CN101842558A - 用于将热能转化成机械能的方法和装置 - Google Patents

Abstract

在利用工作介质将热能转化成机械能时，所述工作介质由物质混合物形成，所述物质混合物包含至少两种具有不同沸点温度和冷凝温度的物质，其中所述工作介质被输送至冷凝器并且在该冷凝器中被冷凝，可能产生的问题在于，由于在冷凝器前物质混合物分层成液相，在冷凝器中的冷凝压力升高，进而用于产生机械能的效率降低。根据本发明如此克服所述问题，当工作介质在冷凝器(8)中冷凝前或期间，工作介质的液相与工作介质的蒸汽相混合。由此，可以再次产生均匀的物质混合物，所述物质混合物在比分层的工作介质更低的压力下冷凝，由此防止了效率降低。优选使用低温热源、例如地热流体、工业废热或内燃机废热的热能。

Description

用于将热能转化成机械能的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的、用于将热能转化成机械能的方法和根据权利要求10的前序部分所述的、用于将热能转化成机械能的装置；这种类型的方法或这种类型的装置例如在WO 2005/100755A1已知。

背景技术

近年来不同技术被研发用于具有最大400℃的温度的低温热源，例如地热流体或者工业废热，所述技术能使地热流体或者工业废热的热量以良好的效率转化成机械或电能。除了利用有机工作介质的朗肯循环(有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle)ORC)，特别是所谓的卡利纳(Kalina)循环过程，实现了比传统的有机朗肯循环明显更高的效率。在卡利纳循环过程的基础上，已经研发了用于不同应用的不同循环。所述循环应用两组分物质混合物(例如氨和水)代替水作为工作介质，其中充分利用两种物质的不同沸点温度和冷凝温度和混合物的由此引起的非等温沸腾过程和冷凝过程，以便相对于朗肯循环提高循环的效率。

这种卡利纳循环通常包括至少一个用于提高工作介质压力的泵、用于通过从外部热源、例如地热流体或者工业废热传递热来产生工作介质的蒸汽相的热交换器，以及用于膨胀蒸汽相并将其热能转化成机械能的膨胀装置，优选涡轮机。随后，工作介质的膨胀在冷凝器中利用冷却介质冷凝。

为了改善效率，还可以将其它部件接入循环。例如-如在WO2005/100755A1中示出-可以在热交换器和膨胀装置之间的循环中设有分离器，可以利用分离器，使当工作介质在热交换器中仅部分地蒸发时还存在的工作介质的液相在其被输送至膨胀装置之前与蒸汽相分离。随后，分离的液相可以通过在膨胀装置和冷凝器之间在循环中设置的混合装置与膨胀的蒸汽相汇流。其它热交换器可以设置成用于使热量从膨胀的工作介质传递至在输送至热交换器前的工作介质。

由EP 0756069B1已知的具有作为工作介质的氨/水混合物的卡利纳循环，附加地具有在循环中设置在冷凝器和泵之间的、用于使贫氨液体从工作介质流分离出的蒸馏单元。所述贫氨液体在输送至冷凝器前输送给在涡轮机中膨胀的工作介质。

在膨胀装置和冷凝器之间的线路连接中，由于部分地冷凝工作介质可能会出现在工作介质中液相的比例不断升高。将例如工作介质的在膨胀装置前分离的液相输入到膨胀的蒸汽相中，还导致在输送至冷凝器前的工作介质中液相的比例升高。液相的比例升高导致物质混合物的“分层”，且导致在连接线路中形成不均匀的、部分分层的两相流。

如果工作介质例如由氨-水混合物组成，则由此在线路连接中形成不均匀的、部分分层的、由富氨的饱和蒸汽和贫氨的冷凝水组成的两相流。这引起了：在冷凝器中部分地填充贫氨的冷凝水并且氨蒸气仅填充热交换器的剩余部分。填充的部分降低了冷凝器的效率。此外，富氨蒸气(例如包括95％的氨)的冷凝压力与均匀的水-氨混合物的冷凝压力相比明显较高。在冷凝器中的冷凝压力越高，要通过涡轮机消除的压力降越小。因此，所述循环在较差的效率下产生较小的机械功率或电功率。

发明内容

因此本发明的目的在于，如此改进根据权利要求1的前序部分所述的方法或根据权利要求10的前序部分所述的装置，使得可以避免这种效率损失。

涉及所述方法的目的的解决方案通过根据权利要求1所述的方法来实现。所述方法的有利的设计方案是权利要求2至9的主题。涉及所述装置的目的的解决方案通过根据权利要求10所述的装置来实现。所述装置的有利的设计方案是权利要求11至18的主题。

根据本发明的利用工作介质将热能转化成机械能方法，所述工作介质由物质混合物形成，所述物质混合物包含至少两种具有不同沸点温度和冷凝温度的物质，其中在膨胀装置中膨胀的工作介质作为具有液相和蒸汽相的两相流被输送至冷凝器并且在该冷凝器中被冷凝，在此提出，在两相流中，当工作介质在冷凝器中冷凝前或期间，使液相与蒸汽相混合。

由此，可以避免分层两组分物质混合物，并且在两相流中产生均匀的两组分物质混合物。均匀的两组分物质混合物当冷却介质温度在冷凝器中保持不变的情况下已经在较低的压力下冷凝。然而随着在冷凝器中变低的冷凝压力，要通过涡轮机消除的压力降升高，从而可以在较高的效率下产生更多的机械功率或电功率。

能够非常简单地如此混合液相与蒸汽相，即在两相流中使液相与蒸汽相分离，然后分离的液相与蒸汽相重新汇流。在此为了汇流，优选地将分离的液相喷淋到蒸汽相中。

在此，液相和蒸汽相的特别好地混合可以如此实现，即为了喷淋将分离的液相的压力值提高到高于蒸汽相的压力。因此，分离的液相在高压下被输送至蒸汽相。

在这种情况下，液相与蒸汽相的分离优选直接在冷凝器前实现，以避免在通至冷凝器的路径上两组分物质混合物再次分层。

混合本身同样可以直接在冷凝器前实现，但还可以直接在冷凝器中实现。

有利地，在此工作介质在封闭的循环中在冷凝后至少经过下述方法步骤：

-提高工作介质的压力，

-通过从外部热源传递热来产生工作介质的蒸汽相，以及

-使蒸汽相膨胀且将其热能转化成机械能。

在此，工作介质可以通过热传递完全蒸发(即仅存在蒸汽相)或者仅部分地蒸发(即存在蒸汽相和液相)。有利地，在仅部分地蒸发时，在蒸汽相膨胀前，工作介质的液相与蒸汽相分离，且在蒸汽相膨胀后，将液相重新输入到蒸汽相。因此，液相绕过用于使蒸汽相膨胀的膨胀装置。

然后，工作介质可以在膨胀后直接地或者通过一个或多个中间的热交换器输送给冷凝器，所述中间的热交换器将膨胀的蒸汽相的热量在工作介质至少部分蒸发前传递给工作介质。

优选地，地热流体、工业废热或者内燃机废热用作所述外部热源。

在此如果由氨和水组成的混合物用作所述工作介质，可以获得特别好的效率。

根据本发明提出一种利用工作介质用于将热能转化成机械能的装置，所述工作介质由物质混合物形成，所述物质混合物包含至少两种具有不同沸点温度和冷凝温度的物质，所述装置包括：用于冷凝工作介质的冷凝器，其中在膨胀装置中膨胀的工作介质在其被输送至所述冷凝器前作为具有液相和蒸汽相的两相流存在，所述装置还包括有混合装置，其用于在冷凝器中冷凝工作介质前或期间，使两相流的液相与两相流的蒸汽相混合。

有利地，所述混合装置具有用于使液相和蒸汽相分离的分离器和至少一个用于将分离的液相喷淋到蒸汽相中的喷嘴。

如果所述混合装置具有泵，能通过所述泵将分离的液相的压力值提高至高于蒸汽相的压力，则在喷淋时能特别好地混合两个相。

如果分离器沿工作介质的流动方向直接设置在冷凝器前，则可以防止在通至冷凝器的路径上两组分物质混合物再次分层。

所述至少一个喷嘴可沿工作介质的流动方向同样直接设置在冷凝器前或设置在冷凝器中。

根据一个特别有利的设计方案，所述工作介质在所述装置中能在封闭的循环中运行，所述循环沿工作介质的流动方向除了冷凝器外至少具有下述部件：

-用于提高工作介质压力的泵，

-用于从通过外部热源传递热来产生工作介质的蒸汽相的热交换器，

-用于膨胀蒸汽相并将其热能转化成机械能的膨胀装置、特别是涡轮机。

在此，所述工作介质能通过热传递完全蒸发(即仅存在蒸汽相)或者仅部分地蒸发(即存在蒸汽相和液相)。在仅部分地蒸发时，所述循环还有利地包括：设置在热交换器和膨胀装置之间的分离器，用于将液相与蒸汽相分离；以及设置在膨胀装置和混合装置之间的汇流装置，用于使分离的液相和膨胀的蒸汽相汇流。由此，液相可以绕过膨胀装置。

优选地，热源是地热流体、工业废热或内燃机废热。

有利地，工作介质是由氨和水组成的混合物。

附图说明

在附图中示出了本发明的实施例。其示出了：

下面，借助实施例参照附图详细阐述本发明以及根据从属权利要求特征的本发明其它有利的设计方案。其中示出：

图1示出根据本发明一个优选设计方案的循环，

图2示出用于两组分物质混合物在线路连接中分层的实施例，

图3示出用于多个冷凝器的共同喷淋的混合装置，

图4示出直接喷淋到冷凝器中的混合装置，

图5示出对每个单个冷凝器具有单独喷淋的混合装置。

具体实施方式

在图1示出的用于将热能转化成机械能的装置1包括有循环2，其中沿工作介质的流动方向依次设置下列主要部件：泵3，用于提高工作介质的压力；热交换器4，用于通过从外部热源5传递热形成工作介质的蒸汽相；涡轮机6，用于使工作介质的蒸汽相膨胀并将其热能转化成机械能；混合装置7，用于使工作介质的液相和蒸汽相混合；以及冷凝器8，用于借助冷却介质9完全冷凝工作介质。外部热源5例如地热流体、工业废热或内燃机的废热。涡轮机6例如驱动将机械能转化成电能的发电机(未示出)。

所述工作介质由一种物质混合物形成，所述物质混合物包括至少两种具有不同沸点温度和冷凝温度的物质。下面假设：由氨和水组成的混合物用作工作介质。

作为其它部件，循环2包括有设置在热交换器4和涡轮机6之间的用于使工作介质的液相与蒸汽相分离的分离器15，以及设置在涡轮机6和混合装置7之间的用于使分离的液相与膨胀的蒸汽相汇流的汇流装置16。

在循环2工作时，在冷凝器8之后的工作介质仅作为液体存在。液态工作介质借助泵3提升到更高的压力，然后在热交换器4中至少部分地蒸发，这就是说在热交换器后工作介质以蒸汽相和可能以贫氨的液相的方式存在。在分离器15中，使可能还存在的液相与蒸汽相分离。

蒸汽相在涡轮机6中膨胀且其热能被转化成机械能。随后所述机械能可以继续使用，例如用于生成电流。

在汇流装置16中，现在膨胀的蒸汽相与之前可能分离出的液相再次汇流。

在涡轮机6和冷凝器8之间的线路连接10中，由于膨胀的蒸汽相部分冷凝和可能通过汇流装置16输入的液相，而在氨-水混合物中造成液体含量升高，并且出现分层成富氨的饱和蒸汽11和贫氨的冷凝水12(参见图2)。因此，不均匀的、部分分层的工作介质流会被输送至冷凝器8。这会引起：在冷凝器8中部分地填充贫氨的冷凝水12，且富氨的饱和蒸汽11会填充其余的冷凝器。所填充的部分会降低冷凝器效率进而提高了冷凝压力，因为富氨的饱和蒸汽(约95％氨)的冷凝压力明显比均匀的水-氨混合物的冷凝压力更高。然而，随着在冷凝器中的冷凝压力升高，要通过涡轮机消除的压力降以及能产生的机械功率或电功率会降低。

为了避免这种效率降低，循环2具有混合装置7。混合装置7包括有用于使贫氨的液相与富氨的蒸汽相分离的分离器20，以及用于将分离的液相喷淋到蒸汽相中的喷嘴21，其中分离器20和喷嘴21沿工作介质的流动方向依次在涡轮机6和冷凝器8的之间设置在汇流装置16后的连接线路10中。在分离器20中分离的液相通过旁通管路14输送至喷嘴21。泵22和控制阀23接入旁通管路14。

在旁通管路14中输送的、分离的液相的压力值能通过泵22提高到高于在分离器20后的蒸汽相的压力。能借助控制阀23控制提供给喷嘴21的液相输送量。

分离器20沿工作介质的流动方向直接设置在冷凝器8前，以避免在其通至冷凝器8的剩余路径上工作介质再次分层。喷嘴21可以沿工作介质的流动方向直接设置在冷凝器8前或设置在其中。

因此，通过分离器20将富氨的蒸汽相与贫氨的液相分离。贫氨的液相通过旁通管路14输送至喷嘴21。在此，通过泵22将贫氨的液相的压力值提高到高于富氨的蒸汽相的压力。由此在喷嘴21中贫氨的液相在高压下喷淋到富氨的蒸汽相中。因此又可以产生均匀的氨-水混合物并且将其输送给冷凝器8，在冷却介质温度在冷凝器中保持不变的情况下，所述氨-水混合物在比富氨的蒸汽相低的压力时就已冷凝。然而随着在冷凝器中变低的冷凝压力，要通过涡轮机消除的压力降升高，进而循环可以在较高的效率下产生更多的电功率。

如果多个冷凝器8沿工作介质的流动方向并联-如在图3中示出-混合装置7设置有唯一一个分离器20以及唯一一个喷嘴21用于全部冷凝器8。分离器20和喷嘴21优选直接设置在冷凝器8前。对于全部冷凝器8，液相一起喷淋到蒸汽相中。

可替代地，如果多个冷凝器8沿工作介质的流动方向并联，混合装置7还可以设置有唯一一个分离器20并对于每个冷凝器8各设有一个或多个喷嘴21。在根据图4的实施例中，分离器20直接设置在冷凝器8前且喷嘴21设置在冷凝器8中。因此，液相直接地喷淋到冷凝器8中。在此，能借助共同的控制阀23对控制输送液相至喷嘴21。

喷嘴21还可以-如在图5中示出-直接设置在相应冷凝器8前，即对每个单个冷凝器8进行单独喷淋。在此能借助用于每个冷凝器8的本身的控制阀23，控制输送液相至每个喷嘴21。

Claims (18)

1.一种利用工作介质将热能转化成机械能的方法，所述工作介质由物质混合物形成，所述物质混合物包含至少两种具有不同沸点温度和冷凝温度的物质，其中在膨胀装置中膨胀的工作介质作为具有液相和蒸汽相的两相流被输送至冷凝器(8)，并且在该冷凝器中被冷凝，

其特征在于，在所述两相流中，当工作介质在冷凝器(8)中冷凝前或期间，使所述液相与蒸汽相混合。

2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，为了进行混合，在所述双向流中使液相与蒸汽相分离，然后所分离的液相与蒸汽相重新汇流，其中优选为了进行汇流，将所分离的液相喷淋到蒸汽相中。

3.按权利要求2所述的方法，其特征在于，在进行喷淋前，将分离的液相的压力值提高到高于蒸汽相的压力。

4.按权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述液相与蒸汽相的分离直接在冷凝器(8)前实现。

5.按前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述混合直接在冷凝器(8)前或在冷凝器(8)中实现。

6.按前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，工作介质在封闭的循环(2)中在冷凝后至少经过下述方法步骤：

-提高工作介质的压力，

-通过从外部热源(5)传递热来产生工作介质的蒸汽相，以及

-使蒸汽相膨胀，且将其热能转化成机械能。

7.按权利要求6所述的方法，其特征在于，在工作介质的蒸汽相膨胀前，使工作介质的液相与蒸汽相分离，并且在蒸汽相膨胀后，将液相重新输入蒸汽相。

8.按权利要求6或7所述的方法，其特征在于，地热流体、工业废热或者内燃机废热用作所述外部热源(5)。

9.按前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，由氨和水组成的混合物用作所述工作介质。

10.一种利用工作介质用于将热能转化成机械能的装置(1)，所述工作介质由物质混合物形成，所述物质混合物包含至少两种具有不同沸点温度和冷凝温度的物质，所述装置具有用于冷凝工作介质的冷凝器(8)，其中在膨胀装置中膨胀的工作介质在其被输送至所述冷凝器(8)前作为具有液相和蒸汽相的两相流存在，其特征在于，设有混合装置(7)，其用于在冷凝器(8)中冷凝工作介质前或期间，使两相流的液相与两相流的蒸汽相混合。

11.按权利要求10所述的装置(1)，其特征在于，所述混合装置(7)具有用于使液相和蒸汽相分离的分离器(20)和至少一个用于将分离的液相喷淋到蒸汽相中的喷嘴(21)。

12.按权利要求11所述的装置(1)，其特征在于，所述混合装置(7)具有泵(22)，能通过所述泵将分离的液相的压力值提高至高于蒸汽相的压力。

13.按权利要求11或12所述的装置(1)，其特征在于，所述分离器(20)沿工作介质的流动方向直接设置在冷凝器(8)前。

14.按权利要求11至13中任一项所述的装置(1)，其特征在于，所述至少一个喷嘴(21)沿工作介质的流动方向直接设置在冷凝器(8)前或设置在冷凝器(8)中。

15.按权利要求11至14中任一项所述的装置(1)，其特征在于，所述工作介质在所述装置(1)中在封闭的循环(2)中运行，所述循环沿工作介质的流动方向除了冷凝器(8)外至少具有下述部件：

-用于提高工作介质压力的泵(3)，

-用于通过从外部热源(5)传递热产生工作介质的蒸汽相的热交换器(4)，

-用于使蒸汽相膨胀并将其热能转化成机械能的膨胀装置(6)，特别是涡轮机。

16.按权利要求15所述的装置(1)，其特征在于，所述循环(2)还包括：设置在热交换器(4)和膨胀装置(6)之间的分离器(15)，其用于将工作介质的液相与蒸汽相分离；以及设置在膨胀装置(6)和混合装置(7)之间的汇流装置(16)，该汇流装置用于使分离的液相和膨胀的蒸汽相汇流。

17.按权利要求15或16所述的装置(1)，其特征在于，所述外部热源(5)是地热流体、工业废热或内燃机废热。

18.按权利要求10至17中任一项所述的装置(1)，其特征在于，所述工作介质是由氨和水组成的混合物。

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