹。
7.如權(quán)利要求4至6之一所述的方法，其中當(dāng)借助于熱力學(xué)T-S圖描述時(shí)，該循環(huán)包括下述步驟從點(diǎn)2(T3，S4)到點(diǎn)3(T1，S3)等壓壓縮；沿著從點(diǎn)3到點(diǎn)4(T2，S1)的冷凝線壓縮；從點(diǎn)4到點(diǎn)1(T3，S2)等容過(guò)熱；從點(diǎn)1到點(diǎn)4的等溫或者多級(jí)膨脹；T和S分別是溫度和熵，其中T3＞T2＞T1，P3和P4是冷凝線上低于臨界點(diǎn)的點(diǎn)，P1和P2位于單相區(qū)域。
8.如權(quán)利要求1至7之一所述的方法，其中在無(wú)外部熱源并且不做功的情況下，通過(guò)熱源(21)，采用單向轉(zhuǎn)化的熱能有效能的理想再生并且不可逆轉(zhuǎn)地增加在熱源(21)的溫度場(chǎng)中的熵，至少部分地進(jìn)行在容器(18)中膨脹之后初始狀態(tài)的蒸汽工質(zhì)的循環(huán)轉(zhuǎn)化。
9.如權(quán)利要求1至8之一所述的方法，其中該工質(zhì)被加熱到低于壓縮階段(19)的臨界點(diǎn)的水平，并且其中在干飽和蒸汽的場(chǎng)中進(jìn)行該工質(zhì)的加熱、在膨脹階段之前的該工質(zhì)的等容過(guò)熱(16)和在膨脹階段中的該工質(zhì)的多級(jí)等壓過(guò)熱(17)。
10.如權(quán)利要求1至9之一所述的方法，其中通過(guò)改變另一個(gè)源(21)的溫度場(chǎng)的熱能有效能進(jìn)行該工質(zhì)的熵的不可逆的連續(xù)循環(huán)的變化。
11.如權(quán)利要求1至10之一所述的方法，其中在另一個(gè)熱源(22)的溫度場(chǎng)的溫度和恒定的壓力下，該工質(zhì)的體積不可逆地改變，并且其中在蒸汽動(dòng)力循環(huán)的非相鄰部分(21)，隨著該工質(zhì)的熱有效能的組合交換，進(jìn)行在單向轉(zhuǎn)化過(guò)程中的再生熱交換(QRG)。
12.如權(quán)利要求1至11之一所述的方法，其中根據(jù)以下等式，不是在蒸汽熱能循環(huán)的相鄰部分而是在相對(duì)部分，通過(guò)從等壓過(guò)程到等容過(guò)程該工質(zhì)的熱有效能轉(zhuǎn)換進(jìn)行在動(dòng)力熱力學(xué)循環(huán)內(nèi)的該蒸汽工質(zhì)的組合再生熱交換其中∏T(Δp＝0)-在等壓處理中溫度的下降幅度；1+In∏T(ΔP＝0)＝∏T(ΔS＝0)(1+(1/k)*In∏T(ΔV＝0))∏T(Δv＝0)-在等容處理中溫度的上升幅度；k-比熱比。
13.用于執(zhí)行權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)所述的方法的蒸汽渦輪機(jī)，包括壓縮階段(19)和膨脹階段(18)，其特征在于該壓縮階段(18)包括注入裝置(20)，其用于向該循環(huán)供應(yīng)液態(tài)工質(zhì)，且該膨脹階段(19)包括加熱裝置，其用于在至少部分膨脹階段維持恒定的溫度。
14.用于執(zhí)行權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)所述的方法的蒸汽渦輪機(jī)，包括壓縮階段(19)和膨脹階段，其特征在于該壓縮階段包括注入裝置(20)，其用于向該循環(huán)供應(yīng)液態(tài)工質(zhì)，且該膨脹階段(18)包括多級(jí)膨脹階段，每一階段包括絕緣裝置和加熱裝置(17)，該絕緣裝置用于實(shí)現(xiàn)該工質(zhì)的絕熱膨脹，該加熱部件用于過(guò)熱該工質(zhì)。
全文摘要
本發(fā)明涉及將能量轉(zhuǎn)換為有效能的方法，其通過(guò)向經(jīng)受膨脹和壓縮循環(huán)的蒸汽工質(zhì)供應(yīng)熱量和通過(guò)在循環(huán)的膨脹階段中獲得有效能而實(shí)現(xiàn)。該循環(huán)在蒸汽工質(zhì)的單相區(qū)域進(jìn)行，并且在壓縮階段期間，為循環(huán)提供處于液態(tài)的工質(zhì)。
文檔編號(hào)F01K7/00GK101027460SQ200480044098
公開日2007年8月29日 申請(qǐng)日期2004年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月29日
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