CN101529055A - 热力发动机系统 - Google Patents

Abstract

一种热力发动机系统，用于通过使包括第一成分和第二成分的工作流体膨胀来产生功，该系统包括：用于将作为液体的工作流体的第二成分与在整个系统中始终为气体的第一成分混合起来的设备，用于压缩第一成分的压缩器，用于压缩第二成分的至少大部分的泵，用于加热第一成分和第二成分的加热器，用于膨胀第一成分和第二成分以产生功的膨胀器，以及换热器，该换热器用于将来自膨胀器出口的工作流体的至少一部分能量转移给来自设备的出口的工作流体，其中在换热器中转移的能量的主要部分是来自膨胀器出口的第二成分的潜热的至少一部分。

Description

热力发动机系统

技术领域

本发明涉及热力发动机系统和产生功(producing work)的方法。

背景技术

热力发动机是将热能转换成机械功的系统。热力发动机通过从高温热源(T_H)向低温散热器(T_L)转移能量来完成这项工作。除了其它因素以外，任何热力发动机的效率被认为主要由热源和散热器之间的温度差异决定。目前使用的各种热力发动机的效率在3％至约60％的范围之间。大多数汽车发动机的效率为约25％，而超临界的燃煤发电站的效率为约35-41％。

因为认为所有热力发动机的效率都取决于热源和散热器之间的温度梯度，因此已经作过很多尝试，试图通过增大这种温度梯度来提高热力发动机效率。通常认为要增大热力发动机中的温度梯度，就必须提高热源的温度，因为散热器的温度受地球大气温度的限制。

理论上，效率最高的热力发动机是由卡诺循环(Camot cycle)定义的，包括锅炉(boiler)、涡轮机(turbine)、冷凝器和泵。根据卡诺循环，工作流体(working fluid)经历了来自锅炉的高温水池的恒温可逆加热、使工作流体的温度从高温(T_H)降到低温(T_L)的绝热可逆膨胀、对流向冷凝器中的低温水池的工作流体进行的恒温可逆冷却，和在泵中使工作流体的温度从T_L上升到T_H的绝热可逆压缩。按照卡诺循环工作的热力发动机的热效率(η_TH)由以下等式定义：

η_TH＝1-T_L/T_H

然而，实践中，不可能按照理想的卡诺循环那样运行热力发动机，因为没有一个处理步骤在实践中是真正“可逆”的。可逆处理是在发生过后还能被逆转的理想处理，并且在发生和逆转时不会给系统或其周围环境带来任何改变。许多因素会使卡诺循环中的处理不可逆，包括系统中的摩擦损失。

可用于运行热力发动机的可替换方案是兰金循环(Rankine cycle)，该循环的效率不如卡诺循环高。理想的兰金循环包括由泵进行的从低压到高压的绝热可逆压缩，来自锅炉中高温热源的恒压(等压)热传递，在涡轮机中进行的从高压到低压的绝热可逆膨胀，和从工作流体到冷凝器中的低温散热器的恒压(等压)热传递。

兰金循环与卡诺循环的不同主要在于：在兰金循环中，工作流体在冷凝器中发生从蒸汽到液体的完整冷凝过程。这样做的原因是尽管这样做会降低热力发动机的效率，但在实践中，泵很难象卡诺循环要求的那样处理液体和蒸汽的混合物。另一个不同之处在于，如果工作流体在锅炉中被加热成超热蒸汽，在卡诺循环中，所有的热传递都是在恒温条件下进行的，因此，在这种处理期间，必须减小压强。这意味着，在蒸汽经历膨胀处理的同时必须向蒸汽传递热量(但在实践中这是很难执行的)，相反，在兰金循环中，蒸汽在恒压的条件下被过度加热。在实践中，兰金循环中的等压热传递处理比卡诺循环中的绝热处理更容易实现。

大多数公用发电厂，包括燃煤发电厂都按照兰金循环工作。然而，在实践中，因为与以上针对卡诺循环所列出的原因相类似的原因，根据兰金循环工作的热力发动机的效率比最大理论效率(即，理想兰金循环的效率)低。

另一种循环是布雷顿循环(Brayton cycle)。布雷顿循环的工作过程与兰金循环相类似，只是在循环的整个过程中工作流体都仅以气相的形式存在(即，布雷顿循环不包括工作流体的冷凝和沸腾)。在闭合的布雷顿循环中，系统包括等熵压缩，之后为等压加热，之后发生工作流体的等熵膨胀从而产生功，再之后为工作流体的等压冷却。燃气涡轮机通常按照开放的布雷顿循环工作，其中在压缩机之后易燃燃料被添加到工作流体中，于是燃料的燃烧提升工作流体的温度，之后工作流体在涡轮机中被膨胀从而产生功。来自涡轮机的排出物包含燃料的燃烧产物与工作流体的混合物，该排出物被送往垃圾堆，而并不被送回到压缩机的入口。

为了提高热力发动机的效率，已经考虑各种兰金循环的变体。两种这样的变体包括具有再加热过程的兰金循环和再生式的兰金循环。在具有再加热过程的兰金循环中，热力发动机包括串联的两个涡轮机。作为来自锅炉的高压蒸汽的工作流体，进入第一涡轮机，在该第一涡轮机中工作流体发生膨胀而使其压强降低。第一涡轮机中的压强减小的蒸汽重新进入锅炉，在锅炉中蒸汽被再次加热，之后蒸汽通过第二涡轮机，在第二涡轮机中蒸汽以较低的压强工作。这种系统的一个优点是：在各涡轮机之间对工作流体的再加热防止工作流体在涡轮机中发生膨胀的过程中从蒸汽冷凝成液体，因为这样会对涡轮机造成相当大的伤害。

再生兰金循环包括在工作流体进入锅炉之前对工作流体进行预先加热，这通过以下操作来完成：从涡轮机中的中间阶段分离出一小部分蒸汽，并在该蒸汽在“给水加热器”中的冷凝器中被冷却之后将其与液体工作流体相混合，其中“给水加热器”设置在锅炉的工作流体入口之前的中间泵送阶段处。

为了提高现实中的热力发动机的效率，还作出了许多其它尝试，诸如组合式布雷顿-兰金循环或COGAS循环，COGAS循环包括将来自按照布雷顿循环工作的气体燃烧热力发动机的热废气用作按照兰金循环工作的第二热力发动机的锅炉的热源。

然而，所有现实中的热力发动机的效率都受相当大的限制，因此仍在寻求能提高发电和致冷产品的效率的改进。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种用于通过使包括第一成分和第二成分的工作流体膨胀来产生功的热力发动机系统，该系统包括：用于将所述工作流体的作为液体的第二成分与在整个系统中始终为气体的第一成分混合起来的设备，用于压缩第一成分的压缩器，用于压缩第二成分的至少大部分的泵，用于加热第一成分和第二成分的加热器，用于使第一成分和第二成分膨胀以产生功的膨胀器，以及换热器，该换热器用于将来自膨胀器出口的工作流体的至少一些能量转移给来自设备的出口的工作流体，其中在换热器中转移的能量的主要部分，是来自膨胀器出口的第二成分的潜热的至少一部分。

在一个实施例中，设备包括喷射器。

在另一个实施例中，设备包括喷雾器。

在一个实施例中，设备被设置成将液态第二成分喷射到其中具有第一成分的空间中。

在另一个实施例中，设备是扩散器。

在一个实施例中，设备被设置成将第一成分扩散到液态第二成分中。

在一个实施例中，设备包括多个喷射器、喷雾器或扩散器。

在一个实施例中，设备设置在压缩器和换热器之间，以便使得液态第二成分能在气态的第一成分被压缩之后与气态的第一成分相混合。

优选地，在换热器中还会转移一些显热(sensible heat)。

优选地，第二成分的潜热的主要部分在换热器中被转移。

在一个实施例中，换热器将来自设备出口的第二成分的至少一部分从液体转变为气体。

在一个实施例中，换热器将来自膨胀器出口的第二成分的至少一部分从气体转变为液体。

在一个实施例中，换热器主要为管壳式热交换器的形式。

在一个实施例中，换热器主要为降膜式冷凝器的形式。

在一个实施例中，换热器被设置成：在对来自膨胀器出口的工作流体进行冷却后，提供工作流体的液态部分与气态部分的分离。

在一个实施例中，换热器包括沸腾侧和冷凝侧。

在一个实施例中，来自设备出口的工作流体进入换热器的沸腾侧，在换热器中，在工作流体的第二成分从冷凝侧的工作流体接收到能量时，工作流体的第二成分基本上沸腾。

在一个实施例中，来自膨胀器出口的工作流体进入换热器的冷凝侧，在换热器中，在工作流体的第二成分将自身能量传递给沸腾侧的工作流体而失去能量时，工作流体的第二成分基本上冷凝。

在一个实施例中，换热器的冷凝侧包括液体分离器水池，其收集液态的第二成分以用于在系统中再循环。

在一个实施例中，换热器的沸腾侧是壳管式热交换器的管，而冷凝侧是壳管式热交换器的壳。

在一个实施例中，系统包括多个并联和/或串联的换热器。

在一个实施例中，膨胀器入口处的压强是第一成分在压缩器中被压缩到的压强减去膨胀器与压缩器之间的系统中的所有损失。

在一个实施例中，压缩器将第二成分的一小部分压缩为第一成分以外的气体。

在一个实施例中，压缩器是诸如轴向式压缩机、离心式压缩机、往复式空气压缩机或螺旋式压缩机(scroll compressor)这样的任何适当的压缩器

在一个实施例中，系统包括多个串联和/或并联的压缩器。

在一个实施例中，系统还包括至少一个冷却器，其用于在第一成分和第二成分在设备中被组合以前冷却第一和/或第二成分。

在一个实施例中，冷却器中的至少一个包括处于压缩器中的中间冷却器，以提供第一压缩器的级间冷却。

在一个实施例中，冷却器中的至少一个包括用于在第一成分已经被压缩之后冷却该第一成分的压缩器后冷却器。

在一个实施例中，冷却器中的至少一个包括在第一成分被在压缩器中压缩之前冷却该第一成分的压缩器前冷却器。

在一个实施例中，至少一个冷却器具有冷却源。

在一个实施例中，冷却源是冷却水、周围空气或可除热的任何适当的致冷系统

在一个实施例中，被去除到至少一个冷却器的热量可用作任何其它适当处理的热源，诸如加热热水、产生低压蒸汽、脱盐作用、作为热泵蒸汽压缩系统的热量输入，或作为任何低温发电或致冷循环的热输入。

在一个实施例中，至少一个冷却器包括用于冷却液态第二成分的液体冷却器。

在另一个实施例中，当设备将液态第二成分与第一成分相混合时，液态第二成分处于环境温度。

在这些实施例中，第二成分在与第一成分混合时，会冷却第一成分。

优选地，至少一个冷却器用于确保进入设备的第一成分的温度低于设备将第二成分与第一成分混合时会导致第二成分蒸发的温度。

在一个实施例中，泵将液态第二成分的至少大部分压缩到高于环境压强的压强。

在一个实施例中，泵将液态第二成分的至少大部分压缩到的压强等于或约等于压缩器将第一成分压缩到的压强。

在一个实施例中，系统包括多个并联和/或串联的泵。

在一个实施例中，在第二成分(液体)通过设备与第一成分(气体)相组合后，工作流体是气液混合物。

在一个实施例中，膨胀器包括用于通过膨胀工作流体产生机械功的任何适当单元。

在一个实施例中，膨胀器可以是涡轮机、容积式旋转膨胀器、涡杆式膨胀器、线性膨胀器，或往复式空气发动机。

膨胀器还可包括多个并联连接或串联连接的涡轮机、旋转膨胀器、线性膨胀器，或往复式空气发动机，膨胀器可以有也可以没有级间再加热。

膨胀器可以直接耦合到压缩器，也可以不直接耦合到压缩器，以驱动压缩器。

在一个实施例中，膨胀器的形式为涡轮机。

在一个实施例中，涡轮机具有间距可变的刃片(variable pitch blade)。

应注意，系统可包括任意数目的设置成并联或串联的多个膨胀器和/或压缩器。

加热器向来自任何适当热源的工作流体提供热量输入。

在一个实施例中，加热器将工作流体加热成超临界气体。

在一个实施例中，加热器的热源可以是由例如核能、煤或其它可燃燃料、来自燃气涡轮机的热废气、来自任何其它处理的废热、来自炉子的直接热量、电热或太阳能热量、存储的热量或热能电池所产生的蒸汽或任何其它被加热的介质

在一个实施例中，热力发动机系统还包括用于在工作流体离开换热器后冷却工作流体的冷凝器。

在一个实施例中，冷凝器被设置成将工作流体的第二成分基本上冷凝成液体。

冷凝器的形式可以是位于能够回收冷凝物的压力通风系统(plenum)内部的管壳热交换器、散热器、蛇形盘管中带有冷却流体的带散热片的冷却盘管，冷凝器的形式还可以是任何其它适当冷凝器。

在一个实施例中，冷凝器的一侧接收离开换热器的冷凝侧的工作流体。

在一个实施例中，冷却流体流过用于冷却工作流体的冷凝器的另一侧，以便将工作流体第二成分的大部分冷凝成液体。

冷却流体可以是温度等于或低于环境条件的空气、任何成分的制冷剂，或者水或盐水。

在一个实施例中，冷凝器从工作流体去除的热量可用作任何其它适当系统的热输入，诸如外部热力发动机、热泵、致冷循环、脱盐作用，或用于对水进行加热的处理。

在一个实施例中，冷凝器是用于在第二成分冷凝时将第二成分与第一成分分离开的分离器。

在一个实施例中，被分离的第二成分被再循环到设备。

在此实施例中，剩余工作流体包括第一成分和保持为气体的第二成分的任意部分，该剩余工作流体流到压缩器的入口。

在一个实施例中，系统包括多个并联和/或串联的冷凝器。

在一个实施例中，系统还包括负载，该负载连到膨胀器，以便将膨胀器产生的功转化成机械能或电能。

在一个实施例中，系统是封闭系统，除了对附带损失进行更换之外，该系统在系统工作期间基本上没有质量输入或输出。

在一个实施例中，系统包括用于更换任何附带损失的对工作流体的加满补给。附带损失可能由于例如泄露、维护，或者高压或高温释放而导致。

在一个实施例中，系统还包括用于对系统工作期间在换热器中转移的能量进行控制的能量转移控制器。

在一个实施例中，能量转移控制器通过改变膨胀器入口处的条件，并因此改变在膨胀器中所作的膨胀操作，从而改变膨胀器出口处的条件，来控制换热器中的能量转移。

在一个实施例中，能量转移控制器通过改变在设备中与第一成分相混合的液态第二成分的量，来控制换热器中的能量转移。

在一个实施例中，系统包括质量流控制器，其用于相对于第一成分的质量流率控制第二成分的质量流率。

在一个实施例中，质量流控制器包括对于泵的可变速度控制。

在一个实施例中，质量流控制器包括泵转向器，其被设置成将来自泵的出口的第二成分的流转向到泵的入口。

在一个实施例中，质量流控制器包括位于压缩器中的可变入口导片。

在一个实施例中，质量流控制器包括对于压缩器的可变速度控制。

在一个实施例中，质量流控制器包括压缩器转向器，其被设置成将来自压缩器的出口的第一成分的流转向到压缩器的入口。

在一个实施例中，质量流控制器包括在设备上适当装设阀门。

在一个实施例中，系统包括位于压缩器上游的能量存储单元，该能量存储单元用于存储被压缩的工作流体(主要为第一成分，还包括任意气态的第二成分)，特别地在例如启动期间使用。

在另一个实施例中，通过向压缩器、泵和膨胀器轴供应能量，可实现启动。

在一个实施例中，工作流体的第一成分和第二成分是彼此基本上互为惰性的物质。

在一个实施例中，第一成分和第二成分不会彼此相互发生反应，基本上也不会发生一种物质溶解到另一种物质中的情况，基本上也不会在高温下分解。

在一个实施例中，第二成分是在从液态变成气态时体积膨胀比很高的物质。

在一个实施例中，第一成分是在作为气体时能够被高度压缩的物质。

在一个实施例中，第一成分可以是，例如：氮、氩、氦、氢或甲烷。

在一个实施例中，第二成分可以是，例如：水、丙烷、丁烷、乙醇或二氧化碳。

优选工作流体为：氮作为第一成分，水作为第二成分。

在一个实施例中，工作流体可包括第一成分和第二成分以外的其它成分。通常，这些添加成分中的每一成分在系统中都遵循第一成分(作为气体)或第二成分(作为液体和气体)的流动路径。

在一个实施例中，加热器是热交换器。

在一个实施例中，加热器是再生加热器。

在一个实施例中，再生加热器包括至少一体积的材料，该至少一体积的材料设置成被加热到等于或高于材料的熔化温度的温度，加热器还包括通过至少一体积的材料的通道，以便工作流体能从其中流动通过。

在一个实施例中，再生加热器包括至少两体积的材料，优选地包括三体积的材料。加热器可包括三体积以上的材料。

在一个实施例中，当再生加热器包括至少两体积的材料时，通道被设置成，使工作流体依次流动通过这些体积的材料。

然而，在其它实施例中，通道可设置成，使工作流体并行地流动通过这些体积的材料。

在一个实施例中，用在穿过该(一个或多个)体积的材料之间的空间中流过的加热流体，来加热该(一个或多个)体积的材料。

加热流体可以是，例如，由核能、煤或其它可燃燃料产生的蒸汽或任何其它被加热的介质，或是来自燃气涡轮机的热废气。

在一个实施例中，工作流体流动通过的通道与加热流体流动通过的空间相分离。

在其它实施例中，可用任何其它适当方法来加热一体积或多体积的材料，诸如用另一个处理的废热加热、用炉子直接加热、利用电热或太阳能热来加热。

在一个实施例中，当再生加热器包括至少两体积的材料时，各体积中的材料是不同的。优选地，不同材料具有不同熔化温度。

在一个实施例中，材料的熔化温度按照从第一体积到最后一体积的顺序逐渐降低，通道被设置成使得工作流体首先通过最后一体积而最后通过第一体积。

在一个实施例中，工作流体与加热流体逆向流动。这样，空间被设置成使得加热流体首先流动通过第一体积，最后通过最后一体积。

在一个实施例中，各体积的材料中的至少一体积材料包含两种或更多不同材料的混合物。

在一个实施例中，该体积的或每体积的材料混合物的其中一种材料用于改善该体积或每体积材料的热转移。这种材料可以是石墨。

在一个实施例中，该体积的或每体积的材料混合物的其中一种材料，用于影响该体积或每体积材料的熔化温度。

在一个这样的实施例中，铝与硅相混合，以降低该体积材料的熔化温度。

在一个实施例中，当再生加热器包括至少两体积的材料时，各体积中的材料中的均是由相同材料构成但各材料的比例不同的混合物。

优选地，不同比例具有不同的熔化温度。

各体积中的材料可称为“相变材料”或“PCM”。可利用任何适当的相变材料。

在本发明的一个实施例中，当再生加热器包括三体积的材料时，第一体积含有硅，熔化温度约为1410℃，第二体积含有氟化锂，熔化温度约为870℃，并且第三体积含有氧化镁或方解石，熔化温度约为560℃。

在一个实施例中，一体积或多体积的材料都装在容器中，这种容器能够经受的住其中装有的已熔材料的温度。

在一个实施例中，容器由陶瓷制成，优选地由碳化硅制成。

在一个实施例中，再生加热器还包括位于加热器的入口和出口处的多个阀，这些阀可用于控制穿过加热器的工作流体和加热流体的流速，以维持各体积中的材料的温度，以便将这些材料保持在熔化状态，并控制工作流体在离开加热器时的温度。

在一个实施例中，系统包括多个再生加热器。在一个这种实施例中，系统包括三个再生加热器，这种情况下，当一个加热器在工作时，第二个加热器处于等待工作的状态，而第三个被关闭以便进行维护。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于产生功的方法，该方法包括以下步骤：

在压缩器中压缩工作流体的第一成分，该第一成分在执行该方法的期间一直都是气体；

在泵中压缩作为液体的工作流体的第二成分的至少大部分；

在设备中将作为液体的第二成分与第一成分相混合；

在加热器中对被混合的第一成分和第二成分进行加热；

在膨胀器中膨胀被加热的第一成分和第二成分，以产生功；以及

在换热器中，将已经被膨胀的工作流体的至少一部分能量转移给在加热器中加热之前的工作流体，其中被转移的能量的主要部分是在工作流体已经在膨胀器中被膨胀之后的第二成分的潜热的至少一部分。

在一个实施例中，将第二成分与第一成分混合的步骤包括将液态第二成分喷射到其中有第一成分的空间中。

在另一个实施例中，将第二成分与第一成分混合的步骤包括将第一成分扩散到液态第二成分中。

在一个实施例中，将第二成分与第一成分混合的步骤发生在压缩第一成分和压缩第二成分的至少大部分的步骤之后。

优选地，在换热器中转移的能量的一部分是显热。

在一个实施例中，在换热器中转移至少一部分能量的步骤，在第二成分在加热器中被加热之前将第二成分的至少一部分从液体转变为气体。

在一个实施例中，在换热器中转移至少一部分能量的步骤，在第二成分已经在膨胀器中被膨胀之后将该第二成分的至少一部分从气体转变为液体。

在一个实施例中，方法还包括在工作流体已经被膨胀之后将工作流体的液态部分与气态部分分离开的步骤。

在一个实施例中，分离步骤至少部分在换热器中进行。

优选的，本发明提供的方法是闭合循环方法，还包括重复执行该方法的在换热器中工作流体的至少一部分能量已经被转移给将要在加热器中被加热的工作流体之后的各个步骤的步骤。

在一个实施例中，该方法还包括使第一成分返回到压缩器的步骤。

在一个实施例中，该方法还包括使第二成分的至少大部分返回到泵的步骤。

在一个实施例中，在至少两个阶段中发生压缩第一成分的步骤。

在另一个实施例中，压缩第一成分的步骤仅仅在一个阶段中发生。

在一个实施例中，该方法还包括在将第一成分和第二成分混合之前冷却第一成分和/或第二成分的步骤。

在一个实施例中，冷却步骤包括利用中间冷却器在压缩器的各阶段中的至少两个阶段之间冷却第一成分。

在一个实施例中，冷却步骤包括在压缩第一成分的步骤之后，优选地在第一成分与第二成分混合之前，冷却第一成分。

在一个实施例中，冷却步骤包括在压缩第一成分的步骤之前冷却第一成分。

在一个实施例中，冷却步骤包括在将第二成分与第一成分相混合之前冷却第二成分。

在一个实施例中，液态第二成分在设备中与第一成分相混合时，液态第二成分处于环境温度。

在一个实施例中，压缩第二成分的至少大部分的步骤将第二成分的至少大部分压缩到高于环境压强的压强。

在一个实施例中，压缩第二成分的至少大部分的步骤将第二成分的至少大部分压缩到的压强等于或高于在压缩器中将第一成分压缩到的压强。

在一个实施例中，该方法包括以下步骤：在将第一成分与第二成分相混合的步骤之前，将第一成分的温度维持到比能在混合步骤期间使第二成分发生汽化的温度低的温度。

在一个实施例中，将工作流体的液态部分与气态部分分离开的步骤，包括将作为液体的第二成分的至少大部分与作为气体的第一成分分离开。

通常，分离步骤并不将所有第二成分都彻底与第一成分分离开。第二成分的一部分仍保留在气体状态，并与第一成分相混合。

在一个实施例中，分离步骤至少部分在换热器中进行。

在一个实施例中，将第一成分与第二成分分离开的步骤至少部分在冷凝器中进行，并且优选地在工作流体的至少一部分能量已经在换热器中被转移到将要在加热器中被加热的工作流体之后进行。

在一个实施例中，将第一成分与第二成分分离开的步骤包括冷却工作流体，以将第二成分的至少大部分冷凝。

在一个实施例中，该方法还包括对换热器中转移的能量进行控制的步骤。

在一个实施例中，对换热器中转移的能量进行控制的步骤包括在膨胀器中膨胀工作流体之前改变工作流体的条件。

在一个实施例中，对换热器中转移的能量进行控制的步骤，包括改变在设备中与第一成分相混合的第二成分的量。

在一个实施例中，该方法还包括相对于第一成分的质量流率控制第二成分的质量流率的步骤。

在一个实施例中，加热步骤包括：例如通过利用热量交换器中的加热介质，将热量从高温热源转移到加热器中的工作流体。

在一个实施例中，加热步骤包括使混合的第一成分和第二成分流动通过至少一体积的材料，该至少一体积的材料被加热到等于或高于材料的熔化温度的温度。

在一个实施例中，加热步骤包括使混合的第一成分和第二成分流动通过至少两体积的材料，优选地通过三体积的材料。

在一个实施例中，加热步骤还包括利用加热流体来加热至少一体积的材料。

在一个实施例中，加热至少一体积的材料包括使加热流体流动通过一体积或多体积的材料之间的空间。

在一个实施例中，加热步骤包括使加热流体以与混合的第一成分和第二成分流动方向逆流的方向流动通过至少一体积的材料。

在一个实施例中，加热步骤包括将工作流体加热成超临界气体。

附图说明

以下将参考附图通过举例的方式来描述本发明的实施例，在各附图中：

图1是根据本发明的实施例的热力发动机系统的示意图；

图2是根据本发明的实施例的用于加热热力发动机系统的工作流体的热力发动机再生加热器的示意图；以及

图3是根据本发明实施例的热力发动机系统的模型的示意图。

具体实施方式

首先参考图1，示出了根据本发明实施例的热力发动机系统10。热力发电机系统10通过膨胀工作流体来产生功。工作流体包括第一成分和第二成分，第一成分在整个系统10中始终为气体。系统10包括设备11，设备11用于将工作流体的第一成分与液态的工作流体的第二成分混合起来。设备11可包括喷射器(injector)或喷雾器(atomiser)，其将液态第二成分以薄雾的形式喷射到存在第一成分的充分大的体积中。可替代地，设备11可包括被设置成将第一成分扩散到液态第二成分中的扩散器(diffuser)。

系统10还包括用于压缩工作流体的第一成分的压缩器12、用于压缩第二成分的至少大部分的泵19、用于加热第一成分和第二成分的加热器13，和用于膨胀第一成分和第二成分以便产生功的膨胀器14。设备11设置在压缩器12和泵19之后，以便使液体状的第二成分与气体状的第一成分能够在被压缩之后与彼此相混合。

系统10还包括换热器15，其用于将来自膨胀器14出口的工作流体的一部分能量转移到来自设备11出口的工作流体。在换热器15中转移的大部分能量是工作流体的第二成分的潜热的至少一部分(即，与例如液态与气态之间的材料状态改变有关的能量)。通常在换热器15中还会转移工作流体的一部分显热。在换热器15中，来自设备11出口的第二成分的至少一部分(为液体)被转换成气体，而来自膨胀器14出口的第二成分的至少一部分(为气体)被转换成液体。

工作流体的第二成分的状态改变使工作流体的体积发生很大的膨胀，因此对于相同的质量流率(mass flow rate)，与传统布雷顿循环中的气体涡轮机相比，这会大大增加通过的容积流量，从而大大增加膨胀器14产生的功。此外，在换热器15中对能量的再利用，特别是对潜热的再利用，减少了加热器13的负担，从而减少了系统10的能量输入。这些因素使得与同等尺寸的传统系统相比，系统10工作的功率比较大，工作效率得到了改善，而(在膨胀器14中)产生相同功所消耗的净能量更少。

压缩器12具有由中间冷却器18提供的级间冷却。这样设置的主要目的是确保：进入设备11的第一成分的温度比在设备11中第二成分与第一成分混合时致使第二成分汽化的温度低。这使得换热器15能更有效地如上述那样转移工作流体第二成分潜热的主要部分。确保离开压缩器12的第一成分的温度是，可替代地，可通过以下处理(或者与中间冷却器18结合)提供的温度：对第一成分进行压缩后冷却，对第一成分进行压缩前冷却，或在第二成分在图1中示出的设备11中与第一成分相混合之前对第二成分进行预先冷却。

中间冷却器18具有冷却源(与上述的任何其它冷却器一样)，用于在压缩器12的各级之间冷却第一成分。冷却源可以是冷却水、周围空气或可从第一成分去除热量的任何适当的致冷系统。应注意，压缩器12通过(利用中间冷却器，或者通过压缩先冷却或压缩后冷却)冷却第一成分而去除的热量可用作任何其它适当处理的热量输入，诸如用于对热水进行加热、产生低压蒸汽、去盐作用、作为热泵蒸汽压缩系统的热输入，或用于任何低温发电厂或致冷循环。

压缩器12是任何适当的压缩器，诸如轴向式压缩机、离心式压缩机、往复式空气压缩机或螺旋式压缩机(scroll compressor)。

膨胀器14包括用于通过膨胀工作流体来产生机械功的任何适当单元。膨胀器14可直接或间接耦合到压缩器12。膨胀器14可以是，例如，涡轮机、容积式旋转膨胀器、线性膨胀器、涡杆式膨胀器或往复式空气发动机。膨胀器14还可以包括并联或串联的多个涡轮机、旋转膨胀器、线性膨胀器或往复式空气发动机，其中可带有也可以不带有级间再加热。在图1所示的实施例中，膨胀器14的形式为可具有也可以不具有间距可变的刃片(variable pitchblade)的涡轮机。在此实施例中，膨胀器14出口处的所有工作流体都处于气相形式。当然，应理解，系统10可包括任何数目的并联或串联设置的多个膨胀器和/或压缩器。

加热器13为来自任何适当热源的工作流体提供热输入，这些热源将工作流体加热成超临界气体(确保所有第二成分都被汽化)。加热器13的热源可以是，例如，蒸汽或由核动力、煤或其它可燃燃料产生的任何其它被加热的介质、来自燃气涡轮机的热废气、来自任何其它处理的废热、用炉子直接加热、太阳能热、电热、存储的热量或热能电池。图2中示出了提供来自存储热源的热输入的一种适当的加热器13，在说明书中将对这种加热器进行更详细的描述。

热力发动机系统10还包括冷凝器16，其用于在工作流体离开膨胀器14(也可以是换热器15)后对工作流体进行冷却，以便基本上将工作流体的第二成分冷凝成液体。这使得在第一成分(和任何残留的气态的第二成分)在压缩器12中被压缩之前，能够容易地将第二成分的主要部分与(作为气体的)第一成分分离开。被分离的第二成分被再循环到泵19中。

系统10还包括与膨胀器14相连的负载，用于将膨胀器14产生的功转换成机械能或电能。

系统10是封闭系统，从理论上讲，除了对附带损失(incidental loss)的补偿以外，在系统10的工作期间没有质量输入或输出。然而，由于某些附带损失，诸如因为泄露、维护，或高压或高温释放导致的附带损失，可能需要提供对工作流体的第一成分和第二成分中的任一部分的加满。

以下将大体描述系统10的操作：

工作流体的气态第一成分通过入口20进入压缩器12，并在其中被压缩。对工作流体第一成分的压缩趋向于升高它的温度，但，中间冷却器18确保了这种温度升高并不会大到足以使第一成分的温度比与第二成分混合时致使第二成分汽化的温度还高。

第一成分从压缩器12的出口21流动到设备11，在设备11中，液态第二成分在泵19中压缩后通过第二成分入口22与第一成分相混合。液态第二成分可处于环境温度(或更低温度)，并且可冷却工作流体。在与第一成分相混合之前，液态第二成分在泵19中被压缩到比环境压强高的压强，并且优选地，其被压缩到的压强等于或约等于压缩器12出口处的第一成分的压强。因为工作流体的气态和液态成分分别在压缩器12和泵19中被压缩，压缩器12可比对全部为气体的等质量流率的工作流体进行压缩的压缩器小。这对系统是有利的，因为压缩气体比(在泵中)压缩等质量流率的液体需要的功要多得多。因此，通过泵19和压缩器12的这种布置，改善了系统的总体效率。作为气体-蒸汽混合物的工作流体通过出口23离开设备11。

换热器15的形式通常为管壳式热交换器，优选地为降膜式冷凝器，包括沸腾侧24(壳)和冷凝侧25(管)。来自设备11的出口23的工作流体进入换热器15的沸腾侧24，在沸腾侧24中，工作流体的第二成分因为其从冷凝侧25上的工作流体接收能量而基本上沸腾。

工作流体离开换热器的沸腾侧24，流到加热器13的入口26，并在加热器13中被加热。工作流体从加热器13流动到膨胀器14的入口27。工作流体在膨胀器14中被膨胀，从而产生功。因此，膨胀器14的出口28处的工作流体的压强和温度都比较低。在图1所示的实施例中，膨胀器14的出口28处的工作流体的条件是使得第一成分和第二成分均为气体。来自膨胀器14的出口28的工作流体被换热器15的冷凝侧25所接收，在冷凝侧25中，工作流体的第二成分基本上冷凝，因为其失去了转移给沸腾侧24上的工作流体的能量。

换热器15还被设置成用作冷凝侧的分离器，用于将工作流体的液态部分(第二成分)与气态部分(主要是第一成分)分离开。

工作流体的气态部分，离开换热器15的冷凝侧，进入冷凝器16的一侧。冷凝器16可以是位于能够回收冷凝物的压力通风系统内部的管壳热交换器，但是，可替代地，也可以是散热器、蛇形盘管中带有冷却流体的带散热片的冷却盘管，冷凝器16还可以是任何其它适当的冷凝器。冷却流体29(可以为空气、水或温度等于或低于环境条件的任何成分的制冷剂)流动通过冷凝器16的另一侧，冷却工作流体，使得工作流体的(剩余的)第二成分大部分被冷凝成液体。液体的第二成分与冷凝器16中的第一成分被分离开，这样就起到了分离器的作用。分离出的第二成分30被再循环到泵19。剩余的工作流体包括第一成分和保持为气体状态的第二成分的任意部分，该剩余的工作流体流到压缩器12的入口20。

离开换热器15的冷凝侧25的工作流体的液态部分可从旁路绕过冷凝器16，并流到泵19，如图1所示。然而，在可替代结构中，离开换热器15的冷凝侧25的工作流体的液态部分也可以被传送到冷凝器16。泵19将液态第二成分从冷凝器16和换热器15抽运回设备11。值得注意的是，在系统10的工作期间，利用能量转移控制器来控制在换热器15中进行的能量转移，以维持最优的系统效率。这一点与传统热力发动机相比，整个膨胀器14的条件都受控制。在换热器15的冷凝侧25和沸腾侧24的入口和出口处的温度和压强传感器监视整个换热器15的条件。因此，通过改变膨胀器入口处的条件并接着改变膨胀器14中进行的膨胀，继而改变膨胀器14的出口28处的条件，来控制在换热器15中的能量转移。可通过，例如，改变压缩器12和/或泵19中执行的压缩的量以及改变转移到加热器13中的工作流体的热量，来改变膨胀器入口处的条件。能量转移控制器还可以通过改变在设备11中与第一成分相混合的液态第二成分的量，来控制在换热器15中转移的能量。

系统10还可以包括质量流控制器，用于相对于第一成分的质量流率控制第二成分的质量流率。如果相对于第一成分，第二成分的质量流率变得太高，那么第二成分可能不能完全蒸发，这会引起某些问题，尤其是在采取涡轮机形式的膨胀器14中。质量流控制器可包括分别关于压缩器12和泵19的可变速度控制器。对于压缩器12，可替代地，质量流控制器可包括可变入口导片。质量流控制器可追加地或可替代地包括位于压缩器12和/或泵19上的转向器，该转向器将来自压缩器和/或泵的出口的流转向到它们各自的入口。质量流控制器还可包括在设备11上适当地装设阀门。

系统还可包括位于压缩器12上游的能量存储单元，用于存储来自压缩器的压缩工作流体。能量存储单元尤其可在系统10启动期间使用，在系统10启动期间，膨胀器14逐渐从零容量增大到全容量。通过从旁路绕过膨胀器14，将一部分工作流体转向到能量存储单元，而并不在此时浪费来自压缩器的压缩工作流体的能量。一旦膨胀器14已经达到全容量，则可将能量存储单元中保留的工作流体再引入到系统循环中。可替代地，可通过向压缩器、泵和膨胀器轴提供能量，来启动系统10。

这些系统控制器为系统10提供了高度的操作灵活性，这样就使系统10(尤其是膨胀器14)能够在负载17变化的情况下更接近地跟随负载。例如，质量流控制器使泵19和压缩器12能分别降到它们全负载的30-50％。

工作流体的第一成分和第二成分应该是在化学上和物理上都基本上为相互惰性的物质，即，它们不会与彼此发生反应，也不会发生一种物质基本上溶解到另一种物质中的情况，也不会在高温下发生分解。还希望第二成分是在从液态变成气态时体积膨胀比很高的物质。更进一步，还希望第一成分是在作为气体时能够被高度压缩的物质。第一成分可以是，例如，氮、氩、氦、氢或甲烷。第二成分可以是，例如，水、丙烷、丁烷、乙醇或二氧化碳。优选工作流体为：氮作为第一成分，水作为第二成分。应注意，工作流体可包括第一成分和第二成分以外的成分，即，不同的物质。然而，这些附加成分中一般将分别遵循上述的第一成分(作为气体)或第二成分(作为液体和气体)在系统中的流动路径。

现在参考图2，一个实施例中示出了作为再生加热器的加热器13。应注意，在其它实施例中，加热器13可以是热交换器或另一种类型的适当加热器。图2中的加热器13包括第一体积材料40、第二体积材料41和第三体积材料42。容易理解，加热器13可包括比图2所示的情况更少体积或更多体积的材料。体积40、41和42被设置成被加热到材料的融化温度或被加热到高于该融化温度。加热器13还包括穿过这些体积的材料40、41和42的通道，以便工作流体能够流动通过这些体积。这样，工作流体就被这些体积的材料40、41和42所加热。在图2所示的实施例中，通道被设置成使工作流体能依次流动通过体积40的材料、体积41的材料和体积42的材料。然而，在其它实施例中，可将通道设置成使工作流体能并行地通过体积40的材料、体积41的材料和体积42的材料。

在图2所示的实施例中，利用在穿过体积40的材料、体积41的材料和体积42的材料的空间中流过的加热流体，来加热体积40、41和42的材料。加热流体可以是由核能、煤或其它可燃燃料产生的蒸汽或任何其它加热介质，或是来自燃气涡轮机的热废气。体积40、41和42的材料可用任何其它适当方法来加热，诸如用另一个处理的废热加热、用炉子直接加热、利用电热或太阳能热来加热。工作流体流动通过的通道与加热流体流动通过的空间相分离。这使得加热器13能够连续操作，还能够防止两种流体的混合，这就避免了诸如对工作流体的污染，特别是灰尘污染，氧化作用和碳化作用等问题。

体积40、41和42中的材料可以是不同的，并且在一个实施例中，材料的熔化温度按照从第一体积40到第三体积42的顺序逐渐降低。所用的这些材料可被称为“相变材料”或“PCM”。可利用任何适当的相变材料。然而，在本发明的一个实施例中，第一体积40含有硅，熔化温度约为1410℃，第二体积41含有氟化锂，熔化温度约为870℃，第三体积42含有氧化镁或方解石，熔化温度约为560℃。体积40、41和42的材料都装在容器中，这种容器的材料能够经受得住其中装有的已熔化材料的温度。在这点上，特别适合的材料是陶瓷材料，优选的是碳化硅。

在另一种安排中，体积40、41和42的材料可含有两种或更多种不同材料的混合物。在一种形式中，40、41和42之中的每体积材料都包括由相同材料构成但材料的比例不同的混合物。不同比例优选地具有不同熔化温度，这样就能将流动通过体积40、41和42的材料的工作流体逐渐加热。在这方面，每体积的材料的混合物中的至少一种材料是用于影响该体积材料的熔化温度的。例如，可将铝混合到硅中，以降低硅的熔化温度。可替代地，或者可追加地，材料混合物中的一种材料可以用于改善该体积材料的热转移。这种材料是，例如，石墨，其可以被添加到诸如氟化锂、氧化镁、方解石或氯化钠这样的盐中，以改善这些材料的热转移。有利地，这使体积40、41和42的材料能够更快地达到它们的熔化温度，以及改善从体积40、41和42的材料到工作流体的热转移。这继而使得能够更快地启动和关闭系统10。

工作流体相对于加热流体逆向流动，通过入口26进入加热器13，首先由温度最低的一体积的材料(在此情况下为第三体积42)加热，而最后由温度最高的一体积的材料(在此情况下为第一体积40)加热，之后离开加热器，去到膨胀器14的入口27。加热流体以相反的顺序加热体积40、41和42，即，其通过入口43进入加热器13，首先对需要处于最高温度的第一体积40进行加热，最后对第三体积42进行加热。

在另一个实施例中，40、41、42之中的每一体积或两体积中的材料是相同的。在此实施例中，通过利用串行的加热流体不能很容易地将这些体积加热到等于或高于材料的熔化温度，因为在加热流体流动通过加热器13时，在流动通过体积40、41、42时会损失能量和热量。这样，此实施例中的体积40、41、42可能需要被并行加热，或可替代地用不同热源来加热。

加热器13还包括位于加热器13的入口和出口上的多个阀45，其可用于控制通过加热器13的工作流体和加热流体的流速，以便维持体积40、41、42中的相变材料的温度，以便使它们处于熔化状态，并控制工作流体离开加热器时的温度。

还相对于工作流体在加热器13的出口(即，膨胀器14的入口27)处的温度来对工作流体的流速进行控制。膨胀器的入口27处所需的工作流体的温度远远小于硅的熔化温度(因此小于第一体积40的温度)。如果膨胀器的入口27处的工作流体处于该温度(约为1410℃)，那么这会对膨胀器14造成伤害。因为该温度差异很大，加热器13有利地使得热力发电机系统10能够迅速启动。

可以通过调制旁通控制阀来改变和控制膨胀器入口的温度，旁通控制阀用于变换再生加热器13周围的流动方向。这将允许用可变输出来精确地设置膨胀器入口的温度。这种水平的温度控制不能由依赖于内燃机的传统气体涡轮机来实现。并且，当这种控制与上述的其它控制元件一起使用时，可在关闭系统时获得良好的效率。

例子

在

中构造出根据本发明实施例的热力发动机系统的一种模型。图3提供了这种模型的示意图。该模型是在作为第一成分的氮和作为第二成分的水的质量流率比例约为1∶1的基础上制备的。为该模型假设的其它参数包括：

·环境温度为35℃(针对昆士兰州的环境温度条件)

·压缩器的压缩比为6.2∶1

·压缩器的效率为85％

·设备的压降为5KPa，换热器沸腾侧的压降为30KPa，加热器的压降为20KPa，换热器冷凝侧的压降为300Pa

·换热器冷凝侧的出口温度为60℃。

下表1列出了在图3所示的系统中的点A-I处的条件。

表1

	A(氮)	B(水)	C	D	E	F	G	H	I
										温度(℃)	35.00	35.00	273.5	45.91	617.6	1100	742.9	60.00	35.00
压强(kPa)	100.0	620.0	620.0	620.0	590.0	570.0	103.0	100.00	100.0
										总质量流(kg/s)	1.000	0.9256	1.000	1.926		1.926
总体积流(m3/h)		3.332	963.3	540.5
										蒸汽分数				0.3979				0.4910
质量分数(H2O)				0.5005

通过计算，该模型系统在效率为58.95％时，产生0.9736MW的净轴功率输出。

在所附权利要求和本发明的以上描述中，除了上下文要求以外，在其它情况下，因为表达语言或必要的含义，词语“包括”或其时态变形，诸如“包括了”或“包括着”在使用时，具有包括在内的意思，即，指定所陈述的特征存在，而并不排除存在或增加本发明各实施例中的其它特征的情况。

Claims (55)

1.一种热力发动机系统，用于通过使包括第一成分和第二成分的工作流体膨胀来产生功，该系统包括：

用于将所述工作流体的作为液体的第二成分与在整个系统中始终为气体的第一成分混合起来的设备；

用于压缩所述第一成分的压缩器；

用于压缩所述第二成分的至少大部分的泵；

用于加热所述第一成分和第二成分的加热器；

用于膨胀所述第一成分和第二成分以产生功的膨胀器；以及

换热器，该换热器用于将来自所述膨胀器的出口的工作流体的至少一部分能量转移给来自所述设备的出口的工作流体，

其中，在所述换热器中转移的能量的主要部分，是来自所述膨胀器的出口的第二成分的潜热的至少一部分。

2.如权利要求1所述的热力发动机系统，其中所述设备被设置成将液态的所述第二成分喷射到其中具有所述第一成分的空间中。

3.如权利要求1所述的热力发动机系统，其中所述设备被设置成将所述第一成分扩散到液态的所述第二成分中。

4.如前述权利要求中任一项所述的热力发动机系统，其中所述换热器为管壳式热交换器的形式。

5.如前述权利要求中任一项所述的热力发动机系统，其中所述换热器为降膜式冷凝器的形式。

6.如前述权利要求中任一项所述的热力发动机系统，其中所述换热器被设置成，在来自所述膨胀器的出口的工作流体冷却时，提供对所述工作流体的液态部分与气态部分的分离。

7.如前述权利要求中任一项所述的热力发动机系统，其中所述系统还包括至少一个冷却器，该冷却器用于在所述第一成分和所述第二成分在所述设备中混合之前冷却所述第一成分和/或第二成分。

8.如权利要求7所述的热力发动机系统，其中所述冷却器中的至少一个包括位于所述压缩器中的中间冷却器，以提供对所述第一成分的级间冷却。

9.如权利要求7或8所述的热力发动机系统，其中所述至少一个冷却器或者所述至少一个冷却器中的至少一个包括用于在所述第一成分已经被压缩之后冷却所述第一成分的压缩器后冷却器。

10.如权利要求7至9中任一项所述的热力发动机系统，其中所述至少一个冷却器或者所述至少一个冷却器中的至少一个包括用于在所述第一成分在所述压缩器中被压缩之前冷却所述第一成分的压缩器前冷却器。

11.如权利要求7至10中任一项所述的热力发动机系统，其中所述至少一个冷却器或者所述至少一个冷却器中的至少一个包括用于冷却所述液态的第二成分的液体冷却器。

12.如前述权利要求中任一项所述的热力发动机系统，其中所述泵将所述液态的第二成分的至少大部分压缩到高于环境压强的压强。

13.如前述权利要求中任一项所述的热力发动机系统，其中所述泵将所述液态的第二成分压缩到等于或约等于所述压缩器将所述第一成分压缩到的压强。

14.如前述权利要求中任一项所述的热力发动机系统，其中所述系统还包括用于在来自所述膨胀器的工作流体离开所述换热器之后冷却该工作流体的冷凝器。

15.如权利要求14所述的热力发动机系统，其中所述冷凝器被设置成将来自所述膨胀器的工作流体的第二成分基本上冷凝成液体。

16.如权利要求14或15所述的热力发动机系统，其中所述冷凝器是用于在所述第二成分冷凝时将所述第二成分与所述第一成分分离开的分离器。

17.如前述权利要求中任一项所述的热力发动机系统，其中所述系统是封闭系统，除了对附带损失进行补偿之外，该系统在系统工作期间基本上没有质量输入或输出。

18.如前述权利要求中任一项所述的热力发动机系统，所述系统还包括用于对所述系统工作期间在所述换热器中的能量转移进行控制的能量转移控制器。

19.如前述权利要求中任一项所述的热力发动机系统，其中所述系统还包括质量流控制器，该质量流控制器用于相对于所述第一成分的质量流率控制所述第二成分的质量流率。

20.如前述权利要求中任一项所述的热力发动机系统，其中所述工作流体的第一成分和第二成分是基本上彼此互为惰性的物质。

21.如前述权利要求中任一项所述的热力发动机系统，其中所述第二成分是在从液体变为气体时具有高体积膨胀比的物质。

22.如前述权利要求中任一项所述的热力发动机系统，其中所述第一成分是作为气体的能够高度压缩的物质。

23.如前述权利要求中任一项所述的热力发动机系统，其中所述第一成分是氮，所述第二成分是水。

24.如前述权利要求中任一项所述的热力发动机系统，其中所述加热器包括至少一体积的材料，该至少一体积的材料设置成被加热到等于或高于所述材料的熔化温度，所述加热器还包括穿过所述至少一体积的材料的通道，以便所述工作流体从该通道中流动通过。

25.如权利要求24所述的热力发动机系统，其中使用在穿过所述至少一体积的材料的空间中流过的加热流体，来加热所述至少一体积的材料。

26.如权利要求24或25所述的热力发动机系统，其中所述加热器包括至少两体积的材料，各体积中的材料是不同的并且具有不同的熔化温度。

27.如权利要求26所述的热力发动机系统，其中所述材料的熔化温度按照从第一体积到最后一体积的顺序逐渐降低，所述通道被设置成使所述工作流体的流动首先通过最后一体积而最后通过第一体积。

28.如权利要求25所述的热力发动机系统，其中所述工作流体被设置成与所述加热流体的流动逆向流动通过所述至少一体积的材料。

29.如权利要求24至28中任一项所述的热力发动机系统，其中所述至少一体积的材料中的至少一体积包含两种或更多种不同材料的混合物。

30.如权利要求29所述的热力发动机系统，其中该体积材料或每体积材料的混合物的其中一种材料，用于改善该体积材料或每体积材料的热转移。

31.如权利要求29或30所述的热力发动机系统，其中该体积材料或每体积材料的混合物的其中一种材料，用于影响该体积材料或每体积材料的熔化温度。

32.一种用于产生功的方法，该方法包括以下步骤：

在压缩器中压缩工作流体的第一成分，所述第一成分在执行所述方法期间始终是气体；

在泵中压缩所述工作流体的第二成分的至少大部分，所述第二成分为液体；

在设备中将作为液体的所述第二成分与所述第一成分相混合；

在加热器中对被混合的所述第一成分和第二成分进行加热；

在膨胀器中膨胀被加热的所述第一成分和第二成分，以产生功；以及

在换热器中，将膨胀后的工作流体的至少一部分能量转移给在所述加热器中被加热之前的工作流体，其中被转移的能量的主要部分是在所述工作流体已经在所述膨胀器中被膨胀之后的第二成分的潜热的至少一部分。

33.如权利要求32所述的方法，其中，在所述换热器中转移至少一部分能量的步骤，在所述第二成分在所述加热器中被加热之前将所述第二成分的至少一部分从液体转变为气体。

34.如权利要求32或33所述的方法，其中，在所述换热器中转移至少一部分能量的步骤，在所述第二成分已经在所述膨胀器中被膨胀之后，将所述第二成分的至少一部分从气体转变为液体。

35.如权利要求33至34中任一项所述的方法，其中，所述方法是闭合循环方法，还包括重复执行该方法中的在所述换热器中所述工作流体的至少一部分能量被转移给将要在所述加热器中被加热的工作流体之后对所述工作流体执行的各步骤的步骤。

36.如权利要求32至35中任一项所述的方法，所述方法还包括将所述第一成分返回到所述压缩器的步骤。

37.如权利要求32至36中任一项所述的方法，还包括将所述第二成分的至少大部分返回到所述泵的步骤。

38.如权利要求32至37中任一项所述的方法，所述方法还包括在将所述第一成分和所述第二成分混合之前冷却所述第一成分和/或所述第二成分的步骤。

39.如权利要求38所述的方法，其中冷却步骤包括在所述压缩器的至少两个阶段之间利用中间冷却器冷却所述第一成分。

40.如权利要求38或39所述的方法，其中冷却步骤包括在压缩所述第一成分的步骤之后冷却所述第一成分。

41.如权利要求38至40中任一项所述的方法，其中冷却步骤包括在压缩所述第一成分的步骤之前冷却所述第一成分。

42.如权利要求38至41中任一项所述的方法，其中冷却步骤包括在将所述第二成分与所述第一成分混合之前冷却所述第二成分。

43.如权利要求32至42中任一项所述的方法，其中所述方法包括以下步骤：在将所述第一成分与所述第二成分混合的步骤之前，将所述第一成分的温度维持在比在混合步骤期间能够使所述第二成分汽化的温度低的温度。

44.如权利要求32至43中任一项所述的方法，其中所述方法还包括在所述工作流体已经被膨胀之后将所述工作流体的液态部分与气态部分分离开的步骤。

45.如权利要求44所述的方法，其中分离步骤至少部分地发生在所述换热器中。

46.如权利要求44或45所述的方法，其中分离步骤包括将作为液体的所述第二成分的至少大部分与作为气体的所述第一成分分离开。

47.如权利要求46所述的方法，其中将所述第一成分与所述第二成分分离开的步骤，包括冷却所述工作流体以冷凝所述第二成分的大部分。

48.如权利要求32至47中任一项所述的方法，其中所述方法还包括对所述换热器中转移的能量进行控制的步骤。

49.如权利要求48所述的方法，其中，对所述换热器中转移的能量进行控制的步骤包括，在所述膨胀器中膨胀所述工作流体之前，改变所述工作流体的条件。

50.如权利要求48或49所述的方法，其中，对所述换热器中转移的能量进行控制的步骤，包括改变在所述设备中与所述第一成分相混合的第二成分的量。

51.如权利要求32至50中任一项所述的方法，其中所述方法还包括相对于所述第一成分的质量流率控制所述第二成分的质量流率的步骤。

52.如权利要求32至51中任一项所述的方法，其中加热步骤包括使混合的第一成分和第二成分流动通过至少一体积的材料，该至少一体积的材料被加热到等于或高于所述材料的熔化温度。

53.如权利要求52所述的方法，其中加热步骤还包括利用加热流体来加热所述至少一体积的材料。

54.如权利要求53所述的方法，其中，加热步骤包括使所述加热流体以与混合的第一成分和第二成分的流动逆向流动通过所述至少一体积的材料。

55.如权利要求32至54中任一项所述的方法，其中加热步骤包括将所述工作流体加热成超临界气体。

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