[其他]通過中間冷卻實現熱力循環的方法和裝置

無效

• 申請號: 86101160
• 申請日: 1986-02-26
• 公開（公告）號: CN86101160B
• 公開（公告）日: 1988-10-12
• 發明（設計）人: 亞力山大·I·卡林納
• 申請（專利權）人: 亞力山大·I·卡林納
• 主分類號: F01K7/00
• 分類號: F01K7/00
• 代理公司: 中國專利代理有限公司
• 代理人: 林長安,杜有文

本發明涉及利用膨脹和回收的工作流體將來自熱源的能量轉換為可用形式的方法和裝置。本發明還涉及提高熱力循環的熱利用效率的方法和裝置。

在蘭金循環中，像水、氨水或氟利昂這樣的工作流體利用現有的熱源在蒸發器中蒸發。蒸發后的氣態工作流體通過渦輪時膨脹，把能量變換為可用形式。然后，用過的氣態工作流體利用現有的冷卻介質在冷凝器內冷凝。冷凝的工作介質用泵加壓，然后再汽化，如此繼續循環下去。

描述在美國專利4，346，561中的（exergy）循環利用雙元或多元工作流體。這種循環通常根據把雙元工作流體當作液體用泵加至高的工作壓力，并加熱，使工作流體部分汽化的原理工作。然后，將流體閃蒸，使高沸點工作流體與低沸點工作流體分離。低沸點組分在通過渦輪時膨脹，驅動渦輪，而高沸點組分將熱回收，用來加熱汽化前的雙元工作流體。然后，將高沸點組分與用過的低沸點工作流體混合在一起，在有冷卻介質的冷凝器內吸收用過的工作流體。

傳統的蘭金循環和（exergy）循環在理論上的比較證明，當利用諸如海水、地熱能量等溫度較低的可用熱源時，新循環的效率較蘭金循環的效率有所提高。

本申請人另一項更新的發明是美國專利4，489，563，名稱為基本卡利納（Kalina）循環。在該發明中，利用較低的溫度的可利用的熱能在中等壓力下實現至少一部分多元流體流的部分地蒸餾，從而產生不同成分的工作流體餾分。該餾分被用來產生至少一種主要的富溶液，該富溶液相對于低沸點組分來說已相對地富集了，并產生一種貧溶液，該貧溶液相對于低沸點組分來說已相對地貧化了。提高主要富溶液的壓力，然后使之汽化，產生加壓的氣態主工作流體。該主工作流體膨脹到低壓，把能量變換成可用形式。用過的低壓工作流體通過在貧溶液中冷卻溶解，在主吸收段中冷凝，從而回收初始的工作流體，供再使用。

在把熱能變換成可用形式的任何一個過程中，熱源中可用能量主要損失發生在工作流體的蒸發或汽化過程中。這種可用能量（也叫做（exergy或essergy））的損失，是由于在鍋爐內熱源的焓-溫特性和工作流體失配的結果。簡單地認為，對任何既定的焓來說，熱源溫度總是高于工作流體的溫度。理想的，該溫差幾乎是零，但不完全等于零。

這種失配出現于用純凈物質作為工作流體的傳統的蘭金循環，也出現于用混合物質作為工作流體的上述卡利納循環（Kalinacycle）和（exergy）循環。以卡利納循環和（exergy）循環的方式使用混合物作為工作流體，使上述損失有明顯的減小。但是，不管在什么循環中進一步減少上述能量損失，是最好不過了。

在傳統的蘭金循環中，熱源和工作流體的焓-溫特性失配造成的能量損失，約占可利用的（exergy）的25%。在美國專利4，489，563所描述的這種循環中，鍋爐內由于焓-溫特性失配而造成的（exergy）損失，約占全部可利用的（exergy）的14%。

為了進行討論，熱力循環中整個汽化過程可看作由三個不同部分組成：預熱，汽化和過熱。就常規的工藝規程而言，在預熱期間熱源和工作流體的匹配是適當的。然而，適宜于過熱過程的溫度范圍內的熱量通常要比必需的熱量大得多，而適宜于汽化過程的溫度范圍內的熱量卻比必需的熱量小得多。本發明的發明人意識到，適宜于高溫過熱過程的一部分高溫熱量被用于上述已知過程中的汽化過程。這就在兩個熱流之間造成很大的溫差，其結果是導致不可逆（exergy）的損失。

當工作流體在渦輪內部分膨脹之后，通過將之加熱，可以減小上述不可逆損失。但是，再熱導致重復的過熱，其結果為再熱增加了過熱所需的熱量。所需熱量的這種增加，使熱源和工作流體的焓-溫特性之間有了更好的匹配。然而，對汽化所需的熱量來說，再熱并無好處。因此，每單位重量的工作流體所需的總熱量隨再熱而有很大的增加。這樣，通過鍋爐渦輪的工作流體的總重量流率就減小。重量流率的減小限止了可得到的總效率增長的可能，所以，再熱的好處在很大程度上只是暫時的好處。

解決熱源和工作流體的焓-溫特性匹配不佳這個老問題的理想途徑是，將可從熱源獲得的高溫熱能用于過熱過程，從而在過熱過程中減小溫差，但與此同時由于提供溫度較低的熱能，該熱能使汽化過程中的溫差達到最小。顯然，這兩個目的表面上是互相矛盾的，因為增加過熱過程的熱量，似乎或者需要提高總的熱源溫度，或者需要利用再熱。如上所述，再熱有一定的缺點，它在很大程度上減少了所得到的部分短暫的好處。