專利名稱：多組分兩相功率循環(huán)的制作方法
多組分兩相功率循環(huán)
背景技術：
本發(fā)明總體上涉及從熱源進行發(fā)電，并且本發(fā)明更具體地涉及從具有相對中至低溫度的熱源(其特征在于熱源溫度隨著傳熱而降低(“顯熱源”))進行發(fā)電。存在大量的中溫至低溫熱源，使用標準慣例從這些熱源進行發(fā)電是困難的、效率低的或者不可行的。將顯熱源和熱沉有效結合以發(fā)電或產生機械功率的熱力學循環(huán)對獲取該巨大能源而言是必不可少的。將熱轉化成功率的熱力學循環(huán)已經(jīng)存在了數(shù)百年。早期的蒸氣機中用到了蘭金循環(huán)(Rankin cycle)，并且該蘭金循環(huán)仍然是發(fā)電的最常見手段。蘭金循環(huán)包括:加壓工作流體或液體；將工作流體或液體加熱直至已經(jīng)沸騰或全是蒸氣；通過渦輪機使高壓蒸氣膨脹到較低壓力；并通過使低壓蒸氣冷凝而完成循環(huán)。蘭金循環(huán)最初用到水/蒸氣，但是該循環(huán)不限于該工作流體。工作流體的選擇取決于循環(huán)的操作溫度。蘭金循環(huán)已經(jīng)使用其它工作流體來從較低溫度的熱源發(fā)電。當從熱源吸熱時，蘭金循環(huán)具有固有的限制。工作流體經(jīng)受恒溫沸騰，而熱源最經(jīng)常是顯熱源，即，當熱源釋放能量時溫度穩(wěn)定地降低。這使得蘭金循環(huán)不能利用來自熱源的所有有效的熱，這種狀況在利用低溫熱源時被放大。已經(jīng)設計出這樣的功率循環(huán)，S卩，該功率循環(huán)利用組分的混合物來產生可變溫度蒸發(fā)，使得能夠用更多的熱能來轉化。一種示例是使用氨和水的二組分蒸氣膨脹器(“TCVE”)循環(huán)?？勺儨囟日舭l(fā)得以實現(xiàn)，產生出例如富含氨的蒸氣和富含水的液體的混合物。雖然使得更多的熱能可以被用于轉化，但TCVE循環(huán)和其它循環(huán)卻具有顯著的復雜性并且成本高，這僅是因為其需要給蒸氣膨脹器有效地提供100%的蒸氣。為了完全利用具有相對中至低溫度的熱源來發(fā)電，需要開發(fā)這樣的熱力學循環(huán)，即，該熱力學循環(huán)將不但有效地發(fā)電，而且將消除其它循環(huán)所經(jīng)歷的固有限制和復雜性。在本發(fā)明中，通過在新的循環(huán)中將氣液(兩相)膨脹器與多組分工作流體一起使用而出乎意料地實現(xiàn)該結果。

發(fā)明內容
本發(fā)明的主要目的在于提供能夠解決上文描述的問題和需求的方案。本發(fā)明的主要目的在于提供從顯熱源和熱沉來有效發(fā)電的熱力學循環(huán)。本發(fā)明的另一個目的是提供一種允許以低成本從顯熱源發(fā)電的熱力學循環(huán)。本發(fā)明的另一個目的是提供一種利用有效膨脹器從多組分兩相工作流體的變化廣泛的熱力學狀況進行發(fā)電的熱力學循環(huán)。本發(fā)明的又一個目的是提供一種允許使用緊湊的換熱器的熱力學循環(huán)。本發(fā)明的額外的目的是提供一種允許使用安全的、常見的和環(huán)保的工作流體的熱力學循環(huán)。本發(fā)明的又一個目的是提供一種允許使用價格低廉的發(fā)電設備的熱力學循環(huán)。本發(fā)明的額外的目的是提供一種允許使用標準設備的熱力學循環(huán)。
在本發(fā)明中通過使用這樣的熱力學循環(huán)而滿足這些目的，即，所述熱力學循環(huán)采用具有可變溫度沸點的多組分的混合物，并且也使用兩相膨脹器，由此消除在其它的多組分的熱力學循環(huán)中對使用蒸氣膨脹器所施加的復雜要求。在循環(huán)中使用兩相膨脹器使得能夠從離開換熱器的高壓兩相流直接發(fā)電。結果，完全地免掉了需要用于相分離、流動分隔、熱復原和流再混合的設備。另外，相對于其它的多組分循環(huán)，提高了能量轉化的效率，并減少了控制要求。


本發(fā)明的這些和其它目的和優(yōu)點以及示意性實施例的具體內容將從以下描述本發(fā)明對象的說明書和附圖得以更詳細地理解，其中:圖1是示出了潛熱溫度曲線對比顯熱溫度曲線的圖表；圖2示出了蘭金循環(huán)和多組分兩相循環(huán)的溫焓圖表；圖3是氨-水蒸氣膨脹器循環(huán)的流程圖；圖4是多組分兩相循環(huán)的流程圖；圖5是具有再生式多組分兩相循環(huán)的流程圖；圖6是示出了在再生式多組分兩相循環(huán)的主換熱器中的溫度曲線的圖表；圖7是通過可變相渦輪機所得的剖視圖；圖8是通過本發(fā)明中用到的雙壓力歐拉(Euler)渦輪機所得的剖視圖；和圖9是對于再生式換熱器中的渦輪機殼體側和管道側的熱流對比溫度的圖表。
具體實施例方式圖1中示出了潛熱源和顯熱源的代表性溫度曲線。顯熱是導致相應溫度變化的能量增加或減少。顯熱源的示例是熱水。當從水提取熱時，水溫與熱損失成比例地降低。潛熱變化是與物質的狀態(tài)變化相關聯(lián)的能量變化，但并沒有導致相應溫度變化。潛熱源的示例是沸水。當熱被添加到沸水壺中時，液態(tài)水變成水蒸氣，而壺中的水溫保持恒定。多組分循環(huán)利用具有多于一種化學組分的工作流體來從熱源吸熱，將該熱能的一部分轉化成電能，并將剩余的熱排放到熱沉中。蘭金循環(huán)將大部分的熱以潛熱形式吸收到工作流體中，而與蘭金循環(huán)不同，多組分工作流體被提供用來在存在可變溫度沸騰的情況下把熱吸收到工作流體中。由于多組分工作流體加熱方式是可變溫度沸騰，蒸發(fā)流體可以更加有效地匹配顯熱源的溫度曲線。圖2中示出了使用顯熱源的多組分循環(huán)和蘭金循環(huán)的代表性溫焓繪圖?？梢?，比起蘭金循環(huán)來，多組分循環(huán)能夠使熱源排放溫度降得更低，從而增加被傳遞到工作流體中的能量。用到的二組分蒸氣循環(huán)是帶有蒸氣膨脹器(“AWVE”)的氨-水循環(huán)。AWVE循環(huán)具有上文描述到的某些熱力學優(yōu)點。然而，使用蒸氣膨脹器的局限性使得熱力學循環(huán)大大復雜化，導致需要昂貴設備和循環(huán)效率降級。例如，圖3和表I示出了用于從低溫熱水發(fā)電的AffVE循環(huán)的復雜性。熱水13進入換熱器15，把熱傳給氨-水混合物11。被冷卻的水在14處離開換熱器。氨-水混合物在16處由泵16a供應。加壓的氨-水混合物10被分開成或被分離成兩股流11和12。流11在換熱器15中被加熱，使得當從熱水傳遞熱時，氨和水在穩(wěn)定升高的溫度下蒸發(fā)。圖2示出了從熱水傳遞熱到氨-水混合物中時的可變溫度沸騰。對于該示例，在I處離開換熱器的氨-水混合物具有0.666的蒸氣質量。流12在再生式換熱器17中被分離的熱液體16加熱。需要該步驟來從分離器18回收在分離的液體中的熱，所述分離器需要給蒸氣渦輪機19提供無液體的蒸氣。離開再生式換熱器17的被加熱的流2具有0.648的蒸氣質量。流I和流2在3處混合，并流至分離器18。必須設置分離器，因為渦輪機19是要求用純蒸氣來操作的蒸氣渦輪機。分離的蒸氣4進入渦輪機，并膨脹至離開壓力5。該膨脹給渦輪機增添動力并使軸20轉動，所述軸能夠驅動諸如發(fā)電機之類的負載21。蒸氣流4富含氨。例如大約為76%的原始氨部分已經(jīng)被濃縮到96.8%。較高的氨濃度將會使冷凝器22中產生出高的蒸氣壓力，這讓蒸氣渦輪機產生的動力變少。分離的液體6富含水，具有的水濃度約為59.3%。因此，在再生器中把熱傳遞給流12之后的分離的液體7必須在進入冷凝器22之前在混合器25中與來自蒸氣渦輪機的蒸氣流8混合?；旌系牧?和流8進入冷凝器22。被供給冷凝器的冷卻流23在24處除掉冷凝熱，產生出具有76%的氨的原始組成的液體10a。表I總結了這種循環(huán)的示例的復雜流體狀況。氨部分和流的分開與再混合必須被仔細地控制以實現(xiàn)所示性能。表I用于氨-水蒸氣膨脹器循環(huán)示例的狀態(tài)點
權利要求
1.一種多組分設備，其特征在于，所述多組分設備執(zhí)行兩相熱力學循環(huán)以將熱能轉化成有效功率，所述多組分設備包括: a)流體結構，該流體結構由兩種或更多種化學組分構成以吸收熱能， b)所述流體結構隨著被吸收的熱量增加而使溫度升高和使氣相部分增加， c)膨脹器結構，該膨脹器結構操作用于將因所述流體結構吸收的所述熱能而在所述流體結構中形成的被接收的氣液混合物中的焓轉化成機械的軸功率， d)換熱器結構，該換熱器結構操作用于傳遞要被所述流體結構吸收的所述熱能， e)冷凝器結構，該冷凝器結構操作用于排除在所述流體結構中的未由所述膨脹器結構轉化的焓，從而將任何氣體冷凝以將所述流體結構轉化成液體，和 f)泵結構，該泵結構操作用于對離開所述冷凝器結構的液態(tài)的所述流體結構加壓，從而使所述流體結構返回至所述換熱器結構，從而結束所述熱力學循環(huán)。
2.根據(jù)權利要求1所述的多組分設備，其中，該設備具有:閥、管路、儀器、控制器、支撐構造、以及其它裝置，所述其它裝置用于控制和實現(xiàn)所述流體結構往來于根據(jù)權利要求1的所述多組分設備的元件的運動。
3.根據(jù)權利要求1所述的組合件，其中，該組合件包括發(fā)電機，并且其中，所述膨脹器結構驅動所述發(fā)電機來產生電功率。
4.根據(jù)權利要求1所述的組合件，其中，所述膨脹器結構是可變相渦輪機，包括: a)噴嘴結構，該噴嘴結構最大化從氣液混合物、超臨界流體或者液體的介質的焓轉化到純氣體、超臨界流體或者氣液混合物的被引導流中的動能的轉化，所述被引導流的組成由流體的化學組成和熱力學狀況確定，所述噴嘴結構引導在運動的葉片結構處的流動， b)所述運動的葉片結構，該運動的葉片結構被設置成最大化從所述被引導流的動能轉化到力矩的轉化，并作用在所述葉片上， c)轉子結構，所述葉片被附裝至所述轉子結構，該轉子結構將所述力矩傳遞給附裝有負載和所述轉子的軸， d)殼體結構，所述殼體結構限制和引導流體，并且所述殼體結構結合有軸承和密封件以使所述軸能夠將所述力矩傳遞給負載， e)護罩結構，所述護罩結構能夠操作以防止已將動能傳遞給所述葉片的液體與所述殼體接觸，并防止該液體被重新引導以與運動的所述葉片接觸而導致力矩損失。
5.根據(jù)權利要求1所述的設備，其中，所述膨脹器結構是徑向流出式渦輪機結構，包括: a)靜止不動的第一噴嘴結構，其中，所述流體結構的氣液混合物沿著徑向向外的方向膨脹，使所述流體結構加速，并朝一轉子構造引導所述流體結構， b)所述轉子構造，該轉子構造具有由輪葉構成的第二噴嘴構造，所述輪葉接收來自所述第一噴嘴結構的被加速的所述流體結構的撞擊，并且所述輪葉還使所述流體結構沿著徑向向外的切線方向膨脹，給所述轉子構造添加功率， c)殼體結構，離開所述第二噴嘴構造的所述流體結構被排放到所述殼體結構中，以便被有效地從所述膨脹器構造去除， d)軸結構，該軸結構被附裝至由軸承結構支撐的所述轉子構造，所述軸結構將所述流體結構膨脹而產生的功率傳遞給有效的負載結構，諸如發(fā)電機。
6.根據(jù)權利要求1所述的多組分設備，其中，該多組分設備包括第二換熱器結構，該第二換熱器結構用于將來自離開所述膨脹器的所述流體結構的熱傳遞給離開所述泵結構的所述流體結構，從而減少根據(jù)權利要求1的所述換熱器結構所需要的熱。
7.根據(jù)權利要求1所述的多組分設備，其中，所述膨脹器結構是容積式膨脹器。
8.根據(jù)權利要求1所述的多組分設備，其中，所述流體結構的組分是氨和水。
9.根據(jù)權利要求1所述的多組分設備，其中，所述流體結構的組分是離子鹽和水。
10.根據(jù)權利要求1所述的多組分設備，其中，所述流體結構的組分是制冷劑混合物。
11.根據(jù)權利要求1所述的多組分設備，其中，所述流體結構的組分是烴類混合物。
12.—種氨水混合物熱力學循環(huán)設備，該設備包括: a)泵，該泵使所述氨水混合物流至換熱器， b)所述換熱器，該換熱器操作用于產生富含氨的蒸氣和富含水的液體， c)兩相膨脹器，該兩相膨脹器接收所述混合物并且將所述混合物供給到噴嘴以產生高速射流， d)渦輪機，該渦輪機接收所述射流以驅動所述渦輪機，從而驅動負載， e)兩相流，該兩相流以降低的溫度和壓力從所述渦輪機排放， f )冷凝器，該冷凝器冷凝所述渦輪機的排放物，該排放物由此被冷凝成液態(tài)，同時熱在液體或空氣的側流中被移除， g)返回到所述泵的被冷凝的液體流。
13.根據(jù)權利要求12所述的氨水混合物熱力學循環(huán)設備，其中，所述兩相膨脹器是軸向沖擊式渦輪機。
14.根據(jù)權利要求12所述的氨水混合物熱力學循環(huán)設備，其中，所述兩相膨脹器是徑向流出式渦輪機。
15.根據(jù)權利要求12所述的氨水混合物熱力學循環(huán)設備，其中，所述兩相膨脹器是容積式膨脹器。
16.根據(jù)權利要求12所述的氨水混合物熱力學循環(huán)設備，其中，所述膨脹器是可變相渦輪機。
17.根據(jù)權利要求12所述的氨水混合物熱力學循環(huán)設備，其中，所述膨脹器被設置成使兩相流體混合物膨脹。
18.根據(jù)權利要求16所述的氨水混合物熱力學循環(huán)設備，其中，所述可變相渦輪機基本上如圖7所示地設置。
19.根據(jù)權利要求16所述的氨水混合物熱力學循環(huán)設備，其中，所述可變相渦輪機基本上如圖8中所示地設置，并能夠利用氣液混合物進行操作。
全文摘要
一種多組分設備，其特征在于執(zhí)行兩相熱力學循環(huán)以將熱能轉化成有效功率，包括由兩種或更多種化學組分構成以吸收熱能的流體結構，該流體結構隨著被吸收的熱量增加而使溫度和氣相部分增加；膨脹器結構，其操作用于將因所述流體結構吸收的熱能而在所述流體結構中形成的被接收的氣液混合物中的焓轉化成機械的軸功率；換熱器結構，其操作以傳遞要被流體結構吸收的熱能；將任何氣體冷凝以將所述流體結構轉化成液體的冷凝器結構；和泵結構，其操作以對離開冷凝器結構的液態(tài)流體結構加壓，從而使流體結構返回至換熱器結構，并結束熱力學循環(huán)。
文檔編號F01K25/06GK103097672SQ201180040261
公開日2013年5月8日 申請日期2011年7月5日 優(yōu)先權日2010年7月9日
發(fā)明者L·G·海斯, P·R·韋爾奇 申請人:埃內根特公司