CN1476346A - 通过反升华作用提取二氧化碳并加以储存的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一个提取并储存碳氢化合物在主要用于制造机械能的设备里燃烧所产生的烟尘中的二氧化碳的方法和系统。该系统包括：若干提取工具，尤其是交换器(11、25)水从这些烟尘中提取出来；冷却工具，主要是一个集成级联制冷设备(18、22、25、26、28、32、33、34、39、40)，用于在几乎等于大气压的压力下将上述烟尘冷却到可通过反升华程序从蒸汽状态直接变成固体状态的温度；储存工具，主要是一个固定的储罐(49)和/或一个可拆卸的储罐(51)和吸气工具，主要是一个气压泵(48)，用于在除霜后将液体形式的二氧化碳储存起来。

Description

通过反升华作用提取二氧化碳并加以储存的方法和系统
技术领域
本发明涉及在大气压下通过反升华作用提取(捕集)二氧化碳的方法和系统，尤其是捕集电力或热力生产所架设的烟囱中或驱动发动机的排气管中的烟尘里所含有的二氧化碳的方法和系统。执行捕集后可储存二氧化碳。
背景技术
燃烧、供暖设施、电力生产设施以及汽车驱动设备所排放的二氧化碳(CO2)会造成大气中的二氧化碳的浓度增加，从长远来看这种现象是不可接受的。《京都协定》规定了签约国在限制二氧化碳排放方面的义务。但是节制使用和提高能效并不足以将二氧化碳的浓度控制在可接受的值内。二氧化碳气体的捕集和储存已成为发展经济和为抑制气候变化而进行的大气浓度维护的一个不可或缺的目标。
发明内容
本发明涉及一个适用于所有燃烧系统的二氧化碳气体捕集方法。以本发明所述的方法具有不改变燃烧系统所在的驱动发动机、驱动涡轮机或电力生产的能效的特点。本方法通过在大气压下或接近大气压的压力下的反升华作用捕集二氧化碳气体，但并不增加能量消耗或只增加极少量的能量消耗。下面将以车辆的热力发动机为例讲述本系统的概念。
在本例中本发明涉及碳氢化合物在主要用于制造机械能的设备里燃烧所产生的烟尘中的二氧化碳的提取方法。以本发明所述的方法包含在约等于大气压的压力下将这些烟尘冷却到可以通过反升华作用从蒸汽状态直接变成固体状态的温度的步骤。
这个在约等于大气压的压力下，将上述烟尘冷却到可通过反升华作用从蒸汽状态直接变成固体状态的步骤最好还包括通过混合制冷剂的分馏提供负大卡以冷却氮气和二氧化碳混合物的步骤。混合制冷剂的分馏在逐级递减的温度条件下，按照包括一个压缩过程和若干连续的凝聚和蒸发过程的循环进行。
这个在约等于大气压的压力下，将上述烟尘冷却到可通过反升华作用从蒸汽状态直接变成固体状态的步骤最好紧跟着一个在封闭舱溶化二氧化碳的步骤。随着混合制冷剂的过冷反应给封闭舱带来卡路里，这个封闭舱里的温度和压力会发生变化直到达到二氧化碳的三态点。
混合制冷剂最好连续发挥以下作用：
在上述封闭舱中使二氧化碳溶化；
在与上述封闭舱对称的舱内保证自由循环的二氧化碳的反升华作用。
二氧化碳的溶化和反升华作用在上述两个舱内交替进行，一个舱是封闭的，一个舱是敞开的。
以本发明所述的方法最好还包括一个将液态二氧化碳储存在储罐中、尤其是可拆卸的储罐中的步骤。
上述将液态二氧化碳储存在储罐中、尤其是可拆卸的储罐中的步骤又包括以下步骤：
从上述封闭舱中吸出液态二氧化碳
使上述封闭舱内的压力重新接近大气压
将液态二氧化碳输送到储罐中
以本发明所述的方法最好还包括一个从烟尘中连续提取了水蒸汽和二氧化碳后向外界空气中释放氮气的步骤。
以本发明所述的方法最好还包括以下步骤：
将向外界释放的氮气中的负大卡输送到烟尘中
用于烟尘的冷却
以本发明所述的方法最好还包括使用烟尘中可利用的卡路里能量在约等于大气压的压力下将二氧化碳冷却至反升华温度而无须另外供应能量的步骤。
为了使用烟尘中可利用的卡路里能量，以本发明所述的方法最好还包括以下步骤：
利用上述烟尘加热水然后使其蒸发，以产生加压水蒸汽
将上述加压水蒸汽在涡轮机中降压以产生机械能或电能
这个在约等于大气压的压力下将烟尘冷却到可通过反升华作用从蒸汽状态直接变成固体状态的步骤最好还包括在约等于大气压的压力下从上述烟尘中将液态水提取出来的步骤。
为了在约等于大气压的压力下将全部或部分液态水从烟尘中提取出来，最好使用一台空气交换器或水交换器。
本发明最好还包括一个使用制冷交换器和/或干燥器提取烟尘中全部残留水分的步骤。
在本例中本发明亦涉及碳氢化合物在主要用于制造机械动能的设备里燃烧所产生的烟尘中的二氧化碳的提取系统。
以本发明所述的系统包含在约等于大气压的压力下对上述烟尘进行冷却的冷却工具，冷却的温度可以使烟尘通过反升华作用从蒸汽状态直接变成固体状态。
这些在约等于大气压的压力下将上述烟尘冷却到可通过反升华作用从蒸汽状态直接变成固体状态的冷却工具最好还包括一个集成级联制冷设备用以通过混合制冷剂的分馏为冷却氮气和二氧化碳混合物提供负大卡。混合制冷剂的分馏在递减的温度条件下，通过一个压缩过程和若干连续的凝聚和蒸发过程的循环进行。
上述制冷设备包括：一个压缩器、一个局部冷凝器、一个罐状分离器、若干蒸发-冷凝器、若干烟尘冷却蒸发器、若干液体-蒸汽交换器、若干反升华蒸发器以及若干降压装置。
以本发明所述系统最好还包括一个封闭舱，舱内存在一个循环，混合制冷剂在这个循环里流动。伴随以下作用，这个封闭舱里的温度和压力会发生变化直到达到二氧化碳的三态点：
混合制冷剂的过冷反应给封闭舱带来卡路里
二氧化碳从固态变为液态
混合制冷剂最好连续保证二氧化碳在封闭舱的溶化和二氧化碳在与封闭舱对称的舱内自由循环时的反升华。二氧化碳的溶化和反升华作用在上述两个舱内交替进行，一个舱是封闭的，一个舱是敞开的。
以本发明所述系统最好还包括储存工具，特别是用于储存液态二氧化碳的固定和/或可拆卸的储罐。
在固定和/或可拆卸的储罐中储存液态二氧化碳的储存工具最好还包括吸液工具，尤其是一个气压泵。吸液工具有以下作用：
将上述封闭舱内的液态二氧化碳吸出
使上述封闭舱内的压力重新接近大气压
将液态二氧化碳输送到储罐中
以本发明所述的系统最好还包括压缩器和/或吸收器，可以在从烟尘中连续提取了水蒸汽和二氧化碳后向外界空气中释放氮气。
以本发明所述的系统最好还包括传输工具，可以将向外界释放的氮气中的负大卡输送到烟尘中以用于烟尘的冷却。
以本发明所述的系统最好还包括回收烟尘中可利用的卡路里能量的回收工具，这些能量可以在约等于大气压的压力下将二氧化碳冷却至反升华温度而无须另外供应能量。
烟尘中的卡路里能量的回收工具最好包括以下工具：
加热工具，尤其一台交换器，可利用上述烟尘加热水然后使其蒸发，以产生加压水蒸汽
降压工具，尤其是一台涡轮机，可将上述加压水蒸汽降压以产生机械能或电能
这些在约等于大气压的压力下将烟尘冷却到可通过反升华作用从蒸汽状态直接变成固体状态的工具最好还包括在约等于大气压的压力下从上述烟尘中将液态水提取出来的提取工具，尤其是交换器。
在约等于大气压的压力下将全部或一部分液态水从烟尘中提取出来的提取工具最好包括一台空气交换器或水交换器。
为了提取烟尘中的全部残留水分，提取工具中最好还包括一个制冷交换器和/或干燥器。
附图说明
图1展示的就是在压力/温度曲线图中固态、液态、蒸气态共存的图解。
图2是一个二氧化碳的温度-热函曲线图。
图3表示集成级联制冷设备的运转方式。
具体实施方式
以下是对本发明的一种应用的整体描述。尾气，也称烟尘，其典型的构成是二氧化碳(CO2)、水蒸汽(H2O)和氮气(N2)，其中也包含一些微量成分如CO、NOx、未燃烧的碳氢化合物等(全部微量成分在尾气中的含量通常不超过1％-2％)。
表1展示的是内燃机所排烟尘的典型克分子构成和典型单位质量构成：
                       表1
    CO2     H2O     N2
克分子构成(％)     12.7     13.7     73.6
单位质量构成(％)     19.5     8.6     71.9
根据本发明的方法，这些烟尘被冷却，一方面为了回收机械能，同时也将烟尘的温度降至稍高于环境温度的温度。接着烟尘通过一个温度逐步降低(可使二氧化碳反升华)的制冷循环被冷却至约-80℃的温度和约与大气压相同的压力。
反升华一词在这里指的是当相关气体的温度低于三态点时发生的气态到液态的直接转化。图1展示的就是在压力/温度曲线图中固态、液态、蒸气态共存的图解。这个曲线图可用于所有纯净体。在三态点之下，固态和蒸气态之间直接转换。从固态转化为蒸气态称为升华，但尚无通用的术语称呼与之相反的转化。在本发明的描述中使用反升华一词来定义蒸气态到固态的直接转化。
烟尘的热力学数据表明从900℃到50℃的可用能量略高于1000kj/kg，实验表明通过蒸汽涡轮机的一个简单循环就能将这种热能的34％-36％转化为机械能，如交流发电机的效率是0.9，则可回收30.5％-32.5％的电能。
以本发明所述的系统包括可将热能转化为机械能和/或电能的能量生产装置和一个由集成级联的能量消耗装置。尾气的温度从+900℃变化到-90℃。从900℃到约50℃的阶段，气体产生热能，然后在从环境温度(如40℃)到-90℃的阶段消耗能量。本例表明这个过程所产生的能量大大超过消耗的能量，因此所产生的能量可以用来依次提取烟尘中的水蒸汽，然后是二氧化碳，并将氮气和微量气体释放到大气中去(它们的露点低于-90℃)，
蒸汽涡轮机的大小根据需要处理的烟尘流量而定。就汽车的热力发动机而言，只需一个小型的涡轮机，就可根据热力发动机本身的功率和转速制造3-30kw的电能。制造机械能的循环中的水的蒸发可通过加压闭路水循环和排气管道之间的交换进行。事实上，通过水循环从尾气中取得热能可以减少对尾气的机械干扰，这种干扰可能在气体涡轮机直接作用于烟尘的情况下发生。我们知道，排气压力的改变会强烈干扰柴油发动机或汽油发动机的运转参数。如果尾气压力变化太大，就会降低发动机的效能。交换器的对流设计以及在烟尘长长的循环线路中很大的温度梯度可以达到加热和蒸发机械能制造线路中的水的目的。在本例中，水的凝结温度是40℃，符合空气冷凝器在夏天里的典型工作条件。
水被加热至界于310℃到340℃之间的饱和温度，在这个温度上，沸腾器中的饱和压力约在99巴到145巴之间。压力水平根据发动机的运转条件进行调整。可通过根据交换器入口处和/或出口处的尾气温度改变水流量以调出最佳压力水平。烟尘流量的变化幅度很大，但是可以从发动机的转速和碳氢燃料的流量得知烟尘流量。这些数据可以通过发动机转速表和喷射碳氢燃料的电子控制系统获得，它们可以预测在能量回收线路中要使用的水流量大小，此时水循环线路中的压力根据交换器进/出口的尾气温度进行调整。
在这个沸腾压力下，水就转化成了蒸汽。接着，根据尾气的可用温度，蒸汽又被过热加热到400℃到550℃之间的典型温度。然后蒸汽在涡轮机体内降压。这样就可以从烟尘中提取机械能。涡轮机带动一个交流电机、一个惯性飞轮，甚至直接带动制冷系统的压缩机。就车辆热力发动机的各种功能而言，使用这种带动交流电机的方式会更轻便灵活。
我们可以通过下面的数据对在两种循环方式下所产生的机械能的数量进行估计：
在第一种情况下，凝结温度为40℃，沸腾温度为310℃ 。在第二种情况下，凝结温度还是40℃，但沸腾温度为340℃。此外，在第一种情况下蒸汽被过热加热到400℃ ，在第二种情况下被过热加热到500℃。选择这些例子是为了展示尾气温度的不同利用条件、提供可用功率的典型数据。可用功率通过烟尘流量M表示，流量单位为kg/s(公斤/秒)。通过这些例子可以将以本发明所述的方法推广应用于所有含二氧化碳的高温烟尘的排放管路中。对烟尘的能量回收可使烟尘从750℃到900℃之间的典型温度降至50℃到80℃的温度。
后面的数据确定了通过一个制冷循环冷却烟尘所需的机械能量的大小范围以及二氧化碳的反升华温度。在进入制冷系统的交换机之前，烟尘的温度已经从50℃冷却至环境温度。将烟尘温度从50℃冷却至环境温度的热量交换在一个空气交换器或水交换器中进行。根据外界温度以及微量成分的含量，烟尘流量中的部分水分会在交换机中被凝结，因为在每公斤干烟尘含86克水的浓度下，露点温度为50℃。但是，由于烟尘中含微量气体，水可能呈酸性，它的露点温度会高于纯净水的露点温度。在本例中包括有代表性的界于50℃至100℃之间的露点温度。我们在后面介绍的是在不考虑烟尘中可使微量气体露点温度上升的情况下如何使水蒸汽凝结。
根据凝结后的水的特征，可以将它们直接排放出去，或是储存起来经过先处理再排出。在温度低于环境温度下，烟尘在一个包括若干交换区域的循环中被冷却。它们在大气压或接近大气压的压力下达到低于二氧化碳的反升华温度的温度。
空气交换器和集成串极系统的第一个冷却交换机之间的烟尘流量M已经改变，因为此时烟尘中的水已经凝结。假如单位重量浓度如下：
          CO2＝19.5％；H2O＝8.6％；N2＝71.9％
则烟尘流量M非常接近无水流量(忽略微量气体的浓度)，即：
               MCO2+N2＝0.914M
在进入两个反升华蒸发器之前，这个新的无水烟尘流MCO2+N2继续在制冷系统的各交换器中冷却。这两个反升华蒸发器以轮换的方式运转。烟尘和冷却剂轮流进入其中的一个蒸发器。
在反升华阶段，二氧化碳形成的霜附着在反升华蒸发器内的交换器线路的外壁上，逐渐形成一道阻止冷烟尘流动的屏障。在这个蒸发器上作用一段时间后，交换器外的烟尘流和交换器内的制冷剂流分别被推到对称的蒸发器中。在第二个蒸发器中，制冷剂又在交换器内部蒸发，二氧化碳沉积在交换器表面。此时，第一个蒸发器已经不再起到蒸发的作用，它内部的温度升高。在使降压前的制冷剂流动的同时，第一个蒸发器内的温度加速升高，固体二氧化碳从大气压下固气态的平衡温度-78.5℃升高至-56.5℃，压力为5.2巴，也就是固态、气态和液态共存的三态点的压力和温度特征。固体二氧化碳溶化，即从固态转化为液态。随着温度的上升，交换器内的压力也升高。
二氧化碳完全变为液体后，就会通过一个泵输送到一个隔热的储罐内。这个泵还可以吸出残留的气体，尤其是二氧化碳气体。它还能使反升华蒸发器内的压力从5.2巴降至接近大气压的压力，这样烟尘又可以进入蒸发器。
于是又可以开始下一个循环了，冷烟尘中的二氧化碳又可以在蒸发器的壁上进行反升华作用。蒸发器又被充入制冷剂，循环继续进行，并在两个平行的低温蒸发器中交替反复。
以本发明所述的使用反升华作用的方法优于从气态转化二氧化碳液体的方法。事实上，要将二氧化碳直接从气态转化为液态，必须将烟尘的压力至少提高到5.2巴，温度至少降低至-56.5℃。在实际操作中，这个方法牵涉到先将烟尘的温度降至0℃以排除水分，然后压缩氮和二氧化碳的混合气体至少到6巴。在压缩过程中，氮和二氧化碳的混合气体将升温至120℃ ，因此又须重新将其从120℃冷却至-56.5℃。这个方法还包括一个纯属无用功的5.2巴压力下的氮气压缩过程。
制冷装置运用了一个自身冷却的原理，称为集成级联。以本发明所述的制冷装置具有特殊的技术特征，这些会在下文中介绍。事实上，以本发明所述的方法使用混合制冷剂，以便实现通过从环境温度到-90℃的大跨度温差、利用一个制作简单、只有一个压缩器的制冷设备来冷却烟尘。以本发明所述的制冷设备包括一个压缩器、两个中介蒸发-冷凝器和前面介绍的两个平行的低温蒸发器。两个中介蒸发-冷凝器的作用是可以使混合制冷剂蒸馏以及逐步冷却烟尘流。
根据温度条件和微量成分的含量，烟尘中残留的水蒸汽在前面介绍的空气冷却交换器或水冷交换器中全部或部分凝结。如果这一点没有完成，则水在制冷设备的第一个温度略高于0℃的交换器中进行补充凝结，而且停留时间足以完成凝结。
用于完成一个循环的混合制冷剂可以是三元的、四元的或五种成分的。上述混合制冷剂的使用遵守《蒙特利尔协定》中所规定的管制条件。该协定禁止生产和使用含氯的制冷气体。这意味着所用的成分中不能含任何CFC(氯-氟-碳化物)和H-CFC(氢-氯-氟-碳化物)，即使有多种含这些元素的制剂从功能上来说都非常适合用做集成级联制冷设备的工作制冷剂。《京都协定》也规定了对全球变暖潜值(GWP)很高的气体的管制。尽管它们现在还没有被禁用，但根据本发明，最好使用GWP值尽可能低的制剂。根据本发明，在集成级联制冷设备中可用于捕集烟尘中的二氧化碳的混合制冷剂见如下：
三元混合物
三元混合物可以是甲烷/二氧化碳/R-152a的混合物，或根据标准
化术语(ISO817)称之为R-50/R-744/R-152a混合物。也可以用丁烷(R-600)或异丁烷(R-600a)替代R-152a。四元混合物四元混合物可以是以下物质的混合物：R-50/R-170/R-744/R-152或R-50/R-170/R-744/R-600或R-50/R-170/R-744/R-600aR-50可以由R-14替代，但后者的GWP值非常高(6500公斤，相当于二氧化碳的值)。五种成分的混合物该类混合物可以从以下八种制剂中选择五种组合而成：R-740、R-50、R-14、R-170、R-744、R-600、R-600a、R-152a，它们的比例根据表2所示的逐级临界温度而定。以下例举一些组合方式：R-50/R-14/R-170/R-744/R-600或R-740/R-14/R-170/R-744/R-600或R-740/R-14/R-170/R-744/R-600a或R-740/R-14/R-170/R-744/R-152a或R-740/R-50/R-170/R-744/R-152aR-740为氩。表2展示了这些制剂的主要热化学特性和名称。
                               表2
标准化学名称(ISO817) 化学分子式 临界温度(摄氏度) 临界压力(巴) 克分子质量(克/克分子)
R-740氩 A -112.43 48.64 9.94
R-50甲烷 CH4 -82.4 46.4 6.04
R-14二氧化碳 CF4 -45.5 37.4 8.01
R-170四氟化碳氟里昂 O2 1.01 3.77 4.01
R-744乙烷 2H6 2.2 8.9 0.06
R-152a二氟甲烷 HF2-CH3 13.5 4.9 6.05
R-600a异丁烷 CH3)3CH 35 6.47 8.12
R-600正丁烷 H4H30 52 7.7 8.12
两个中介蒸发-冷凝器和反升华蒸发器组成了集成级联制冷设备的三个温度段。这三个温度段都与压缩机的呼吸系统连接，因此在同样的压力下运行。但是三个温度段的平均温度分别为-5℃、-30℃和-90℃的典型温度，因为每个交换器的另一个管路里的制冷剂流之间需要有温差。
集成级联制冷设备的三个温度段的混合制冷剂流量取决于混合制冷剂各成分的比例。因此级联的结构和温度之间存在着联系。
以下列举的数据涉及一个使用五种成分的混合制冷剂的集成级联制冷设备，制冷剂的五种成分的单位质量构成如下：
R-50  1％
R-14  3％
R-170 19％
R-744 27％
R-600 50％
可燃成分和不可燃成分的比例和上述混合比例一样，因此混合制冷剂是安全不可燃的。该混合制冷剂的临界温度为-74.2℃，临界压力为50巴。
临界温度最高的成分(此处为R-600和R744)在混合物中占大部分比例，因为它们在两个中间阶段的蒸发可以使临界温度低的成分进行蒸馏。于是临界温度低的成分可以在反升华蒸发器内蒸发。这个反升华蒸发器是双舱的，通过平行的管路交替工作。
级联中的交换器最好是对流交换器，这样就可以在入口和出口之间使用很大的温差，也可以在各温度下回收液体转化为气体时所产生的热量。
无水烟尘流MCO2+N2通过反升华蒸发器后变成了氮气流MN2，流量是初始流量M的0.719倍。这个氮气流的温度是-90℃，在烟尘管道中对流，参与冷却无水烟尘流MCO2+N2，然后又参与冷却初始流M。从反升华蒸发器出来的氮气流一直参与烟尘的冷却，直至氮气的温度上升至环境温度。由于逐步截留了烟尘中的水蒸汽和二氧化碳，氮气流的压力是初始烟尘流M的73％。循环所需的超压可以通过空气压缩器实现，压缩器扩散管中注入的气流可以进行氮气流的提取。
另一种设计是压缩从空气冷却交换器中出来的全部气流，以使烟尘在直至最后被释放到空气中的整个的循环线路上都有一个略微高于大气压的超压。
通过阅读实现本发明的一个例子(本发明的实现方式并不限于此例)以及通过图解的方式介绍实现一个使用反升华作用捕集二氧化碳的系统的一种方式的图3，我们可以了解本发明的其它特性和优势。
现在介绍图3。下表中的数字参号即图3中的数字参号。
下表中详细介绍了图3所使用的数字参号系统以及不同参号对应的技术用语。
       图3中数字参号的技术词汇表
名称     参号
热力发动机     1
热力发动机的出口管路     2
热力发动机的冷却线路     3
发动机的能量回收线路     4
发动机热能回收交换器     5
第一个烟尘冷却交换器     6
涡轮机     7
空气冷凝器     8
泵     9
交流机     10
烟尘冷却交换器     11
冷却线路     12
交换器11的烟尘出口管路     13
冷凝器的排水管路     14
第一个(一号)烟尘蒸发冷却器的排水管路     15
储水罐     16
制冷压缩器     17
局部冷凝器     18
制冷冷凝器的冷却线路     19
管路     20
管路     21
一号蒸发-冷凝器     22
管路     23
降压器     24
一号烟尘蒸发冷却器     25
一号液态气态交换器     26
管路     27
罐状分离器     28
气体出口管路     29
管路     30
降压器     31
二号蒸发-冷凝器     32
二号烟尘蒸发冷却器     33
二号液态气态交换器     34
管路     36
三向阀     37
管路     38
第一个(一号)反升华蒸发器     39
第二个(二号)反升华蒸发器     40
一号降压器     41
二号降压器     42
管路     43
管路     44
气体回路管路     45
三向阀     46
三向阀     47
泵     48
储罐     49
泵     50
可拆卸储罐     51
阀门     52
三向阀     53
三向阀     54
向外界排出氮气的管路     55
干燥器     56
空气压缩器     57
管路     58
扩散管     59
烟尘在冷却线路上运动时，它的温度和化学构成随着运动变化。流量M是四个流量的和：
         M＝mH2O+mCO2+mN2+mtracemH2O指水蒸汽的流量mCO2指二氧化碳的流量
mN2指氮气的流量
mtrace指微量气体的流量
烟尘通过管路2(热力发动机出口管路)从热力发动机1(内燃机)中出来，温度为900℃。这些烟尘在交换器6(第一个烟尘冷却交换器)中释放的能量可以通过烟尘流量M表述：
         Qech＝M(Hs6+He6)
Hs6和He6分别表示烟尘在交换器6的出口和入口处的热函。
烟尘在热力发动机1的出口处的单位质量构成分别为：
CO2    19.5％
H2O   8.6％
N2     71.9％
在本介绍中忽略了微量气体。
烟尘在交换器6中释放的能量Qech约为1000kJ/kg(千焦/公斤)，烟尘在交换器6的出口处的温度为50℃。我们可以用以kg/s(公斤/秒)为单位的流量M来表述以KW(千瓦)为单位的释放功率Pech：Pech＝Qech×M＝1000kJ/kg×Mkg/s＝1000M(单位：千瓦)
烟尘在交换器6中释放的热能通过自身的作用转化为机械能，然后转化为电能。烟尘将能量转给在交换器6中流动的水。这些液态水被逐渐从42℃ 加热到310℃，然后在310℃的饱和压力(99巴)下沸腾(在交换器6的第二种工作方式，即温度为340℃的情况下饱和压力为145巴)，最后水被过热加热到400℃(在交换器6的第二种工作方式下为500℃)。过热的蒸汽在涡轮机7中降压，涡轮机7带动一个交流机10。经过降压后的蒸汽部分为二相的，它们随后在冷凝器8(空气冷凝器)中凝结。由此形成的液体通过泵9在99巴的压力下被压缩(在第二种工作方式下为145巴)。我们还可以选择在热力发动机1的冷却线路3上回收一些热能(在本介绍中未计入热量方案)。在这种情况下，热力发动机1的冷却线路3上的热能回收交换器5包括一个能量回收线路4。热力发动机1的回收线路4和冷却线路3之间的连接没有表示出来。夏天，空气冷凝器8中的凝结温度为40℃。冬天的凝结温度和在最热的国家的夏天的冷凝温度会有从10℃到60℃的典型性变化。蒸汽凝结温度为10℃时回收的热量高于凝结温度为65℃时回收的热量。
表3和表4给出了在两种工作方式下液态水和水蒸汽在以下情况下的热函：
在交换器6的入口和出口处
在涡轮机7的出口处，以及
在空气冷凝器8的出口处
这四个热函值代表能量回收线路的能量效率。交换器6、涡轮机7、空气冷凝器8和泵9之间由管道系统连接，组成了热能回收线路。由此回收的热能被转化为机械能。
和涡轮机7配套的交流机10可以将机械能转化为电能。
表3
   温度(摄氏度)    压力(巴)     H热函(千焦/公斤)      S熵(千焦/公斤·卡)
交换器6入口处     42.4     99    177.4
交换器6出口处     400     99    3098.2    6.2183
涡轮机7出口处     40     0.074    1935.9    6.2183
空气冷凝器8出口处     40     0.074    167.4
表4
    位置    温度(摄氏度)     压力(巴)      H热函(千焦/公斤)     S熵(千焦/公斤·卡)
交换器6入口处     43.5     145     182
交换器6出口处     500     145     3314.8   6.3659
涡轮机7出口处     40     0.074     1982.1   6.3659
空气冷凝器8出口处     40     0.074     167.4
烟尘在交换器6中与水流逆流。烟尘的温度从900℃降至50℃，而水的温度在第一种工作方式下从40℃升至400℃，在第二种工作方式下升至500℃。在第一种工作方式下，水在310℃时在99巴的压力下蒸发；在第二种工作方式下，水在340℃时在145巴的压力下蒸发。因此，交换器6既是一个加热器又是一个沸腾器。
在第一种工作方式下，当交换器6出口处的温度为400℃、交换器6入口处的压力为99巴，且凝结温度为40℃时，通过表三可得出机械能的值，它通过交换器6中的水的单位质量流量表述。如涡轮机7的机械效率为0.85，则机械能等于：
        (3098.2-1935.9)×0.85＝988千焦/公斤
在第二种工作方式下，当交换器6出口处的温度为500℃、交换器6入口处的压力为145巴，且凝结温度为40℃时，通过表三可得出机械能的值，它通过交换器6中的水的单位质量流量表述。如涡轮机7的机械效率为0.85，则机械能等于：
       (3314.8-1982.1)×0.85＝1132.8千焦/公斤
在第一种工作方式下，烟尘循环为交换器6提供的能量为：
       Qech＝3098.2-177.4＝2920.8千焦/公斤
在第一种工作方式下，烟尘循环为交换器6提供的能量为：
       Qech＝3314.8-182＝3132.8千焦/公斤
前面已经介绍过，烟尘在交换器6中释放的热功率Pech通过烟尘流量表述为：
           Pech＝1000M(单位：千瓦)
从中得到的机械功率可通过烟尘流量根据涡轮机周转效率表述：
参考流量M得到的机械能反过来可用来通过该烟尘流量表述涡轮机周转效率：
在第一种情况下：Pmeca(机械功率)＝(998/2920.8)×1000×M＝338.3M(单位：千瓦)
在第一种情况下：Pmeca(机械功率)＝(1132.8/3132.8)×1000×M＝361.6M(单位：千瓦)
在第一种和第二种工作方式下，交流机10的效率均为0.9。因此通过烟尘热量回收线路得到的电功率Pelec为：
在第一种工作方式下：Pelec＝304.5M(单位：千瓦)
在第二种工作方式下：Pelec＝325.4M(单位：千瓦)
因此，当烟尘的温度在400℃以上时，可从烟尘中回收30.5％至32.5％的电能。
下面介绍烟尘在各交换器中的连续冷却过程。这个冷却过程是对氮气来说是一个纯冷却过程，对水来说是冷却和凝结过程，对二氧化碳来说是一个冷却和反升华过程。要想了解液态水、固态然后是液态二氧化碳是从哪里提取的，就必须既跟踪这三种成分的质量变化，又跟踪烟尘冷却线路，也就是管路13上的能量变化。能量的变化以千焦/公斤为单位表示，是加性的量值，质量分数也是加性的量值。二氧化碳的热函在表5和图2有显示。图2是一个二氧化碳的温度-热函曲线图，图中：
温度用开氏温标(Kelvin)表示
热函单位为千焦/公斤.卡
A点代表二氧化碳在第一个(一号)蒸发-冷却器25的入口处的状态，压力为1巴，温度为50℃(323K)，二氧化碳的热函为450.8千焦/公斤(见表五)。
B点代表二氧化碳在交换器11的出口处的状态，温度为40℃，二氧化碳的热函值见表五。
C点代表二氧化碳在第一个(一号)反升华蒸发器39的入口处的状态，尚未从气态转化为固态，压力为0.85巴，温度为-72℃(201K)，二氧化碳的热函为349千焦/公斤(见表五)。
D点代表二氧化碳在-80℃完全凝固时在曲线上的位置。固化作用在第一个(一号)反升华蒸发器39的壁上进行，气态到固态的完全转化需要568千焦/公斤的冷却能量。
E点代表固态二氧化碳在第二个(二号)反升华蒸发器40的舱内通过升华进行除霜作用的状态。固态二氧化碳的局部升华会使压力上升，蒸汽的压力会增大到5.2巴。
F点代表二氧化碳在5.2巴的恒定压力下融化结束时的状态。在F点上，二氧化碳完全呈液态。表5
    点     压力(巴)   温度(摄氏度)(K)     热函(千焦/公斤)
    A     1   50(323K)     450.8
    B     1   40(313K)     442
    C     0.85   -72(201K)     349
    D     0.85   -80(193K)     -228
    E     5.2   -56.5(-216.6K)     -190
    F     5.2   -56.5(-216.6K)     0
使用表5的数据的能量方案会在后面介绍。
现在接着介绍烟尘流进入烟尘冷却交换器11后的变化、水蒸气的截留以及与之相关的能量消耗。
表6给出了各交换器以及连接它们的那部分管路的入口和出口处的温度、热函和质量分数方面的变化，也给出了烟尘流随着水和二氧化碳的逐步截留而发生的变化以及每个交换器所提取的能量数量。烟尘管路13和向外界释放氮气的管路55紧紧相连，与外界隔热。管路13和管路55的位于11、25、33、39和40之间的部分组成连续交换器。
  交换器   入口E出口S     温度(摄氏度)   烟尘流量   二氧化碳的质量分数   水的质量分数   (hs-he)J/kg各交换过程产生的能量
  交换器11   E11S11     5040   M0.964M   0.195   0.0860.05   109
  管路55在25和11之间的部分   2511     140   0.719M   0.195   26.3
  交换器25   E25S25     36.51   0.956M0.914M   0.195   0.0420   138
  管路55在33和25之间的部分   3325     -201   0.719M   0.195   14
  交换器33   E33S33     -14-20   0.914M0.914M   00   0.195   5.4
  管路55在39或40和33之间的部分   39或4033     -90-20   0.719M   7
  蒸发器39或40   E39(40)CO2的霜S39(40)     -72-80-90   0.914M0.719M0.719M   0.19500   000   25.9
烟尘在交换器11中通过水的部分凝结从50℃ 冷却至40℃，这个过程需要109M(千瓦)的功率。在本例中水在烟尘冷却交换器11中开始凝结。在其他温度条件下，或在微量成分的存在改变了水的露点的情况下，水的凝结可以在交换器6中开始。事实上，当水在烟尘中的单位质量浓度为8.6％时，水的露点接近50℃。从交换器11出来时，烟尘流量为0.964M，水的单位质量浓度从8.6％变为5％。交换器11的设计可以使凝结的水从管路14排出。管路14将交换器11与储水罐16连接起来。管路13中的烟尘通过从交换器11的出口到交换器25的入口的管路55冷却。这几段管路与外界隔热。
现在我们详细介绍一下13和55这两条管路间的交换模式。它们之间有高效的热量接触，组成管路13的连接交换器11、13、25和39或40的三段管路都是如此。这三段管路形成了实实在在的交换器：管路55中的氮气流的凉气冷却着管路13中与其逆流的烟尘。表6中给出了管路55中位于交换器39或40和交换器33之间的部分、位于交换器33和交换器25之间的部分以及位于交换器25和交换器11之间的部分的氮气流的热函变化。
氮气流的0.719M的热函变化以90％的效率传输给了在管路13的上述三段交换管路中流动的烟尘。氮气流在交换器11和交换器25之间释放的能量为26.3M(千瓦)，这个能量一方面用于凝结已降至4.2％的水蒸汽的一部分，另一方面用于冷却烟尘流使其在交换器25的入口处温度为36.5℃。
烟尘从交换器25出来时温度为1℃，在交换器25内进行的这个烟尘的降温过程以及残留水分的凝结需要138M(千瓦)的冷却功率。
烟尘的温度设为1℃，是为了防止烟尘中含有的水分结霜。第一个(一号)蒸发冷却器25的结构和设计可以保证对进行烟尘流的推动性的减湿作用。典型的结果是，烟尘从第一个(一号)蒸发冷却器25出来时从质量上来讲只含有不超过0.05％的水。
烟尘管路13与第一个(一号)蒸发-凝结器25的内室相通。烟尘从第一个(一号)蒸发冷却器25中通过时留下的水被回收在内室里，然后通过第一个(一号)蒸发冷却器25的排水管路15被输送到储水罐16。从第一个(一号)蒸发冷却器25中出来的烟尘进入干燥器56，被完全干燥。无水烟尘流MCO2+N2是从热力发动机中出来的烟尘流M的0.914倍。事实上，8.4％的质量流以液态水的形式被截留在烟尘冷却交换器11中、互相接触的管路13和管路55的各段组成的交换系统中和第一个(一号)蒸发冷却器25中和干燥器56中。
在管路55中流动的氮气流向管路13中连接交换器25到33的部分提供14M(千瓦)的制冷功率，用以冷却含氮气和二氧化碳的剩余的MCO2+N2烟尘流，使其在交换器33的入口处达到-14℃的温度。
第二个(二号)蒸发冷却器33提供的制冷功率为5.4M，含氮气和二氧化碳的剩余的MCO2+N2烟尘流被冷却至-20℃。
由于在管路55和管路13中被冷却，剩余的MCO2+N2烟尘流到达第一个(一号)反升华蒸发器39或第二个(二号)反升华蒸发器40的入口处时温度为-72℃，因为管路55还提供47M(千瓦)的制冷功率。
第一个(一号)反升华蒸发器39或第二个(二号)反升华蒸发器40的形状和设计可以使气体停留较长时间。剩余的MCO2+N2烟尘流被冷却，直至二氧化碳反升华，这个过程需要125.9M(千瓦)的制冷功率。就这样，二氧化碳在-80℃的温度和0.85巴的绝对压力下或在-78.6℃的温度和1巴的压力下在第一个(一号)反升华蒸发器39或第二个(二号)反升华蒸发器40中反升华，同时剩余的氮气流MN2被冷却至-90℃，然后通过与管路13逆流交换的管路55排放到大气中去。
下面详细介绍二氧化碳在第一个(一号)反升华蒸发器39中的能量变化。二氧化碳进入该蒸发器时的温度为-72℃，热函为349千焦/公斤(表五和图2中的C点)。从气态到固态的完全转化(反升华)在第一个(一号)反升华蒸发器39的管子上进行，二氧化碳变化至D点(见表五和图2)，热函为-228千焦/公斤
制冷功率用烟尘流量表述为(单位：千瓦)：
(349-(-228))×0.195M＝112.5M
在进入降压器41降压之前，制冷剂进入处于除霜阶段的第二个(二号)反升华蒸发器40，并因此而吸收二氧化碳溶化所释放的能量。这个能量吸收过程在图2的曲线图上对应的是从D点(固态二氧化碳，压力为0.85巴)到E点(液态二氧化碳，压力为5.2巴)的移动。热函变化的净值为228千焦/公斤。在本例中，交换器的传输效率为0.9，因此吸收的能量为205千焦/公斤，吸收的能量功率用总流量M表示为40M(单位：千瓦)：
205×0.195M＝40M
考虑到制冷剂吸收了二氧化碳除霜反应所释放的能量，二氧化碳在-90℃的蒸发温度下发生反升华反应时(要使二氧化碳结霜，在制冷剂和气态或液态二氧化碳之间必须有约10℃的温差)只需要以下制冷功率：
(112.5-40)M＝72.5M(单位：千瓦)
我们已经看到，在前面介绍的两种工作方式下，可回收的电功率分别为304.5M和324.5M(单位：千瓦)。它们大于压缩器为生成制冷功率所提供的压缩电功率。事实上，压缩电功率用用烟尘流量M表示为187M(单位：千瓦)。
在做了下面这个对压缩器为生成制冷功率所提供的压缩电功率的理论估算后，我们可以确认这个能量方案有效。在进入估算之前，先看看什么是制冷机的功效系数。功效系数是制冷功率Pfrig与压缩发动机提供的电功率Pelec-comp之比，即：
COP＝Pfrig/Pelec-comp
考虑到制冷功率在不同的温度(-5℃、-30℃、-90℃)下会发生变化，因此必须根据温度使用一个典型的功效系数变化定理。
表述这个规律的最简单的办法是采用卡诺(Carnot)定理。卡诺定理的功效系数代表的是制冷机的理想功效，只要通过凝结温度(Tcond)和蒸发温度(Tevap)两项的运算就可得出，公式如下：
COPcarnot＝Tevap/(T cond-Tevap)
温度用开氏温标表述。
分析实际机器的定理可以表述如下：
COP＝(2.15×10-3T+0.025)×COPcarnot
表7给出了在不同蒸发温度下的功效系数(COP)：表7
T(℃) T(K) (2.15×10-3T+0.025) COP Carnot COP
-90 183 0.42 1.4 0.59
-60 213 0.48 2.13 1.02
-40 233 0.525 2.91 1.53
-30 243 0.547 3.47 1.9
-5 268 0.6 5.95 3.57
根据这个表格可以计算压缩器在提供制冷功率时的温度条件下消耗的电功率。根据功效系数可以算出压缩器为向各交换器提供制冷功率而消耗的电功率。
压缩器是在-5℃的温度条件下向交换器25提供将烟尘冷却到0℃的制冷功率的。鉴于须提供的制冷功率是138M(见表6)，功效参数为3.57(见表7)，则压缩器消耗的电功率为138M/3.57＝38.6M(单位：千瓦)。
压缩器是在-30℃的温度条件下向第二个烟尘蒸发冷却器33提供制冷功率的。鉴于须提供的制冷功率是5.4M(见表6)，功效参数为1.9(见表7)，则压缩器消耗的电功率为5.4M/1.9＝2.8M(单位：千瓦)。
压缩器是在-90℃的温度条件下向第一个(一号)反升华蒸发器39或第二个(二号)反升华蒸发器40提供制冷功率的。鉴于须提供的制冷功率是125.9M-40M＝85.9M(见表六)，功效参数为0.59(见表七)，则压缩器消耗的电功率为85.9M/0.59＝145.6M(单位：千瓦)。
将氮气从50℃冷却至-90℃所需的制冷功率已经包括在各交换器的电功率消耗的计算内。
全部压缩电功率(Pcomp)只提供给交换器25、33和39或40，它等于：
Pcomp＝38.6+2.8+145.6＝187M(单位：千瓦)(即我们在前面提到的数字)
因此，制冷压缩机消耗的电功率用烟尘流量M表示为187M(单位：千瓦)。从烟尘流中回收的电功率为304.5M到325.4M，与之相比，压缩器的电功率占在上述水蒸汽回收循环中可回收的电能的60％左右。
下面再根据图3详细介绍集成级联制冷设备的运转方式。制冷压缩器17吸出上文中介绍的多种成分的混合制冷剂流。在下面例举的工作方式中，制冷剂是五种成分的制冷剂，各成分的单位质量比例为：
●R-50(1％)
●R-14(3％)
●R-170(19％)
●R-744(27％)
●R-600(50％)
吸气压力为1.7巴。要使凝结物出来时的温度为40℃，则凝结压力为22巴。局部冷凝器18被冷却线路19(局部冷凝器的线路)冷却，在冷却线路19中流动的是空气或水。
局部冷凝器18是一个全部制冷剂流(下称Mf)的液态/气态分离器。气态制冷剂流(下称Mtête1)从局部冷凝器18的顶部(头部)通过管路20出来，液态制冷剂流(下称Mpied1)从局部冷凝器18的底部(脚部)通过管路21出来。液态制冷剂由于重力作用被排放到局部冷凝器18的下方。
液态制冷剂流(Mpied1)在一号液态气态转换器26中进行过冷冷却，其流量大约是全部制冷剂流(Mf)的50％。液态制冷剂流(Mpied1)中富含最重的那些成分，即本例中的R-600和R-744，并在1.7巴的蒸发压力下在降压器24中降压。降压后的液态制冷剂流(Mpied1)先后在一号蒸发-冷凝器22和一号烟尘蒸发冷却器25中进行蒸发，并在一号烟尘蒸发冷却器25中完成蒸发。完全气化的液态制冷剂流(Mpied1)会在一号液态气态转换器26中释放冷量，然后通过管路27回到压缩器17的吸气收集器中。
从局部冷凝器18的上方出来的气态制冷剂流(Mtête1)代表全部制冷剂流(Mf)的另50％。它在一号蒸发-冷凝器22中部分凝结。从一号蒸发-冷凝器22出来的双态(液态和气态)制冷剂流(Mtête1)在罐状分离器28中分为互相独立的气态和液态。气态部分(Mtête2)通过管路29从罐状分离器28上方出来，液态部分(Mpied2)从罐状分离器28下方出来。从局部冷凝器18的上方出来的气态制冷剂流(Mtête1)就这样被分为两部分，气态部分(Mtête2)占进入分离器的制冷剂总流量(Mtête1)的40％，液态部分(Mpied2)占进入分离器的制冷剂总流量(Mtête1)的60％。通过管路29从罐状分离器28上方出来的气态制冷剂流(Mtête2)在第二个蒸发冷凝器32中完全凝结。完全凝结成液态的制冷剂流(Mtête2)在第一个(一号)反升华蒸发器39或第二个(二号)反升华蒸发器40中交替蒸发。
从罐状分离器28中出来的气态制冷剂流(Mtête2)是借助从罐状分离器28下方出来液态制冷剂流(Mpied2)的部分蒸发和在降压器31中的降压而在第二个蒸发冷凝器32中进行凝结的。液态制冷剂流(Mpied2)在烟尘蒸发冷却器33中完成蒸发。完全气化的液态制冷剂流(Mpied2)会在二号液态气态转换器34中释放冷量，然后通过管路35回到压缩器17的吸气收集器中。
液态的制冷剂流(Mtête2)从第一个(一号)三向阀门37经过。这个阀门向管路38敞开，向管路44闭合。液态制冷剂流(Mtête2)在第二个(二号)反升华蒸发器40中过冷冷却，第二个(二号)反升华蒸发器40也就成了液态制冷剂流(Mtête2)中二氧化碳的除霜阶段的交换器。过冷冷却后的液态制冷剂流(Mtête2)接着在降压器41中降压，然后在第一个(一号)反升华蒸发器39中蒸发。
从第一个(一号)反升华蒸发器39中出来的蒸气态的制冷剂流(Mtête2)紧接着通过第二个(二号)三向阀门46，并通过气体回路管路45重又回到压缩器17中。它的流量(Mtête2)约占压缩器17吸出的全部制冷剂流(Mf)的20％。
当第一个(一号)反升华蒸发器39的运转和第二个(二号)反升华蒸发器40进行交替时，第一个(一号)三向阀门37通过管路44将液态制冷剂的流动接向第一个(一号)反升华蒸发器39，在那里液态制冷剂流将被过冷冷却，接着在降压器42中降压，然后在第二个(二号)反升华蒸发器40中蒸发，最后通过第二个(二号)三向阀门46和管路45重又回到压缩器17中。
下面介绍制冷剂流在反升华蒸发器39和40中的循环。这两个反升华蒸发器交替工作，当其中的一个蒸发器在作为蒸发器工作的时候，另一个蒸发器就进行过冷冷却。反之亦然。当在第一个(一号)反升华蒸发器39中进行蒸发的时候，第一个(一号)三向阀门37打开。混合制冷剂可在管路38中流动而不能流入管路44。液体的混合制冷剂(Mtête2)在降压器41中降压，然后在第一个(一号)反升华蒸发器39中蒸发，起始温度为-100℃，出来时的温度达到-70℃。
在我们所研究的如图所示的本例中，从第二个烟尘蒸发冷却器33中出来的烟尘经过第四个(四号)三向阀门53来到第一个(一号)反升华蒸发器39中。在这种情况下，烟尘不会到第二个(二号)反升华蒸发器40中去。
烟尘从进入时的约-72℃的温度冷却到二氧化碳的反升华温度，根据第一个(一号)反升华蒸发器39中的压力为-0.85巴或1巴，该反升华温度相应为-78.6℃或-80℃。一旦达到这个温度，二氧化碳就在第一个(一号)反升华蒸发器39中流动着混合制冷剂的管子的外壁上结霜。
在进入第一个(一号)反升华蒸发器39之前，液体制冷剂以大约-45℃的温度进入第二个(二号)反升华蒸发器40中，此时第二个(二号)反升华蒸发器40起到过冷冷却交换器的作用。在二氧化碳的除霜循环起始处，液体制冷剂从-45℃冷却到-78℃，但在二氧化碳除霜循环结束处仅仅-45℃冷却到-55℃。在除霜过程中，液体二氧化碳聚集在第二个(二号)反升华蒸发器40的底部。在将第二个(二号)反升华蒸发器40的功能转为蒸发器功能之前、二氧化碳的液化完成之后，第三个(三号)三向阀门47打开。这样就可以通过泵48(二氧化碳吸液泵)将二氧化碳液体吸出。泵48可以是一个电动气压泵，既可以吸出液体又可以吸出气体。泵48将液体二氧化碳输送到储罐49，然后又吸出混有氮气的二氧化碳蒸汽，直至第二个(二号)反升华蒸发器40的气体环境恢复到工作压力。根据为烟尘循环选择的技术条件，工作压力为绝对压力0.85巴或绝对压力1巴。从实用角度考虑，尤其使对车辆而言，储罐49连接一个可拆卸的储罐51。泵50(给可拆卸的储罐充液的泵)可从储罐49中抽出液体填充可拆卸的储罐51。如有必要，阀门52可平衡储罐49和51之间的压力。储罐51可用于运输捕集的二氧化碳。新的抽真空的可拆卸储罐被用来替换已装满的储罐。
下面介绍从第一个(一号)反升华蒸发器39中出来的氮气的流动。氮气经过第五个(五号)三向阀门54进入向外界空气排放氮气的管路55。第五个(五号)三向阀门54根据情况将向外界空气排放氮气的管路55或与第一个(一号)反升华蒸发器39相连、或与第二个(二号)反升华蒸发器40相连。
在除霜过程中，由于二氧化碳的升华，反升华蒸发器39和40内的压力上升，两个升华器成为闭合的线路。在三态点的平衡温度下，压力等于5.2巴。在这个压力下，二氧化碳从固态转化为液态。
向外界空气排放氮气的管路55中的氮气流量MN2只占起始烟尘流量的71.9％。不考虑负荷方面的损失以及微量气体，氮气自身的压力为0.736巴。
热力发动机的出口管路2、烟尘管路13以及向外界空气排放氮气的管路55互相连通，它们组成了同一个线路。
在烟尘冷却交换器11、第一个(一号)烟尘蒸发冷却器25和干燥器56中排除水分的过程会造成管路2、13和55的压力降低，如果不进行补偿的话，则大气中的空气就会通过向外界空气排放氮气的管路55进入到制冷设备中。同样，二氧化碳在反升华蒸发器39和40内的反升华会造成第二次压力降低。这个压力的降低也应被补偿以便氮气能够被排放到大气中去。图3中画出的解决办法是利用空气压缩器57通过管路58(扩散管的充气管路)将一股空气注入扩散管59的颈部，这样可以实现在0.65巴的压力下将氮气吸出并防止空气进入系统。这个解决办法还有一个优点，那就是扩散管的出口处重新混合氮气和氧气。
另一个未在图3中画出的解决办法是在烟尘管路13中烟尘冷却交换器11的出口处安装一个压差很小的鼓风型压缩器制造超压，以使氮气流或加微量气体的氮气流可以从向外界空气排放氮气的管路55出口处回到大气中去。
如果微量气体、尤其是一氧化碳和某些轻碳氢化合物的含量不可忽略，则氮气和微量气体的气流可以回到一个混合器中与适量的空气混合，形成所谓的“贫的”可燃烧混合物。该可燃烧混合物的燃烧有利于降低对环境的污染、增加按这种方式设计的热力发动机的能效。
我们可以注意到，在二氧化碳在运转中的反升华交换器上进行除霜作用的过程中，温度会在-80到-55℃之间变化。这种温度的大幅度变化可以被用来调节两个反升华蒸发器的功能交替。事实上，在二氧化碳除霜时如温度达到-55℃，则可认为二氧化碳完全转化为液态，这时就可以发动二氧化碳吸液泵48将其输送到储罐49中。在二氧化碳的除霜过程中，可以根据内部压力的大小终止液体二氧化碳清空程序，然后重新开始循环，在这个已经放空液体二氧化碳的反升华蒸发器中蒸发制冷剂。我们注意到，在这个循环的起始阶段，当没有任何一个蒸发器有结霜反应的时候，集成级联压缩系统消耗的能量最多，而事实上，在反升华蒸发器中降压膨胀的混合物并没有被过冷冷却。对能量的最优化使用要考虑到发动机运转的最接近的时间和制造能量的程序等用来确定两个蒸发器轮换节奏的因素。

Claims (24)

1.一种将碳氢化合物用于从主要制造机械能的设备里燃烧时所产生的烟尘中提取二氧化碳的方法；
上述方法包括一个在约等于大气压的压力下对上述烟尘进行冷却的步骤，冷却的温度可以使烟尘通过反升华作用从蒸汽状态直接变成固体状态；
上述方法在冷却氮气和二氧化碳混合物方面还具有以下特点：
通过在逐级递减的温度条件下使混合制冷剂分馏以提供负大卡，分馏依照包括一个压缩过程和若干连续的凝聚和蒸发过程的循环进行。
2.根据权利要求1所述的方法；这个在约等于大气压的压力下将上述烟尘冷却到可通过反升华作用从蒸汽状态直接变成固体状态的步骤紧跟着以下步骤：
在封闭舱溶化二氧化碳的步骤；随着混合制冷剂的过冷反应给封闭舱带来卡路里，这个封闭舱里的温度和压力会发生变化直到达到二氧化碳的三态点。
3.根据权利要求2所述的方法；这个方法的内容是混合制冷剂连续保证二氧化碳在上述封闭舱中溶化、自由循环的二氧化碳在与上述封闭舱对称的舱内反升华；二氧化碳的溶化和反升华作用在上述两个舱内交替进行，一个舱是封闭的，一个舱是敞开的。
4.根据权利要求2或3所述的方法；该方法还包括：
将液态二氧化碳储存在储罐中，尤其是可拆卸的储罐中的步骤。
5.根据权利要求4所述的方法；该方法的内容是将液态二氧化碳储存在储罐中，尤其是可拆卸的储罐中的步骤包括以下步骤：
-从上述封闭舱中吸出液态二氧化碳的步骤
-使上述封闭舱内的压力重新接近大气压的步骤
-将液态二氧化碳输送到储罐中的步骤
6.根据权利要求1至5中任何一项所述的方法；该方法还包括：
从烟尘中连续提取水蒸汽和二氧化碳后向外界空气中释放氮气的步骤。
7.根据权利要求6所述的方法；该方法还包括：
将向外界释放的氮气中的负大卡输送到烟尘中并用于冷却烟尘的步骤。
8.根据权利要求1至7中任何一项所述的方法；该方法还包括：
使用烟尘中可利用的卡路里能量在几乎等于大气压的压力下将二氧化碳冷却至反升华温度而无须另外供应能量的步骤。
9.根据权利要求8所述的方法；为了使用烟尘中可利用的卡路里能量，该方法还包括以下步骤：
-利用上述烟尘加热水然后使其蒸发，以产生加压水蒸汽；
-将上述加压水蒸汽在涡轮机中降压以产生机械能或电能。
10.根据权利要求1至9中任何一项所述的方法；该方法的内容是在几乎等于大气压的压力下将烟尘冷却到可通过反升华作用从蒸汽状态直接变成固体状态的步骤还包括：
在几乎等于大气压的压力下从上述烟尘中将液态水提取出来的步骤。
11.根据权利要求10所述的方法；该方法的内容是为了在几乎等于大气压的压力下将全部或一部分液态水从烟尘中提取出来而使用一台空气交换器或水交换器。
12.根据权利要求11所述的方法；该方法还包括：
使用制冷交换器和/或干燥器提取烟尘中全部残留水分的步骤。
13.一种碳氢化合物在主要用于制造机械能的设备里燃烧所产生的烟尘中的二氧化碳的提取系统；
该系统包括在约等于大气压的压力下对上述烟尘进行冷却的冷却工具，冷却的温度可以使烟尘通过反升华作用从蒸汽状态直接变成固体状态。
这些在约等于大气压的压力下将上述烟尘冷却到可通过反升华作用从蒸汽状态直接变成固体状态的冷却工具还包括：一个集成级联制冷设备(18、22、25、26、28、32、33、34、39、40)用于通过混合制冷剂的分馏为冷却氮气和二氧化碳混合物提供负大卡，混合制冷剂的分馏在逐级递减的温度条件下按照包括一个压缩(17)过程和若干连续的凝聚和蒸发过程的循环进行；
上述制冷设备包括：
一个压缩器(17)
一个局部冷凝器(18)
一个罐状分离器(28)
若干蒸发-冷凝器(22、32)
若干烟尘冷却蒸发器(25、33)
若干液体-蒸汽交换器(26、34)
若干反升华蒸发器(39、40)
若干降压装置(24、31、41、42)
14.根据权利要求13所述的系统；该系统还包括：
一个封闭舱(39、40)，舱内存在一个循环，混合制冷剂在这个循环里流动；
伴随以下作用，这个封闭舱里的温度和压力会发生变化直到达到二氧化碳的三态点：
混合制冷剂的过冷反应给封闭舱带来卡路里；
二氧化碳从固态变为液态
15.根据权利要求14所述的系统；该系统的内容是：混合制冷剂连续保证二氧化碳在封闭舱的溶化和二氧化碳在与封闭舱对称的舱内自由循环时的反升华；二氧化碳的溶化和反升华作用在上述两个舱内(39、40)交替进行，一个舱是封闭的，一个舱是敞开的。
16.根据权利要求14或15中任何一项所述的系统；该系统还包括：
储存工具，特别是一个用于储存液态二氧化碳的固定的储罐(49)和/或可拆卸的储罐(51)。
17.根据权利要求16所述的系统；该系统的内容是在固定的储罐(49)和/或可拆卸的储罐(51)中储存液态二氧化碳的储存工具最好还包括吸液工具，尤其是一个气压泵(48)，用于：
将上述封闭舱(39、40)内的液态二氧化碳吸出；
使上述封闭舱(39、40)内的压力重新接近大气压；
将液态二氧化碳输送到储罐(49)中。
18.根据权利要求13或17中任何一项所述的系统；该系统还包括：
压缩工具和/或吸气工具(57、59)，可以在从烟尘中连续提取了水蒸汽和二氧化碳后向外界空气中释放氮气。
19.根据权利要求18所述的系统；该系统还包括：
包括传输工具(55、13)，可以将向外界释放的氮气中的负大卡输送到烟尘中以用于烟尘的冷却。
20.根据权利要求13或19中任何一项所述的系统；该系统还包括：
回收烟尘中可利用的卡路里能量的回收工具(6、7、8、9、10)，这些能量可以在约等于大气压的压力下将二氧化碳冷却至反升华温度而无须另外供应能量。
21.根据权利要求20所述的系统；该系统的内容是上述回收烟尘中的卡路里能量的回收工具(6、7、8、9、10)还包括：
加热工具，尤其一台交换器(6)，可利用上述烟尘加热水然后使其蒸发，以产生加压水蒸汽
降压工具，尤其是一台涡轮机(7)，可将上述加压水蒸汽降压以产生机械能或电能(10)
22.根据权利要求13或21中任何一项所述的系统；这些可以在约等于大气压的压力下将烟尘冷却到可通过反升华作用从蒸汽状态直接变成固体状态的工具还包括：
在约等于大气压的压力下从上述烟尘中将液态水提取出来的提取工具，尤其是交换器(11、25)。
23.根据权利要求22所述的系统；该系统内容是：在约等于大气压的压力下将全部或一部分液态水从烟尘中提取出来的提取工具包括一台空气交换器或水交换器(11)。
24.根据权利要求23所述的系统；该系统内容是：用于提取烟尘中全部残留水分的工具包括一个制冷交换器(25)和/或一个干燥器(56)。
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