[其他]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。本发明还关于一种改进某种热循环的热使用效率的方法和设备。

在兰金循环中，工作流体，例如：水、氨水或氟氯烷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。用完的气态工作流体之后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靠泵予以增加，然后蒸发等等，并且继续进行循环。

基本卡雷那循环（如美国专利第4，346，561号中所描述的）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作为一种液体，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。之后，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，而高沸点组分具有再生热，以用于蒸发前二元工作流体的加热。在这之后，高沸点组分与用完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完的工作流体。

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有所提高的新循环效率。

在申请人进一步的发明中（该发明称为“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），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，从而产生由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浓缩溶液，这种浓缩溶液是关于低沸点组分的相对浓缩，并且产生至少一种低浓度溶液，这种溶液是关于低沸点组分的相对浓度降低。在这之后，主要的浓缩溶液的压力增加，随后气化，从而产生一种负载的气化主要工作流体。该主要工作流体膨胀，达到一定的低压水平，从而将能量转变为有用的形式。用完的低压工作流体在一个主吸收点利用冷却分解在低浓度溶液中进行冷凝，从而再生一种可以进行再使用的初始工作流体。

本发明的发明人认为，在循环中，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，在循环中冷凝的温度越高，则基本溶液中的低沸点组分的浓度越高。然而，浓缩压力越高，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缩率也越高。这种高浓缩的基本溶液需要蒸馏;一种低温热。这样，利用降压以及随之产生涡轮机出口处压力的降低，便可以降低基本溶液的低沸点组分，并且可能需要在涡轮机的出口处有一个较高的温度以便提供蒸馏。

利用冷却水的温度平衡涡轮机出口处的压力可能被称为是一种矛盾。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被降低时（如上文所述），基本溶液的低沸点组分的浓度便会降低。这样便产生了一种循环，它恰恰需要相反的作用以提高涡轮机出口处的压力和温度。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，将气炉中流体加到最高的可能温度，可能会提高某种热循环（例如循环）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气的温度和压力相接近，这一点也仍是需要的。如果流出蒸气过热，便会造成能量的浪费。

只是从涡轮机中获得一种略微过热的蒸气或饱和蒸气，而将具有最高可能温度的流体输入涡轮机，这在循环中是尤其需要的。这是因为在循环中，涡轮机的输出并不是简单冷凝的，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完流体可能用来在再生之前在一个热交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。

如果某人打算利用进一步在涡轮机中的流体膨胀中克服这个问题，他便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低含量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。

本发明一个方面的一个主要目的，是要提供一种方法和装置，以便提高循环的效率，其方法是在涡轮机的出口处选择一种低压和低温基本溶液，这是通过在其再生前，利用部分蒸馏对来自涡轮机的基本溶液进行浓缩获得的。