專利名稱：將低溫熱量變換成電能的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總的說來涉及熱能變換成機械能再變換成電能的技術領域。更具體地說，本發(fā)明涉及低溫熱源的低溫熱變換成電能的過程。
低溫熱源的熱能變換成電能的方法是能量生產的一個重要領域。目前有這樣一種需要，即要求提供提高這種低溫熱變換成電能的效率的方法和設備，使其超過標準蘭金循環(huán)的效率。本發(fā)明就為提供這種方法和設備。
本發(fā)明提供一種實施熱力循環(huán)的方法，該方法包括下列步驟令氣態(tài)工(作介)質流膨脹，將其能量轉變成有用的形式，并產生廢流;
令廢流冷凝，由此產生液態(tài)工質流;
從液態(tài)工質流形成富集流和貧流;和加熱富集流，由此形成氣態(tài)工質流。
本發(fā)明還提供一種實施熱力循環(huán)的設備，該設備包括膨脹裝置，用以使氣態(tài)工質流膨脹，將其能量轉變成有用形式，并產生廢流;
一第一料流混合器，用以混合廢流與貧流，形成預冷凝流;
一冷凝器，用以冷凝所述預冷凝流，產生液態(tài)工質流;
一臺泵，用以泵送該液態(tài)工質流，使其壓力增高;
一重力分離器，用以從液態(tài)工質流形成蒸汽流和第一液態(tài)流;
一第一料流分離器，用以分離第一液態(tài)流，產生第二液態(tài)流和貧流;
一第二料流混合器，用以混合第二液態(tài)流與蒸汽流，產生富集流;和一熱交換器，用以用外熱源傳來的熱量加熱富集流，產生氣態(tài)工質流。
雖然通?？捎闷胀ǖ耐鉄嵩磥砼c本發(fā)明的方法和設備配用，但本發(fā)明特別適宜變換來自低溫地熱海水或來自太陽池的低溫熱量。從下面對諸最佳實施例的說明可以看出，本發(fā)明的方法和設備能提高采用低溫熱源的能量循環(huán)中低溫熱變熱成電能的效率。


圖1是本發(fā)明方法和設備的一個實施例的原理圖。
本發(fā)明是實施熱力循環(huán)的一種新方法和設備。在本發(fā)明的方法中，氣態(tài)工質流是經過膨脹的。此膨脹過程將工質流的能量轉換成有用的形式并產生廢流。最佳膨脹裝置包括普通常用的渦輪機或渦輪機系。廢流經冷凝產生液態(tài)工質流。冷凝器最好是現(xiàn)有技術中普通使用的那種。
從液態(tài)工質流形成富集流和貧流。富集流中的低沸點組分百分比含量最好高于液態(tài)工質流的。貧流的低沸點組分百分比含量最好低于液態(tài)工質流的。從液態(tài)工質流制造貧流和富集流可采用任何能從單種料流制造兩種或多種具有不同組分的料流的普通設備。制備這些料流的裝置最好是普通常用的重力分離器，例如普通的閃蒸箱。
富集流最好處于蒸汽狀態(tài)或汽-液混合狀態(tài)。貧流最好處于飽和狀態(tài)或過冷液體狀態(tài)。
富集流經加熱形成氣態(tài)工質流。該傳熱過程可經由普通的熱交換器進行。加熱源可采用任何傳統(tǒng)形式的加熱源，包括同流換熱式熱源或外熱源?？捎糜诒景l(fā)明的外熱源最好是那些溫度低于大約400°F的外熱源。特別理想的是那些溫度低于250°F的外熱源，例如低溫地熱海水或太陽池外熱源。
本發(fā)明的方法最好加上這樣一個步驟廢流在冷凝形成液態(tài)工質流之前先與貧流在第一料流混合器中混合。這種含貧流和廢流的料流可以叫做預冷凝流。
本發(fā)明的方法最好加上這樣一個步驟用泵提高液態(tài)工質流的壓力，并用廢流和貧流傳來的熱量使液態(tài)工質流部分蒸發(fā)。為達到此目的可采用普通的泵和熱交換器。
在本發(fā)明液態(tài)工質流被部分蒸發(fā)的實施例中，可以在閃蒸箱將部分蒸發(fā)了的液態(tài)工質流分離成汽流和液流來形成富集流和貧流-蒸汽產生富集流，富集流經加熱形成氣態(tài)工質流，和產生貧流的液體。不然也可以在閃蒸箱把這種部分蒸發(fā)了液態(tài)工質流分離成汽流和第一液流。第一液流又可在第一料流分離器分離成第二液流和貧流。然后將第二液流在第二料流混合器與汽流混合生成富集流。在本發(fā)明的這個實施例中，富集流應處于汽-液混合料的狀態(tài)，這個混合料經加熱形成氣態(tài)工質流。
圖1的原理圖示出了可用于本發(fā)明的方法中較理想設備的一個實施例。具體地說，圖1示出了系統(tǒng)100，該系統(tǒng)包括渦輪機101，熱交換器104、105和102，冷凝器106，重力分離器103，泵108，料流分離器109和111，料流混合器110、112和114，以及外熱源113。
冷凝器106可以是任何類型的已知熱耗損設備。例如，冷凝器106可取熱交換器的形式，如水冷系統(tǒng)或其它類型的冷凝設備。
驅動本發(fā)明的循環(huán)可采用各種形式的熱源。在圖1所示的實施例中，外熱源113表示從點1經由熱交換器102流至點9的低溫地熱流體流。
本發(fā)明實施例在系統(tǒng)100中所示的工質流最好是含有低沸點組分和高沸點組分的多組分工質流。這類較理想的工質流可以是氨-水混合料、兩種或多種烴類、兩種或多種氟利昂、烴和氟利昂的混合料等等。一般說來，工質流可以是任何數(shù)目熱力學性能和溶解度都良好的化合物組成的混合料。在特別值得推薦的實施例中，采用了水與氨的混合料。
如圖1所示，工質流在系統(tǒng)100中循環(huán)。該工質流包括從熱交換器102流向渦輪機101的氣態(tài)工質流。該工質流還包括從渦輪機101流向第一料流混合器114的廢流、從第一料流混合器114流向冷凝器106的預冷凝流、從冷凝器106流向重力分離器103的液態(tài)工質流和從第二料流混合器112流向熱交換器102的富集流。氣態(tài)工質流、廢流和富集流中所含的低沸點組分百分比最好比預冷凝流和液態(tài)工質流中所包含的高。
在系統(tǒng)100中流通的除工質流外還有從第一料流分離器111流向第一料流混合器114的貧流、從重力分離器103流向第一料流分離器111的第一液流、從第一料流分離器111流向第二料流混合器112的第二液流和從重力分離器103流向第二料流混合器112的汽流。貧流、第一液流和第二液流中各自的低沸點組分百分比含量最好低于液態(tài)工質流中的。汽流所含低沸點組分百分比最好要比液態(tài)工質流中的高。
在本發(fā)明圖1所示的實施例中，液態(tài)工質流是經過徹底冷凝的，其溫度最好接近環(huán)境溫度，其參數(shù)如點14處所示，該液態(tài)工質流用泵108提高其壓力之后，獲得如點21所示參數(shù)。然后該液態(tài)工質流在料流分離器109經過分離之后產生分流，其參數(shù)分別如點61和62處所示。這些分流分別傳送到同流換熱式熱交換器104和105。液態(tài)工質流的各分流流經熱交換器104和105時經過加熱，溫度達到沸點，其參數(shù)分別如點7和4處所示，然后再經過部分蒸發(fā)。液態(tài)工質流經部分蒸發(fā)的分流從熱交換器104和105出來之后，其參數(shù)分別如點63和64處所示。這些分流接著在料流混合器110中重新混合，重新組成其參數(shù)如點5處所示的液態(tài)工質流。
點5處的液態(tài)工質流最好處于雙相狀態(tài)，即，處于部分蒸發(fā)狀態(tài)。該液態(tài)工質流傳送到重力分離器103(例如閃蒸箱)中，在那里液體從蒸汽中分離出來。
具有如點6處所示參數(shù)的汽流從重力分離器103的頂部出來，具有如點10處相同參數(shù)的第一液流則從重力分離器103的底部出來。第一液流在第一料流分離器111被分離成分別具有如點11和13處相同參數(shù)的貧流和第二液流。第二液流，其參數(shù)如點13處所示，在第二料流混合器112與汽流混合，產生具有如點69處相同參數(shù)的富集流(在本發(fā)明的本實施例中“富集”是指富集流在低沸點組分方面比液態(tài)工質流豐富)。該富集流最好處在汽-液混合狀態(tài)。
富集流送入熱交換器102中，在那里為外熱源113所加熱。圖1中所示的外熱源113是個地熱海水流。這類熱源一般溫度低于大約400°F，還可能低于大約250°F。此外外熱源113也可由一些其它類型的低溫料流組成，例如流自太陽池的低溫料流。在圖1所示的實施例中，地熱海水進入熱交換器102中，這時具有如點1處參數(shù)，再從熱交換器102中出來，這時其參數(shù)如點9處的一樣。如表一所示，點1處的地熱海水其溫度可能達230°F。
進入熱交換器102的富集流經過進一步加熱和蒸發(fā)之后，作為氣態(tài)工質流從熱交換器102中出來。從熱交換器102出來的氣態(tài)工質流可以是部分蒸發(fā)，也可以是完全蒸發(fā)處于過熱狀態(tài)。
圖1實施例中的氣態(tài)工質流從熱交換器102出來時其參數(shù)與點30處的一樣。然后氣態(tài)工質流進入渦輪機101中，在渦輪機101中膨脹作功。廢流從渦輪機101中出來時其參數(shù)與點36處的一樣。該廢流送入熱交換器105中冷卻。廢流通過熱交換器105中時最好處于部分冷凝狀態(tài)，以獲取與點38處一樣的參數(shù)。廢流通過熱交換器105時傳遞熱量，用以加熱而且最好部分蒸發(fā)液態(tài)工質流從點62流至點64的支流。
參數(shù)與點11處的一樣的貧流通過熱交換器104，在交換器104中冷卻。貧流通過熱交換器104時提供熱量，供預熱而且最好部分蒸發(fā)從點61流至點63的液態(tài)工質流的支流之用。貧流從熱交換器104出來時其參數(shù)與點20處的一樣。在圖1所示的實施例中，貧流通過減壓裝置107，該裝置可以是一個節(jié)流閥。從減壓裝置107出來之后，貧流獲得如點19處相同的參數(shù)。
在第一料流混合器114處，貧流與廢流混合，產生具有如點29處相同參數(shù)的預冷凝流。該預冷凝流送入冷凝器106中，在冷凝器106中為自點23流至點24的冷卻劑流徹底冷凝。經此冷凝產生了參數(shù)與點14處的一樣的液態(tài)工質流，于是就完成了整個循環(huán)。
具有含49.5重量%的氨的水-氨富集流的一個系統(tǒng)其對應于圖1所設各點的合適參數(shù)如表一所示。表2列出了采用圖1所示實施例中表一各參數(shù)的本發(fā)明系統(tǒng)的理論特性。從該表列出的數(shù)據(jù)可以看出，本發(fā)明提出的系統(tǒng)理論上應有10.34%的效率，這在相同的邊界條件下應超過標準蘭金循環(huán)之效率約1.67倍。采用圖1所示實施例的熱源，在各參數(shù)如表一所列的情況下，預期可使功率輸出從3.3兆瓦增加到5.5兆瓦。
表一點 壓力 X 溫度°F 熱量 G(磅/平方英寸) (英熱量單位/磅)1 - 海水 230.00 - 9.65542 37.90 0.2651 138.56 30.93 7.47283 9.97 0.4950 138.56 467.66 1.00004 40.10 0.2922 134.56 20.82 2.97285 38.10 0.2922 142.00 58.54 8.47286 38.10 0.9408 142.00 634.62 .34037 40.10 0.2922 134.56 20.82 5.50009 - BRINE 170.62 - 9.655410 38.10 0.2651 142.00 34.44 8.1325
11 38.10 0.2651 142.00 34.44 7.472813 38.10 0.2651 142.00 34.44 .659714 8.72 0.2922 62.00 -54.06 8.472819 9.22 0.2651 76.79 -24.12 7.472820 37.70 0.2651 85.03 -24.12 7.472821 42.10 0.2922 62.00 -53.99 8.472823 - 水 55.00 - 17.458824 - 水 84.96 - 17.458829 9.22 0.2922 78.76 7.68 8.472830 33.10 0.4950 217.50 823.45 1.000036 10.72 0.4950 165.00 761.36 1.000038 9.22 0.4950 94.37 245.29 1.000061 42.10 0.2922 62.00 -53.99 5.500062 42.10 0.2922 62.00 -53.99 2.972863 38.10 0.2922 133.58 25.53 5.500064 38.10 0.2922 158.00 119.61 2.972869 38.10 0.4950 142.00 238.67 1.0000
表二渦輪機的總熱函降＝62.08英熱量單位/磅渦輪機作功＝60.53英熱量單位/磅供熱量＝84.78英熱量單位/磅熱損耗＝523.04英熱量單位/磅泵功率消耗＝.09英熱量單位/磅凈功率輸出＝60.44英熱量單位/磅凈熱效率＝10.34%工質重量流量＝310705.84凈輸出 5502.59KWe第二定律極限 20.90%第二定律效率 49.45%海水消耗率 545.20磅/KWe單位功率輸出 1.83瓦-小時/磅雖然本發(fā)明是就一些最佳實施例進行說明的(這些實施例應用了單一較理想的外熱源)，但本技術領域的專業(yè)人士不難理解，對這些實施例是可以進行一系列變更的。例如，可以采用不同的外熱源，可以增加或減少熱交換器的數(shù)目，可以改變泵、渦輪機、冷凝裝置、分離器等的數(shù)目，還可以改變流經整個循環(huán)通路的料流的數(shù)量和組成。因此，本發(fā)明書所附的權利要求書旨在包括所有屬于本發(fā)明精神實質和范圍的這類變更和改型。
權利要求
1.實施熱力循環(huán)的一種方法，該方法包括下列步驟令一氣態(tài)工質流膨脹，將其能量轉換成有用的形式，并產生廢熱流；將廢熱流冷凝，以產生液態(tài)工質流；從液態(tài)工質流形成富集流和貧流；和加熱富集流，形成氣態(tài)工質流。
2.如權利要求1的方法，其特征在于，它還包括這樣一個步驟在將廢熱流冷凝形成液態(tài)工質流之前將其與貧流進行混合。
3.如權利要求1的方法，其特征在于，它還包括這樣一個步驟用溫度小于大約400°F的外熱源傳來的熱量加熱富集流。
4.如權利要求3的方法，其特征在于，它還包括這樣一個步驟用溫度小于大約250°F的外熱源傳來的熱量加熱富集流。
5.如權利要求4的方法，其特征在于，所述外熱源選自一組由低溫地熱海水和太陽池組成的熱源。
6.如權利要求1的方法，其特征在于，該方法還包括下列步驟用泵提高液態(tài)工質流的壓力，然后再用廢流和貧流傳來的熱量部分蒸發(fā)液態(tài)工質流。
7.實施熱力循環(huán)的一種方法，該方法包括下列各步驟令一氣態(tài)工質流膨脹，將其能量轉變?yōu)橛杏玫男问讲a生廢流;將廢流與貧流混合形成預冷凝流;將預冷凝流冷凝，產生液態(tài)工質流;用泵提高該液態(tài)工質流的壓力;用廢流和貧流傳來的熱量部分蒸發(fā)液態(tài)工質流;從液態(tài)工質流形成汽流和第一液流;將第一液流分離成第二液流和貧流;將第二液流與汽流混合起來，產生富集流;和用外熱源傳來的熱量加熱富集流，產生氣態(tài)工質流。
8.權利要求7的方法，其特征在于，所述氣態(tài)工質流、廢流、貧流、預冷凝流、液態(tài)工質流、第一液流、第二液流、汽流和富集流各含有一低沸點組分和一高沸點組分。
9.實施熱力循環(huán)的一種設備，它包括膨脹裝置，用以使一種氣態(tài)工質流膨脹，將其能量轉變成有用形式并產生廢流;一第一料流混合器，用以將廢流與貧流混合成預冷凝流;一冷凝器，用以冷凝預冷凝流，產生液態(tài)工質流;一臺泵，用以提高液態(tài)工質流的壓力;一重力分離器，用以從液態(tài)工質流形成汽流和第一液流;一第一料流分離器，用以將第一液流分離成第二液流和貧流;一第二料流混合器，用以將第二液流與汽流混合生成富集流;和一熱交換器，用以用外熱源傳來的熱量加熱富集流，產生氣態(tài)工質流。
10.如權利要求9的設備，其特征在于，它還包括各包含低沸點組分和高沸點組分的氣態(tài)工質流、廢流、貧流、預冷凝流、液態(tài)工質流、第一液流、第二液流、汽流和富集流。
11.如權利要求9的設備，其特征在于，它還包括第二熱交換器和第三熱交換器，前者用以用貧流傳來的熱量加熱液態(tài)工質流，后者用以用廢流傳來的熱量加熱液態(tài)工質流。
12.如權利要求9的設備，其特征在于，它還包括一外熱源，其溫度約小于400°F。
13.如權利要求12的設備，其特征在于，所述外熱源的溫度小于大約250°F。
14.如權利要求13的設備，其特征在于，所述外熱源選自一組由低溫地熱海水和太陽池組成的熱源。
全文摘要
實施熱力循環(huán)的一種方法和設備，能將低溫熱量變換成電能。
文檔編號F01K25/00GK1059014SQ9110580
公開日1992年2月26日 申請日期1991年8月14日 優(yōu)先權日1990年8月15日
發(fā)明者阿歷山大·I·卡林納 申請人:阿歷山大·I·卡林納