專利名稱：用有機流體進行蘭金循環(huán)的動力設(shè)備及該設(shè)備的使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明所涉及的是一種用有機流體進行蘭金循環(huán)的動力設(shè)備及該設(shè)備的使用方法。
用有機流體進行蘭金循環(huán)的動力設(shè)備是公知的。在這些公知的設(shè)備中，有機流體在蒸發(fā)器或鍋爐中經(jīng)過加熱而汽化，其熱源取自燃料，地熱源或工業(yè)過程;汽化的工質(zhì)(Working fluid)在透平發(fā)電機中膨脹從而產(chǎn)生動力，而加熱后的廢棄工質(zhì)在空氣或水冷冷凝器中冷凝成液態(tài)工質(zhì)并由泵送回蒸發(fā)器。
所選用的工質(zhì)應具有適于循環(huán)的各種熱力學特性，如熱容量，工作溫度下的穩(wěn)定性等等，以及對用于普通透平機安裝的各種金屬的適應性。此外，工質(zhì)還須具有良好的潤滑性，因為透平機以及與之耦合的發(fā)電機通常置于密閉的殼體內(nèi)，其中，由冷凝器輸送的液態(tài)工質(zhì)做為潤滑劑。
通常，工質(zhì)是碳氫化合物，如戊烷、己烷或其異構(gòu)體，諸如異戊烷或異己烷。另外，也使用一些其它的有確定特性的化學制品。但無論哪種情況，工質(zhì)均為市場上可獲得的純凈的材料，這種材料具有確切的定義和已知的特性，這些特性在設(shè)計動力設(shè)備的硬件時是需要考慮的。人們有時也采用碳氫流體的混合物，以便利用混合物的特殊性能，例如在3842593號美國專利中采用了一種特殊的碳氫混合物，使動力設(shè)備可以在某些不允許使用純凈材料的環(huán)境條件下工作。
用有機流體進行蘭金循環(huán)的動力設(shè)備的生產(chǎn)廠家必須保證，相應于單位時間內(nèi)放出預定熱量的熱源可以產(chǎn)生預定的電輸出值，因此，所選擇的工質(zhì)或流體混合物必須具有確定的物理特性。而保證所選流體具備這些特性的條件是，采用與國際標準一致的工業(yè)純凈流體。這些流體在世界上大部分地區(qū)都易于得到，但在許多地方理想的純凈流體相當昂貴。另外，在某些情況下將這些流體用于動力設(shè)備時，會由于在這種條件下沒有使用這種流體的先例而引起政府在規(guī)章制度方面的問題。
一些在理論上可用于動力設(shè)備的有機流體比起那些常用在動力設(shè)備上的流體價格更便宜，而且更易于獲得。但是這種流體通常是由其壓力-體積-溫度特性未知，或其特性隨地點，時間變化范圍很大的混合物構(gòu)成的，因此動力設(shè)備的設(shè)計師無法保證這樣的流體能夠象具有確定特性的純凈流體那樣，按照預定的方式在動力設(shè)備中工作。例如發(fā)動機燃料汽油是一種無論在工業(yè)發(fā)達的國家，還是在貧窮的第三世界國家都普遍存在的流體。在有些國家，汽油的可獲得甚至超過水，而且政府對汽油的儲存和使用比對一些被建議用于蘭金循環(huán)動力設(shè)備的，被人們視為稀有的有機流體有更明確的允許使用的規(guī)定。然而，選擇汽油或其它由多組分組成的碳氫化合物用于有機流體蘭金循環(huán)動力設(shè)備是不可行的，其原因在于對于某特定批量的汽油，無法確定它在世界上某地區(qū)，在某時間的熱力學特性。設(shè)計者無法事先確定在起動或后來作為補充工質(zhì)而輸送到設(shè)備中的某批汽油的熱力學特性，因而在設(shè)計中無法考慮可能會產(chǎn)生哪些變化。因此，設(shè)計者拒絕采用汽油。
本發(fā)明的目的在于提供一種方法及裝置，借此，人們可以在蘭金循環(huán)動力設(shè)備中采用已知的，易于獲得的，可容許的工業(yè)有機流體如汽油，而無須考慮流體的熱力學特性隨時間或地點的變化。
本發(fā)明涉及一種蘭金循環(huán)動力設(shè)備的工作過程，其中，一個蒸發(fā)器元件響應于用于汽化工質(zhì)的熱輸入而產(chǎn)生汽化的工質(zhì)，一個透平發(fā)電機響應于汽化的工質(zhì)而產(chǎn)生動力并生成廢熱工質(zhì)，一個冷凝器響應廢熱工質(zhì)將工質(zhì)冷凝并產(chǎn)生冷凝液，冷凝液經(jīng)過輸送裝置返回到蒸發(fā)器。工質(zhì)是含有多種組分的液體，本發(fā)明提供了一種由所述液體中經(jīng)蒸餾分出至少一種組分，從而得到蒸餾液的方法。將該蒸餾液做為工質(zhì)輸送給動力設(shè)備。
所述蒸餾液是這么一種液體，將此種液體輸送到動力設(shè)備中并與之共同工作，利用動力設(shè)備中的至少一個裝置，或是蒸發(fā)器或是冷凝器，或二者兼用，從所述液體中分餾出一種組分從而得到所述的蒸餾液。在此情況下，將所述組分由動力設(shè)備中排出，然后動力設(shè)備使用蒸餾液繼續(xù)工作。其結(jié)果是，用于穩(wěn)態(tài)工況的工質(zhì)是液體的主要組分，其熱力學特性是已知的和可再現(xiàn)的。
所述液體最好是汽油。用蒸發(fā)器分出那些低沸點組分，用冷凝器分出那些高沸點組分，從而得到一種特性已知的液體。或者，也可以用蒸發(fā)器分出高沸點組分，而用冷凝器分出低沸點組分。這樣，即使這種液體的特性在動力設(shè)備開始工作之前是未知的，或知之甚少，但在用蒸發(fā)器和冷凝器做為分餾塔所進行的蒸餾過程之后，和在那些較高沸點組分及較低沸點組分均被排出之后，所余工質(zhì)即可保證動力設(shè)備按照預定的方法產(chǎn)生額定功率。
做為本發(fā)明的改進，可以對上述分餾裝置的溫度和壓力進行監(jiān)視，并根據(jù)所測溫度和壓力調(diào)整所述蒸餾液中所述組分的量值，從而保證通過動力設(shè)備的容積流量基本上是恒定的。
以下將通過如下附圖舉例說明本發(fā)明實施例

圖1是本發(fā)明的用有機流體進行蘭金循環(huán)的動力設(shè)備的方框圖;
圖2是根據(jù)本發(fā)明所采用的一種調(diào)節(jié)工質(zhì)的流量，從而保證圖1所示動力設(shè)備保持額定功率的技術(shù)方案;
圖3所示為本發(fā)明的另一種調(diào)節(jié)工質(zhì)的流量，從而保證圖1所示動力設(shè)備保持額定功率的技術(shù)方案。
參見附圖，標號10表示的是本發(fā)明的用有機流體進行蘭金循環(huán)的動力設(shè)備。動力設(shè)備10包括蒸發(fā)器12，在蒸發(fā)器12中通過燃燒器14加熱，用以汽化有機工質(zhì)16，從而輸出管18中產(chǎn)生汽化的工質(zhì)，輸出管18通過聯(lián)接器19與通往透平發(fā)電機22的透平機21的入口的管路20相連接。汽化的工質(zhì)在透平機21中膨脹并形成廢熱工質(zhì)，該工質(zhì)被送入冷凝器24中，使廢熱工質(zhì)在此被冷凝。冷凝器可以是空冷或水冷，冷凝器中的冷凝液25通過泵26被送回到蒸發(fā)器中，從而完成了有機流體的循環(huán)。由此驅(qū)動了與透平機21耦合的發(fā)電機23，透平機中工質(zhì)的膨脹導致了電能的產(chǎn)生。
上述的各裝置及工作過程，除了工質(zhì)的性質(zhì)外都是已有技術(shù)中所慣用的。在本發(fā)明出現(xiàn)之前，工質(zhì)均采用純凈的有機流體，例如戊烷或異構(gòu)戊烷，其熱力學特性都是確定的，因而允許設(shè)計者在設(shè)計動力設(shè)備時，根據(jù)給定的用于向透平中輸送選定流量的蒸汽的熱輸入，可以得到選定的動力輸出。根據(jù)本發(fā)明的方案，工質(zhì)可以是含有多種組分的碳氫化合物，例如汽油。由于汽油中含有的各種組分的變化，使汽油的特性及成分隨著時間和地點會產(chǎn)生變化。
為了使用碳氫化合物如汽油，采用一種補充油箱30，油箱中充有足以供動力設(shè)備起動用的碳氫化合物液體。為此目的，在油箱30和泵26之間安裝有閥V5。因而，當蒸發(fā)器或動力設(shè)備的其他部分中沒有工質(zhì)，而此時需要向動力設(shè)備輸送工質(zhì)以便起動動力設(shè)備時，閥V5打開，泵26將工質(zhì)泵入蒸發(fā)器12，使動力設(shè)備中充滿足夠的冷卻的液體。
然后閥V6打開，繼而給蒸發(fā)器加熱。通過控制蒸發(fā)器的溫度使蒸發(fā)器中的液體中較低沸點的組分被分餾出去，溫度最好保持在低于設(shè)計值的溫度，直至所有低沸點組分基本汽化為止。在此期間，閥V1打開，大部分低沸點組分通過管路進入儲存油箱32中。一個輔助閥(未示出)可用來阻止這些組分進入透平機。
為了檢測低沸點組分的汽化程度，使汽化過程得以控制，在蒸發(fā)器中設(shè)置有由標號33代表的溫度和壓力傳感器。當傳感器33所測溫度和壓力表明，較低沸點組分已從蒸發(fā)器內(nèi)的液體中排出時，閥V1關(guān)閉，V7打開，使此時產(chǎn)生的蒸汽通過管路進入冷凝器24中。
進入冷凝器的蒸汽與排出蒸發(fā)器的蒸汽，具有大致相同的溫度和壓力。冷凝器24的作用是將汽化的工質(zhì)冷凝成液體。首先被冷凝成液體的部分是沸點較高的組分，這些組分通過打開閥V3經(jīng)由管道儲入儲存油箱34內(nèi)。通過用標號35所示的傳感器監(jiān)視溫度和壓力，來確定閥V3的關(guān)閉時刻。當V3關(guān)閉時，設(shè)備可以進入運行狀態(tài)。就是說，閥V1、V2、V3、V4、V5和V7都關(guān)閉，通過蒸發(fā)器，透平機及冷凝器進行循環(huán)的工質(zhì)，是原來存于補充油箱30中的碳氫化合物中的中等沸點組分。
為了使設(shè)備有效地工作并產(chǎn)生額定功率，可以調(diào)節(jié)蒸發(fā)器和冷凝器的溫度和壓力，從而產(chǎn)生所需要的流量。這些參數(shù)是通過傳感器33和35測量的，所測值輸入到控制單元36中?？刂茊卧梢允潜豢刂苼聿倏v系統(tǒng)中的各種閥門的計算機。流體從儲存油箱32和34經(jīng)由閥門進入系統(tǒng)，而系統(tǒng)在工作過程中調(diào)節(jié)溫度和壓力使動力設(shè)備的電輸出達到最佳值。這樣的工作過程可能在夏天或冬天，例如環(huán)境溫度變化的條件下進行，此時冷凝器中冷卻介質(zhì)如水或空氣的溫度也隨之變化。這樣的工作過程類似于美國3842593號專利中所述的工作過程，因而本發(fā)明引入其主題做為參考。這樣，例如在夏天，環(huán)境溫度升高，隨之引起冷凝器中的冷卻介質(zhì)的溫度升高，從而使較多的高沸點組分進入到工作系統(tǒng)。另一方面，例如在冬天，環(huán)境溫度降低導致冷凝器中的冷卻介質(zhì)溫度降低，從而使較多的低沸點組分進入了工作系統(tǒng)。
做為上述方案的變換或增補方案，可以采用圖2所示的設(shè)計方案。在該方案中，在透平機的入口段裝置了一組相互獨立的噴嘴51、52、53，它們通過各自的控制閥Va、Vb、Vc從蒸發(fā)器中獲取工質(zhì)。這些閥受控于控制單元36，使進入透平機的百分吸入量控制在保證設(shè)備的輸出為最佳值的水平上。
做為另一種選擇方案，也可以采用圖3所示的方案。其中，在透平機的入口段22B處設(shè)置一列噴嘴51B，用以輸送由蒸發(fā)器12產(chǎn)生的蒸汽。由22B排出的蒸汽經(jīng)由一列噴嘴51C進入到透平機的下一段22C。由22C排出的蒸汽經(jīng)由一列噴嘴51D進入到段22D。噴嘴51B、51C和51D的排出角度是可調(diào)的，這些角度分別由控制器36B、36C和36D設(shè)定，以便控制壓力降，從而控制在各個階段的工質(zhì)的流量。
盡管圖示的動力設(shè)備的熱源是燃燒燃料的燃燒器，但本發(fā)明也可采用其它類型的熱源，例如地熱液體。
由以上對本發(fā)明最佳實施例的描述，可以明顯地看出本發(fā)明所具備的優(yōu)點及改進效果。在本發(fā)明的主題下及權(quán)利要求限定的范圍內(nèi)，還可以包括多種變化及改進。
權(quán)利要求
1.一種蘭金循環(huán)動力設(shè)備的運行方法，所述動力和設(shè)備包括，一個蒸發(fā)器元件，它響應于用于汽化工質(zhì)的熱輸入而產(chǎn)生汽化的工質(zhì)；一個透平發(fā)電機，它響應于汽化的工質(zhì)而產(chǎn)生動力并生成廢熱工質(zhì)；一個冷凝器，它響應廢熱工質(zhì)而將該工質(zhì)冷凝并產(chǎn)生冷凝液；用于將冷凝液返回蒸發(fā)器的輸送裝置，所述方法的特征在于包括以下步驟；a、提供一種含有多種組分的液體；b、從所述液體中蒸餾出至少一種組分，以產(chǎn)生蒸餾液；c、將所述蒸餾液做為工質(zhì)輸送到所述的動力設(shè)備中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是a、用所述液體驅(qū)動動力設(shè)備;b、用動力設(shè)備中的一個元件從所述液體中分餾出一種組分，以產(chǎn)生蒸餾液;c、將上述組分從動力設(shè)備中排出，并用所述蒸餾液使動力設(shè)備工作。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于a、用所述液體驅(qū)動動力設(shè)備;b、用動力設(shè)備的一個元件從所述液體中蒸餾出沸點較高的和沸點較低的組分，以形成所述的蒸餾液;c、從所述動力設(shè)備中排出沸點較高的及沸點較低的組分，然后用所述的蒸餾液使動力設(shè)備繼續(xù)工作。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述的液體是汽油。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于a、監(jiān)測元件中的溫度和壓力;b、根據(jù)所監(jiān)測的所述元件的溫度和壓力，改變所述蒸餾液中的所述組分的量，從而保證經(jīng)過動力設(shè)備的流量基本維持在恒定的水平。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征是，所述透平發(fā)電機具有用于控制動力輸出的調(diào)整參數(shù)，所述方法包括;a、監(jiān)視元件中的溫度和壓力;b、根據(jù)所測的所述元件中的溫度和壓力，調(diào)整透平發(fā)電機的參數(shù)，以保證經(jīng)過動力設(shè)備的流量基本維持在恒定的水平。
7.一種蘭金循環(huán)動力設(shè)備，其特征在于a、一個蒸發(fā)器，它響應于汽化工質(zhì)所需的熱輸入，而產(chǎn)生汽化的工質(zhì);b、一個透平發(fā)電機，它響應汽化的工質(zhì)而產(chǎn)生動力，并產(chǎn)生廢熱工質(zhì);c、一個冷凝器，它響應所述廢熱工質(zhì)，冷凝該工質(zhì)并產(chǎn)生冷凝液;d、將所述冷凝液送到蒸發(fā)器的裝置;e、一個補充油箱，它用于存放含有多種組分的液體;f、將液體從補充油箱輸送到所述動力設(shè)備的裝置;g、與所述蒸發(fā)器相關(guān)聯(lián)的排出裝置，用于將蒸發(fā)器內(nèi)液體中沸點高于預定值的組分排出;h、與所述冷凝器相關(guān)聯(lián)的排出裝置，用于將冷凝器內(nèi)液體中的沸點低于預定值的組分排出;i、用于儲存以液態(tài)形式將被排出的組分的存儲裝置。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其特征在于它包括a、用于監(jiān)測元件中溫度和壓力的裝置;b、根據(jù)所測溫度有選擇地在儲存裝置與蒸發(fā)器元件之間進行液體交換的裝置，用維持透平發(fā)電機的動力輸出。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其特征在于，所述工作流體為碳氫化合物。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其特征是，所述工質(zhì)為汽油。
全文摘要
一種蘭金循環(huán)動力設(shè)備包括，一個蒸發(fā)器元件，它響應于汽化工質(zhì)的熱輸入而產(chǎn)生汽化的工質(zhì)，一個透平發(fā)電機，它響應于汽化的工質(zhì)而產(chǎn)生動力，并產(chǎn)生廢棄的熱工質(zhì)，一個冷凝器元件，它響應于所述廢棄熱工質(zhì)，冷卻該工質(zhì)并產(chǎn)生冷凝液；另外還有相應的管路用于將所述冷凝液送回到蒸發(fā)器。工質(zhì)是含有多種組分的液體，從該液體分餾出至少一種組分從而產(chǎn)生蒸餾液。將該蒸餾液做為工質(zhì)送入到動力設(shè)備。
文檔編號F01K25/08GK1063743SQ91112820
公開日1992年8月19日 申請日期1991年12月31日 優(yōu)先權(quán)日1990年12月31日
發(fā)明者L·Y·布朗尼克基 申請人:奧馬特有限公司