專利名稱：用于執(zhí)行熱力學(xué)循環(huán)的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及按照權(quán)利要求1和8的用于執(zhí)行熱力學(xué)循環(huán)的一種方法和一種裝置。
背景技術(shù)：
熱力機(jī)利用熱力學(xué)循環(huán)以將熱量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能或電能。傳統(tǒng)的熱力機(jī)通過燃燒燃料(首先是化石類載能體煤、油和燃?xì)?來產(chǎn)生熱能。其中，循環(huán)例如基于典型的用水作為工作介質(zhì)的朗肯(Rankine)-循環(huán)被運行。然而，它的高沸點使得水首先在利用具有100°至200℃之間溫度的熱源例如地?zé)嵋后w時或者利用由燃燒過程放熱的情況，都由于缺少經(jīng)濟(jì)性而是無有吸引力的。
對于具有這種較低溫度的熱源，在最近數(shù)年里開發(fā)了最不相同的技術(shù)，這些技術(shù)能使它們的熱量以好的效率轉(zhuǎn)換為機(jī)械能或電能。除了用有機(jī)工作介質(zhì)的郎肯-循環(huán)(organic rankine cycle，有機(jī)的郎肯循環(huán)ORC)以外，首先是所謂的卡里納(Kalina)-循環(huán)相對典型的郎肯-循環(huán)表現(xiàn)出了明顯較好效率。在卡里納-循環(huán)的基礎(chǔ)上，發(fā)展了各種各樣的循環(huán)用于最不同的應(yīng)用場合。這些循環(huán)應(yīng)用了一種雙料混合物(例如氨和水)作為工作介質(zhì)以代替水，其中，利用了該混合物的非等溫的沸騰及凝結(jié)過程，以便與郎肯-循環(huán)相比提高循環(huán)效率。
對于100至140℃的熱源溫度，優(yōu)選地應(yīng)用卡里納-循環(huán)KCS 34(卡里納循環(huán)系統(tǒng)34)，其例如被應(yīng)用在地?zé)犭姀SHusavik/Island中。在這個循環(huán)(也參見圖3)中一種液體的工作介質(zhì)被泵送到第一熱交換器中，其中它通過一個膨脹減壓(entspannt)的工作介質(zhì)流的部分冷凝被加熱。由此產(chǎn)生的被加熱的工作介質(zhì)流然后通過在第二熱交換器中部分汽化的工作介質(zhì)流的液體相的冷卻被繼續(xù)加熱，并接著在第三熱交換器中通過應(yīng)用由一個外部熱源(例如一種地?zé)嵋后w)傳遞的熱量被部分地汽化(例如直到一個為14-18％的液體含量)。此后，在一個分離器中從部分汽化的工作介質(zhì)流中將該液體相與汽相分離。
汽相在一個渦輪中膨脹減壓并且其能量被應(yīng)用于產(chǎn)生電流。液相被導(dǎo)引通過第二熱交換器并應(yīng)用于繼續(xù)加熱已被加熱的工作介質(zhì)流。在一個混合器中液相和減壓的汽相被導(dǎo)引一起并構(gòu)成已提及的膨脹減壓的工作介質(zhì)流。然后，該膨脹減壓的工作介質(zhì)流在第一熱交換器中被部分地冷凝并最終在一個冷凝器中被完全地冷凝，因此，產(chǎn)生開頭提及的液體工作介質(zhì)流并結(jié)束該循環(huán)。

發(fā)明內(nèi)容
從這個公知的循環(huán)出發(fā)，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，提供用于執(zhí)行熱力學(xué)循環(huán)的一種方法和一種裝置，其能在相同的外部熱源和冷水溫度及基本上保持相同的設(shè)備成本情況下實現(xiàn)一個相同的或甚至更高的機(jī)械和/或電能的效益，不過，其中所述方法和裝置表現(xiàn)出減小的復(fù)雜性。
按照本發(fā)明，針對方法的技術(shù)問題是通過按照權(quán)利要求1的方法解決的。該方法的優(yōu)選結(jié)構(gòu)方案分別是從屬權(quán)利要求2至7的主題。按照本發(fā)明，針對裝置的技術(shù)問題是通過按照權(quán)利要求8的裝置解決的。該裝置的優(yōu)選的結(jié)構(gòu)方案分別是從屬權(quán)利要求9-14的主題。
按照本發(fā)明，通過膨脹減壓的工作介質(zhì)流的部分冷凝，被加壓的液體工作介質(zhì)流不僅被加熱，而且甚至部分地被汽化。這點是如下實現(xiàn)的與開頭提及的循環(huán)KCS 34相比，放棄第二熱交換器并由此放棄該部分汽化的工作介質(zhì)流的液體相為用于繼續(xù)加熱或部分汽化已被加熱的工作介質(zhì)流的熱量傳遞。因此從液體相提取了較小的熱量，其接著被應(yīng)用于通過膨脹減壓工作介質(zhì)流的部分冷凝更好地加熱及部分地汽化該被加壓的液體工作介質(zhì)流。
通過對保留的熱交換器的熱表面和另外循環(huán)參數(shù)的適當(dāng)?shù)恼{(diào)整就能夠，在機(jī)械能和/或電能方面的效益不僅能與公知循環(huán)相比保持相同，而且甚至還會提高。因此，對在保留的熱交換器中可能增高的加熱表面需求的成本，能夠通過省去第二熱交換器及進(jìn)而簡化的管道鋪設(shè)被相當(dāng)大程度地補(bǔ)償了，從而設(shè)備成本基本上保持相同。
通過放棄開頭提及的第二熱交換器或放棄一個從液體相到第一部分汽化的工作介質(zhì)流的熱量傳遞，體現(xiàn)了本發(fā)明裝置的特征或者本發(fā)明方法的特征在于一個與現(xiàn)有技術(shù)相比較的較少的復(fù)雜性。
該被加壓的液體工作介質(zhì)流通過膨脹減壓的工作介質(zhì)流的部分冷凝造成的部分汽化可以如下被促進(jìn)，即，汽化相的壓力小于24 bar并且因此明顯地小于在迄今已知循環(huán)中一般的33 bar。因此在循環(huán)中總的壓力水平可以下降，從而又可以減小工作介質(zhì)的沸騰溫度。
如果進(jìn)入渦輪前汽化相的壓力是膨脹減壓汽化相的壓力3倍大，則此外可能的是，應(yīng)用傳統(tǒng)的單級膨脹渦輪。這種膨脹渦輪具有直達(dá)88％的效率，并因此具有比迄今在這類循環(huán)中應(yīng)用的以最大壓力例如33 bar配置的多級渦輪所具有約75％的效率要明顯更高的效率。因此，隨著壓力水平的下降或者膨脹渦輪的較小壓力比的下降可能帶來的循環(huán)的效率損失，更多地通過改善的渦輪效率和更大可能的工作介質(zhì)流量來補(bǔ)償，其允許從熱水中獲取相對更多的能量。
此外，在應(yīng)用一個傳統(tǒng)的單級膨脹渦輪情況下還省去了用于第二渦輪級的成本或用于高壓力差上的特殊渦輪配置的更多成本。
按照本發(fā)明的一種結(jié)構(gòu)方案應(yīng)用一種多料-混合物作為工作介質(zhì)。多料-混合物最好是一種雙料-混合物，特別是一種氨-水-混合物。由于這種混合物的非-等溫的汽化和冷凝能夠?qū)崿F(xiàn)一個特別高的循環(huán)效率。
一個特別益于環(huán)境的能量獲取可通過應(yīng)用地?zé)岬囊后w、特別是出自一個地?zé)嵩吹臒崴鳛闊嵩磥韺崿F(xiàn)。但是，作為熱源也可以應(yīng)用燃?xì)夂?或蒸汽透平設(shè)備的排氣(廢氣)或在工業(yè)生產(chǎn)過程中(例如在鋼生產(chǎn)中)產(chǎn)生的熱量。
在此，一種高的循環(huán)效率可以如下實現(xiàn)，即，熱源具有100℃至200℃的溫度，特別是100℃至140℃的溫度。


下面借助附圖中的具體實施例詳細(xì)闡述本發(fā)明以及按照從屬權(quán)利要求的特征的本發(fā)明的另外優(yōu)選的結(jié)構(gòu)方案。附圖中圖1以簡化示意圖示出了一個用于執(zhí)行熱力學(xué)循環(huán)的本發(fā)明裝置的線路圖，圖2是圖1裝置的一個循環(huán)參數(shù)計算，圖3以簡化示意圖示出了一個用于實現(xiàn)一個熱力學(xué)循環(huán)的現(xiàn)有技術(shù)已知裝置的線路圖，圖4是圖3裝置的一個循環(huán)參數(shù)計算。
具體實施例方式
圖1中示出的用于執(zhí)行熱力學(xué)循環(huán)的裝置1具有一個(回收)熱交換器HE4，其在初級側(cè)被一個未詳細(xì)描述的地?zé)嵩吹臒岬臒崴?0所流過并且在次級側(cè)一方面與熱交換器HE2和另一方面與分離器4相連接。分離器4用于使一種部分汽化的工作介質(zhì)的汽相與液相分離。分離器4的一個蒸汽側(cè)出口與一個渦輪2連接。渦輪2在出口側(cè)與一個混合器5連接，其還與分離器4的一個液體出口連接?；旌掀?在出口側(cè)與一個(回收)熱交換器HE2的次級側(cè)連接，熱交換器HE2的次級側(cè)又與一個次級側(cè)被冷水流過的冷凝器HE1的初級側(cè)連接。冷凝器HE1在它的初級側(cè)出口上在給定情況下通過一個冷凝罐，通過一個泵3與熱交換器HE2的初級側(cè)連接。熱交換器HE2的初級側(cè)又與已被提及的熱交換器HE4的次級側(cè)連接。
作為工作介質(zhì)在裝置1中應(yīng)用一個由水和氨組成的混合物，其因此具有一個非等溫的汽化和冷疑。該工作介質(zhì)在冷凝器HE1之后處于液體狀態(tài)作為液體工作介質(zhì)流13。借助泵3，該總的液體工作介質(zhì)流13被泵壓到一個提高的壓力上并且產(chǎn)生一個加壓的液體工作介質(zhì)流14。
加壓的液體工作介質(zhì)流14被輸送到熱交換器HE2的初級側(cè)并通過一個在次級側(cè)導(dǎo)流經(jīng)過該熱交換器HE2的膨脹減壓的工作介質(zhì)流12的部分冷凝被加熱且部分地被汽化，因此在初級側(cè)的熱交換器HE2之后存在一個第一部分汽化的工作介質(zhì)流15和在次級側(cè)存在一個部分冷凝的膨脹減壓的工作介質(zhì)流12a。在第一部分汽化的工作介質(zhì)流15中蒸汽份額計為例如15％。
第一部分汽化的工作介質(zhì)流15沒有另外加熱地被輸送到熱交換器HE4的次級側(cè)。
熱交換器HE4在初級側(cè)被熱的熱水20貫穿流過。在熱交換器HE4中第一部分汽化的工作介質(zhì)流15通過熱水20的降溫被進(jìn)一步汽化并且產(chǎn)生一個第二部分汽化的工作介質(zhì)流18。該第二部分汽化的工作介質(zhì)流18被輸送到分離器4中，其中汽化相10被與第二部分汽化的工作介質(zhì)流18的液體相19分離。汽化相10接著在渦輪2中膨脹減壓并且其能量被轉(zhuǎn)換為一個可利用的形式例如通過一個未示出的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電流和產(chǎn)生一個膨脹減壓的汽化相11。
在混合器5中該膨脹減壓的汽化相11和在分離器4中分離出的液體相19又被混合并構(gòu)成一個膨脹減壓的工作介質(zhì)流12。
在此，沒有提供從液體相19到第一部分汽化的工作介質(zhì)流15的有針對性的熱傳遞(例如借助一個專門為此設(shè)置的熱交換器)。因此該部分汽化的工作介質(zhì)流15在熱交換器HE4中繼續(xù)地汽化之前具有基本上如它通過膨脹減壓的工作介質(zhì)流12的部分冷凝形成之后相同的溫度。此處，關(guān)于“基本上相同的溫度”被理解為，該溫度差僅僅為很少幾個開爾文(絕對溫度)，并且例如通過從熱交換器HE2離開的第一部分汽化的工作介質(zhì)流的由于到熱交換器HE4的連接管中的熱損失導(dǎo)致的一個輕微冷卻所引起。
膨脹減壓的工作介質(zhì)流12在熱交換器HE2中被部分冷疑并形成一個部分冷凝的膨脹減壓的工作介質(zhì)流12a。接著該部分冷凝的膨脹減壓的工作介質(zhì)流12在冷凝器HE1中借助(流入的)冷卻水流25被冷凝并且形成液體工作介質(zhì)流13。通過膨脹減壓工作介質(zhì)流12a的冷凝傳遞給冷卻水流25的熱量則通過流出的冷卻水流26被排出。
圖2顯示了一個用于實現(xiàn)該熱力學(xué)循環(huán)的裝置的循環(huán)參數(shù)計算，其基本上對應(yīng)于圖1中描述的裝置1并且還另外只補(bǔ)充了幾個閥門27。作為用于計算的初始條件假設(shè)一個在水中95％(在液體的完全冷凝的工作介質(zhì)情況下)的氨濃度和一個具有120℃溫度的熱水流20以及一個141.8kg/s的質(zhì)量流。冷卻水流25的溫度為9.4℃。如由圖1和2看出的，除了在外部熱源的熱量傳遞到兩相中后通過汽相與液相的分離所產(chǎn)生的不同氨濃度以外，沒有提供該氨濃度的改變，以便提高效率。
表1示出了對于該循環(huán)的幾個被選出的流的循環(huán)參數(shù)計算的結(jié)果，其中按照表2選擇了熱交換器的功率。
表1


表2

該第一部分汽化的工作介質(zhì)流15的溫度在進(jìn)入到熱交換器HE4之前為53.52℃，并且因此為在離開熱交換器HE2之后相同的溫度。在這個條件下借助渦輪2可產(chǎn)生的電功率為4033kW。
汽化相10在進(jìn)入渦輪2之前的壓力為22.3bar，而從渦輪2出來后膨脹減壓的汽化相11的壓力計為7.158bar。通過選擇的入口壓力為22.3bar和在渦輪2的前面與后面汽化相壓力之間的壓力比約為3.1，作為渦輪2就可以采用一個傳統(tǒng)的單級高效率渦輪，這樣即結(jié)合了相應(yīng)的成本及效率優(yōu)點。
與此相對，圖3示出了一個在現(xiàn)有技術(shù)中作為KCS34(卡里納循環(huán)系統(tǒng)34)公知的用于執(zhí)行熱力學(xué)循環(huán)的裝置30的線路圖。為了使公知的裝置30與圖1中描述的本發(fā)明裝置更好地作比較，相互對應(yīng)的部件和流都被設(shè)有相同的參考標(biāo)記。裝置30與圖1中示出的本發(fā)明裝置的區(qū)別在于，一個附加的初級側(cè)連接在熱交換器HE2和熱交換器HE4之間而次級側(cè)連接在分離器4和混合器5之間的熱交換器HE3。借助熱交換器HE2，通過膨脹減壓的工作介質(zhì)流12的部分冷凝被加壓的液體工作介質(zhì)流14被加熱并且產(chǎn)生一個被加熱的(液體)工作介質(zhì)流15。接著，已被加熱的工作介質(zhì)流15借助熱交換器HE3通過液體相19的冷卻被進(jìn)一步加熱并因此產(chǎn)生一個被進(jìn)一步加熱的工作介質(zhì)流15a。
圖4示出了一個對應(yīng)于現(xiàn)有技術(shù)中公知裝置的循環(huán)參數(shù)計算，其基本上與圖3中描述的裝置30對應(yīng)，并且還另外只補(bǔ)充了幾個閥門27。作為用于計算的初始條件假定一個在水中89.2％的氨濃度并且(如圖2循環(huán)計算的情況一樣)一個具有120℃溫度的熱水流20以及一個141.8kg/s的質(zhì)量流。冷卻水流25的溫度為9.4℃。
表3示出了對于該循環(huán)的幾個被選擇的流的循環(huán)過程計算的結(jié)果，其中按表4選擇了熱交換器的功率。
表3

表4

其中可產(chǎn)生的電功率只為3818kw。因此，在按圖1和2的本發(fā)明循環(huán)中可實現(xiàn)的電功率比現(xiàn)有技術(shù)中公知循環(huán)的情況中提高了5.6％。
離開熱交換器HE2具有溫度39℃的被加熱的工作介質(zhì)流15在熱交換器HE3中通過液體相19的冷卻被繼續(xù)加熱到48.87℃并且作為工作介質(zhì)流15a被輸送到熱交換器HE4中。
在公知的情況中排出的熱水22還為70.46℃，而在按照圖2的本發(fā)明循環(huán)的情況中排出的熱水卻還只有57.45℃的溫度。因此，在本發(fā)明循環(huán)的情況下可以從熱水中獲取相對更多的能量。
由于在渦輪2的入口處汽化相10的壓力為32.41bar以及在渦輪2的入口處汽化相壓力與在渦輪2的出口處膨脹減壓的汽化相的壓力之間的壓力比為4.8，在圖4的循環(huán)的情況下就不可能應(yīng)用傳統(tǒng)的單級渦輪。因此，要么必須采用兩個前后連接的傳統(tǒng)的單級渦輪或者必須應(yīng)用一個單獨的專門適用于高壓和大于4的壓力比的渦輪，這兩個情況都相對于一個單獨的傳統(tǒng)渦輪而具有更高的成本和效率損失。
由于提高的熱交換器功率提高了28.5％的加熱表面需求也導(dǎo)致一個增加的投資需求。但這些提高的成本可以大部分地通過簡化的管道鋪設(shè)和通過省去熱交換器HE3被補(bǔ)償，使得設(shè)備成本總體上保持基本相同。
上面已經(jīng)借助優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明，但是一般不能被視為局限到這些具體實施例上。相反，本發(fā)明或這些具體實施例具有許多變型和改型的可能方案。例如，如在圖2的線路實施例中所做的那樣，可以在線路中接入附加的閥門。
權(quán)利要求
1.一種用于執(zhí)行熱力學(xué)循環(huán)的方法，具有至少如下的方法步驟-將液體工作介質(zhì)流(13)泵壓到提高的壓力上并形成加壓的液體工作介質(zhì)流(14)；-通過膨脹減壓的工作介質(zhì)流(12)的部分冷凝使該加壓的液體工作介質(zhì)流(14)加熱并部分地汽化，以及產(chǎn)生第一部分汽化的工作介質(zhì)流(15)和部分冷凝的膨脹減壓的工作介質(zhì)流(12a)；-利用從外部熱源(20)傳遞的熱量使部分汽化的工作介質(zhì)流(15)繼續(xù)汽化，并且產(chǎn)生第二至少部分汽化的工作介質(zhì)流(18)；-使該第二至少部分汽化的工作介質(zhì)流(18)的液體相(19)與汽化相(10)分離；-使汽化相(10)膨脹減壓，將其能量轉(zhuǎn)換為一種可利用的形式并產(chǎn)生一個膨脹減壓的汽化相(11)；-使液體相(19)與膨脹減壓的汽化相(11)混合并形成膨脹減壓的工作介質(zhì)流(12)；-使部分冷凝的膨脹減壓的工作介質(zhì)流(12a)完全地冷凝并產(chǎn)生所述液體工作介質(zhì)流(13)。
2.按權(quán)利要求1的方法，其中，所述汽化相(10)的壓力小于24bar。
3.按權(quán)利要求1或2的方法，其中，所述汽化相(10)的壓力是膨脹減壓的汽化相(11)的壓力的3至4倍。
4.按上述權(quán)利要求之一的方法，其中，作為工作介質(zhì)應(yīng)用一種多料混合物。
5.按權(quán)利要求4的方法，其中，作為所述多料混合物應(yīng)用一種雙料混合物，特別是一種氨-水混合物。
6.按上述權(quán)利要求之一的方法，其中，作為所述外部熱源(20)應(yīng)用一種地?zé)嵋后w、特別是熱水。
7.按上述權(quán)利要求之一的方法，其中，所述熱源(20)具有100℃至140℃的溫度。
8.一種用于執(zhí)行熱力學(xué)循環(huán)、特別是實施按照上述權(quán)利要求之一的方法的裝置，至少具有-用于將液體工作介質(zhì)流(13)泵壓到一個提高的壓力并產(chǎn)生加壓的液體工作介質(zhì)流(14)的泵(3)；-第一熱交換器(HE2)，用于通過膨脹減壓的工作介質(zhì)流(12)的部分冷凝以加熱并部分地汽化該加壓的液體工作介質(zhì)流(14)從而產(chǎn)生第一部分汽化的工作介質(zhì)流(15)；-第二熱交換器(HE4)，用于借助由外部熱源(20)傳遞的熱量通過使第一部分汽化的工作介質(zhì)流(15)繼續(xù)汽化以產(chǎn)生第二至少部分汽化的工作介質(zhì)流(18)；-分離器，用于使該第二至少部分汽化的工作介質(zhì)流(18)的液體相(19)與汽化相(10)分離；-用于使汽化相(10)膨脹減壓、將其能量轉(zhuǎn)化為一種可利用的形式并且產(chǎn)生膨脹減壓的汽化相(11)的裝置(2)、特別是渦輪；-混合器(5)，用于使液體相與膨脹減壓的汽化相混合并且產(chǎn)生膨脹減壓的工作介質(zhì)流(12)；-第三熱交換器(HE1)，用于使部分冷凝的膨脹減壓的工作介質(zhì)流(12a)完全地冷凝并產(chǎn)生所述液體工作介質(zhì)流(13)。
9.按權(quán)利要求8的裝置，其中，所述汽化相(10)的壓力小于24bar。
10.按權(quán)利要求8或9的裝置，其中，所述汽化相(10)的壓力是所述膨脹減壓汽化相(11)的壓力的3至4倍。
11.按權(quán)利要求8至10之一的裝置，其中，所述工作介質(zhì)由一種多料混合物組成。
12.按權(quán)利要求11的裝置，其中，所述多料混合物是一種雙料混合物，特別是一種氨-水混合物。
13.按權(quán)利要求8至12之一的裝置，其中，利用一種地?zé)嵋后w、特別是熱水作為所述外部熱源(20)。
14.按權(quán)利要求8至13之一的裝置，其中，所述外部熱源(20)具有100℃至140℃的溫度。
全文摘要
按照本發(fā)明為了減少循環(huán)的復(fù)雜性一種液體工作介質(zhì)流(13)被置于提高的壓力上并通過一種膨脹減壓的工作介質(zhì)流(12)的部分冷凝產(chǎn)生第一部分汽化的工作介質(zhì)流(15)。通過利用外部熱源(20)傳遞的熱量使第一部分汽化的工作介質(zhì)流(15)繼續(xù)地汽化，產(chǎn)生第二至少部分汽化的工作介質(zhì)流(18)。在這個第二至少部分汽化的工作介質(zhì)流(18)情況下汽化相(10)被與液體相分離，接著汽化相(10)的能量被轉(zhuǎn)化為一個可利用的形式，并且一個膨脹減壓的汽化相(11)與液體相(19)混合從而構(gòu)成膨脹減壓的工作介質(zhì)流(12)。通過使部分冷凝的膨脹減壓的工作介質(zhì)流(12a)完全地冷凝再次獲得該液體工作介質(zhì)流(13)。
文檔編號F01K25/08GK1993536SQ200580011333
公開日2007年7月4日 申請日期2005年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月16日
發(fā)明者喬爾格·倫格特 申請人:西門子公司