CN103097672B - 用于将热能转化成有效功率的设备 - Google Patents

Abstract

一种多组分设备，其特征在于执行两相热力学循环以将热能转化成有效功率，包括：由两种或更多种化学组分构成以吸收热能的流体结构，该流体结构随着被吸收的热量增加而使温度和气相部分增加；膨胀器结构，其操作用于将因所述流体结构吸收的热能而在所述流体结构中形成的被接收的气液混合物中的焓转化成机械的轴功率；换热器结构，其操作以传递要被流体结构吸收的热能；将任何气体冷凝以将所述流体结构转化成液体的冷凝器结构；和泵结构，其操作以对离开冷凝器结构的液态流体结构加压，从而使流体结构返回至换热器结构，并结束热力学循环。

Description

用于将热能转化成有效功率的设备

背景技术

本发明总体上涉及从热源进行发电，并且本发明更具体地涉及从具有相对中至低温度的热源（其特征在于热源温度随着传热而降低（“显热源”））进行发电。存在大量的中温至低温热源，使用标准惯例从这些热源进行发电是困难的、效率低的或者不可行的。将显热源和热沉有效结合以发电或产生机械功率的热力学循环对获取该巨大能源而言是必不可少的。

将热转化成功率的热力学循环已经存在了数百年。早期的蒸气机中用到了兰金循环（Rankin cycle），并且该兰金循环仍然是发电的最常见手段。兰金循环包括：加压工作流体或液体；将工作流体或液体加热直至已经沸腾或全是蒸气；通过涡轮机使高压蒸气膨胀到较低压力；并通过使低压蒸气冷凝而完成循环。兰金循环最初用到水/蒸气，但是该循环不限于该工作流体。工作流体的选择取决于循环的操作温度。兰金循环已经使用其它工作流体来从较低温度的热源发电。

当从热源吸热时，兰金循环具有固有的限制。工作流体经受恒温沸腾，而热源最经常是显热源，即，当热源释放能量时温度稳定地降低。这使得兰金循环不能利用来自热源的所有有效的热，这种状况在利用低温热源时被放大。

已经设计出这样的功率循环，即，该功率循环利用组分的混合物来产生可变温度蒸发，使得能够用更多的热能来转化。一种示例是使用氨和水的二组分蒸气膨胀器（“TCVE”）循环。可变温度蒸发得以实现，产生出例如富含氨的蒸气和富含水的液体的混合物。虽然使得更多的热能可以被用于转化，但TCVE循环和其它循环却具有显著的复杂性并且成本高，这仅是因为其需要给蒸气膨胀器有效地提供100%的蒸气。

为了完全利用具有相对中至低温度的热源来发电，需要开发这样的热力学循环，即，该热力学循环将不但有效地发电，而且将消除其它循环所经历的固有限制和复杂性。在本发明中，通过在新的循环中将气液（两相）膨胀器与多组分工作流体一起使用而出乎意料地实现该结果。

发明内容

本发明的主要目的在于提供能够解决上文描述的问题和需求的方案。本发明的主要目的在于提供从显热源和热沉来有效发电的热力学循环。

本发明的另一个目的是提供一种允许以低成本从显热源发电的热力学循环。

本发明的另一个目的是提供一种利用有效膨胀器从多组分两相工作流体的变化广泛的热力学状况进行发电的热力学循环。

本发明的又一个目的是提供一种允许使用紧凑的换热器的热力学循环。

本发明的额外的目的是提供一种允许使用安全的、常见的和环保的工作流体的热力学循环。

本发明的又一个目的是提供一种允许使用价格低廉的发电设备的热力学循环。

本发明的额外的目的是提供一种允许使用标准设备的热力学循环。

在本发明中通过使用这样的热力学循环而满足这些目的，即，所述热力学循环采用具有可变温度沸点的多组分的混合物，并且也使用两相膨胀器，由此消除在其它的多组分的热力学循环中对使用蒸气膨胀器所施加的复杂要求。

在循环中使用两相膨胀器使得能够从离开换热器的高压两相流直接发电。结果，完全地免掉了需要用于相分离、流动分隔、热复原和流再混合的设备。另外，相对于其它的多组分循环，提高了能量转化 的效率，并减少了控制要求。

附图说明

本发明的这些和其它目的和优点以及示意性实施例的具体内容将从以下描述本发明对象的说明书和附图得以更详细地理解，其中：

图1是示出了潜热温度曲线对比显热温度曲线的图表；

图2示出了兰金循环和多组分两相循环的温焓图表；

图3是氨-水蒸气膨胀器循环的流程图；

图4是多组分两相循环的流程图；

图5是具有再生式多组分两相循环的流程图；

图6是示出了在再生式多组分两相循环的主换热器中的温度曲线的图表；

图7是通过可变相涡轮机所得的剖视图；

图8是通过本发明中用到的双压力欧拉（Euler）涡轮机所得的剖视图；和

图9是对于再生式换热器中的涡轮机壳体侧和管道侧的热流对比温度的图表。

具体实施方式

图1中示出了潜热源和显热源的代表性温度曲线。显热是导致相应温度变化的能量增加或减少。显热源的示例是热水。当从水提取热时，水温与热损失成比例地降低。潜热变化是与物质的状态变化相关联的能量变化，但并没有导致相应温度变化。潜热源的示例是沸水。当热被添加到沸水壶中时，液态水变成水蒸气，而壶中的水温保持恒定。

多组分循环利用具有多于一种化学组分的工作流体来从热源吸热，将该热能的一部分转化成电能，并将剩余的热排放到热沉中。兰金循环将大部分的热以潜热形式吸收到工作流体中，而与兰金循环不同，多组分工作流体被提供用来在存在可变温度沸腾的情况下把热吸 收到工作流体中。由于多组分工作流体加热方式是可变温度沸腾，蒸发流体可以更加有效地匹配显热源的温度曲线。图2中示出了使用显热源的多组分循环和兰金循环的代表性温焓绘图。可见，比起兰金循环来，多组分循环能够使热源排放温度降得更低，从而增加被传递到工作流体中的能量。

用到的二组分蒸气循环是带有蒸气膨胀器（“AWVE”）的氨-水循环。AWVE循环具有上文描述到的某些热力学优点。然而，使用蒸气膨胀器的局限性使得热力学循环大大复杂化，导致需要昂贵设备和循环效率降级。例如，图3和表1示出了用于从低温热水发电的AWVE循环的复杂性。热水13进入换热器15，把热传给氨-水混合物11。被冷却的水在14处离开换热器。氨-水混合物在16处由泵16a供应。加压的氨-水混合物10被分开成或被分离成两股流11和12。流11在换热器15中被加热，使得当从热水传递热时，氨和水在稳定升高的温度下蒸发。图2示出了从热水传递热到氨-水混合物中时的可变温度沸腾。对于该示例，在1处离开换热器的氨-水混合物具有0.666的蒸气质量。

流12在再生式换热器17中被分离的热液体16加热。需要该步骤来从分离器18回收在分离的液体中的热，所述分离器需要给蒸气涡轮机19提供无液体的蒸气。离开再生式换热器17的被加热的流2具有0.648的蒸气质量。流1和流2在3处混合，并流至分离器18。必须设置分离器，因为涡轮机19是要求用纯蒸气来操作的蒸气涡轮机。分离的蒸气4进入涡轮机，并膨胀至离开压力5。该膨胀给涡轮机增添动力并使轴20转动，所述轴能够驱动诸如发电机之类的负载21。

蒸气流4富含氨。例如大约为76%的原始氨部分已经被浓缩到96.8%。较高的氨浓度将会使冷凝器22中产生出高的蒸气压力，这让蒸气涡轮机产生的动力变少。分离的液体6富含水，具有的水浓度约为59.3%。因此，在再生器中把热传递给流12之后的分离的液体7必须在进入冷凝器22之前在混合器25中与来自蒸气涡轮机的蒸气流8混合。混合的流7和流8进入冷凝器22。被供给冷凝器的冷却流23 在24处除掉冷凝热，产生出具有76%的氨的原始组成的液体10a。

表1总结了这种循环的示例的复杂流体状况。氨部分和流的分开与再混合必须被仔细地控制以实现所示性能。

表1用于氨-水蒸气膨胀器循环示例的状态点

表2中总结了75%有效蒸气膨胀器的有效功率和循环：

表2示例性实例的AWV循环功率输出和效率

当使用如本文公开的多组分两相循环时，出乎意料地消除了复杂性，并同时提高了热力学效率。图4中示出了用于多组分两相循环（“MCTP循环”）的流程图。该示例中的多组分工作流体由水和氨的混合物组成。如图所示，来自冷凝器33的、冷的氨与水混合物34由泵35加压至高压36。然后，冷的高压工作流体流经换热器32。热的显热流31进入换热器，并把热传递给工作流体。工作流体被部分地蒸发成富含氨的蒸气相。剩余的液相富含水。随着工作流体混合物的温度升高，蒸气相增加，而液相减少。当工作流体在37处离开换热器时，蒸气相可以是流体重量的40%至70%或更多。

然后，混合物直接流到两相膨胀器41。在可变相涡轮机类型的膨胀器中，两相混合物在喷嘴41a中膨胀。两相混合物被膨胀至低压，产生出高速射流。该两相射流撞击在轴向涡轮机组件40上。涡轮机驱动轴42，而该轴使诸如发电机之类的负载43转动。两相流在53处以较低的压力和温度离开膨胀器。流在54处进入冷凝器33，并在该冷凝器中被冷凝成液体。热通过水或空气14的冷流56去除。被加热的水57可以在冷却塔中冷却。被加热的空气57a可以被排放到大气中。

为了示出MCTP循环，对从209华氏度的热水源吸收的热加以计算。两相膨胀器的效率是75%。表3中示出了结果。

表3多组分两相循环的状态点，表1的热水状况

表4中总结了MCTP功率输出和循环性能。

表4用于示例性实例的多组分的两相循环功率输出和效率

在多组分循环中使用两相膨胀器而不使用蒸气膨胀器所带来的出乎意料的结果是：循环被显著简化，并同时保持与更复杂的循环（诸如AWVE循环之类）相同的热力学优点。还令人意外的是，虽然免去了数个昂贵的组成部件并降低了对混合物控制与分隔的要求，循环效率却实际上得以提高。

通过给多组分两相循环增添再生式换热器，又一个出乎意料的优点产生了。由于产生水垢或腐蚀，许多热源对换热器中的下限温度有限制。对给定示例的下限温度是122华氏度，该下限温度仅被选择用于使来自热源的循环净功率最大化。

图5中示出了带有再生器的多组分两相循环，其中，液体的氨-水混合物62由泵63泵送通过两相再生式换热器64。氨-水流接收热，并在65处被部分地蒸发。对于该示例，蒸气质量是0.0709。然后，两相混合物流到换热器66。热水源67在交换器中将热传递给氨。该流使蒸气量进一步增加。对于该示例，在68处的蒸气质量是0.6297。在69处离开换热器的水温是144.5华氏度，而不是在没有再生器的示例中的122华氏度。

然后，高压两相流在70处进入两相涡轮机71。该流在涡轮机中膨胀至在72处的较低压力，使得轴73转动。所述轴可以与诸如发电机之类的负载74连接以发电。离开涡轮机的流的温度高于排热温度（heat rejection temperature）。流72进入再生器64，并将热传递给 流62。传热之后，流75进入冷凝器76。流75在那里被冷凝，并在77处流至泵63，从而完成循环。在整个循环中，组成是恒定不变的。

使用两相再生器的出乎意料的结果是：在主换热器中产生出完美的、不间断的“滑行”效果。这在图6中示出。加热和冷却曲线按照传热加以绘制。明显地，没有夹点。

下文的表5提供对带有再生器的二组分两相循环的状态点，地点或“状态点”出现在图5中。

表5带有再生器的二元两相循环的状态点

表6以下提供具有再生器的二元两相循环的功率和性能。

表6示例性实例的带有再生换热器的多组分两相循环功率输出和效率

使用两相涡轮机和两相再生器使循环效率提高到8.1%，就相同的热水流状况而言，这比AWVE循环提高了36%。在144.5华氏度的相同温度限值下，净功率是770kW，而AWVE循环的净功率仅为568kW。

与兰金循环不同，在MCTP循环中进入膨胀器的不是干蒸气。这意味着膨胀器必须能够使两相混合物有效地膨胀。两相膨胀器包括轴向冲击式涡轮机、径向流出式涡轮机和容积式膨胀器。可以使用如图7所示的、在专利US7093503中披露的可变相涡轮机来捕获该能量，该专利内容通过参考包含于此。参照图7，气体、液体或二者的混合物（以下总体地并分别地称为“流体”）在120'处通过入口1'引入VPTRA。流体被收集在歧管2'中，并且流到多个可容易替换的喷嘴衬垫3'。喷嘴衬垫布置在保持器22'中，以便沿着大致切线方向朝转子叶片5'引导流体。转子6'由可转动驱动的轴12'承载。流体在喷嘴衬垫中从入口压力膨胀到较低的压力，产生出具有动能的射流。射流撞击冲击式叶片5'，这使得流动方向反向，从而在叶片上产生作用力。叶片被附装至转子6'，并且是可容易替换的。叶片将作用力传递给转子，产生在轴12'上的力矩并使其转动，这驱动了被附装至轴的电转子件13'，从而在电定子14'中产生出生成的电流。所产生的电流由电线15'通过密封并绝缘的连接件传导至接线盒16'，以便向外界输送。

流体离开叶片以相对于导管7a'在7’处沿着大致轴向方向流动，还典型地保持有某些漩涡。连续的、大致环形的护罩8'被附装至叶片的外延，以便收集任何受离心作用的液体（这例如在流体由液体或者由液体和气体的混合物构成的情况下发生），并使得叶片到叶片的泄漏损失和风阻损失最小化。收集在护罩上的液体带着小的漩涡离开护罩，所述小的漩涡使液体流至端板的壁9'，并被收集在该壁上，从而确保液体离开转动叶片的区域，却不撞击叶片或护罩而产生摩擦损失。气体以及壁上的任何液体通过导管7a'的出口10'离开VPTRA。

对于非腐蚀性、非导电性的组分，可以使用密封式发电机。在该情况下（该情况不是必须使用如在之前段落中描述到的可变相涡轮 机），液体状态的流体21'通过另一个入口21a'引入到VPTRA。压力由附装至轴12'的泵20'增大。轴12'上的叶轮20'使得流体21'的压力增大超过在入口处的流体压力，使得流体流到区18'，并对轴承17'加以润滑。离开泵的流体还流到与定子的外延相邻近的区19'，并冷却电定子14'和电转子13’。

在冷却电部件并润滑轴承部件之后，流体流动通过通道23'，并在被接收于增压区122'与末端区122a'中之后通过出口24a'在24'处离开结构，从而对结构加以冷却，并对最接近转子6'的轴承17'加以润滑。轴12'上的内部密封件11'将冷却液体21’与在转子区域中流动的流体120’隔离，即，两种流体的流动路径是分离的。壳体25’封闭VPTRA的部件，并仅在26’和27’处具有静态密封件以容纳流体。对于密封式发电机情况而言，不需要外部转动密封件，这大大增加了可靠性和有效的操作寿命。

图8中示出了一种可用的径向流出式涡轮机——在专利US7244095中公开的双压欧拉涡轮机，其被设计用于与液体、气体、或者液体与气体的混合物一起操作。流体在涡轮机组件2"的中心线处通过端口1"流至涡轮机。该流径向向外地膨胀通过喷嘴组件3"，其包括被构造用于使流加速到高速度的、静止不动的叶片3a"。专利US7244095通过参考包含于此。

在喷嘴的出口4"处的流体沿着大致切线方向流至转子结构5"，并通过被附装至转子结构的轮叶6"径向向外地流动。金属突起件7"由转子结构承载，并且抵靠着不转动的、可磨损的表面8"密封，从而限制了不然可以经由转子叶片形成的通道9"分流的流量。

高速流从喷嘴进入转子通道，转子的转动速度被选择成使得流与运动叶片之间的相对速度最小化，并使得流离开叶片的速度的绝对值最小化。

所有的液体或固体颗粒从位于喷嘴与转子叶片之间的、径向延伸的空间10"离心分离出来。颗粒的滞留限于一部分的转子旋转。这与径向流入式涡轮机形成对比，在所述径向流入式涡轮机中，固体或液 体颗粒物试图沿着与离心力相反的方向流动，从而使得被捕集的颗粒对运动叶片和喷嘴连续冲击而造成广泛的剥蚀损伤。

离开转动叶片的流体流入环形的扩散器通道10"，其将绝对离开速度恢复为压力。这能够使得在运动叶片的出口处的压力低于被工艺处理过的压力，从而增大了功率输出。然后，该流流入环形的增加室11"中，并且随后流至涡轮机组件的离开端口12"，流在该处返回至工艺中。参阅该专利进一步释明操作和附图标记。

设置非接触式密封组件12a"，以减少流在附装有转子的轴14"和壳体13"的静止不动的表面之间的泄漏。

本发明可以包括多组分设备，其特征在于，所述多组分设备执行两相热力学循环以将热能转化成有效功率，所述多组分设备包括：

a）流体结构，该流体结构由两种或更多种化学组分构成以吸收热能，

b）所述流体结构随着被吸收的热量增加而使温度和气相部分增加，

c）膨胀器结构，所述膨胀器结构操作，以将因所述流体结构吸收的所述热能而在所述流体结构中形成的被接收的气液混合物中的焓转化成机械的轴功率，

d）换热器结构，所述换热器结构操作，以传递要被所述流体结构吸收的所述热能，

e）冷凝器结构，所述冷凝器结构操作，以排除在所述流体结构中的未由所述膨胀器结构转化的焓，从而将任何气体冷凝以将所述流体结构转化成液体，和

f）泵结构，所述泵结构操作，以对离开所述冷凝器结构的液态的流体结构加压，从而使所述流体结构返回至所述换热器结构，并结束所述热力学循环。

所述膨胀器结构可以典型地包括可变相涡轮机，该可变相涡轮机包括：

a）喷嘴结构，该喷嘴结构最大化从液体、超临界流体或者气液混 合物的介质的焓到气液混合物、超临界流体或者纯气体的被引导流中的动能的转化，所述被引导流的组成由流体的化学组成和热力学状况确定，所述喷嘴结构引导在运动的叶片结构处的流动，

b）所述运动的叶片结构，该运动的叶片结构被构造成最大化从所述被引导流的动能到力矩的转化，并作用在所述叶片上，

c）转子结构，所述叶片被附装至所述转子结构，该转子结构将所述力矩传递给附装有负载和所述转子的轴，

d）壳体结构，所述壳体结构用于限制和引导流体，并且所述壳体结构结合有轴承和密封件以使所述轴能够将力矩传递给负载，

e）护罩结构，所述护罩结构能够操作以防止已将动能传递给所述叶片的液体与所述壳体接触，并防止液体被重新引导与运动的所述叶片接触而导致力矩损失。

所述膨胀器结构可以包括径向流出式涡轮机结构，该涡轮机结构包括：

a）静止不动的第一喷嘴结构，其中，所述流体结构的气液混合物沿着径向向外的方向膨胀，使所述流体结构加速，并朝一转子构造引导所述流体结构，

b）所述转子构造，该转子结构具有由轮叶构成的第二喷嘴构造，所述轮叶接收来自所述第一喷嘴结构的被加速的所述流体结构的撞击，并且所述轮叶还使所述流体结构沿着径向向外的切线方向膨胀，给所述转子构造添加功率，

c）壳体结构，离开所述第二喷嘴构造的所述流体结构被排放到所述壳体结构中，以便从所述膨胀器构造被有效地去除，

d）轴结构，该轴结构被附装至由轴承结构支撑的所述转子构造，所述轴结构将所述流体结构膨胀而产生的功率传递给有效的负载结构，诸如发电机。

所述构造可以包括第二换热器结构，该第二换热器结构用于将来自离开所述膨胀器的流体结构的热传递给离开所述泵结构的流体结构，从而减少所述换热器结构需要的热。

所述膨胀器结构可以包括容积式膨胀器。

流体结构的组分可以包括以下任一种：

i）氨和水

ii）离子盐和水 

iii）制冷剂混合物

iv）烃类混合物 

Claims (12)

1.一种用于将热能转化成有效功率的设备，包括：

a)初级换热器，该初级换热器用于将热能传递给工作流体，

b)非共沸的工作流体，该工作流体包括两种或者更多种非共沸的化学组分来吸收热能，随着所吸收的热量增多，工作流体温度升高并且气相的馏分增多，

c)两相膨胀器，该膨胀器从初级交换器接收工作流体，并操作以将在被接收的工作流体的气液混合物中的焓转化成机械的轴功率，

d)冷凝器，该冷凝器接收来自膨胀器的已膨胀的工作流体，以便将工作流体中的气体冷凝成液体从而排除在工作流体中的未转化的焓，和

e)泵，该泵操作以对离开冷凝器的液态的工作流体加压，从而使工作流体返回至初级换热器，从而结束热力学循环。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，该设备具有：阀、管路、仪器、控制器、支撑构造、以及其它装置，所述其它装置用于控制和实现工作流体往来于根据权利要求1所述的设备的元件的运动。

3.根据权利要求1所述的设备，其中，该设备包括发电机，并且其中，膨胀器驱动发电机来产生电功率。

4.根据权利要求1所述的设备，其中，膨胀器是可变相涡轮机，包括：

a)喷嘴结构，该喷嘴结构最大化从气液混合物、超临界流体或者液体的介质的焓转化到纯气体、超临界流体或者气液混合物的被引导流中的动能的转化，所述被引导流的组成由流体的化学组成和热力学状况确定，该喷嘴结构引导在运动的叶片结构处的流动，

b)所述运动的叶片结构，该运动的叶片结构被设置成最大化从所述被引导流的动能转化到力矩的转化，并作用在叶片上，

c)转子结构，叶片被附装至转子结构，该转子结构将力矩传递给附装有负载和转子的轴，

d)壳体结构，该壳体结构限制和引导流体，并且该壳体结构结合有轴承和密封件以使轴能够将力矩传递给负载，

e)护罩结构，该护罩结构能够操作以防止已将动能传递给叶片的液体与壳体接触，并防止该液体被重新引导以与运动的叶片接触而导致力矩损失。

5.根据权利要求1所述的设备，其中，膨胀器是径向流出式涡轮机结构，该径向流出式涡轮机结构包括：

a)静止不动的第一喷嘴结构，其中，工作流体的气液混合物沿着径向向外的方向膨胀，使工作流体加速，并朝一转子构造引导工作流体，

b)所述转子构造，该转子构造具有由轮叶构成的第二喷嘴构造，轮叶接收来自第一喷嘴结构的被加速的工作流体的撞击，并且轮叶还使工作流体沿着径向向外的切线方向膨胀，给转子构造添加功率，

c)壳体结构，离开第二喷嘴构造的工作流体被排放到壳体结构中，以便被有效地从膨胀器去除，

d)轴结构，该轴结构被附装至由轴承结构支撑的转子构造，该轴结构将工作流体膨胀而产生的功率传递给有效的负载结构。

6.根据权利要求1所述的设备，其中，该设备包括第二换热器结构，该第二换热器结构用于将来自离开膨胀器的工作流体的热传递给离开泵结构的工作流体，从而减少初级换热器所需要的热。

7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述膨胀器是容积式膨胀器。

8.根据权利要求1所述的设备，其中，所述工作流体的组分是氨和水。

9.根据权利要求1所述的设备，其中，所述工作流体的组分是离子盐和水。

10.根据权利要求1所述的设备，其中，所述工作流体的组分是制冷剂混合物。

11.根据权利要求1所述的设备，其中，所述工作流体的组分是烃类混合物。

12.根据权利要求5所述的设备，其中，所述有效的负载结构为发电机。