CN103732864A - 蒸气动力循环系统 - Google Patents

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Abstract

一种蒸气动力循环系统，其适当地进行作为非共沸混合物的动作流体与热源的热交换，能够尽可能地使相变的动作流体的温度接近热源的温度，并使系统整体的性能提高。即，以直列地连接的状态设置多个冷凝器（14、15），并且分别向各冷凝器（14、15）导入由膨胀机排出的气相动作流体，进行液化后，能够使各冷凝器（14、15）均改变动作流体的混合物构成比例，越在后级冷凝器（15），动作流体的低沸点物质的比例越高，能使动作流体的液化温度比前级侧冷凝器（14）的情况低，使动作流体的各冷凝器出口温度依次降低，使动作流体的温度尽可能地接近低温流体的温度，从而有效地利用热源的温度差并可靠地提高循环热效率。

Description

蒸气动力循环系统
技术领域
本发明涉及蒸气动力循环系统，其加热、冷却多种物质的非共沸混合物即动作流体并使其循环，使反复进行相变的动作流体做功而获得动力。
背景技术
作为加热、冷却动作流体并使其循环，并通过使重复进行相变的动作流体做功而获得动力的蒸气动力循环，已知有基本的兰金循环，其具有蒸发器、膨胀机（涡轮机）、冷凝器以及泵，并使用水等纯物质作为动作流体。
但是，在作为发电装置等使用蒸气动力循环时，特别是适用于海洋温度差发电装置、废热发电装置或利用温泉水发电装置等时，蒸气动力循环的高温热源和低温热源任一方的温度均低于水的沸点，另外，为了在热源间的温度差变小的情况下，能够使动作流体适当地相变从而有效地将热转换为动力，代替使用水作为动作流体的兰金循环，现在提出有所谓的卡琳娜循环等的蒸气动力循环的方案，其使用水与氨等比水沸点低的物质的混合物或是比水沸点低的多种物质的混合物、即在比水的沸点低的温度区间进行相变的非共沸混合物作为动作流体。在日本特开昭57－200607号公报或日本特开平7－91361号公报所记载的方案中公开有这样的现有蒸气动力循环的例子。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开昭57－200607号公报
专利文献2:日本特开平7－91361号公报
发明内容
发明所要解决的课题
现有的蒸气动力循环的构成如上述各专利文献所示，这样的蒸气动力循环所使用的非共沸混合物的动作流体具有在相变（蒸发、液化）时其温度发生变化的特性。
在动作流体使用纯物质的兰金循环的情况下，由于相变时动作流体的温度变化不变，在热交换器（蒸发器或冷凝器等）的热交换中，动作流体的温度在接近作为热源的流体的温度时存在限制，仅限于使动作流体的出口温度到达接近作为热源的流体的热交换器出口温度的程度。
对此，在使用上述各专利文献所示的非共沸混合物的动作流体的蒸气动力循环中，通过相变时动作流体的温度变化，期望在热交换器进行的动作流体的蒸发或液化过程中，以不伴随流体彼此的相变的对流热交换的方式，使与作为热源的流体侧的温度变化具有规定的温度差地对置的动作流体产生温度变化（参照图7），相比于相变时的温度不变的使用纯物质动作流体的兰金循环，能够缩小作为热源的流体与动作流体的温度差，例如在液化的情况下具有如下可能性，以动作流体的热交换器出口温度低于作为低温热源的流体的热交换器出口温度的方式实现动作流体的温度变化，使热交换器不可逆损失降低，能够提高系统整体循环热效率。
但是，在使用现有的非共沸混合物的动作流体的蒸气动力循环的现实工作中，虽然在冷凝器中动作流体的出口温度接近作为低温热源的流体的出口温度，但是达不到比其低的温度。因此，需要以能够在冷凝器中实现动作流体的出口温度低于作为低温热源的流体的出口温度的热交换为前提才能进行性能评价，而在这种现有的蒸气动力循环中，不能得到与评价相称的性能，这样便存在性能比当初设想要低这一点影响设备成本等种种方面的课题。
在这种现有的蒸气动力循环中，冷凝器中不能使动作流体的出口温度相对于作为低温热源的流体的出口温度充分下降的原因在于，非共沸混合物的动作流体实际产生类似于纯物质的温度变化。
即，非共沸混合物，例如，在氨与水的混合物即动作流体中，膨胀机排出的气相动作流体中低沸点的物质、即氨的浓度变得极高，动作流体在冷凝器传热面液化时，气相动作流体中易于液化的高沸点成分首先液化，不久动作流体便表现出类似于近乎纯物质的特性，因此，相对于低温热源的温度变化，具有如下变化特性（图8参照），动作流体的温度变化在液化开始部分急剧地变化，随后维持于近乎等温。
这样一来在冷凝器实际的热交换中，在液化的动作流体的温度维持于近乎等温的状况下，冷凝器内的动作流体温度与以纯物质作为动作流体的情况一样，仅限于比低温热源温度高的状态，而不能以动作流体的冷凝器出口温度低于作为低温热源的低温流体的冷凝器出口温度的方式进行有效的热交换。
这样的话，在现有的蒸气动力循环中，即使用非共沸混合物作为动作流体，也不能实现充分提高循环效率，并因为冷凝器等热交换器的性能相对地恶化而产生需要实现热交换器的大规模化等处理能力提高，结果导致热交换器的成本增加，存在这样的热交换器的成本方面使系统整体的经济性恶化之类的课题。
本发明为解决上述课题而做成，其目的在于提供一种蒸气动力循环系统，其在使用非共沸混合物作为动作流体的情况下，使动作流体与热源的热交换适当地进行，能够使相变的动作流体的温度尽可能地接近热源的温度，从而提高系统整体的性能。
用于解决课题的方法
本发明的蒸气动力循环系统至少具有：蒸发器，其使作为非共沸混合物的动作流体与规定的高温流体进行热交换，并使上述动作流体的至少一部分蒸发；气液分离器，其将由上述蒸发器得到的高温动作流体分离为气相部分和液相部分；膨胀机，其导入上述动作流体中的气相部分并将流体具有的热能转化为动力；冷凝器，其使该膨胀机排出的气相动作流体与上述气液分离器排出的液相动作流体一同与规定的低温流体进行热交换，并使气相部分液化；以及泵，其将该冷凝器排出的动作流体向上述蒸发器加压输送，在蒸气动力循环系统中，配设有多个上述冷凝器，并且直列地连接各个冷凝器的动作流体侧的流道，并且，直列地连接各个冷凝器的低温流体侧的流道，并与动作流体通过多个冷凝器的顺序相反地设定低温流体通过各冷凝器的流道，从与膨胀机出口连通的动作流体流道取出上述膨胀机排出的气相动作流体的一部分，在各冷凝器间分别与前级冷凝器排出的各阶段的动作流体合流，在动作流体的流道上最接近上述膨胀机出口的最前级冷凝器中使气相动作流体液化，并且即使在除上述最前级的冷凝器外的冷凝器也使上述合流部分的气相动作流体液化。
在这样的本发明中，通过以直列地连接的状态设置使动作流体与作为低温热源的低温流体进行热交换的多个冷凝器，并且分别向各冷凝器导入由膨胀机排出的气相动作流体，并进行液化，随着使混合物中低沸点物质的比例变高的气相动作流体与液相动作流体合流并导入各冷凝器，能够使各冷凝器均改变动作流体的混合物构成比例，且越在后级冷凝器动作流体的低沸点物质的比例越高，能够使动作流体的液化温度比前级侧冷凝器的情况低，使动作流体的温度分别接近各冷凝器均不同的低温流体的温度，使动作流体的各冷凝器出口温度依次降低，使动作流体的温度尽可能地接近低温流体的温度，从而有效地利用热源的温度差并使循环热效率可靠地提高，从而提高系统的性能。
另外，本发明的蒸气动力循环系统根据需要，配设有多个上述蒸发器，并且直列地连接各个蒸发器的动作流体侧的流道，并且，直列地连接各个蒸发器的高温流体侧的流道，与动作流体通过多个蒸发器的顺序相反地设定高温流体通过各蒸发器的流道，从与气液分离器的出口连通的液相动作流体流道取出通过上述气液分离器与气相动作流体分离的液相动作流体的一部分，并在各蒸发器间分别与前级蒸发器排出的各阶段的动作流体合流，使混合状态的动作流体通过在动作流体的流道上除距上述泵出口最近的最前级蒸发器以外的各蒸发器升温。
在这样的本发明中，以直列地连接的状态设置使动作流体与作为高温热源的高温流体进行热交换的多个蒸发器，并且通过使通过气液分离器与气相动作流体分离后的液相动作流体分别与流通于各蒸发器间的动作流体合流，随着使混合物中高沸点物质的比例变高的液相动作流体与前级蒸发器排出的动作流体合流并导入后级蒸发器，能够使各蒸发器均改变动作流体的混合物构成比例，并越在后级蒸发器，动作流体的高沸点物质的比例越高，能够使动作流体的蒸发温度比前级侧蒸发器的情况高，使动作流体的温度分别接近各蒸发器均不同的高温流体的温度，使动作流体的各蒸发器出口温度依次升高，使动作流体的温度尽可能地接近高温流体温度近，从而实现循环热效率的进一步提高。附图说明
图1是本发明的第一实施方式的蒸气动力循环系统的系统示意图。
图2是本发明的第一实施方式的其他的蒸气动力循环系统的系统示意图。
图3是本发明的第二实施方式的蒸气动力循环系统的系统示意图。
图4是本发明的其他的实施方式的蒸气动力循环系统的系统示意图。
图5是相对于本发明的实施例的蒸气动力循环系统的比较例一的卡琳娜循环系统的系统示意图。
图6是相对于本发明的实施例的蒸气动力循环系统的比较例二的上原循环系统的系统示意图。
图7是现有的蒸气动力循环的热交换器内的理论温度变化状态的说明图。
图8是现有的蒸气动力循环的冷凝器内的温度变化示意图。
具体实施方式
（本发明的第一实施方式）
以下，基于图1来说明本发明的第一实施方式。在本实施方式中，说明适用于海洋温度差发电装置的例子。
在上述图1中，本实施方式的蒸气动力循环系统10上述蒸气动力循环系统10具备：蒸发器11，其使由氨以及水形成的动作流体与作为上述高温流体的温海水进行热交换，使动作流体升温并使其一部分蒸发；气液分离器12，其将该蒸发器11排出的动作流体分离为气相部分和液相部分；涡轮机13，其作为上述膨胀机，导入由气液分离器12分离后的气相动作流体并进行动作，将动作流体具有的热能转化为动力；第一以及第二冷凝器14、15，其通过使该涡轮机13排出的气相动作流体与作为上述低温流体的较冷的深层海水进行热交换，使其液化为液相；泵16，其将从冷凝器14、15取出的动作流体送入蒸发器11；再生器17，其使由气液分离器12分离后的液相动作流体与从泵16流出并流向蒸发器11的动作流体进行热交换；以及第一以及第二混合器18、19，其使从气液分离器12排出并经过再生器17的液相动作流体与从涡轮机13排出的动作流体合流。
其中，涡轮机13以及泵16是与已知一般的蒸气动力循环所使用的涡轮机以及泵相同的装置，所以省略说明。
由这些蒸气动力循环系统10与由涡轮机13驱动的发电机50构成温度差发电装置。上述发电机50与已知的以涡轮机作为驱动源并用于发电的发电机相同，所以省略详细的说明。
上述蒸发器11作为在内部使液相动作流体和作为高温热源的高温流体流通，并在这些动作流体与高温流体之间进行热交换的热交换器，是已知的结构，省略详细的说明。在该蒸发器11的动作流体入口侧连接有与再生器17连通的流道，在再生器17中通过热交换而被加热的动作流体流入蒸发器11。另外，在动作流体出口侧连接有与气液分离器12连通的流道，在蒸发器11中通过热交换而被加热的动作流体被导入气液分离器12。
上述气液分离器12为已知的装置，其将在蒸发器11中通过热交换而变为高温且气液二相状态的动作流体分离为气相部分和液相部分，省略详细的说明。动作流体在该气液分离器12内被分离为气相部分和液相部分，气相动作流体通过与涡轮机13入口侧连通的流道流向涡轮机13，另外，液相动作流体通过与再生器17连通的流道流向再生器17。
上述第一混合器18与涡轮机13的出口、第一冷凝器14的入口、以及再生器17的出口连通，其使涡轮机13排出的气相动作流体和再生器17排出的液相动作流体同时流入并处于混合状态，并根据情况，使气相动作流体的一部分被液相动作流体吸收。液相动作流体与保持气相的动作流体直接以气液二相状态从该第一混合器18流向第一冷凝器14。
上述第二混合器19与涡轮机13的出口、第一冷凝器14的出口以及第二冷凝器15的入口连通，其使涡轮机13排出的气相动作流体和第一冷凝器14排出的液相动作流体同时流入并处于混合状态，并根据情况，使气相动作流体的一部分被液相动作流体吸收。液相动作流体与保持气相的动作流体直接以气液二相状态从该第二混合器19流向第二冷凝器15。
上述冷凝器14、15由第一冷凝器14和第二冷凝器15两部分组成，其中第一冷凝器14与第一混合器18连通，不但使处于气液二相状态的动作流体流入，也使作为低温热源的低温流体流通，并进行这些动作流体与低温流体之间的热交换。
另外，第二冷凝器15不但使第二混合器19排出的气液二相状态的动作流体流入，也使作为低温热源的规定的低温流体流通，并进行这些动作流体与低温流体之间的热交换。
这些第一冷凝器14以及第二冷凝器15的本身构成为已知的使动作流体与低温流体进行热交换的热交换器，省略详细的说明。
第一冷凝器14通过使第一混合器18排出的气相以及液相动作流体同时与上述低温流体进行热交换，来冷却液相动作流体，并且使气相动作流体液化。
第二冷凝器15通过使第二混合器19排出的气相以及液相动作流体同时与上述低温流体进行热交换，来冷却液相动作流体，并且使气相动作流体液化。
这些冷凝器14、15以将作为低温热源的低温流体分别以相同的规定顺序使用的方式组合。即，对于低温流体，为了为经过第二冷凝器15后流向第一冷凝器14的顺序，直列地连接冷凝器14、15的低温流体的流道彼此。
在第二冷凝器15的后级侧配设有泵16，其从冷凝器15向再生器17以及蒸发器11侧送出包括气相动作流体的已液化部分的全部液相动作流体。
上述再生器17是热交换器，其使从第二冷凝器15经过泵16而流入蒸发器11之前的低温动作流体与在气液分离器12中与气相动作流体分离不久之后的高温液相动作流体进行热交换，该再生器17与上述蒸发器11或冷凝器14、15具有相同的已知的热交换器构造，省略详细的说明。
该再生器17中，从泵16侧导入并因与另一方的气液分离器12排出的高温液相动作流体的热交换而被加热的动作流体流向蒸发器11入口侧，另外，从气液分离器12侧导入的动作流体在从再生器17排出后，流向第一混合器18。
在从该再生器17流向第一混合器18的液相动作流体的流道的中途，配设有减压装置17a，再生器17排出的液相动作流体经由减压装置17a而使压力降低后，向第一混合器18内导入。此外，按照需要，也能够在构成蒸气动力循环系统10的上述各装置之间，设置将动作流体加加压输送出的辅助用泵。
接下来，说明本实施方式的蒸气动力循环系统的动作状态。作为前提，分别持续地将作为高温流体的温海水向蒸发器11内、另外将作为低温流体的冷海水向冷凝器14、15内导入足够进行热交换的流量。
在蒸发器11中，使作为高温流体的、被外部泵51加压并导入的温海水与动作流体进行热交换。由该热交换加热的动作流体的一部分、即主要是低沸点的氨随着升温蒸发而处于气液二相状态。该高温且气液二相状态的动作流体从蒸发器11到达气液分离器12。
在气液分离器12内，高温的动作流体被分离成气相部分和液相部分，气液分离器12排出的高温气相动作流体进入通往涡轮机13的流道，另外，高温液相动作流体进入从气液分离器12通往再生器17的流道。在经过再生器17后，液相动作流体经由减压装置17a并被导入第一混合器18。
气液分离器12排出的高温气相动作流体的主要成分为低沸点的氨（大约为99%），使该气相动作流体到达涡轮机13并使其进行动作。通过该涡轮机13驱动发电机50，将热能转化为可使用的动力，再转化为电力。这样在涡轮机13膨胀并做功的气相动作流体处于压力以及温度降低的状态。
然后，涡轮机13排出的气相动作流体分别进入在涡轮机出口的后级侧分为两条的流道，一部分导入第一混合器18，剩下的导入第二混合器19。
另一方面，气液分离器12排出的高温液相动作流体被导入再生器17。在再生器17中，使从该气液分离器12导入的高温液相动作流体与从泵16流向蒸发器11的液相动作流体进行热交换，回收高温侧的动作流体具有的热并使流向蒸发器11的动作流体升温。然后，在该再生器17中因热交换而被冷却的来自气液分离器12的液相动作流体从再生器17排出后，经过减压装置17a后被导入第一混合器18。
在第一混合器18中，从涡轮机13导入的气相动作流体与从再生器17经过减压装置17a导入的液相动作流体接触并混合，根据情况，一部分的气相动作流体被液相动作流体吸收而变为液相。然后，保持气相的动作流体与液相动作流体一同流向第一冷凝器14，动作流体以气液二相状态被导入冷凝器14。
在第一冷凝器14中，从第一混合器18导入的气液二相状态的动作流体暂时与通过第二冷凝器15后导入的作为低温流体的冷海水进行热交换，在动作流体整体被冷却的过程中，气相动作流体伴随通过热交换的冷却而液化并变成液相。这样几乎全部变为液相的动作流体从第一冷凝器14排出至外部，到达第二混合器19。
在该液化时，气相动作流体中、沸点较高的成分先液化而使动作流体温度急剧地变化，随后转移到接近等温变化的状态，动作流体的温度变得接近该第一冷凝器14的低温流体的出口温度。
在第二混合器19中，导入涡轮机13排出的气相动作流体的一部分，该高温气相动作流体与从第一冷凝器14导入的液相动作流体接触并混合，根据情况，一部分的气相动作流体被液相动作流体吸收而变为液相。
然后，保持气相的动作流体与液相动作流体一同流向第二冷凝器15，动作流体以气液二相状态被导入冷凝器15。
这样一来，通过在第二混合器19中，使涡轮机13排出的氨浓度较高的气相动作流体的一部分与从第一冷凝器14导入的液相动作流体合流，处于导入第二冷凝器15的动作流体的氨浓度比第一冷凝器14中的动作流体的氨浓度高的状态。
在第二冷凝器15中，从第二混合器19导入的气液二相状态的动作流体与作为低温流体且单独导入的温度较低的冷海水进行热交换，在动作流体整体被冷却的过程中，气相动作流体伴随通过热交换的冷却而液化并变成液相。
在该液化时，气相动作流体中、沸点较高的成分先液化而使动作流体温度急剧地变化，随后转移到接近等温变化的状态，虽然为接近低温流体的冷凝器出口温度的温度，但是该第二冷凝器15中的动作流体的氨浓度变得比第一冷凝器14内的动作流体高，第二冷凝器15中的动作流体的冷凝温度变得比第一冷凝器14中的动作流体的冷凝温度低。这样一来，通过使动作流体通过两个冷凝器14、15，能够使动作流体的温度充分地下降，从而能够接近低温流体的温度。
这样几乎全部变为液相的动作流体在从第二冷凝器15排出后，在经由泵16而被加压后，向再生器17前进。随后，动作流体被导入再生器17，在再生器17中与被上述气液分离器12分离后的液相动作流体进行热交换而升温后，从再生器17排出而返回蒸发器11内，与上述相同地重复进行在蒸发器11中的热交换以后的各个过程。
在第二冷凝器15与第一冷凝器14中的各热交换所连续使用的、作为低温流体的海水接受来自动作流体的热而升温至规定温度。该海水在从冷凝器14排出后，被排除至系统外部的海中等。同样地，随着与蒸发器11中的动作流体之间的热交换，温度下降的、作为高温流体的海水也在从蒸发器11排出后，被排出至系统外部的海中等。
另一方面，随着泵51、52的动作，能够将新的海水供给至在蒸发器11或冷凝器14、15中的热交换，并且上述各过程能够在系统的使用期间、即蒸气动力循环系统10持续进行循环动作期间重复进行。
此外，由于是高温流体或低温流体极大量存在的海水，因此能够忽略热交换后的海水向系统外部的海中扩散后的、热交换后的海水所具有的热对海水整体的影响、即扩散后海水整体的温度变化，随着热交换继续向蒸发器11或冷凝器14、15依次重新导入的海水不会产生温度变化，可以认为以与热交换开始时相同的温度条件继续进行热交换。
这样，在本实施方式的蒸气动力循环系统中，以排成一列地连接的状态设置使动作流体与低温流体进行热交换的多个冷凝器14、15，并且涡轮机13排出的气相动作流体分别导入各冷凝器14、15，在进行液化后，随着使混合物中低沸点物质的比例变高的气相动作流体与液相动作流体合流并导入各冷凝器14、15，各冷凝器14、15均使动作流体中的混合物的构成比例变化，在后级侧的第二冷凝器15中，动作流体的低沸点物质的比例变高，能够使动作流体的液化温度比前级侧的第一冷凝器14的情况低，使动作流体的温度分别接近各冷凝器14、15中均不同的低温流体的温度，动作流体的各冷凝器出口温度依次下降，尽可能地使动作流体的温度接近低温流体的温度，从而有效地利用热源的温度差而可靠地提高循环热效率，并能够提高系统性能。
此外，虽然在上述实施方式的蒸气动力循环系统中，排成一列地连接两个冷凝器14、15，是共同使用动作流体或低温流体的两级构成，但并不限于此，也能够采用三级、四级等其他的多级构成。即使在该情况下，也与上述实施方式相同，从与涡轮机出口相通的动作流体流道取出涡轮机13排出的气相动作流体的一部分，并在各冷凝器间使其分别与前级冷凝器排出的各阶段动作流体合流，并由各冷凝器使气相动作流体液化。在冷凝器的级数增加的情况下，结果为能够实现使通过最后级冷凝器且温度下降的动作流体的温度处于比在全部的冷凝器中与动作流体的热交换结束而最大限度升温的低温流体的温度低的状态等，通过多个冷凝器尽可能地使动作流体的温度下降而接近低温流体的温度，能够使循环热效率进一步提高。
另外，在上述实施方式的蒸气动力循环系统中，为以使由气液分离器22与气相部分分离的液相动作流体在混合器18中与涡轮机13排出的气相动作流体合流的、所谓的卡琳娜循环为基本，组合设置两个冷凝器14、15，并且使涡轮机13排出的气相动作流体的一部分分别合流至在各冷凝器14、15间流动的动作流体的结构，但并不限于此，若是设置多个冷凝器并使膨胀机排出的气相动作流体的一部分分别合流至在各冷凝器间流动的动作流体的构造，也能够适用于将非共沸混合物用作动作流体的其他的蒸气动力循环，例如，如图2所示，也能够采用以使在两个涡轮机13a、13b中间抽气的气相动作流体在加热器40内与经过冷凝器15的液相动作流体进行热交换的构成、即所谓的上原循环为基本的循环构成，与上述实施方式相同，通过多个冷凝器14、15尽可能地使动作流体的温度下降而接近低温流体的温度，从而能够实现循环热效率的提高。
（本发明的第二实施方式）
基于图3来说明本发明的第二实施方式。
上述图3中本实施方式的蒸气动力循环系统20与上述第一实施方式相同，具备气液分离器22、涡轮机23、冷凝器24、25、泵26、再生器27以及混合器28、29，但是不同点在于，配设有两个蒸发器21a、21b，使被气液分离器22分离的液相动作流体的一部分与流向动作流体流通顺序最末的第二蒸发器21b的动作流体合流，并导入第二蒸发器21b。
与上述第一实施方式相同，由本实施方式的蒸气动力循环系统20与由涡轮机23驱动的发电机50构成温度差发电装置。此外，上述涡轮机23、冷凝器24、25、泵26、再生器27以及混合器28、29与上述第一实施方式的构成相同，省略说明。
另外，蒸气动力循环系统20的高温流体或低温流体的流道彼此的连接与上述第一实施方式相同，低温流体的流动顺序设定为从第二冷凝器25流向第一冷凝器24，而对高温流体来说，流动顺序设定为从第二蒸发器21b流向第一蒸发器21a。
上述第一蒸发器21a在内部使动作流体与上述作为高温流体的温海水流通，并使这些动作流体与高温流体进行热交换，使动作流体升温并使其一部分蒸发，从而得到气相动作流体，其构成采用与上述第一实施方式的蒸发器11或冷凝器14、15相同的已知的热交换器构造，省略详细的说明。
在该第一蒸发器21a的动作流体入口侧连接有与再生器27连通的流道，通过在再生器27中的热交换而被加热的动作流体流入蒸发器21a。另外，在动作流体出口侧连接有与第二蒸发器21b连通的流道，通过在第一蒸发器21a中的热交换而被加热的动作流体流入第二蒸发器21b。
上述第二蒸发器21b与第一蒸发器21a相同，在内部使液相动作流体与上述作为高温流体的温海水流通，并使这些动作流体与高温流体进行热交换，使动作流体升温并使其一部分蒸发，从而得到气相动作流体，其构成采用与上述第一蒸发器21a相同的已知的热交换器构造，省略详细的说明。
在该第二蒸发器21b的动作流体入口侧，除与第一蒸发器21a连通之外，还连接有与气液分离器22的液相动作流体的出口连通的流道，另外，在动作流体出口侧连接有与气液分离器22的入口连通的流道，第一蒸发器21a排出的动作流体与气液分离器22排出的动作流体合流，这些动作流体被第二蒸发器21b的热交换加热后，到达气液分离器22。
上述气液分离器22与上述第一实施方式相同，是将经过在蒸发器21与温海水热交换而成为高温且气液二相状态的动作流体分离为气相部分和液相部分的已知的装置，省略详细的说明。动作流体在该气液分离器22内被分离为气相部分和液相部分，气相动作流体通过与涡轮机23入口侧连通的管路流向涡轮机23。
另一方面，液相动作流体的一部分经过连通气液分离器22的液相动作流体出口侧与第二蒸发器21b的入口侧的流道，流向第二蒸发器21b的入口侧，与从第一蒸发器21a流向第二蒸发器21b的动作流体合流，并流入第二蒸发器21b。然后，液相动作流体的其他部分通过与再生器27连通的流道，流向再生器27。
接下来，说明本实施方式的蒸气动力循环系统的动作状态。作为前提，分别持续地将作为高温流体的温海水向蒸发器21a、21b内、另外将作为低温流体的冷海水向冷凝器24、25内导入足够进行热交换的流量。
在第一蒸发器21a中，使作为高温流体、暂时通过第二蒸发器21b后的作为高温流体的温海水与从与再生器27连通的动作流体的流道导入的全部液相动作流体进行热交换。使被该热交换加热的动作流体的一部分、即主要是低沸点的氨随着升温而蒸发变为气相。
在该第一蒸发器21a中升温而变为气液二相状态的动作流体在从蒸发器21a排出后，与被气液分离器22分离的高温液相动作流体的一部分合流后，导入第二蒸发器21b。
这样一来，通过使被气液分离器22分离的液相动作流体、即作为高沸点物质的水的比例较高的液相动作流体的一部分与第一蒸发器21a排出的动作流体合流，使导入第二蒸发器21b的动作流体的水的比例处于比第一蒸发器21a的动作流体的比例高的状态。
在第二蒸发器21b中，使第一蒸发器21a排出的气液二相状态的动作流体以及被气液分离器22分离的高温液相动作流体的一部分混合的流体与作为高温流体的被外部的泵51加压并导入的温海水进行热交换，被该热交换加热的动作流体随着升温使液相部分的一部分进一步蒸发。
在该蒸发时，液相动作流体中、沸点较低的成分先蒸发而使动作流体温度急剧地变化，随后转移到接近等温变化的状态，虽然温度变得接近高温流体的蒸发器出口温度，但是该第二蒸发器21b的动作流体中水的比例变得比第一蒸发器21a内的动作流体高，第二蒸发器21b中的动作流体的蒸发温度变得比第一蒸发器21a中的动作流体的蒸发温度高。这样一来，通过使动作流体通过两个蒸发器21a、21b，使动作流体温度充分地上升，能够使其接近高温流体的温度。
经过在第二蒸发器21b中的升温而高温且处于气液二相状态的动作流体从第二蒸发器21b排出，到达气液分离器22。高温的动作流体在气液分离器22内被分离为气相部分和液相部分，气液分离器22排出的高温气相动作流体流向涡轮机23。另外，虽然高温液相动作流体从气液分离器22流向再生器27，但是液相动作流体的一部分分离并流向再生器27，进入从气液分离器22通往第二蒸发器21b入口侧的管路，与第一蒸发器21a排出的动作流体一同导入第二蒸发器21b。
从气液分离器22排出并到达涡轮机23的高温气相动作流体使该涡轮机23进行动作，通过该涡轮机23驱动发电机50，将热能转化为可使用的动力，再转化为电力。这样在涡轮机23膨胀并做功的气相动作流体处于压力以及温度降低的状态。然后，涡轮机23排出的气相动作流体与上述第一实施方式相同，分别导入第一混合器28以及第二混合器29。
另一方面，气液分离器22排出的高温液相动作流体被导入再生器27。在再生器27中，使从该气液分离器22导入的高温液相动作流体与从泵26流向第一蒸发器21a的途中的液相动作流体进行热交换，回收高温侧的动作流体具有的热并使流向蒸发器21a的动作流体升温。然后，在该再生器27中因热交换而被冷却的来自气液分离器22的液相动作流体从再生器27排出后，经过减压装置27a后导入第一混合器28。
与上述第一实施方式相同，在第一混合器28中，从涡轮机23导入的气相动作流体与从再生器27经过减压装置27a导入的液相动作流体接触并混合，根据情况，一部分的气相动作流体被液相动作流体吸收而变为液相。然后，保持气相的动作流体与液相动作流体一同流向第一冷凝器24，动作流体以气液二相状态导入第一冷凝器24。
在第一冷凝器24中，从第一混合器28导入的气液二相状态的动作流体暂时与通过第二冷凝器25后导入的作为低温流体的冷海水进行热交换，在动作流体整体被冷却的过程中，气相动作流体伴随通过热交换的冷却而液化并变成液相。这样几乎全部变为液相的动作流体从第一冷凝器24排出至外部，到达第二混合器29。
在该液化时，气相动作流体中、沸点较高的成分先液化而使动作流体温度急剧地变化，随后转移到接近等温变化的状态，动作流体的温度变得接近该第一冷凝器24的低温流体的出口温度。
与上述第一实施方式相同，在第二混合器29中，导入涡轮机23排出的气相动作流体的一部分，该气相动作流体与从第一冷凝器24导入的液相动作流体接触并混合，根据情况，一部分的气相动作流体被液相动作流体吸收而变为液相。然后，保持气相的动作流体与液相动作流体一同流向第二冷凝器25，动作流体以气液二相状态导入冷凝器25。
与上述第一实施方式相同，通过在第二混合器29中，使涡轮机23排出的氨浓度较高的气相动作流体的一部分与从第一冷凝器24导入的液相动作流体合流，使导入第二冷凝器25的动作流体的氨浓度处于比第一冷凝器24的动作流体的氨浓度高的状态。
在第二冷凝器25中，从第二混合器29导入的气液二相状态的动作流体与作为低温流体且单独导入的温度较低的冷海水进行热交换，在动作流体整体被冷却的过程中，气相动作流体伴随通过热交换的冷却而液化并变成液相。
在该液化时，气相动作流体中、沸点较高的成分先液化而使动作流体温度急剧地变化，随后转移到等温变化的状态，虽然为接近低温流体的冷凝器出口温度的温度，但是该第二冷凝器25的动作流体的氨浓度变得比第一冷凝器24内的动作流体高，第二冷凝器25中的动作流体的液化温度变得比第一冷凝器24中的动作流体的液化温度低。这样一来，通过使动作流体通过两个冷凝器24、25，能够使动作流体的温度充分低下，从而能够接近低温流体的温度。
这样几乎全部变为液相的动作流体在从第二冷凝器25排出后，在经由泵26而被加压后，向再生器27前进。随后，动作流体导入再生器27，在再生器27中与被上述气液分离器22分离后的液相动作流体进行热交换而升温后，从再生器27排出并返回蒸发器21内，与上述相同地重复进行在第一蒸发器21a中的热交换以后的各个过程。
这样，在本实施方式的蒸气动力循环系统中，以排成一列地连接的状态设置使动作流体与作为高温热源的高温流体进行热交换的多个蒸发器21a、21b，并且使利用气液分离器22与气相动作流体分离后的液相动作流体与在各蒸发器21a、21b间流通的动作流体合流后，随着使混合物中作为高沸点物质的水的比例变高的液相动作流体与第一蒸发器21a排出的动作流体合流并导入第二蒸发器21b，各蒸发器21a、21b均使动作流体的混合物的构成比例变化，在后级侧的第二蒸发器21b中，动作流体的高沸点物质的比例变高，能够使动作流体的蒸发温度比前级侧的第一蒸发器21a的场合高，使动作流体的温度分别接近各蒸发器21a、21b均不同的高温流体的温度，动作流体的各蒸发器出口温度依次升高，尽可能地使动作流体的温度接近高温流体温度，从而能够实现循环热效率的进一步提高。
此外，虽然在上述实施方式的蒸气动力循环系统中，分别设置有多个蒸发器21a、21b和多个冷凝器24、25，但不限于此，如图4所示，可以设置多个蒸发器，与一般的蒸气动力循环相同仅设置一个冷凝器。并且，若是这样地设置多个蒸发器并使利用气液分离器与气相部分分离的液相动作流体的一部分分别合流至在各蒸发器间流动的动作流体的构造，则系统的其他部分也能够采用以使用非共沸混合物作为动作流体的、所谓的卡琳娜循环或上原循环等的蒸气动力循环为基本的构成，与上述实施方式相同，通过多个蒸发器尽可能地使动作流体的温度升高而接近高温流体的温度，从而能够实现循环热效率的提高。
实施例
对本发明的蒸气动力循环系统，使用热量的出入量、压力等条件计算热效率，对所得结果与作为比较例的现有蒸气动力循环的结果进行比较评价。
首先，作为实施例，其构成为，与上述第一实施方式相同的蒸气动力循环系统、即动作流体为氨与水的混合物，将从涡轮机排出的气相动作流体分别导入二级设置的各个冷凝器，对于气相和液相动作流体在各冷凝器与低温流体进行热交换，求出热效率等值。如图1中所示，计算时，在使用蒸发器或冷凝器等热交换器的传热性能、作为热源的高温流体或低温流体的温度条件等基于现实环境的假定值算出表示循环的各点（1～12）的动作流体的压力或温度等表示状态的各种物性值后，计算并求出循环的理论热效率值。
该实施例的蒸气动力循环的主要条件如下，使用氨与水的比重为95：5的比例、即氨/水的质量分数为0.95kg/kg的混合物作为动作流体，蒸发器的高温流体侧的入口温度TWSi为30℃，出口温度TWSo为26℃。另外，冷凝器组的低温流体侧的入口温度TCSi为8℃，出口温度TCSo为11℃。
再有，蒸气动力循环的其他条件设定为，高温流体流量为400t/h，低温流体流量为400t/h，动作流体流量为140t/h，蒸发器传热性能为20000kW/K，冷凝器传热性能（总值）为20000kW/K，再生器传热性能为150kW/K。
另外，利用气液分离器12与气相部分（流量88.3t/h，整体的63.1%）分离的动作流体的液相部分为动作流体整体的36.9%。另一方面，涡轮机13排出的气相动作流体中的71.2%流向第一混合器18，剩余的（流量25.4t/h）气相动作流体流向第二混合器19。
用表1表示基于上述条件算出的循环各点（1～12）的动作流体的压力P、温度T、氨质量分数Y、比容V、比焓h、比熵s、干燥度x各值的结果。
表1
POINT T[℃] P[MPa] Y[kg/kg] V[m3/kg] h[kJ/kg] s[kJ/kgK] x[-]
1 15.14 0.642 0.909 0.0653 593.5 2.584 0.27
2 12.67 0.642 0.950 0.0016 222.6 1.212 0
3 12.74 0.929 0.950 0.0016 223.1 1.212 -
4 17.09 0.929 0.950 0.0016 243.5 1.283 -
5 26.94 0.929 0.950 0.0897 1028.1 3.916 0.54
6 26.94 0.929 1.000 0.1413 1495.6 5.393 1.00
7 26.94 0.929 0.865 0.0015 228.8 1.390 0
8 15.16 0.929 0.865 0.0015 173.4 1.202 -
9 15.20 0.642 0.865 0.0015 173.4 1.203 0
10 11.48 0.642 1.000 0.1933 1448.6 5.393 0.97
11 13.81 0.642 0.909 0.0015 198.3 1.210 0
12 13.75 0.642 0.950 0.0883 760.5 3.091 0.38
另外，对于作为比较例1的、不使用本发明的上述构成的第二混合器以及第二冷凝器，而是使涡轮机排出的气相动作流体全部流向第一混合器18的、与所谓的卡琳娜循环等同的、现有的已知蒸气动力循环装置（参照图5），与上述实施例相同地求出图5中所示的循环各点（1～10）的动作流体的压力或温度等状态，而再得到循环理论热效率。
另外，对于作为比较例2的、构成为使在现有的涡轮机中间抽气的气相动作流体与经过冷凝器的液相动作流体进行热交换的、与所谓的上原循环等同的、蒸气动力循环装置（参照图6），也与上述实施例相同地求出图6中所示的循环各点（1～15）的动作流体的压力或温度等状态，而再得到循环的理论热效率。
此外，对于氨的质量分数、高温流体或低温流体的温度条件、蒸发器或冷凝器等热交换器的传热性能等条件如果未特别记载，则与上述本发明的系统的设定值相同。
不同的条件在于，利用气液分离器与液相部分分离并流向涡轮机的气相动作流体的流量在比较例一中为87.3t/h（动作流体整体的62.4%）、而在比较例二中为90.3t/h（动作流体整体的64.5%）。
再有，在比较例二中，导入涡轮机的气相动作流体中、被抽气并流向加热器的流量为0.364t/h（流入涡轮机部分的0.403%，动作流体整体的0.26%）。除此之外，加热器传热性能为30kW/K。
就基于这样的条件算出的各比较例的蒸气动力循环的各点（参照图5、图6）的动作流体的压力P、温度T、氨质量分数Y、比容V、比焓h、比熵s、干燥度x的各值的结果而言，比较例一的结果用表2、比较例二的结果用表3分别表示。
表2
POINT T[℃] P[MPa] Y[kg/kg] V[m3/kg] h[kJ/kg] s[kJ/kgK] x[-]
1 15.84 0.662 0.950 0.1190 972.9 3.822 0.52
2 13.57 0.662 0.950 0.0016 226.8 1.227 0
3 13.63 0.932 0.950 0.0016 227.3 1.227 -
4 17.75 0.932 0.950 0.0016 246.7 1.294 -
5 26.94 0.932 0.950 0.0884 1019.5 30886 0.54
6 26.94 0.932 1.000 0.1408 1495.4 5.391 1.00
7 26.94 0.932 0.867 0.0015 230.6 1.392 0
8 16.00 0.932 0.867 0.0015 179.1 1.217 -
9 16.03 0.662 0.867 0.0015 179.1 1.218 0
10 12.38 0.662 1.000 0.1882 1451.7 5.391 0.97
表3
POINT T[℃] P[MPa] Y[kg/kg] V[m3/kg] h[kJ/kg] s[kJ/kgK] x[-]
1 16.27 0.665 0.950 0.1226 999.4 3.912 0.54
2 13.74 0.665 0.950 0.0016 227.6 1.229 0
3 14.47 0.925 0.950 0.0016 231.2 1.240 -
4 18.21 0.925 0.950 0.0016 248.8 1.301 -
5 27.01 0.925 0.950 0.0922 1045.4 3.974 0.55
6 27.01 0.925 1.000 0.1420 1496.1 5.396 1.00
7 27.01 0.925 0.859 0.0015 225.3 1.387 0
8 16.45 0.925 0.859 0.0015 175.6 1.219 -
9 16.49 0.665 0.859 0.0015 175.6 1.220 0
10 12.59 0.665 1.000 0.1875 1454.0 5.396 0.97
11 18.64 0.795 1.000 0.1606 1476.5 5.396 0.99
12 17.68 0.795 1.000 0.0016 282.5 1.291 0
13 13.80 0.925 0.950 0.0016 228.0 1.229 -
14 14.46 0.925 0.950 0.0016 231.1 1.240 -
15 17.71 0.925 1.000 0.0016 282.7 1.291 0
由上述表1所示的在循环系统的各点的动作流体的状态可得，实施例的循环的热效率ηth为，
ηth＝（WT－WPWF）/QE
在这里，涡轮机输出WT＝mWFT（h6－h10）＝88.3×103（1495.6×103－1448.6×103）/3600＝4150.1×106/3600
另外，泵动力WPWF＝mWF（h3－h2）＝140×103（223.1×103－222.6×103）/3600＝70×106/3600
再有，蒸发器热交换量QE＝mWF（h5－h4）＝140×103（1028.1×103－243.5×103）/3600＝109844×106/3600
于是ηth＝（WT－WPWF）/QE＝（4150.1－70）/109844＝0.0371
因此，实施例的循环热效率为3.71%。
接下来，由上述表2所示的在循环系统的各点的动作流体的状态可得，比较例一的循环的热效率ηth为，
ηth＝（WT－WPWF）/QE
在这里，涡轮机输出WT＝mWFT（h6－h10）＝87.3×103（1495.4×103－1451.7×103）/3600＝3815×106/3600
另外，泵动力WPWF＝mWF（h3－h2）＝140×103（227.3×103－226.8×103）/3600＝70×106/3600
再有，蒸发器热交换量QE＝mWF（h5－h4）＝140×103（1019.5×103－246.7×103）/3600＝108192×106/3600
于是ηth＝（WT－WPWF）/QE＝（3815－70）/108192＝0.0346
因此，比较例一的循环热效率为3.46%。
接下来，由上述表3所示的在循环系统的各点的动作流体的状态可得，比较例二的循环的热效率ηth为，
ηth＝（WT－WPWF）/QE
在这里，涡轮机输出WT＝WT1＋WT2＝mWFTξ（h6－h11）＋mWFT（ξ－x）（h11－h10）＝90.3×103（1496.1×103－1476.5×103）/3600＋（90.3－0.364）×103（1476.5×103－1454×103）/3600＝（1769.9＋2023.6）×106/3600＝3793.5×106/3600
另外，泵动力WPWF＝WPWF1＋WPWF2＝mWF（1－x）（h13－h2）＋mWF×（h15－h12）＝（140－0.364）×103（228.0×103－227.6×103）/3600＋0.364×103（282.7×103－282.5×103）/3600＝55.9×106/3600
再有，蒸发器热交换量QE＝mWF（h5－h4）＝140×103（1045.4×103－248.8×103）/3600＝111524×106/3600
于是ηth＝（WT－WPWF）/QE＝（3793.5－55.9）/111524＝0.0335
因此，比较例二的循环热效率为3.35%。
这样一来，对上述实施例以及各比较例，根据算出热效率的结果，明显可以看出，在实施例一的蒸气动力循环系统中，热效率比现有的以氨与水的混合物为动作流体的蒸气动力循环高。
由以上可得，在实施例的蒸气动力循环系统中，通过由多个冷凝器分别使涡轮机排出的气相动作流体液化，使最后级冷凝器出口的动作流体的温度以及压力下降，能够实现循环的热效率提高，可以看出能够更有效地利用作为热源的高温流体与低温流体的温度差。
符号说明
10、20—蒸气动力循环系统，11、21a、21b—蒸发器，12、22—气液分离器，13、23—涡轮机，13a、13b—涡轮机，14、15、24、25—冷凝器，16、26—泵，17、27—再生器，18、19、28、29—混合器，40—加热器，50—发电机，51、52—泵。

Claims (3)

1.一种蒸气动力循环系统，其至少具有：蒸发器，其使作为非共沸混合物的动作流体与规定的高温流体进行热交换，并使上述动作流体的至少一部分蒸发；气液分离器，其将由上述蒸发器得到的高温动作流体分离为气相部分和液相部分；膨胀机，其导入上述动作流体中的气相部分并将流体具有的热能转化为动力；冷凝器，其使该膨胀机排出的气相动作流体与上述气液分离器排出的液相动作流体一同与规定的低温流体进行热交换，并使气相部分液化；以及泵，其将该冷凝器排出的动作流体向上述蒸发器加压输送，
该蒸气动力循环系统的特征在于，
配设有多个上述冷凝器，并且直列地连接各个冷凝器的动作流体侧的流道，且直列地连接各个冷凝器的低温流体侧的流道，与动作流体通过多个冷凝器的顺序相反地设定低温流体通过各冷凝器的流道，
从与膨胀机出口连通的动作流体流道取出上述膨胀机排出的气相动作流体的一部分，在各冷凝器间分别与前级冷凝器排出的各阶段的动作流体合流，
通过在动作流体的流道上最接近上述膨胀机出口的最前级冷凝器使气相动作流体液化，并且也利用除上述最前级的冷凝器外的各冷凝器使上述合流部分的气相动作流体液化。
2.根据权利要求1所述的蒸气动力循环系统，其特征在于，
配设有多个上述蒸发器，并且直列地连接各个蒸发器的动作流体侧的流道，且直列地连接各个蒸发器的高温流体侧的流道，与动作流体通过多个蒸发器的顺序相反地设定高温流体通过各蒸发器的流道，
从与气液分离器的出口连通的液相动作流体流道取出利用上述气液分离器与气相动作流体分离的液相动作流体的一部分，并在各蒸发器间分别与前级蒸发器排出的各阶段的动作流体合流，使混合状态的动作流体利用在动作流体的流道上除距上述泵出口最近的最前级蒸发器以外的各蒸发器升温。
3.一种蒸气动力循环系统，其至少具有：蒸发器，其使作为非共沸混合物的动作流体与规定的高温流体进行热交换，并使上述动作流体的至少一部分蒸发；气液分离器，其将由上述蒸发器得到的高温动作流体分离为气相部分和液相部分；膨胀机，其导入上述动作流体中的气相部分并将流体具有的热能转化为动力；冷凝器，其使该膨胀机排出的气相动作流体与上述气液分离器排出的液相动作流体一同与规定的低温流体进行热交换，并使气相部分液化；以及泵，其将该冷凝器排出的动作流体向上述蒸发器加压输送，
该蒸气动力循环系统的特征在于，
配设有多个上述蒸发器，并且直列地连接各个蒸发器的动作流体侧的流道，且直列地连接各个蒸发器的高温流体侧的流道，并与动作流体通过多个蒸发器的顺序相反地设定高温流体通过各蒸发器的流道，
从与气液分离器的出口连通的液相动作流体流道取出利用上述气液分离器与气相动作流体分离的液相动作流体的一部分，并在各蒸发器间分别与前级蒸发器排出的各阶段的动作流体合流，使混合状态的动作流体利用在动作流体流道上除距上述泵出口最近的最前级蒸发器以外的各蒸发器升温。
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