CN107002511A - 用于通过使汽化潜热再循环而进行高效能量转换循环的系统 - Google Patents

Abstract

公开了一种通过使汽化潜热再循环而进行高效能量转换循环的发电设备(系统)和方法。在一种实现中，本发明能够通过建立多个汽轮机循环减少在现有电厂循环设计中被抛弃到大气中的废热的量而实现提高的效率，其中第一循环的汽化潜热注入第二循环的输入级中，第二循环的废热(汽化潜热)注入第三循环的输入级中，等等。只有最后一个循环的废热被抛弃到大气中。

Description

用于通过使汽化潜热再循环而进行高效能量转换循环的系统

技术领域

本文描述的本主题总体上涉及发电，更具体地，朝着用于高效地驱动发电汽轮机的多级系统。

背景技术

目前，世界上的大部分电通过将水加热到高的压力和温度的蒸汽来生成，蒸汽随后用于使汽轮机旋转，汽轮机使发电机旋转以发电。任何数量的方法可用于加热水，例如太阳能、煤炭、燃气、原子能等。当高压蒸汽进入汽轮机时，高压蒸汽与汽轮机叶片碰撞并将其能量中的一些能量给予汽轮机。在与汽轮机叶片多次碰撞之后，蒸汽已损失掉其能量中的大量能量，并离开汽轮机以低的压力进入冷凝器，冷凝器冷却蒸汽一直到蒸汽变成水。然后，泵将水泵回到循环的高压输入级，在高压输入级，水又被加热成蒸汽以连续地重复该循环。

这种设置方式的问题在于，冷凝器必须去除汽化潜热以将蒸汽往回转换成液体，使得泵可通过最小的能量需求将流体泵回到循环的起始处。然后，该能量作为废热被丢弃到周围环境。在水的情况下，汽化潜热大约是2257kJ/Kg，这是非常大量的能量。这是在每个循环增加到工作流体的总热能的40％-60％(取决于操作温度)之间的能量或更大的能量。因此，甚至最好的发电厂也极少实现甚至40％的效率。如果该废弃潜热还可使用并转换成电，则任何发电厂的效率的显著提高是可能的。

存在许多现有动力循环，诸如朗肯循环和其他循环的现有动力循环的问题在于，由于必须抛弃到大气或周围环境中的大量低质量的废热，导致循环的效率大大受到限制。大部分汽化潜热(或冷凝潜热)必须作为废热被抛弃，这大大限制了任何循环的效率。

发明内容

提供本发明内容以介绍与用于通过使汽化潜热再循环而进行高效能量转换循环的系统(设备)及其方法相关的概念，该概念在下面在详细描述中进一步描述。本发明内容不意在确定请求保护的主题的必要特征，也不意在用于确定或限制请求保护的主题的范围。

技术问题：冷凝器必须去除汽化潜热以将蒸汽往回转换成液体，使得泵可通过最小的能量需求将流体泵回到循环的起始处。然后，该能量(潜热)作为废热被丢弃到周围环境。因此，甚至最好的发电厂也极少实现甚至40％的效率。

技术方案：本发明提供一种机构，该机构通过将任何级的汽化潜热传递到下一级的输入级而非将该汽化潜热抛弃到大气中，有效地且经济地解决上面提到的技术问题，并因此大大增加任何动力循环的效率。

在一种实现中，本发明的基本目标在于通过增加所有现有的和未来的发电厂的热电转换效率，克服现有技术的缺点/缺陷。

在一种实现中，本发明提供通过比通过目前的技术可能达到的效率更高的效率，在发电厂中将热能转换成电能。

在一种实现中，通过使用本发明提高效率，是通过减少在现有电厂循环设计中被抛弃到大气中的废热的量来实现的。

在一种实现中，本发明通过建立多个汽轮机循环提供一种机构，其中第一循环的汽化潜热注入第二循环的输入级中，第二循环的废热(汽化潜热)注入第三循环的输入级中，等等。只有最后一个循环的废热被抛弃到大气中

在一种实现中，本发明能够使用废弃潜热并将废弃潜热转换成电，从而实现发电厂的效率的显著提高。废热交换机构还可与所有基于热的动力系统一起使用，即使最终输出是某种非电形式的输出。

在一种实现中，通过将任何级的汽化潜热传递到下一级的输入级而非将该汽化潜热抛弃到大气中，本发明增加任何动力循环的效率。

在一种实现中，通过适当地选择工作流体、汽轮机出口温度和压力，本发明能够将所有汽化潜热传递到下一级，从而大大减少将该级的工作流体加热到期望的温度所需的能量的量。对于第一级之后的所有级，其结果是极高的效率，从而造成非常高的总效率。

为了通过将任何级的汽化潜热传递到下一级的输入级而非将该汽化潜热抛弃到大气中来提高任何动力循环的整体性能，本发明的实施例提供本申请的多个方面。多个方面提供用于通过使汽化潜热再循环而进行高效能量转换循环的系统/设备和方法。技术方案如下：

在另一方面，公开了一种具有至少两级系统的多级发电设备。发电设备包括：第一级动力循环，包括第一工作流体、锅炉、汽轮机、热交换器、泵等，且配置用于发电；

第二级动力循环，包括第二工作流体、锅炉、汽轮机、热交换器、泵等，且配置用于发电；其中第二工作流体吸收从第一级循环生成的废热(汽化潜热和/或冷凝潜热)以用于发电。

在另一方面，公开了一种用于使用具有至少两级动力循环的发电设备来发电的方法。方法包括：

·使用包括第一工作流体、锅炉、汽轮机、热交换器、泵等的第一级动力循环发电；

·使用第二级潜热交换机构和包括第二工作流体和发电设备的汽轮机循环发电；其中

·第二工作流体在潜热交换机构中吸收从第一级生成的废热(汽化潜热和/或冷凝潜热)以用于发电。

在本发明的一种实现中，第一级的低质量的废热传递到第二循环的输入级，第二循环的废热传递到第三循环的输入级，等等。级越多，最终的总效率将越大，但是将来会有一个时候，那时增加更多的级将具有减少的财务回报。另外，不能找到足够数量的具有正确物理性质的工作流体以实现无限数量的级。出于详细解释过程的目的，两个级将足以解释概念，因此其余的解释将基于两级系统。

附图说明

参照附图描述详细描述。在附图中，标号最左边的数字标示该标号第一次出现时的图。贯穿附图，使用相同的数字指示相同的特征和组件。

图1示出了现有发电厂循环(现有技术)的简化原理图。

图2示出了根据本主题的实施例的、将实现非常高的效率的多级循环的简化原理图。

图3示出了根据本主题的实施例的、在水和氨用作工作流体的情况下，两级系统看起来可能像什么的示例。

图4示出了根据本主题的实施例的、用于使用具有至少两级潜热交换机构的发电设备来发电的方法。

图5示出了根据本主题的实施例的、在第一级潜热交换机构1000期间执行的方法。

图6示出了根据本主题的实施例的、在第二级潜热交换机构2000期间执行的方法。

具体实施方式

下面参照本发明的实施例中的附图清楚地描述了本发明的实施例中的技术方案。显然，描述的实施例仅仅是本发明的实施例中的一部分而非所有实施例。由本领域普通技术人员基于本发明的实施例在不付出创造性劳动的情况下获得的所有其他实施例应该落入本发明的保护范围内。

下面与示出了本发明的原理的附图一起提供本发明的一个或多个实施例的详细描述。本发明与这样的实施例关联地描述，但是本发明不限于任何实施例。本发明的范围仅由权利要求限制，本发明包括多个可选项、修改和等同物。在下面的描述中阐述多个具体细节以提供本发明的彻底的理解。出于示例的目的，提供这些细节，本发明可在不存在这些具体细节中的一些或所有细节的情况下根据权利要求实践。出于清楚的目的，没有详细描述与本发明相关的技术领域中已知的技术材料，使得本发明没有不必要地模糊。

可注意到，将理解的是，热力学的基本最小理解与读者共存，以理解本解释。

现在参照图1，图1示出了作为现有技术的现有电厂循环的基本布局。

虽然多个方面描述了：通过使汽化潜热再循环而进行高效能量转换循环，可在任何数量的不同系统、环境和/或构造中实现，但是在下面的示例性系统的背景下描述实施例。

现在参照图2，图2示出了根据本主题的实施例的、将实现非常高的效率的多级循环的简化原理图。

在一种实现中，第一级的低质量的废热传递到第二循环的输入级，第二循环的废热传递到第三循环的输入级，等等。级越多，最终的总效率将越大，但是将来会有一个时候，那时增加更多的级将具有减少的财务回报。另外，不能找到足够数量的具有正确物理性质的工作流体以实现无限数量的级。

在一种实现中，出于详细解释过程的目的，两个级将足以解释概念，因此其余的解释将基于两级系统。

现在参照图3，图3示出了根据本主题的实施例的、在水和氨用作工作流体的情况下，两级系统可能的样式的示例。

在一种实现中，出于简化的目的，在级A 1000中仅示出了高压和低压汽轮机，在级B 2000中仅示出了单级汽轮机。另外，故意忽略所有现有技术，例如蓄热、开放式给水加热器和已经存在以提高循环效率和性能的其他小幅修改。在效率提高方面的所有现有技术仍然可用于提出的改进设计的每个级。在本文整篇文档中提到的热物理性质的所有值从美国国家标准技术研究所(NIST)网站www.nist.com获得，或者更具体地，从webbook.nist.gov/chemistry/fluid/获得。

在一种实现中，可能存在可用于改进的系统的各个级1000或2000的宽范围的流体，但是出于解释的目的，在本文档中我们将假设水作为第一工作流体用于级A 1000，以及氨将作为第二工作流体用于级B 2000。级A 1000是第一级，通过泵A 1以例如250巴(bar)的高压(或任何其他期望的压力)将液态水从点13输送到锅炉A 2中。这里，在锅炉2中，液态水加热到大约600℃的高温(或任何其他期望的温度)，并在点10处作为超临界流体或加热流体离开锅炉A 2。然后，这种高温度和压力的超临界流体在高压汽轮机3中膨胀，在显著的温度和压力降低之后，又输送到锅炉A 2以重新加热到600℃并处于50巴(或任何其他期望的温度和压力)，以及输送到低压汽轮机4进行最终能量提取来发电。

在现有系统中，蒸汽/蒸气在点11处以近似真空状态离开汽轮机，在使用冷却水的冷凝器中汽化潜热(或冷凝潜热)作为废热被去除。这允许蒸汽在点12处往回转换成液体，使得它可以以高压泵回到系统中以重复循环。

在本发明中，蒸汽在点11处以足够高的压力和温度离开低压汽轮机A 4，以允许其潜热能量传递到第二工作流体(在本示例中使用的第二工作流体是氨)，这是与现有技术的第一重大差异所在之处。自然而然地，当与现存的现有技术比较时，这可导致级A 1000的效率稍微减小，然而，级A 1000的所有汽化潜热将传递到热交换器A 100中的级B 2000的工作流体，而非如现存的现有技术的情况那样废弃到大气中。在将潜热能量传递到级B 2000的这个过程中，级A 1000的蒸汽/蒸气在点12处往回转换成液体，使得它可通过冷凝泵A 1以高压泵回到输入级13中。

在一种实现中，由于级B 2000已吸收级A 1000的大量潜热能量，所以少得多的额外能量需要增加到级B 2000中以实现期望的温度。通过吸收热交换器A 100中的级A 1000中的蒸汽的潜热能量，氨已在点14处转换成高温度和压力的蒸汽。可由本领域技术人员理解的是，在本示例中，通过选择的压力的温度，氨在点14处是蒸汽。然而，取决于级B所期望的操作压力，工作流体B(在这种情况下，氨)可在点14处作为液体、蒸汽或超临界液体或超临界蒸汽离开热交换器A 100。然后，工作流体B进入锅炉B 5，在锅炉B 5中，工作流体B在点15处进入汽轮机B 6之前加热到期望的温度。在点16处以低压离开汽轮机B 6时，氨进入热交换器B 100，在热交换器B 100中，氨冷却一直到氨在点17处变成液体。然后，泵B 7将液态氨泵送到高压(可以是亚临界、临界或超临界压力)点18。

在一种实现中，由于从级A 1000的汽化潜热到级B 2000的传递获得了增加到级B2000中的显著大总量的能量，所以在级B 2000中需要少得多的额外能量以使氨达到期望的温度。因此，在第一级之后的所有级将以极高的效率操作，该极高的效率将超过对级A 1000中稍微的效率降低的补偿。

在一种实现中，每个级可与其他级隔离，不同级的流体不会混合。

在一种实现中，不同的流体可用于每个级。本领域技术人员将理解到，相同的流体也可用于后续的级，但是处于更低的压力。

在一种实现中，根据期望以及根据系统/电厂的要求，不同的压力和温度可用于每个级。

在一种实现中，本发明能够使用任何现有技术，例如蓄热、开放式给水加热器、多级汽轮机等可继续用于每个独立的级。

在一种实现中，本发明可与任何热源一起使用，所述热源可包括但不限于煤炭、太阳能、原子能等。

在一种实现中，任何级的汽化潜热可以以足够高的温度和压力传递到下一级的输入，以导致从液体到蒸汽或超临界蒸汽的完整相变或部分相变，在该过程中，第一级的蒸汽可转换成液体。

在一种实现中，在除了最后一级之外的所有级中汽轮机出口压力可高于大气温度和压力。

在一种实现中，可根据个体需求选择任何数量的级和工作流体的选择项。

在一种实现中，可理解的是，相对于在目前的设计中可能达到的热电转换效率，第一级的热电转换效率可稍微减小。后续的级可具有“虚拟”效率，该“虚拟”效率甚至可超过100％且在下面的章节中解释。

在一种实现中，为了获得最好的结果(但绝非必要之举)，级A 1000的工作流体可具有最高的临界点温度。每个后续的级例如2000可具有如下工作流体，该工作流体具有比前一级低的临界点温度。因此，水通常可以是用于第一级的流体的选择项。

在一种实现中，本发明可用作燃气发电厂的较低的级。

在一种实现中，除了热交换器100之外，热泵也可用于将来自一个级的热传递到下一级。虽然热泵可消耗能量并减小效率，但是热泵还可允许消除为了传递能量而在一些情况下在热交换器中可能必须维持的温度降低。热交换器中没有温度降低，将给出更好的效率，这可帮助消除由热泵消耗的能量。例如，热交换器可用于在维持温差的同时传递大部分能量，可使用热泵传递最终量的能量，使得不存在温差。这在末尾的级中可能是有用的。

在一种实现中，公开了一种具有至少两级系统的多级发电设备。发电设备包括：第一级动力循环1000，包括第一工作流体(未示出)，且配置用于发电，从而生成废热(汽化潜热和/或冷凝潜热)；第二级动力循环2000，包括第二工作流体(未示出)，且配置用于发电，从而生成废热(汽化潜热和/或冷凝潜热)；其中出于发电的目的，第二工作流体吸收从第一级动力循环生成的所有废热(汽化潜热和/或冷凝潜热)。

在一种实现中，第一发电级包括：第一装置1，配置为传送处于高的压力的第一工作流体；第二装置2，配置为接收处于高的压力的第一工作流体以及将第一工作流体加热到高的温度以生成加热或过热的流体或蒸汽；第三装置3和第四装置4，配置为接收加热的流体/蒸汽并使加热的流体/蒸汽膨胀，一直到加热的流体/蒸汽降低到某个温度和压力，工作流体带着其潜热(汽化潜热和/或冷凝潜热)以低的压力和温度离开功率提取级。

在一种实现中，本发明包括热交换器机构100，其中热交换器机构100配置为：将从第一级1000生成的废热(汽化潜热和/或冷凝潜热)传递到第二级2000中的第二工作流体；以及将第二工作流体转换成高温度和压力的流体或蒸汽。

在一种实现中，热交换器机构100配置为：在第一级动力循环1000期间，从第四装置4接收第一工作流体蒸汽，并冷却第一工作流体蒸汽，一直到第一工作流体蒸汽转换成液体形式，且将它传送到第一装置1；或者在第二级动力循环2000期间，从第七装置7接收第二工作流体蒸汽，并通过级A 1000的废热加热第二工作流体蒸汽。

在一种实现中，第二级动力循环包括第五装置5、第六装置6和第七装置7，第五装置5配置为：接收处于液体或蒸汽形式、处于高的温度和压力的第二工作流体；以及将处于液体或蒸汽形式的第二工作流体加热到高温度和压力的蒸汽，而第六装置6配置为：接收处于高的温度和压力的加热蒸汽，从该蒸汽发电，该蒸汽带着其汽化潜热和/或冷凝潜热以低的压力和温度离开功率提取级，以进入热交换器200，在热交换器200中，该蒸汽的废热(潜热)要么传递到下一级要么被抛弃到大气，而第七装置7配置为传送处于液体形式、处于高的压力的第二工作流体。

现在参照图4，图4示出了根据本主题的实施例的、用于使用具有至少两级潜热交换机构的发电设备来发电的方法。

描述方法的顺序不意在解释为限制，任何数量的描述的方法框可以以任何顺序组合，以实现该方法或替代方法。另外，在不脱离本文描述的主题的范围的情况下，可从方法删除独立的框。此外，方法可在任何合适的硬件、固件或它们的组合中实现。然而，为了方便解释，在下面描述的实施例中，方法可被认为是在上述发电设备中实现。

在框402处，使用第一工作流体生成电力。该生成的方法在图5的描述中解释。

在框404处，第一工作流体的汽化潜热和/或冷凝潜热(废热)传递到与第一流体物理地隔离的第二工作流体。在该过程中，第一工作流体从蒸汽转换成液相。

在框406处，出于生成可用电力的目的，在吸收第一级的所有废热之后的第二工作流体可被进一步加热，以获得期望的温度。该生成的方法在图6的描述中解释。

在框408处，在功率提取之后，第二工作流体的剩余能量(废热)可传递到第三工作流体或作为废热传递到周围环境。

现在参照图5，图5示出了根据本主题的实施例的、在第一级动力循环1000期间执行的方法。

在框502处，使用第一装置1传送处于高的压力的第一工作流体。

在框504处，通过第二装置2接收处于高的压力的第一工作流体。第二装置2将第一工作流体加热到高的温度以生成加热流体。

在框506处，通过第三装置3和第四装置4接收加热流体。出于发电的目的，装置3和4使加热流体膨胀，一直到加热流体降低到某个温度和压力。

在框508处，还可根据期望使用用于提高效率的任何现有装置。

在框510处，在该级中生成的废热(潜热)在潜热交换机构A 100中传递到第二级工作流体。在该过程中，第一工作流体往回转换成液相，再次提供给第一装置1，循环在1000中重复

现在参照图6，图6示出了根据本主题的实施例的、在第二级动力循环2000期间执行的方法。

在框602处，使用第七装置7传送处于高的压力的第二工作流体。

在框604处，级B 2000的第二工作流体吸收级A 1000的第一工作流体的所有废热(汽化潜热/冷凝潜热)，在该过程中，第二工作流体的温度和能量含量显著升高。

在框606处，处于高的温度和压力的第二工作流体从热交换器机构100离开，其中，来自级A 1000的潜热提供给第二工作流体，通过第五装置5以高的温度和压力接收第二工作流体，如果需要则第二工作流体被进一步加热到最终温度。

在框608处，出于能量生成的目的，第二工作流体以高的温度和压力进入第六装置6。

在框610处，还可根据期望使用用于提高效率的任何现有装置。

在框612处，在第二级2000中生成的过量废热要么传递到第三工作流体要么通过热交换器200排放或排出到大气中。在该过程中，第二工作流体往回转换成液相，再次提供给第七装置7，循环在级B 2000中重复。

注意的是，在蒸汽到液态水的相变过程中释放的大量能量只能通过另一液体的(完整或部分)相变去除，在本示例中另一液体是氨。替代项是使用来自河流或海洋的大量冷却水的现有技术，在这种情况下，潜热作为低温废热丢给环境。本发明能够将处于相对低的压力的工作流体的所有潜热传递到另一汽轮机循环的高压输入级。通过工作流体、压力和温度的适当选择，能够实现人们所期望的任何效率。

在一种实现中，使用的温度和压力或冷却液的选择仅仅是示例，以帮助理解过程，可根据个体情况使用任何温度或压力或冷却液。重点在于，通过根据冷却液适当地选择汽轮机出口压力和温度，潜热不会作为废热被抛弃到大气，而是传递到下一级。我们可超过由卡诺等式设置的限制的原因在于，卡诺等式从未真正应用于使用相变以从热提取能量的任何系统。支持该声明的明显示例是如下确切的事实，即没有系统在操作时甚至轻微地接近由卡诺等式限定的效率。在使用相变的任何系统中，在理想条件下实际上的最大效率应该描述成：

其中Q_in是每千克的总能量输入，以KJ/Kg为单位

以及ΔH_vap是处于汽轮机出口压力的汽化潜热，以kJ/Kg为单位。

在上述等式中，离开汽轮机的蒸汽不是饱和蒸汽。如果允许或期望饱和蒸汽，则应该相应地调整潜热值。在使用如早些时候在本文档中描述的两个级的情况下，等式可以是：

其中是级A中每千克的能量输入，以KJ/Kg为单位

以及是级B中每千克的能量输入，以KJ/Kg为单位

以及是级A中处于汽轮机出口压力的汽化潜热，以kJ/Kg为单位

以及是级B中处于汽轮机出口压力的汽化潜热，以kJ/Kg为单位

以及ε是流量系数，用于补偿在级A和级B之间可能存在的不同流量，且可定义为(级B的质量流量)/(级A的质量流量)

类似地，对于两个以上的级，等式可以是：

其中n是级的数量，ε_n是由级n中的质量流量除以级A的质量流量。

如果考虑能量损失，则等式可以是：

其中E_t是整个系统中的总能量损失。

从上述等式自然而然地，可得到以下观察/理解：

1)级的数量越大，总效率将越大。

2)由于在理想系统中无限数量的级，使得效率可接近100％。然而，在实践中，将难以找到足够的工作流体以实现以上情况，由于每个附加级中的输出逐渐减小，优选地，最好将系统限制到3至4级以优化输出和财务回报。

3)似乎可从等式得到，人们可简单地选择具有低的汽化潜热的工作流体以增加系统的效率。实际上这与可能发生什么相反。等式表示在不存在能量、热、摩擦或其他损失的理想条件下可能发生什么。在真实条件下，如果使用低潜热的流体，则冷凝泵和给水泵可能需要产生的总能量中的大部分能量。除了其化学性质之外，由于水的汽化潜热非常大，所以水显然是最好的选择。汽化潜热越大，在相变时发生的膨胀的体积越大，正是蒸汽的该非常大的膨胀比而允许蒸汽高效地驱动汽轮机，对于冷凝泵和给水泵具有非常小的相对功率需求。

4)只有最后一级的潜热被抛弃到大气。

5)上述等式将应用于使用相变以将热能转换成任何其他形式的可用能量的任何系统。

6)在目前的设计中，为了尝试和最大化能量提取，蒸汽通常作为饱和蒸汽离开汽轮机，导致对低压汽轮机叶片的损坏。在该设计中，这是不需要的，这样将延长汽轮机叶片的寿命。

工作示例：理论结果

下面的示例将示出在本文档中解释的设计的优点。其唯一目的仅在于帮助解释构思，且无论使用什么流体、温度和压力来解释过程，其绝不在任何方面限制设计的保护范围。如果假设在点10处，超临界流体处于600℃和250巴的压力，则超临界流体具有3493kJ/Kg的焓。在目前的设计(假设没有重新加热或任何其他效率增加技术)中，在以0.1巴离开汽轮机时，流体仍然具有大约2450kJ/Kg的焓，其中大约2257kJ/Kg是作为低质量的废热去除到大气的汽化潜热(或冷凝潜热)，导致效率只有大约35％((3493-2257)/3493)。现在我们最该做的是确保该2257kJ/Kg的废热不会废弃到大气中，我们具有极其高效的系统。

作为示例，如果在点10处，使蒸汽以大约180℃和10巴的压力离开汽轮机并进入冷凝器A，则在离开汽轮机时焓可以是大约2777kJ/Kg。在冷凝器A中，该热能传递到级B，在级B中工作流体是在点18处处于大约100巴、具有40℃的温度和536kJ/Kg的焓的氨。循环A和B中的流体彼此完全隔离，且必不可少的是，在任何地方不存在流体的直接接触。这允许不同的级以不同的压力和温度操作，人们可根据级的要求控制级。处于100巴的氨在高于125.17℃的温度经历相变，而级A中处于10巴的蒸汽将在低于179.88℃的温度改变相态。该温差将允许在热交换器A中能量从级A传递到级B，由于氨从液相变成气相，所以级A中的蒸汽冷却成液体，该液体随后可被泵到更高的压力以继续循环。由蒸汽到液态水的相变释放的大量能量只能被吸收，其原因是氨改变相态，从液体变成蒸汽。当氨以180℃、1831kJ/Kg的焓离开热交换器A时，氨已吸收可从级A中的水获得的所有潜热。

级B的流量可以高于或低于级A的流量，以匹配需要在级之间传递的能量的量。在热交换器A中，蒸汽释放2027kJ/Kg(2777kJ/Kg-750kJ/Kg)，而氨仅可吸收1295kJ/Kg(1831kJ/Kg-536kJ/Kg)。在该具体示例中为了传递所有的这种能量，氨的质量流量必须比水的质量流量大1.56倍(2027kJ/Kg/1295kJ/Kg)，以吸收将氨转换成液体所需的所有能量。如果对于氨循环，优先选择更低或更高的流量比，则人们只需要根据要求简单地增加或减小级A的汽轮机出口压力和温度。

假设在热交换器中维持大约50℃的温差以允许来自一个级的能量传递到下一级，以及根据期望或需要，热泵可用于最终量的能量传递。如果更低或更高的温差是期望的，则可相应地调整计算。热泵还可用于将来自一个级的热传递到下一级，在这种情况下，温差可以为零，或者甚至在某些情况下如果需要则温差可以为负值。这可给每个级造成稍微更高的效率，但是也必须考虑热泵使用的能量，以确定这样做是否有益。

虽然图3中示出的系统可稍微减小级A的效率，但是我们已将级A的潜热传递到级B的输入且使得工作流体在点14处变成高压蒸汽，所有这一切需要的只是锅炉B中一点点额外的能量，以将氨的温度从180℃升高到420℃或大约781kJ/Kg，如图3所示(2612kJ/Kg-1831kJ/Kg＝781kJ/Kg)。相比之下，3484kJ/Kg增加到级A中。对于级B，这给出“虚拟”效率，为((2612-1637)/(2612-1831))×100＝125％。对于第一两个级的平均效率是(总能量输出)/(总能量输入)＝((3493-2926)+(3667-2777)+1.56×(2612-1637))/(3493-750+3667-2926+1.56×(2612-1831))＝63.3％。当然，该图是近似的，其原因是没有考虑能量损失。然而，仅通过两个简单的级(在级A中仅使用1次重新加热)，设计已大大超过目前的设计系统可能具有的所有性能限制。第三级将造成将超过由卡诺等式设置的限制的效率，因此使卡诺等式失效。通过无限数量的级和理想系统，实际上人们可实现接近100％的效率。

上面讨论的示例性实施例可提供某些优点。虽然不要求实践本公开的多方面，但是这些优点可包括：

·单位功率的成本将降低。由于对于相同量的电输出，将需要燃烧更少的燃料，所以将减少污染。

·在面临由于污染导致温度恶性增加的重大危险的地方，这将提供显著的减轻。

·另一益处在于，通过相对小的额外投资，现有发电容量将显著增加。

可由本领域技术人员注意和理解的是，存在用于本发明的各种装置。每个装置是用于执行如上公开的特定功能的特定设备。例如，

第一装置和第七装置可包括但不限于泵和具有与泵的功能或用途类似的功能或用途的类似设备。

第二装置和第五装置可包括但不限于锅炉和具有与锅炉的功能或用途类似的功能或用途的类似设备。

第三装置、第四装置和第六装置可包括但不限于高压汽轮机、低压汽轮机和具有与高压汽轮机/低压汽轮机的功能或用途类似的功能或用途的类似设备。

虽然已通过结构特征和/或方法特有的语言描述了通过使汽化潜热再循环而进行高效能量转换循环的系统的实现方式，但是理解的是，所附的权利要求不一定限制到描述的特定特征或方法。相反，特定特征和方法作为通过使汽化潜热再循环而进行高效能量转换循环的系统的实现方式的示例而公开。

在本文整篇文档中提到的示例，其意思仅在于辅助理解设计的基本构思，绝不限制设计的范围。重点在于，汽化潜热/冷凝潜热(废热)传递到后续的级以增加热电转换效率，而非如目前的实践那样将汽化潜热/冷凝潜热(废热)抛弃到大气。试图使用如本文档中描述的汽化潜热/冷凝潜热(废热)的、具有小幅修改的所有设计或替代项也由本专利的范围覆盖。

Claims (18)

1.一种多级发电设备，具有至少两级潜热(废热)交换机构，所述发电设备包括：

第一级动力循环，包括第一工作流体且配置用于发电，从而生成包含汽化潜热和/或冷凝潜热(废热)的能量的汽轮机出口蒸汽；

第二级动力循环，包括第二工作流体且配置用于发电；其中

所述第二工作流体吸收从所述第一级动力循环生成的汽化潜热和/或冷凝潜热(废热)以用于发电。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一工作流体被加热成蒸汽，所述第二工作流体被加热成具有与所述第一工作流体无关的操作温度和压力的蒸汽。

3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一级动力循环包括：

第一装置，配置为传送处于高的压力的所述第一工作流体；

第二装置，配置为：

接收处于高的压力的所述第一工作流体；以及

将所述第一工作流体加热到高的温度，以生成加热流体/蒸汽；

第三装置和第四装置，配置为接收加热流体/蒸汽并使加热流体/蒸汽膨胀，一直到加热流体/蒸汽降低到某个温度和压力，从而将具有降低的温度和压力的加热流体传送到废热交换机构。

4.根据权利要求1所述的设备，包括热交换器机构，其中所述热交换器机构配置为：

将从所述第一级动力循环生成的废热传递到所述第二级动力循环中的第二工作流体。

5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第二级动力循环包括：

第五装置，配置为：

接收处于液体或蒸汽形式、处于高的温度和压力的所述第二工作流体；以及

将处于蒸汽形式的所述第二工作流体加热到优选的操作温度；

第六装置，配置为：

接收处于高的温度和压力的加热蒸汽；以及

从所述蒸汽发电，该蒸汽以低的温度和压力离开所述发电设备并进入另一热交换器，以将该蒸汽的废热传递到第三级动力循环或排出到大气；

第七装置，配置为传送处于高的压力的所述第二工作流体。

6.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述热交换器机构配置为：

在所述第一级动力循环期间，从所述第四装置接收第一工作流体蒸汽，并冷却所述第一工作流体蒸汽，一直到所述第一工作流体蒸汽转换成液体形式，且将它传送到所述第一装置；或者

在所述第二级动力循环期间，从所述第六装置接收第二工作流体蒸汽，并冷却所述第二工作流体蒸汽，一直到所述第二工作流体蒸汽转换成液体形式，且将它传送到所述第七装置。

7.根据权利要求1所述的设备，其中，所有的工作流体从适合于用作工作流体且以彼此无关的压力和温度操作的一组流体中选择，因此根据需要，不同的压力和温度能够用于所有的级。

8.根据权利要求1所述的设备，其中优选地，不同的工作流体用于不同的级、被物理地隔离且不能混合。

9.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一级的汽化潜热以足够高的压力和温度传递到所述第二级，导致第二工作流体的温度和能量含量的显著增加以及从液体到蒸汽或超临界蒸汽的相变，且在该过程中，所述第一级的蒸汽转换成液体。

10.根据权利要求9所述的设备，其中，第二工作流体的从液体到蒸汽或超临界蒸汽的相变是完整相变或部分相变。

11.根据权利要求1所述的设备，其中，选择具有如下物理性质的流体，该物理性质允许潜热能量在所述潜热交换机构中从一个级容易地传递到下一级。

12.根据权利要求1所述的设备，其中，所述废热交换机构适合于与所有基于热的动力系统一起使用，即使最终输出是某种非电形式的输出。

13.根据权利要求1所述的设备，其中根据期望，独立的级中的任何级适合于以亚临界、临界或超临界温度和压力操作。

14.一种用于使用具有至少两级动力循环的发电设备来发电的方法，所述方法包括：

在包括第一工作流体的第一级动力循环中发电和生成包含废热(汽化潜热和/或冷凝潜热)的汽轮机出口蒸汽；

在包括第二工作流体的第二级动力循环中发电和生成废热(汽化潜热和/或冷凝潜热)；其中

所述第二工作流体在热交换机构中吸收从第一级生成的废热(汽化潜热和/或冷凝潜热)以用于发电。

15.根据权利要求14所述的方法，包括：

通过第一装置传送处于高的压力的所述第一工作流体；

通过第二装置接收处于高的压力的所述第一工作流体；

通过所述第二装置将所述第一工作流体加热到高的温度；

通过第三装置接收加热流体并使加热流体膨胀，一直到加热流体降低到某个温度和压力，从而将具有降低的温度和压力的加热流体传送到所述第二装置，以用于重新加热具有降低的温度和压力的流体，其中，具有降低的温度和压力的加热流体被重新加热；

通过第四装置从以高的温度和低的压力或中等压力生成的蒸汽发电；以及

通过第四装置生成包含汽化潜热和/或冷凝潜热的能量的、低的温度和压力的出口蒸汽。

16.根据权利要求14所述的方法，包括：使用热交换器机构将从所述第一级动力循环生成的汽化潜热和/或冷凝潜热交换到所述第二级动力循环中的第二工作流体；以及将所述第二工作流体转换成经历相变的加热流体或蒸汽。

17.根据权利要求14所述的方法，包括：

使用第五装置以高的温度和压力从所述热交换器机构接收处于经历相变的加热流体或蒸汽形式的所述第二工作流体；

使用所述第五装置将处于蒸汽形式的所述第二工作流体加热到要求的温度；

使用第六装置接收处于高的温度和压力的加热蒸汽，以及从生成的并以低的温度和压力离开所述第六装置且包含汽化潜热和/或冷凝潜热的蒸汽发电；

使用第七装置传送处于高的压力的所述第二工作流体。

18.根据权利要求14所述的方法，包括：

在所述第一级动力循环期间，使用热交换器机构从所述第四装置接收第一工作流体蒸汽，并冷却所述第一工作流体蒸汽，一直到所述第一工作流体蒸汽转换成液体形式，且将它传送到所述第一装置；或者

在所述第二级动力循环期间，使用热交换器机构从所述第六装置接收第二工作流体蒸汽，并冷却所述第二工作流体蒸汽，一直到所述第二工作流体蒸汽转换成液体形式，且将它传送到所述第七装置；以及

使用热交换器机构将所述第二级动力循环之后的汽化潜热排放或传递到下一级。