[发明专利]利用一种变换浓度的流体实现热循环的方法和设备

说明书

一般地讲，本发明是关于利用一种可以膨胀和再生的工作流体将热能转换为适用形式的方法和设备。本发明还涉及一种提高某种热循环的热使用效率的方法和设备。

在兰金（Rankine）循环中，工作流体，例如：水、氨水或氟利昂是在一个气化器中利用可能得到的热源进行蒸发的。被蒸发的气态工作流体进行膨胀，通过一个涡轮机将其能量转换为其他适用的形式。用过的气态工作流体在一个冷凝器中利用通用的冷却介质进行冷凝。冷凝工作介质的压力用泵来增加，然后蒸发等等以继续进行循环。

如美国专利第4，346，561号中所描述的基本卡雷那（Kalina）循环是利用了一种二元或多元工作流体。这种循环的工作原理是，将一种二元工作流体以液体形式，利用泵使其达到一定的工作高压并且经过加热将工作流体部分蒸发。然后，这种流体急骤蒸发分离为高沸点工作流体和低沸点工作流体，低沸点组分通过一个涡轮机进行膨胀，驱动涡轮机，而高沸点组分的热量可以回收，用于蒸发前的二元工作流体的加热。在这之后，高沸点组分与用过的低沸点组分相混合，以便在有某种冷却介质的情况下在一个冷凝器中吸收已用过的工作流体。

通过对常规的兰金循环和卡雷那循环的理论上的比较说明，当利用一种通用的较低温度热源，例如采用海水、地热能或诸如此类的热能源时，卡雷那循环具有一种比兰金循环高的效率。

申请人进一步的发明中称为“Exergy循环”，是美国专利申请第405，942号的主题，该申请于1982年8月6日提出，其中使用了较低温度的可用热以便在一种中间压力下对至少是多元工作流体的一部分产生部分蒸馏。从而产生不同成分组成的工作流体馏分。这种馏分是用来产生至少一种主要的富溶液，这种富溶液富集了低沸点组分。并且产生至少一种贫溶液，这种溶液含较少低沸点组分。在这之后，富溶液的压力增加，随后气化，从而产生一种负载的（charged）气化主要工作流体。该主要工作流体膨胀，达到一定的低压，从而将能量转变为有用的形式。用过的低压工作流体在一个主吸收段在贫溶液中利用冷却分解进行冷凝，从而再生一种可以再使用的初始工作流体。

本发明的发明人认为，在Exergy循环中，能够在涡轮机的出口有效地利用一种压力很低，温度很低的流体这一点是十分需要的。不管在冷凝器中的冷却水的温度如何，在Exergy循环中冷凝的压力越高，则基本溶液中的低沸点组分的浓度越高。然而，冷凝压力越高，涡轮机出口处的压力也就越高，并且在涡轮机出口处的低沸点组分的浓度也越高。对于蒸馏，这种较高浓度的基本溶液需要一种较低温度的热量。这样，利用降压以及随之产生涡轮机出口处温度的降低，基本溶液的低沸点组分的浓度便可能降低，并且可能需要在涡轮机的出口处有一个较高的温度以便蒸馏。

利用冷却水的温度平衡涡轮机出口处的压力可能被认为是一种矛盾。但是，要想获得最大的功率输出，涡轮机出口处的压力就必须尽可能低。当涡轮机出口处的压力和温度降低时（如上文所述），基本溶液的低沸点组分的浓度便会降低。这样便导致了一种恰恰需要相反的作用的提高涡轮机出口处的压力和温度的循环。所利用的冷却水温度越高，则情况就越坏。

本发明的发明人还对Exergy循环中就流出涡轮机的流体的出口温度控制的需要性作了估价。利用可适用的热源，将锅炉中流体加热至可能的最高的温度，可能会提高某种热循环（例如Exergy循环）的效率。然而，将涡轮机中流出的流体的温度和压力保持与一种饱和蒸汽的温度和压力相接近，这一点也仍是需要的。如果流出蒸汽过热，便会造成能量的浪费。

将具有可能的最高温度的流体输入涡轮机，从涡轮机中获得一种略微过热的蒸汽或饱和蒸汽，这在Exergy循环中是尤其需要的。这是因为在Exergy循环中，涡轮机的输出物并不是简单冷凝，而是用来蒸馏。如果流出涡轮机的流体过热，可能会从整体上引起循环中不必要的能量损耗。例如，由于来自涡轮机的已用过流体可能用来在其再生之前在一个热交热换器中对已冷凝的流体进行预热（如上述专利申请中所描述的那样），在热交换中可能会存在一个效率很低的高温差。

如果某人打算利用在涡轮机中进一步的流体膨胀来克服这个问题，便可在涡轮机出口处获得一种低温，但同时又获得了一种低压。这种低压十分不利于蒸馏，因为需要更多的热量，而且，这种低压流体需要更大量的贫溶液以便对其进行吸收。这样，利用这种方法来解决由于流出涡轮机的流体的高温所造成的能量损耗问题是不理想的。