本文描述的本主題總體上涉及發(fā)電，更具體地，朝著用于高效地驅(qū)動(dòng)發(fā)電汽輪機(jī)的多級(jí)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

目前，世界上的大部分電通過將水加熱到高的壓力和溫度的蒸汽來生成，蒸汽隨后用于使汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，汽輪機(jī)使發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)以發(fā)電。任何數(shù)量的方法可用于加熱水，例如太陽能、煤炭、燃?xì)?、原子能等。?dāng)高壓蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)時(shí)，高壓蒸汽與汽輪機(jī)葉片碰撞并將其能量中的一些能量給予汽輪機(jī)。在與汽輪機(jī)葉片多次碰撞之后，蒸汽已損失掉其能量中的大量能量，并離開汽輪機(jī)以低的壓力進(jìn)入冷凝器，冷凝器冷卻蒸汽一直到蒸汽變成水。然后，泵將水泵回到循環(huán)的高壓輸入級(jí)，在高壓輸入級(jí)，水又被加熱成蒸汽以連續(xù)地重復(fù)該循環(huán)。

這種設(shè)置方式的問題在于，冷凝器必須去除汽化潛熱以將蒸汽往回轉(zhuǎn)換成液體，使得泵可通過最小的能量需求將流體泵回到循環(huán)的起始處。然后，該能量作為廢熱被丟棄到周圍環(huán)境。在水的情況下，汽化潛熱大約是2257kj/kg，這是非常大量的能量。這是在每個(gè)循環(huán)增加到工作流體的總熱能的40％-60％(取決于操作溫度)之間的能量或更大的能量。因此，甚至最好的發(fā)電廠也極少實(shí)現(xiàn)甚至40％的效率。如果該廢棄潛熱還可使用并轉(zhuǎn)換成電，則任何發(fā)電廠的效率的顯著提高是可能的。

存在許多現(xiàn)有動(dòng)力循環(huán)，諸如朗肯循環(huán)和其他循環(huán)的現(xiàn)有動(dòng)力循環(huán)的問題在于，由于必須拋棄到大氣或周圍環(huán)境中的大量低質(zhì)量的廢熱，導(dǎo)致循環(huán)的效率大大受到限制。大部分汽化潛熱(或冷凝潛熱)必須作為廢熱被拋棄，這大大限制了任何循環(huán)的效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

提供本發(fā)明內(nèi)容以介紹與用于通過使汽化潛熱再循環(huán)而進(jìn)行高效能量轉(zhuǎn)換循環(huán)的系統(tǒng)(設(shè)備)及其方法相關(guān)的概念，該概念在下面在詳細(xì)描述中進(jìn)一步描述。本發(fā)明內(nèi)容不意在確定請(qǐng)求保護(hù)的主題的必要特征，也不意在用于確定或限制請(qǐng)求保護(hù)的主題的范圍。

技術(shù)問題：冷凝器必須去除汽化潛熱以將蒸汽往回轉(zhuǎn)換成液體，使得泵可通過最小的能量需求將流體泵回到循環(huán)的起始處。然后，該能量(潛熱)作為廢熱被丟棄到周圍環(huán)境。因此，甚至最好的發(fā)電廠也極少實(shí)現(xiàn)甚至40％的效率。

技術(shù)方案：本發(fā)明提供一種機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)通過將任何級(jí)的汽化潛熱傳遞到下一級(jí)的輸入級(jí)而非將該汽化潛熱拋棄到大氣中，有效地且經(jīng)濟(jì)地解決上面提到的技術(shù)問題，并因此大大增加任何動(dòng)力循環(huán)的效率。

在一種實(shí)現(xiàn)中，本發(fā)明的基本目標(biāo)在于通過增加所有現(xiàn)有的和未來的發(fā)電廠的熱電轉(zhuǎn)換效率，克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)/缺陷。

在一種實(shí)現(xiàn)中，本發(fā)明提供通過比通過目前的技術(shù)可能達(dá)到的效率更高的效率，在發(fā)電廠中將熱能轉(zhuǎn)換成電能。

在一種實(shí)現(xiàn)中，通過使用本發(fā)明提高效率，是通過減少在現(xiàn)有電廠循環(huán)設(shè)計(jì)中被拋棄到大氣中的廢熱的量來實(shí)現(xiàn)的。

在一種實(shí)現(xiàn)中，本發(fā)明通過建立多個(gè)汽輪機(jī)循環(huán)提供一種機(jī)構(gòu)，其中第一循環(huán)的汽化潛熱注入第二循環(huán)的輸入級(jí)中，第二循環(huán)的廢熱(汽化潛熱)注入第三循環(huán)的輸入級(jí)中，等等。只有最后一個(gè)循環(huán)的廢熱被拋棄到大氣中

在一種實(shí)現(xiàn)中，本發(fā)明能夠使用廢棄潛熱并將廢棄潛熱轉(zhuǎn)換成電，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電廠的效率的顯著提高。廢熱交換機(jī)構(gòu)還可與所有基于熱的動(dòng)力系統(tǒng)一起使用，即使最終輸出是某種非電形式的輸出。

在一種實(shí)現(xiàn)中，通過將任何級(jí)的汽化潛熱傳遞到下一級(jí)的輸入級(jí)而非將該汽化潛熱拋棄到大氣中，本發(fā)明增加任何動(dòng)力循環(huán)的效率。

在一種實(shí)現(xiàn)中，通過適當(dāng)?shù)剡x擇工作流體、汽輪機(jī)出口溫度和壓力，本發(fā)明能夠?qū)⑺衅瘽摕醾鬟f到下一級(jí)，從而大大減少將該級(jí)的工作流體加熱到期望的溫度所需的能量的量。對(duì)于第一級(jí)之后的所有級(jí)，其結(jié)果是極高的效率，從而造成非常高的總效率。

為了通過將任何級(jí)的汽化潛熱傳遞到下一級(jí)的輸入級(jí)而非將該汽化潛熱拋棄到大氣中來提高任何動(dòng)力循環(huán)的整體性能，本發(fā)明的實(shí)施例提供本申請(qǐng)的多個(gè)方面。多個(gè)方面提供用于通過使汽化潛熱再循環(huán)而進(jìn)行高效能量轉(zhuǎn)換循環(huán)的系統(tǒng)/設(shè)備和方法。技術(shù)方案如下：

在另一方面，公開了一種具有至少兩級(jí)系統(tǒng)的多級(jí)發(fā)電設(shè)備。發(fā)電設(shè)備包括：第一級(jí)動(dòng)力循環(huán)，包括第一工作流體、鍋爐、汽輪機(jī)、熱交換器、泵等，且配置用于發(fā)電；

第二級(jí)動(dòng)力循環(huán)，包括第二工作流體、鍋爐、汽輪機(jī)、熱交換器、泵等，且配置用于發(fā)電；其中第二工作流體吸收從第一級(jí)循環(huán)生成的廢熱(汽化潛熱和/或冷凝潛熱)以用于發(fā)電。

在另一方面，公開了一種用于使用具有至少兩級(jí)動(dòng)力循環(huán)的發(fā)電設(shè)備來發(fā)電的方法。方法包括：

·使用包括第一工作流體、鍋爐、汽輪機(jī)、熱交換器、泵等的第一級(jí)動(dòng)力循環(huán)發(fā)電；

·使用第二級(jí)潛熱交換機(jī)構(gòu)和包括第二工作流體和發(fā)電設(shè)備的汽輪機(jī)循環(huán)發(fā)電；其中

·第二工作流體在潛熱交換機(jī)構(gòu)中吸收從第一級(jí)生成的廢熱(汽化潛熱和/或冷凝潛熱)以用于發(fā)電。

在本發(fā)明的一種實(shí)現(xiàn)中，第一級(jí)的低質(zhì)量的廢熱傳遞到第二循環(huán)的輸入級(jí)，第二循環(huán)的廢熱傳遞到第三循環(huán)的輸入級(jí)，等等。級(jí)越多，最終的總效率將越大，但是將來會(huì)有一個(gè)時(shí)候，那時(shí)增加更多的級(jí)將具有減少的財(cái)務(wù)回報(bào)。另外，不能找到足夠數(shù)量的具有正確物理性質(zhì)的工作流體以實(shí)現(xiàn)無限數(shù)量的級(jí)。出于詳細(xì)解釋過程的目的，兩個(gè)級(jí)將足以解釋概念，因此其余的解釋將基于兩級(jí)系統(tǒng)。

附圖說明

參照附圖描述詳細(xì)描述。在附圖中，標(biāo)號(hào)最左邊的數(shù)字標(biāo)示該標(biāo)號(hào)第一次出現(xiàn)時(shí)的圖。貫穿附圖，使用相同的數(shù)字指示相同的特征和組件。

圖1示出了現(xiàn)有發(fā)電廠循環(huán)(現(xiàn)有技術(shù))的簡(jiǎn)化原理圖。

圖2示出了根據(jù)本主題的實(shí)施例的、將實(shí)現(xiàn)非常高的效率的多級(jí)循環(huán)的簡(jiǎn)化原理圖。

圖3示出了根據(jù)本主題的實(shí)施例的、在水和氨用作工作流體的情況下，兩級(jí)系統(tǒng)看起來可能像什么的示例。

圖4示出了根據(jù)本主題的實(shí)施例的、用于使用具有至少兩級(jí)潛熱交換機(jī)構(gòu)的發(fā)電設(shè)備來發(fā)電的方法。

圖5示出了根據(jù)本主題的實(shí)施例的、在第一級(jí)潛熱交換機(jī)構(gòu)1000期間執(zhí)行的方法。

圖6示出了根據(jù)本主題的實(shí)施例的、在第二級(jí)潛熱交換機(jī)構(gòu)2000期間執(zhí)行的方法。

具體實(shí)施方式

下面參照本發(fā)明的實(shí)施例中的附圖清楚地描述了本發(fā)明的實(shí)施例中的技術(shù)方案。顯然，描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明的實(shí)施例中的一部分而非所有實(shí)施例。由本領(lǐng)域普通技術(shù)人員基于本發(fā)明的實(shí)施例在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的情況下獲得的所有其他實(shí)施例應(yīng)該落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。

下面與示出了本發(fā)明的原理的附圖一起提供本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的詳細(xì)描述。本發(fā)明與這樣的實(shí)施例關(guān)聯(lián)地描述，但是本發(fā)明不限于任何實(shí)施例。本發(fā)明的范圍僅由權(quán)利要求限制，本發(fā)明包括多個(gè)可選項(xiàng)、修改和等同物。在下面的描述中闡述多個(gè)具體細(xì)節(jié)以提供本發(fā)明的徹底的理解。出于示例的目的，提供這些細(xì)節(jié)，本發(fā)明可在不存在這些具體細(xì)節(jié)中的一些或所有細(xì)節(jié)的情況下根據(jù)權(quán)利要求實(shí)踐。出于清楚的目的，沒有詳細(xì)描述與本發(fā)明相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域中已知的技術(shù)材料，使得本發(fā)明沒有不必要地模糊。

可注意到，將理解的是，熱力學(xué)的基本最小理解與讀者共存，以理解本解釋。

現(xiàn)在參照?qǐng)D1，圖1示出了作為現(xiàn)有技術(shù)的現(xiàn)有電廠循環(huán)的基本布局。

雖然多個(gè)方面描述了：通過使汽化潛熱再循環(huán)而進(jìn)行高效能量轉(zhuǎn)換循環(huán)，可在任何數(shù)量的不同系統(tǒng)、環(huán)境和/或構(gòu)造中實(shí)現(xiàn)，但是在下面的示例性系統(tǒng)的背景下描述實(shí)施例。

現(xiàn)在參照?qǐng)D2，圖2示出了根據(jù)本主題的實(shí)施例的、將實(shí)現(xiàn)非常高的效率的多級(jí)循環(huán)的簡(jiǎn)化原理圖。

在一種實(shí)現(xiàn)中，第一級(jí)的低質(zhì)量的廢熱傳遞到第二循環(huán)的輸入級(jí)，第二循環(huán)的廢熱傳遞到第三循環(huán)的輸入級(jí)，等等。級(jí)越多，最終的總效率將越大，但是將來會(huì)有一個(gè)時(shí)候，那時(shí)增加更多的級(jí)將具有減少的財(cái)務(wù)回報(bào)。另外，不能找到足夠數(shù)量的具有正確物理性質(zhì)的工作流體以實(shí)現(xiàn)無限數(shù)量的級(jí)。

在一種實(shí)現(xiàn)中，出于詳細(xì)解釋過程的目的，兩個(gè)級(jí)將足以解釋概念，因此其余的解釋將基于兩級(jí)系統(tǒng)。

現(xiàn)在參照?qǐng)D3，圖3示出了根據(jù)本主題的實(shí)施例的、在水和氨用作工作流體的情況下，兩級(jí)系統(tǒng)可能的樣式的示例。

在一種實(shí)現(xiàn)中，出于簡(jiǎn)化的目的，在級(jí)a1000中僅示出了高壓和低壓汽輪機(jī)，在級(jí)b2000中僅示出了單級(jí)汽輪機(jī)。另外，故意忽略所有現(xiàn)有技術(shù)，例如蓄熱、開放式給水加熱器和已經(jīng)存在以提高循環(huán)效率和性能的其他小幅修改。在效率提高方面的所有現(xiàn)有技術(shù)仍然可用于提出的改進(jìn)設(shè)計(jì)的每個(gè)級(jí)。在本文整篇文檔中提到的熱物理性質(zhì)的所有值從美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所(nist)網(wǎng)站www.nist.com獲得，或者更具體地，從webbook.nist.gov/chemistry/fluid/獲得。

在一種實(shí)現(xiàn)中，可能存在可用于改進(jìn)的系統(tǒng)的各個(gè)級(jí)1000或2000的寬范圍的流體，但是出于解釋的目的，在本文檔中我們將假設(shè)水作為第一工作流體用于級(jí)a1000，以及氨將作為第二工作流體用于級(jí)b2000。級(jí)a1000是第一級(jí)，通過泵a1以例如250巴(bar)的高壓(或任何其他期望的壓力)將液態(tài)水從點(diǎn)13輸送到鍋爐a2中。這里，在鍋爐2中，液態(tài)水加熱到大約600℃的高溫(或任何其他期望的溫度)，并在點(diǎn)10處作為超臨界流體或加熱流體離開鍋爐a2。然后，這種高溫度和壓力的超臨界流體在高壓汽輪機(jī)3中膨脹，在顯著的溫度和壓力降低之后，又輸送到鍋爐a2以重新加熱到600℃并處于50巴(或任何其他期望的溫度和壓力)，以及輸送到低壓汽輪機(jī)4進(jìn)行最終能量提取來發(fā)電。

在現(xiàn)有系統(tǒng)中，蒸汽/蒸氣在點(diǎn)11處以近似真空狀態(tài)離開汽輪機(jī)，在使用冷卻水的冷凝器中汽化潛熱(或冷凝潛熱)作為廢熱被去除。這允許蒸汽在點(diǎn)12處往回轉(zhuǎn)換成液體，使得它可以以高壓泵回到系統(tǒng)中以重復(fù)循環(huán)。

在本發(fā)明中，蒸汽在點(diǎn)11處以足夠高的壓力和溫度離開低壓汽輪機(jī)a4，以允許其潛熱能量傳遞到第二工作流體(在本示例中使用的第二工作流體是氨)，這是與現(xiàn)有技術(shù)的第一重大差異所在之處。自然而然地，當(dāng)與現(xiàn)存的現(xiàn)有技術(shù)比較時(shí)，這可導(dǎo)致級(jí)a1000的效率稍微減小，然而，級(jí)a1000的所有汽化潛熱將傳遞到熱交換器a100中的級(jí)b2000的工作流體，而非如現(xiàn)存的現(xiàn)有技術(shù)的情況那樣廢棄到大氣中。在將潛熱能量傳遞到級(jí)b2000的這個(gè)過程中，級(jí)a1000的蒸汽/蒸氣在點(diǎn)12處往回轉(zhuǎn)換成液體，使得它可通過冷凝泵a1以高壓泵回到輸入級(jí)13中。

在一種實(shí)現(xiàn)中，由于級(jí)b2000已吸收級(jí)a1000的大量潛熱能量，所以少得多的額外能量需要增加到級(jí)b2000中以實(shí)現(xiàn)期望的溫度。通過吸收熱交換器a100中的級(jí)a1000中的蒸汽的潛熱能量，氨已在點(diǎn)14處轉(zhuǎn)換成高溫度和壓力的蒸汽?？捎杀绢I(lǐng)域技術(shù)人員理解的是，在本示例中，通過選擇的壓力的溫度，氨在點(diǎn)14處是蒸汽。然而，取決于級(jí)b所期望的操作壓力，工作流體b(在這種情況下，氨)可在點(diǎn)14處作為液體、蒸汽或超臨界液體或超臨界蒸汽離開熱交換器a100。然后，工作流體b進(jìn)入鍋爐b5，在鍋爐b5中，工作流體b在點(diǎn)15處進(jìn)入汽輪機(jī)b6之前加熱到期望的溫度。在點(diǎn)16處以低壓離開汽輪機(jī)b6時(shí)，氨進(jìn)入熱交換器b100，在熱交換器b100中，氨冷卻一直到氨在點(diǎn)17處變成液體。然后，泵b7將液態(tài)氨泵送到高壓(可以是亞臨界、臨界或超臨界壓力)點(diǎn)18。

在一種實(shí)現(xiàn)中，由于從級(jí)a1000的汽化潛熱到級(jí)b2000的傳遞獲得了增加到級(jí)b2000中的顯著大總量的能量，所以在級(jí)b2000中需要少得多的額外能量以使氨達(dá)到期望的溫度。因此，在第一級(jí)之后的所有級(jí)將以極高的效率操作，該極高的效率將超過對(duì)級(jí)a1000中稍微的效率降低的補(bǔ)償。

在一種實(shí)現(xiàn)中，每個(gè)級(jí)可與其他級(jí)隔離，不同級(jí)的流體不會(huì)混合。

在一種實(shí)現(xiàn)中，不同的流體可用于每個(gè)級(jí)。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解到，相同的流體也可用于后續(xù)的級(jí)，但是處于更低的壓力。

在一種實(shí)現(xiàn)中，根據(jù)期望以及根據(jù)系統(tǒng)/電廠的要求，不同的壓力和溫度可用于每個(gè)級(jí)。

在一種實(shí)現(xiàn)中，本發(fā)明能夠使用任何現(xiàn)有技術(shù)，例如蓄熱、開放式給水加熱器、多級(jí)汽輪機(jī)等可繼續(xù)用于每個(gè)獨(dú)立的級(jí)。

在一種實(shí)現(xiàn)中，本發(fā)明可與任何熱源一起使用，所述熱源可包括但不限于煤炭、太陽能、原子能等。

在一種實(shí)現(xiàn)中，任何級(jí)的汽化潛熱可以以足夠高的溫度和壓力傳遞到下一級(jí)的輸入，以導(dǎo)致從液體到蒸汽或超臨界蒸汽的完整相變或部分相變，在該過程中，第一級(jí)的蒸汽可轉(zhuǎn)換成液體。

在一種實(shí)現(xiàn)中，在除了最后一級(jí)之外的所有級(jí)中汽輪機(jī)出口壓力可高于大氣溫度和壓力。

在一種實(shí)現(xiàn)中，可根據(jù)個(gè)體需求選擇任何數(shù)量的級(jí)和工作流體的選擇項(xiàng)。

在一種實(shí)現(xiàn)中，可理解的是，相對(duì)于在目前的設(shè)計(jì)中可能達(dá)到的熱電轉(zhuǎn)換效率，第一級(jí)的熱電轉(zhuǎn)換效率可稍微減小。后續(xù)的級(jí)可具有“虛擬”效率，該“虛擬”效率甚至可超過100％且在下面的章節(jié)中解釋。

在一種實(shí)現(xiàn)中，為了獲得最好的結(jié)果(但絕非必要之舉)，級(jí)a1000的工作流體可具有最高的臨界點(diǎn)溫度。每個(gè)后續(xù)的級(jí)例如2000可具有如下工作流體，該工作流體具有比前一級(jí)低的臨界點(diǎn)溫度。因此，水通?？梢允怯糜诘谝患?jí)的流體的選擇項(xiàng)。

在一種實(shí)現(xiàn)中，本發(fā)明可用作燃?xì)獍l(fā)電廠的較低的級(jí)。

在一種實(shí)現(xiàn)中，除了熱交換器100之外，熱泵也可用于將來自一個(gè)級(jí)的熱傳遞到下一級(jí)。雖然熱泵可消耗能量并減小效率，但是熱泵還可允許消除為了傳遞能量而在一些情況下在熱交換器中可能必須維持的溫度降低。熱交換器中沒有溫度降低，將給出更好的效率，這可幫助消除由熱泵消耗的能量。例如，熱交換器可用于在維持溫差的同時(shí)傳遞大部分能量，可使用熱泵傳遞最終量的能量，使得不存在溫差。這在末尾的級(jí)中可能是有用的。

在一種實(shí)現(xiàn)中，公開了一種具有至少兩級(jí)系統(tǒng)的多級(jí)發(fā)電設(shè)備。發(fā)電設(shè)備包括：第一級(jí)動(dòng)力循環(huán)1000，包括第一工作流體(未示出)，且配置用于發(fā)電，從而生成廢熱(汽化潛熱和/或冷凝潛熱)；第二級(jí)動(dòng)力循環(huán)2000，包括第二工作流體(未示出)，且配置用于發(fā)電，從而生成廢熱(汽化潛熱和/或冷凝潛熱)；其中出于發(fā)電的目的，第二工作流體吸收從第一級(jí)動(dòng)力循環(huán)生成的所有廢熱(汽化潛熱和/或冷凝潛熱)。

在一種實(shí)現(xiàn)中，第一發(fā)電級(jí)包括：第一裝置1，配置為傳送處于高的壓力的第一工作流體；第二裝置2，配置為接收處于高的壓力的第一工作流體以及將第一工作流體加熱到高的溫度以生成加熱或過熱的流體或蒸汽；第三裝置3和第四裝置4，配置為接收加熱的流體/蒸汽并使加熱的流體/蒸汽膨脹，一直到加熱的流體/蒸汽降低到某個(gè)溫度和壓力，工作流體帶著其潛熱(汽化潛熱和/或冷凝潛熱)以低的壓力和溫度離開功率提取級(jí)。

在一種實(shí)現(xiàn)中，本發(fā)明包括熱交換器機(jī)構(gòu)100，其中熱交換器機(jī)構(gòu)100配置為：將從第一級(jí)1000生成的廢熱(汽化潛熱和/或冷凝潛熱)傳遞到第二級(jí)2000中的第二工作流體；以及將第二工作流體轉(zhuǎn)換成高溫度和壓力的流體或蒸汽。

在一種實(shí)現(xiàn)中，熱交換器機(jī)構(gòu)100配置為：在第一級(jí)動(dòng)力循環(huán)1000期間，從第四裝置4接收第一工作流體蒸汽，并冷卻第一工作流體蒸汽，一直到第一工作流體蒸汽轉(zhuǎn)換成液體形式，且將它傳送到第一裝置1；或者在第二級(jí)動(dòng)力循環(huán)2000期間，從第七裝置7接收第二工作流體蒸汽，并通過級(jí)a1000的廢熱加熱第二工作流體蒸汽。

在一種實(shí)現(xiàn)中，第二級(jí)動(dòng)力循環(huán)包括第五裝置5、第六裝置6和第七裝置7，第五裝置5配置為：接收處于液體或蒸汽形式、處于高的溫度和壓力的第二工作流體；以及將處于液體或蒸汽形式的第二工作流體加熱到高溫度和壓力的蒸汽，而第六裝置6配置為：接收處于高的溫度和壓力的加熱蒸汽，從該蒸汽發(fā)電，該蒸汽帶著其汽化潛熱和/或冷凝潛熱以低的壓力和溫度離開功率提取級(jí)，以進(jìn)入熱交換器200，在熱交換器200中，該蒸汽的廢熱(潛熱)要么傳遞到下一級(jí)要么被拋棄到大氣，而第七裝置7配置為傳送處于液體形式、處于高的壓力的第二工作流體。

現(xiàn)在參照?qǐng)D4，圖4示出了根據(jù)本主題的實(shí)施例的、用于使用具有至少兩級(jí)潛熱交換機(jī)構(gòu)的發(fā)電設(shè)備來發(fā)電的方法。

描述方法的順序不意在解釋為限制，任何數(shù)量的描述的方法框可以以任何順序組合，以實(shí)現(xiàn)該方法或替代方法。另外，在不脫離本文描述的主題的范圍的情況下，可從方法刪除獨(dú)立的框。此外，方法可在任何合適的硬件、固件或它們的組合中實(shí)現(xiàn)。然而，為了方便解釋，在下面描述的實(shí)施例中，方法可被認(rèn)為是在上述發(fā)電設(shè)備中實(shí)現(xiàn)。

在框402處，使用第一工作流體生成電力。該生成的方法在圖5的描述中解釋。

在框404處，第一工作流體的汽化潛熱和/或冷凝潛熱(廢熱)傳遞到與第一流體物理地隔離的第二工作流體。在該過程中，第一工作流體從蒸汽轉(zhuǎn)換成液相。

在框406處，出于生成可用電力的目的，在吸收第一級(jí)的所有廢熱之后的第二工作流體可被進(jìn)一步加熱，以獲得期望的溫度。該生成的方法在圖6的描述中解釋。

在框408處，在功率提取之后，第二工作流體的剩余能量(廢熱)可傳遞到第三工作流體或作為廢熱傳遞到周圍環(huán)境。

現(xiàn)在參照?qǐng)D5，圖5示出了根據(jù)本主題的實(shí)施例的、在第一級(jí)動(dòng)力循環(huán)1000期間執(zhí)行的方法。

在框502處，使用第一裝置1傳送處于高的壓力的第一工作流體。

在框504處，通過第二裝置2接收處于高的壓力的第一工作流體。第二裝置2將第一工作流體加熱到高的溫度以生成加熱流體。

在框506處，通過第三裝置3和第四裝置4接收加熱流體。出于發(fā)電的目的，裝置3和4使加熱流體膨脹，一直到加熱流體降低到某個(gè)溫度和壓力。

在框508處，還可根據(jù)期望使用用于提高效率的任何現(xiàn)有裝置。

在框510處，在該級(jí)中生成的廢熱(潛熱)在潛熱交換機(jī)構(gòu)a100中傳遞到第二級(jí)工作流體。在該過程中，第一工作流體往回轉(zhuǎn)換成液相，再次提供給第一裝置1，循環(huán)在1000中重復(fù)

現(xiàn)在參照?qǐng)D6，圖6示出了根據(jù)本主題的實(shí)施例的、在第二級(jí)動(dòng)力循環(huán)2000期間執(zhí)行的方法。

在框602處，使用第七裝置7傳送處于高的壓力的第二工作流體。

在框604處，級(jí)b2000的第二工作流體吸收級(jí)a1000的第一工作流體的所有廢熱(汽化潛熱/冷凝潛熱)，在該過程中，第二工作流體的溫度和能量含量顯著升高。

在框606處，處于高的溫度和壓力的第二工作流體從熱交換器機(jī)構(gòu)100離開，其中，來自級(jí)a1000的潛熱提供給第二工作流體，通過第五裝置5以高的溫度和壓力接收第二工作流體，如果需要?jiǎng)t第二工作流體被進(jìn)一步加熱到最終溫度。

在框608處，出于能量生成的目的，第二工作流體以高的溫度和壓力進(jìn)入第六裝置6。

在框610處，還可根據(jù)期望使用用于提高效率的任何現(xiàn)有裝置。

在框612處，在第二級(jí)2000中生成的過量廢熱要么傳遞到第三工作流體要么通過熱交換器200排放或排出到大氣中。在該過程中，第二工作流體往回轉(zhuǎn)換成液相，再次提供給第七裝置7，循環(huán)在級(jí)b2000中重復(fù)。

注意的是，在蒸汽到液態(tài)水的相變過程中釋放的大量能量只能通過另一液體的(完整或部分)相變?nèi)コ?，在本示例中另一液體是氨。替代項(xiàng)是使用來自河流或海洋的大量冷卻水的現(xiàn)有技術(shù)，在這種情況下，潛熱作為低溫廢熱丟給環(huán)境。本發(fā)明能夠?qū)⑻幱谙鄬?duì)低的壓力的工作流體的所有潛熱傳遞到另一汽輪機(jī)循環(huán)的高壓輸入級(jí)。通過工作流體、壓力和溫度的適當(dāng)選擇，能夠?qū)崿F(xiàn)人們所期望的任何效率。

在一種實(shí)現(xiàn)中，使用的溫度和壓力或冷卻液的選擇僅僅是示例，以幫助理解過程，可根據(jù)個(gè)體情況使用任何溫度或壓力或冷卻液。重點(diǎn)在于，通過根據(jù)冷卻液適當(dāng)?shù)剡x擇汽輪機(jī)出口壓力和溫度，潛熱不會(huì)作為廢熱被拋棄到大氣，而是傳遞到下一級(jí)。我們可超過由卡諾等式設(shè)置的限制的原因在于，卡諾等式從未真正應(yīng)用于使用相變以從熱提取能量的任何系統(tǒng)。支持該聲明的明顯示例是如下確切的事實(shí)，即沒有系統(tǒng)在操作時(shí)甚至輕微地接近由卡諾等式限定的效率。在使用相變的任何系統(tǒng)中，在理想條件下實(shí)際上的最大效率應(yīng)該描述成：

其中qin是每千克的總能量輸入，以kj/kg為單位

以及δhvap是處于汽輪機(jī)出口壓力的汽化潛熱，以kj/kg為單位。

在上述等式中，離開汽輪機(jī)的蒸汽不是飽和蒸汽。如果允許或期望飽和蒸汽，則應(yīng)該相應(yīng)地調(diào)整潛熱值。在使用如早些時(shí)候在本文檔中描述的兩個(gè)級(jí)的情況下，等式可以是：

其中是級(jí)a中每千克的能量輸入，以kj/kg為單位

以及是級(jí)b中每千克的能量輸入，以kj/kg為單位

以及是級(jí)a中處于汽輪機(jī)出口壓力的汽化潛熱，以kj/kg為單位

以及是級(jí)b中處于汽輪機(jī)出口壓力的汽化潛熱，以kj/kg為單位

以及ε是流量系數(shù)，用于補(bǔ)償在級(jí)a和級(jí)b之間可能存在的不同流量，且可定義為(級(jí)b的質(zhì)量流量)/(級(jí)a的質(zhì)量流量)

類似地，對(duì)于兩個(gè)以上的級(jí)，等式可以是：

其中n是級(jí)的數(shù)量，εn是由級(jí)n中的質(zhì)量流量除以級(jí)a的質(zhì)量流量。

如果考慮能量損失，則等式可以是：

其中et是整個(gè)系統(tǒng)中的總能量損失。

從上述等式自然而然地，可得到以下觀察/理解：

1)級(jí)的數(shù)量越大，總效率將越大。

2)由于在理想系統(tǒng)中無限數(shù)量的級(jí)，使得效率可接近100％。然而，在實(shí)踐中，將難以找到足夠的工作流體以實(shí)現(xiàn)以上情況，由于每個(gè)附加級(jí)中的輸出逐漸減小，優(yōu)選地，最好將系統(tǒng)限制到3至4級(jí)以優(yōu)化輸出和財(cái)務(wù)回報(bào)。

3)似乎可從等式得到，人們可簡(jiǎn)單地選擇具有低的汽化潛熱的工作流體以增加系統(tǒng)的效率。實(shí)際上這與可能發(fā)生什么相反。等式表示在不存在能量、熱、摩擦或其他損失的理想條件下可能發(fā)生什么。在真實(shí)條件下，如果使用低潛熱的流體，則冷凝泵和給水泵可能需要產(chǎn)生的總能量中的大部分能量。除了其化學(xué)性質(zhì)之外，由于水的汽化潛熱非常大，所以水顯然是最好的選擇。汽化潛熱越大，在相變時(shí)發(fā)生的膨脹的體積越大，正是蒸汽的該非常大的膨脹比而允許蒸汽高效地驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)，對(duì)于冷凝泵和給水泵具有非常小的相對(duì)功率需求。

4)只有最后一級(jí)的潛熱被拋棄到大氣。

5)上述等式將應(yīng)用于使用相變以將熱能轉(zhuǎn)換成任何其他形式的可用能量的任何系統(tǒng)。

6)在目前的設(shè)計(jì)中，為了嘗試和最大化能量提取，蒸汽通常作為飽和蒸汽離開汽輪機(jī)，導(dǎo)致對(duì)低壓汽輪機(jī)葉片的損壞。在該設(shè)計(jì)中，這是不需要的，這樣將延長(zhǎng)汽輪機(jī)葉片的壽命。

工作示例：理論結(jié)果

下面的示例將示出在本文檔中解釋的設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)。其唯一目的僅在于幫助解釋構(gòu)思，且無論使用什么流體、溫度和壓力來解釋過程，其絕不在任何方面限制設(shè)計(jì)的保護(hù)范圍。如果假設(shè)在點(diǎn)10處，超臨界流體處于600℃和250巴的壓力，則超臨界流體具有3493kj/kg的焓。在目前的設(shè)計(jì)(假設(shè)沒有重新加熱或任何其他效率增加技術(shù))中，在以0.1巴離開汽輪機(jī)時(shí)，流體仍然具有大約2450kj/kg的焓，其中大約2257kj/kg是作為低質(zhì)量的廢熱去除到大氣的汽化潛熱(或冷凝潛熱)，導(dǎo)致效率只有大約35％((3493-2257)/3493)?，F(xiàn)在我們最該做的是確保該2257kj/kg的廢熱不會(huì)廢棄到大氣中，我們具有極其高效的系統(tǒng)。

作為示例，如果在點(diǎn)10處，使蒸汽以大約180℃和10巴的壓力離開汽輪機(jī)并進(jìn)入冷凝器a，則在離開汽輪機(jī)時(shí)焓可以是大約2777kj/kg。在冷凝器a中，該熱能傳遞到級(jí)b，在級(jí)b中工作流體是在點(diǎn)18處處于大約100巴、具有40℃的溫度和536kj/kg的焓的氨。循環(huán)a和b中的流體彼此完全隔離，且必不可少的是，在任何地方不存在流體的直接接觸。這允許不同的級(jí)以不同的壓力和溫度操作，人們可根據(jù)級(jí)的要求控制級(jí)。處于100巴的氨在高于125.17℃的溫度經(jīng)歷相變，而級(jí)a中處于10巴的蒸汽將在低于179.88℃的溫度改變相態(tài)。該溫差將允許在熱交換器a中能量從級(jí)a傳遞到級(jí)b，由于氨從液相變成氣相，所以級(jí)a中的蒸汽冷卻成液體，該液體隨后可被泵到更高的壓力以繼續(xù)循環(huán)。由蒸汽到液態(tài)水的相變釋放的大量能量只能被吸收，其原因是氨改變相態(tài)，從液體變成蒸汽。當(dāng)氨以180℃、1831kj/kg的焓離開熱交換器a時(shí)，氨已吸收可從級(jí)a中的水獲得的所有潛熱。

級(jí)b的流量可以高于或低于級(jí)a的流量，以匹配需要在級(jí)之間傳遞的能量的量。在熱交換器a中，蒸汽釋放2027kj/kg(2777kj/kg-750kj/kg)，而氨僅可吸收1295kj/kg(1831kj/kg-536kj/kg)。在該具體示例中為了傳遞所有的這種能量，氨的質(zhì)量流量必須比水的質(zhì)量流量大1.56倍(2027kj/kg/1295kj/kg)，以吸收將氨轉(zhuǎn)換成液體所需的所有能量。如果對(duì)于氨循環(huán)，優(yōu)先選擇更低或更高的流量比，則人們只需要根據(jù)要求簡(jiǎn)單地增加或減小級(jí)a的汽輪機(jī)出口壓力和溫度。

假設(shè)在熱交換器中維持大約50℃的溫差以允許來自一個(gè)級(jí)的能量傳遞到下一級(jí)，以及根據(jù)期望或需要，熱泵可用于最終量的能量傳遞。如果更低或更高的溫差是期望的，則可相應(yīng)地調(diào)整計(jì)算。熱泵還可用于將來自一個(gè)級(jí)的熱傳遞到下一級(jí)，在這種情況下，溫差可以為零，或者甚至在某些情況下如果需要?jiǎng)t溫差可以為負(fù)值。這可給每個(gè)級(jí)造成稍微更高的效率，但是也必須考慮熱泵使用的能量，以確定這樣做是否有益。

雖然圖3中示出的系統(tǒng)可稍微減小級(jí)a的效率，但是我們已將級(jí)a的潛熱傳遞到級(jí)b的輸入且使得工作流體在點(diǎn)14處變成高壓蒸汽，所有這一切需要的只是鍋爐b中一點(diǎn)點(diǎn)額外的能量，以將氨的溫度從180℃升高到420℃或大約781kj/kg，如圖3所示(2612kj/kg-1831kj/kg＝781kj/kg)。相比之下，3484kj/kg增加到級(jí)a中。對(duì)于級(jí)b，這給出“虛擬”效率，為((2612-1637)/(2612-1831))×100＝125％。對(duì)于第一兩個(gè)級(jí)的平均效率是(總能量輸出)/(總能量輸入)＝((3493-2926)+(3667-2777)+1.56×(2612-1637))/(3493-750+3667-2926+1.56×(2612-1831))＝63.3％。當(dāng)然，該圖是近似的，其原因是沒有考慮能量損失。然而，僅通過兩個(gè)簡(jiǎn)單的級(jí)(在級(jí)a中僅使用1次重新加熱)，設(shè)計(jì)已大大超過目前的設(shè)計(jì)系統(tǒng)可能具有的所有性能限制。第三級(jí)將造成將超過由卡諾等式設(shè)置的限制的效率，因此使卡諾等式失效。通過無限數(shù)量的級(jí)和理想系統(tǒng)，實(shí)際上人們可實(shí)現(xiàn)接近100％的效率。

上面討論的示例性實(shí)施例可提供某些優(yōu)點(diǎn)。雖然不要求實(shí)踐本公開的多方面，但是這些優(yōu)點(diǎn)可包括：

·單位功率的成本將降低。由于對(duì)于相同量的電輸出，將需要燃燒更少的燃料，所以將減少污染。

·在面臨由于污染導(dǎo)致溫度惡性增加的重大危險(xiǎn)的地方，這將提供顯著的減輕。

·另一益處在于，通過相對(duì)小的額外投資，現(xiàn)有發(fā)電容量將顯著增加。

可由本領(lǐng)域技術(shù)人員注意和理解的是，存在用于本發(fā)明的各種裝置。每個(gè)裝置是用于執(zhí)行如上公開的特定功能的特定設(shè)備。例如，

第一裝置和第七裝置可包括但不限于泵和具有與泵的功能或用途類似的功能或用途的類似設(shè)備。

第二裝置和第五裝置可包括但不限于鍋爐和具有與鍋爐的功能或用途類似的功能或用途的類似設(shè)備。

第三裝置、第四裝置和第六裝置可包括但不限于高壓汽輪機(jī)、低壓汽輪機(jī)和具有與高壓汽輪機(jī)/低壓汽輪機(jī)的功能或用途類似的功能或用途的類似設(shè)備。

雖然已通過結(jié)構(gòu)特征和/或方法特有的語言描述了通過使汽化潛熱再循環(huán)而進(jìn)行高效能量轉(zhuǎn)換循環(huán)的系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式，但是理解的是，所附的權(quán)利要求不一定限制到描述的特定特征或方法。相反，特定特征和方法作為通過使汽化潛熱再循環(huán)而進(jìn)行高效能量轉(zhuǎn)換循環(huán)的系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式的示例而公開。

在本文整篇文檔中提到的示例，其意思僅在于輔助理解設(shè)計(jì)的基本構(gòu)思，絕不限制設(shè)計(jì)的范圍。重點(diǎn)在于，汽化潛熱/冷凝潛熱(廢熱)傳遞到后續(xù)的級(jí)以增加熱電轉(zhuǎn)換效率，而非如目前的實(shí)踐那樣將汽化潛熱/冷凝潛熱(廢熱)拋棄到大氣。試圖使用如本文檔中描述的汽化潛熱/冷凝潛熱(廢熱)的、具有小幅修改的所有設(shè)計(jì)或替代項(xiàng)也由本專利的范圍覆蓋。