專利名稱：用于將熱能轉化成機械能的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種根據(jù)權利要求1的前序部分所述的、用于將熱能轉化成機械能的 方法和根據(jù)權利要求10的前序部分所述的、用于將熱能轉化成機械能的裝置；這種類型的 方法或這種類型的裝置例如在WO 2005/100755A1已知。
背景技術：
近年來不同技術被研發(fā)用于具有最大400°C的溫度的低溫熱源，例如地熱流體或 者工業(yè)廢熱，所述技術能使地熱流體或者工業(yè)廢熱的熱量以良好的效率轉化成機械或電 能。除了利用有機工作介質的朗肯循環(huán)(有機朗肯循環(huán)(Organic Rankine Cycle)0RC)，特 別是所謂的卡利納(Kalina)循環(huán)過程，實現(xiàn)了比傳統(tǒng)的有機朗肯循環(huán)明顯更高的效率。在 卡利納循環(huán)過程的基礎上，已經研發(fā)了用于不同應用的不同循環(huán)。所述循環(huán)應用兩組分物 質混合物(例如氨和水)代替水作為工作介質，其中充分利用兩種物質的不同沸點溫度和 冷凝溫度和混合物的由此引起的非等溫沸騰過程和冷凝過程，以便相對于朗肯循環(huán)提高循 環(huán)的效率。這種卡利納循環(huán)通常包括至少一個用于提高工作介質壓力的泵、用于通過從外部 熱源、例如地熱流體或者工業(yè)廢熱傳遞熱來產生工作介質的蒸汽相的熱交換器，以及用于 膨脹蒸汽相并將其熱能轉化成機械能的膨脹裝置，優(yōu)選渦輪機。隨后，工作介質的膨脹在冷 凝器中利用冷卻介質冷凝。為了改善效率，還可以將其它部件接入循環(huán)。例如-如在W02005/100755A1中示 出-可以在熱交換器和膨脹裝置之間的循環(huán)中設有分離器，可以利用分離器，使當工作介 質在熱交換器中僅部分地蒸發(fā)時還存在的工作介質的液相在其被輸送至膨脹裝置之前與 蒸汽相分離。隨后，分離的液相可以通過在膨脹裝置和冷凝器之間在循環(huán)中設置的混合裝 置與膨脹的蒸汽相匯流。其它熱交換器可以設置成用于使熱量從膨脹的工作介質傳遞至在 輸送至熱交換器前的工作介質。由EP 0756069B1已知的具有作為工作介質的氨/水混合物的卡利納循環(huán)，附加 地具有在循環(huán)中設置在冷凝器和泵之間的、用于使貧氨液體從工作介質流分離出的蒸餾單 元。所述貧氨液體在輸送至冷凝器前輸送給在渦輪機中膨脹的工作介質。在膨脹裝置和冷凝器之間的線路連接中，由于部分地冷凝工作介質可能會出現(xiàn)在 工作介質中液相的比例不斷升高。將例如工作介質的在膨脹裝置前分離的液相輸入到膨脹 的蒸汽相中，還導致在輸送至冷凝器前的工作介質中液相的比例升高。液相的比例升高導 致物質混合物的“分層”，且導致在連接線路中形成不均勻的、部分分層的兩相流。如果工作介質例如由氨-水混合物組成，則由此在線路連接中形成不均勻的、部 分分層的、由富氨的飽和蒸汽和貧氨的冷凝水組成的兩相流。這引起了 在冷凝器中部分地 填充貧氨的冷凝水并且氨蒸氣僅填充熱交換器的剩余部分。填充的部分降低了冷凝器的效 率。此外，富氨蒸氣(例如包括95%的氨)的冷凝壓力與均勻的水-氨混合物的冷凝壓力 相比明顯較高。在冷凝器中的冷凝壓力越高，要通過渦輪機消除的壓力降越小。因此，所述循環(huán)在較差的效率下產生較小的機械功率或電功率。

發(fā)明內容
因此本發(fā)明的目的在于，如此改進根據(jù)權利要求1的前序部分所述的方法或根據(jù) 權利要求10的前序部分所述的裝置，使得可以避免這種效率損失。涉及所述方法的目的的解決方案通過根據(jù)權利要求1所述的方法來實現(xiàn)。所述方 法的有利的設計方案是權利要求2至9的主題。涉及所述裝置的目的的解決方案通過根據(jù) 權利要求10所述的裝置來實現(xiàn)。所述裝置的有利的設計方案是權利要求11至18的主題。 根據(jù)本發(fā)明的利用工作介質將熱能轉化成機械能方法，所述工作介質由物質混合 物形成，所述物質混合物包含至少兩種具有不同沸點溫度和冷凝溫度的物質，其中在膨脹 裝置中膨脹的工作介質作為具有液相和蒸汽相的兩相流被輸送至冷凝器并且在該冷凝器 中被冷凝，在此提出，在兩相流中，當工作介質在冷凝器中冷凝前或期間，使液相與蒸汽相 混合O由此，可以避免分層兩組分物質混合物，并且在兩相流中產生均勻的兩組分物質 混合物。均勻的兩組分物質混合物當冷卻介質溫度在冷凝器中保持不變的情況下已經在較 低的壓力下冷凝。然而隨著在冷凝器中變低的冷凝壓力，要通過渦輪機消除的壓力降升高， 從而可以在較高的效率下產生更多的機械功率或電功率。能夠非常簡單地如此混合液相與蒸汽相，即在兩相流中使液相與蒸汽相分離，然 后分離的液相與蒸汽相重新匯流。在此為了匯流，優(yōu)選地將分離的液相噴淋到蒸汽相中。在此，液相和蒸汽相的特別好地混合可以如此實現(xiàn)，即為了噴淋將分離的液相的 壓力值提高到高于蒸汽相的壓力。因此，分離的液相在高壓下被輸送至蒸汽相。在這種情況下，液相與蒸汽相的分離優(yōu)選直接在冷凝器前實現(xiàn)，以避免在通至冷 凝器的路徑上兩組分物質混合物再次分層?；旌媳旧硗瑯涌梢灾苯釉诶淠髑皩崿F(xiàn)，但還可以直接在冷凝器中實現(xiàn)。有利地，在此工作介質在封閉的循環(huán)中在冷凝后至少經過下述方法步驟-提高工作介質的壓力，-通過從外部熱源傳遞熱來產生工作介質的蒸汽相，以及-使蒸汽相膨脹且將其熱能轉化成機械能。在此，工作介質可以通過熱傳遞完全蒸發(fā)(即僅存在蒸汽相)或者僅部分地蒸發(fā) (即存在蒸汽相和液相)。有利地，在僅部分地蒸發(fā)時，在蒸汽相膨脹前，工作介質的液相與 蒸汽相分離，且在蒸汽相膨脹后，將液相重新輸入到蒸汽相。因此，液相繞過用于使蒸汽相 膨脹的膨脹裝置。 然后，工作介質可以在膨脹后直接地或者通過一個或多個中間的熱交換器輸送給 冷凝器，所述中間的熱交換器將膨脹的蒸汽相的熱量在工作介質至少部分蒸發(fā)前傳遞給工 作介質。優(yōu)選地，地熱流體、工業(yè)廢熱或者內燃機廢熱用作所述外部熱源。在此如果由氨和水組成的混合物用作所述工作介質，可以獲得特別好的效率。根據(jù)本發(fā)明提出一種利用工作介質用于將熱能轉化成機械能的裝置，所述工作介 質由物質混合物形成，所述物質混合物包含至少兩種具有不同沸點溫度和冷凝溫度的物質，所述裝置包括用于冷凝工作介質的冷凝器，其中在膨脹裝置中膨脹的工作介質在其被 輸送至所述冷凝器前作為具有液相和蒸汽相的兩相流存在，所述裝置還包括有混合裝置， 其用于在冷凝器中冷凝工作介質前或期間，使兩相流的液相與兩相流的蒸汽相混合。有利地，所述混合裝置具有用于使液相和蒸汽相分離的分離器和至少一個用于將 分離的液相噴淋到蒸汽相中的噴嘴。如果所述混合裝置具有泵，能通過所述泵將分離的液相的壓力值提高至高于蒸汽 相的壓力，則在噴淋時能特別好地混合兩個相。如果分離器沿工作介質的流動方向直接設置在冷凝器前，則可以防止在通至冷凝 器的路徑上兩組分物質混合物再次分層。所述至少一個噴嘴可沿工作介質的流動方向同樣直接設置在冷凝器前或設置在 冷凝器中。根據(jù)一個特別有利的設計方案，所述工作介質在所述裝置中能在封閉的循環(huán)中運 行，所述循環(huán)沿工作介質的流動方向除了冷凝器外至少具有下述部件-用于提高工作介質壓力的泵，-用于從通過外部熱源傳遞熱來產生工作介質的蒸汽相的熱交換器，-用于膨脹蒸汽相并將其熱能轉化成機械能的膨脹裝置、特別是渦輪機。在此，所述工作介質能通過熱傳遞完全蒸發(fā)(即僅存在蒸汽相)或者僅部分地蒸 發(fā)(即存在蒸汽相和液相)。在僅部分地蒸發(fā)時，所述循環(huán)還有利地包括設置在熱交換器 和膨脹裝置之間的分離器，用于將液相與蒸汽相分離；以及設置在膨脹裝置和混合裝置之 間的匯流裝置，用于使分離的液相和膨脹的蒸汽相匯流。由此，液相可以繞過膨脹裝置。優(yōu)選地，熱源是地熱流體、工業(yè)廢熱或內燃機廢熱。有利地，工作介質是由氨和水組成的混合物。


在附圖中示出了本發(fā)明的實施例。其示出了 下面，借助實施例參照附圖詳細闡述本發(fā)明以及根據(jù)從屬權利要求特征的本發(fā)明 其它有利的設計方案。其中示出圖1示出根據(jù)本發(fā)明一個優(yōu)選設計方案的循環(huán)，圖2示出用于兩組分物質混合物在線路連接中分層的實施例，圖3示出用于多個冷凝器的共同噴淋的混合裝置，圖4示出直接噴淋到冷凝器中的混合裝置，圖5示出對每個單個冷凝器具有單獨噴淋的混合裝置。
具體實施例方式在圖1示出的用于將 熱能轉化成機械能的裝置1包括有循環(huán)2，其中沿工作介質的 流動方向依次設置下列主要部件泵3，用于提高工作介質的壓力；熱交換器4，用于通過從 外部熱源5傳遞熱形成工作介質的蒸汽相；渦輪機6，用于使工作介質的蒸汽相膨脹并將其 熱能轉化成機械能；混合裝置7，用于使工作介質的液相和蒸汽相混合；以及冷凝器8，用于 借助冷卻介質9完全冷凝工作介質。外部熱源5例如地熱流體、工業(yè)廢熱或內燃機的廢熱。渦輪機6例如驅動將機械能轉化成電能的發(fā)電機(未示出)。所述工作介質由一種物質混合物形成，所述物質混合物包括至少兩種具有不同沸 點溫度和冷凝溫度的物質。下面假設由氨和水組成的混合物用作工作介質。作為其它部件，循環(huán)2包括有設置在熱交換器4和渦輪機6之間的用于使工作介 質的液相與蒸汽相分離的分離器15，以及設置在渦輪機6和混合裝置7之間的用于使分離的液相與膨脹的蒸汽相匯流的匯流裝置16。在循環(huán)2工作時，在冷凝器8之后的工作介質僅作為液體存在。液態(tài)工作介質借 助泵3提升到更高的壓力，然后在熱交換器4中至少部分地蒸發(fā)，這就是說在熱交換器后工 作介質以蒸汽相和可能以貧氨的液相的方式存在。在分離器15中，使可能還存在的液相與 蒸汽相分離。蒸汽相在渦輪機6中膨脹且其熱能被轉化成機械能。隨后所述機械能可以繼續(xù)使 用，例如用于生成電流。在匯流裝置16中，現(xiàn)在膨脹的蒸汽相與之前可能分離出的液相再次匯流。在渦輪機6和冷凝器8之間的線路連接10中，由于膨脹的蒸汽相部分冷凝和可能 通過匯流裝置16輸入的液相，而在氨_水混合物中造成液體含量升高，并且出現(xiàn)分層成富 氨的飽和蒸汽11和貧氨的冷凝水12 (參見圖2)。因此，不均勻的、部分分層的工作介質流 會被輸送至冷凝器8。這會引起在冷凝器8中部分地填充貧氨的冷凝水12，且富氨的飽和 蒸汽11會填充其余的冷凝器。所填充的部分會降低冷凝器效率進而提高了冷凝壓力，因為 富氨的飽和蒸汽(約95%氨)的冷凝壓力明顯比均勻的水-氨混合物的冷凝壓力更高。然 而，隨著在冷凝器中的冷凝壓力升高，要通過渦輪機消除的壓力降以及能產生的機械功率 或電功率會降低。為了避免這種效率降低，循環(huán)2具有混合裝置7?；旌涎b置7包括有用于使貧氨的 液相與富氨的蒸汽相分離的分離器20，以及用于將分離的液相噴淋到蒸汽相中的噴嘴21， 其中分離器20和噴嘴21沿工作介質的流動方向依次在渦輪機6和冷凝器8的之間設置在 匯流裝置16后的連接線路10中。在分離器20中分離的液相通過旁通管路14輸送至噴嘴 21。泵22和控制閥23接入旁通管路14。在旁通管路14中輸送的、分離的液相的壓力值能通過泵22提高到高于在分離器 20后的蒸汽相的壓力。能借助控制閥23控制提供給噴嘴21的液相輸送量。分離器20沿工作介質的流動方向直接設置在冷凝器8前，以避免在其通至冷凝器 8的剩余路徑上工作介質再次分層。噴嘴21可以沿工作介質的流動方向直接設置在冷凝器 8前或設置在其中。因此，通過分離器20將富氨的蒸汽相與貧氨的液相分離。貧氨的液相通過旁通管 路14輸送至噴嘴21。在此，通過泵22將貧氨的液相的壓力值提高到高于富氨的蒸汽相的 壓力。由此在噴嘴21中貧氨的液相在高壓下噴淋到富氨的蒸汽相中。因此又可以產生均 勻的氨_水混合物并且將其輸送給冷凝器8，在冷卻介質溫度在冷凝器中保持不變的情況 下，所述氨_水混合物在比富氨的蒸汽相低的壓力時就已冷凝。然而隨著在冷凝器中變低 的冷凝壓力，要通過渦輪機消除的壓力降升高，進而循環(huán)可以在較高的效率下產生更多的 電功率。如果多個冷凝器8沿工作介質的流動方向并聯(lián)_如在圖3中示出-混合裝置7設置有唯一一個分離器20以及唯一一個噴嘴21用于全部冷凝器8。分離器20和噴嘴21優(yōu) 選直接設置在冷凝器8前。對于全部冷凝器8，液相一起噴淋到蒸汽相中?？商娲兀绻鄠€冷凝器8沿工作介質的流動方向并聯(lián)，混合裝置7還可以設置 有唯一一個分離器20并對于每個冷凝器8各設有一個或多個噴嘴21。在根據(jù)圖4的實施 例中，分離器20直接設置在冷凝器8前且噴嘴21設置在冷凝器8中。因此，液相直接地噴 淋到冷凝器8中。在此，能借助共同的控制閥23對控制輸送液相至噴嘴21。噴嘴21還可以-如在圖5中示出-直接設置在相應冷凝器8前，即對每個單個冷凝器8進行單獨噴淋。在此能借助用于每個冷凝器8的本身的控制閥23，控制輸送液相至 每個噴嘴21。
權利要求
一種利用工作介質將熱能轉化成機械能的方法，所述工作介質由物質混合物形成，所述物質混合物包含至少兩種具有不同沸點溫度和冷凝溫度的物質，其中在膨脹裝置中膨脹的工作介質作為具有液相和蒸汽相的兩相流被輸送至冷凝器(8)，并且在該冷凝器中被冷凝，其特征在于，在所述兩相流中，當工作介質在冷凝器(8)中冷凝前或期間，使所述液相與蒸汽相混合。
2.按權利要求1所述的方法，其特征在于，為了進行混合，在所述雙向流中使液相與蒸 汽相分離，然后所分離的液相與蒸汽相重新匯流，其中優(yōu)選為了進行匯流，將所分離的液相 噴淋到蒸汽相中。
3.按權利要求2所述的方法，其特征在于，在進行噴淋前，將分離的液相的壓力值提高 到高于蒸汽相的壓力。
4.按權利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述液相與蒸汽相的分離直接在冷凝器 (8)前實現(xiàn)。
5.按前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，所述混合直接在冷凝器(8)前 或在冷凝器(8)中實現(xiàn)。
6.按前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，工作介質在封閉的循環(huán)(2)中 在冷凝后至少經過下述方法步驟-提高工作介質的壓力，-通過從外部熱源(5)傳遞熱來產生工作介質的蒸汽相，以及-使蒸汽相膨脹，且將其熱能轉化成機械能。
7.按權利要求6所述的方法，其特征在于，在工作介質的蒸汽相膨脹前，使工作介質的 液相與蒸汽相分離，并且在蒸汽相膨脹后，將液相重新輸入蒸汽相。
8.按權利要求6或7所述的方法，其特征在于，地熱流體、工業(yè)廢熱或者內燃機廢熱用 作所述外部熱源(5)。
9.按前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，由氨和水組成的混合物用作所 述工作介質。
10.一種利用工作介質用于將熱能轉化成機械能的裝置(1)，所述工作介質由物質混 合物形成，所述物質混合物包含至少兩種具有不同沸點溫度和冷凝溫度的物質，所述裝置 具有用于冷凝工作介質的冷凝器(8)，其中在膨脹裝置中膨脹的工作介質在其被輸送至所 述冷凝器(8)前作為具有液相和蒸汽相的兩相流存在，其特征在于，設有混合裝置(7)，其 用于在冷凝器(8)中冷凝工作介質前或期間，使兩相流的液相與兩相流的蒸汽相混合。
11.按權利要求10所述的裝置(1)，其特征在于，所述混合裝置(7)具有用于使液相和 蒸汽相分離的分離器(20)和至少一個用于將分離的液相噴淋到蒸汽相中的噴嘴(21)。
12.按權利要求11所述的裝置(1)，其特征在于，所述混合裝置(7)具有泵(22)，能通 過所述泵將分離的液相的壓力值提高至高于蒸汽相的壓力。
13.按權利要求11或12所述的裝置(1)，其特征在于，所述分離器(20)沿工作介質的 流動方向直接設置在冷凝器(8)前。
14.按權利要求11至13中任一項所述的裝置(1)，其特征在于，所述至少一個噴嘴 (21)沿工作介質的流動方向直接設置在冷凝器(8)前或設置在冷凝器(8)中。
15.按權利要求11至14中任一項所述的裝置(1)，其特征在于，所述工作介質在所述 裝置(1)中在封閉的循環(huán)(2)中運行，所述循環(huán)沿工作介質的流動方向除了冷凝器(8)外 至少具有下述部件_用于提高工作介質壓力的泵(3)，-用于通過從外部熱源(5)傳遞熱產生工作介質的蒸汽相的熱交換器(4)，-用于使蒸汽相膨脹并將其熱能轉化成機械能的膨脹裝置(6)，特別是渦輪機。
16.按權利要求15所述的裝置(1)，其特征在于，所述循環(huán)(2)還包括設置在熱交換 器(4)和膨脹裝置(6)之間的分離器(15)，其用于將工作介質的液相與蒸汽相分離；以及 設置在膨脹裝置(6)和混合裝置(7)之間的匯流裝置(16)，該匯流裝置用于使分離的液相 和膨脹的蒸汽相匯流。
17.按權利要求15或16所述的裝置(1)，其特征在于，所述外部熱源(5)是地熱流體、 工業(yè)廢熱或內燃機廢熱。
18.按權利要求10至17中任一項所述的裝置(1)，其特征在于，所述工作介質是由氨 和水組成的混合物。
全文摘要
在利用工作介質將熱能轉化成機械能時，所述工作介質由物質混合物形成，所述物質混合物包含至少兩種具有不同沸點溫度和冷凝溫度的物質，其中所述工作介質被輸送至冷凝器并且在該冷凝器中被冷凝，可能產生的問題在于，由于在冷凝器前物質混合物分層成液相，在冷凝器中的冷凝壓力升高，進而用于產生機械能的效率降低。根據(jù)本發(fā)明如此克服所述問題，當工作介質在冷凝器(8)中冷凝前或期間，工作介質的液相與工作介質的蒸汽相混合。由此，可以再次產生均勻的物質混合物，所述物質混合物在比分層的工作介質更低的壓力下冷凝，由此防止了效率降低。優(yōu)選使用低溫熱源、例如地熱流體、工業(yè)廢熱或內燃機廢熱的熱能。
文檔編號F01K25/06GK101842558SQ200880113544
公開日2010年9月22日 申請日期2008年8月21日 優(yōu)先權日2007年8月31日
發(fā)明者J·倫格特, M·尼費希爾, R·斯特里格爾, T·豪爾 申請人:西門子公司