[其他]利用一種變換濃度的流體實現熱循環的方法和設備

在審

• 申請號: 101985000008263
• 申請日: 1985-11-12
• 公開（公告）號: CN1003381B
• 公開（公告）日: 1989-02-22
• 發明（設計）人: 亞利山大·I·卡林納
• 申請（專利權）人: 亞利山大·I·卡林納
• 代理公司: 中國專利代理有限公司
• 代理人: 李雒英;巫肖南

利用一種變換濃度的流體來實現熱循環的方法及其設備，包括對多元工作流體的部分蒸餾。至少產生出一種主要的濃縮溶液，連同至少一種低濃度溶液。該主要工作流體進行膨脹，達到一個低壓水平，從而將能量轉換為一種適用的形式。這種已用完的低壓水平工作流體在低濃度溶液中靠冷卻溶解進行冷凝，以再生一種初始工作流體以便再用。本發明還關于一種改進某種熱循環的熱使用效率的方法和設備。

一般地講，本發明是關于利用一種可以膨脹和再生的工作流體將熱能轉換為適用形式的方法和設備。本發明還涉及一種提高某種熱循環的熱使用效率的方法和設備。

在蘭金（Rankine）循環中，工作流體，例如：水、氨水或氟利昂是在一個氣化器中利用可能得到的熱源進行蒸發的。被蒸發的氣態工作流體進行膨脹，通過一個渦輪機將其能量轉換為其他適用的形式。用過的氣態工作流體在一個冷凝器中利用通用的冷卻介質進行冷凝。冷凝工作介質的壓力用泵來增加，然后蒸發等等以繼續進行循環。

如美國專利第4，346，561號中所描述的基本卡雷那（Kalina）循環是利用了一種二元或多元工作流體。這種循環的工作原理是，將一種二元工作流體以液體形式，利用泵使其達到一定的工作高壓并且經過加熱將工作流體部分蒸發。然后，這種流體急驟蒸發分離為高沸點工作流體和低沸點工作流體，低沸點組分通過一個渦輪機進行膨脹，驅動渦輪機，而高沸點組分的熱量可以回收，用于蒸發前的二元工作流體的加熱。在這之后，高沸點組分與用過的低沸點組分相混合，以便在有某種冷卻介質的情況下在一個冷凝器中吸收已用過的工作流體。

通過對常規的蘭金循環和卡雷那循環的理論上的比較說明，當利用一種通用的較低溫度熱源，例如采用海水、地熱能或諸如此類的熱能源時，卡雷那循環具有一種比蘭金循環高的效率。

申請人進一步的發明中稱為“Exergy循環”，是美國專利申請第405，942號的主題，該申請于1982年8月6日提出，其中使用了較低溫度的可用熱以便在一種中間壓力下對至少是多元工作流體的一部分產生部分蒸餾。從而產生不同成分組成的工作流體餾分。這種餾分是用來產生至少一種主要的富溶液，這種富溶液富集了低沸點組分。并且產生至少一種貧溶液，這種溶液含較少低沸點組分。在這之后，富溶液的壓力增加，隨后氣化，從而產生一種負載的（charged）氣化主要工作流體。該主要工作流體膨脹，達到一定的低壓，從而將能量轉變為有用的形式。用過的低壓工作流體在一個主吸收段在貧溶液中利用冷卻分解進行冷凝，從而再生一種可以再使用的初始工作流體。

本發明的發明人認為，在Exergy循環中，能夠在渦輪機的出口有效地利用一種壓力很低，溫度很低的流體這一點是十分需要的。不管在冷凝器中的冷卻水的溫度如何，在Exergy循環中冷凝的壓力越高，則基本溶液中的低沸點組分的濃度越高。然而，冷凝壓力越高，渦輪機出口處的壓力也就越高，并且在渦輪機出口處的低沸點組分的濃度也越高。對于蒸餾，這種較高濃度的基本溶液需要一種較低溫度的熱量。這樣，利用降壓以及隨之產生渦輪機出口處溫度的降低，基本溶液的低沸點組分的濃度便可能降低，并且可能需要在渦輪機的出口處有一個較高的溫度以便蒸餾。

利用冷卻水的溫度平衡渦輪機出口處的壓力可能被認為是一種矛盾。但是，要想獲得最大的功率輸出，渦輪機出口處的壓力就必須盡可能低。當渦輪機出口處的壓力和溫度降低時（如上文所述），基本溶液的低沸點組分的濃度便會降低。這樣便導致了一種恰恰需要相反的作用的提高渦輪機出口處的壓力和溫度的循環。所利用的冷卻水溫度越高，則情況就越壞。

本發明的發明人還對Exergy循環中就流出渦輪機的流體的出口溫度控制的需要性作了估價。利用可適用的熱源，將鍋爐中流體加熱至可能的最高的溫度，可能會提高某種熱循環（例如Exergy循環）的效率。然而，將渦輪機中流出的流體的溫度和壓力保持與一種飽和蒸汽的溫度和壓力相接近，這一點也仍是需要的。如果流出蒸汽過熱，便會造成能量的浪費。