專利名稱:用于蘭金循環(huán)動(dòng)力裝置的工作流體的制作方法
本發(fā)明是有關(guān)蘭金循環(huán)動(dòng)力裝置的工作流體，特別是有關(guān)一種既經(jīng)濟(jì)又安全的工作流體。
在蘭金循環(huán)動(dòng)力裝置中，熱量加到一個(gè)裝有液態(tài)工作流體的鍋爐上，在恒溫下使工作流體汽化，把所產(chǎn)生的蒸汽供給一個(gè)或多個(gè)渦輪級(jí)，該渦輪級(jí)發(fā)生膨脹而作功。從各渦輪級(jí)中排出的消耗掉熱量的工作流體被傳送到冷凝器，在冷凝器中蒸汽排出了熱量而冷凝成液體再返回到鍋爐以重復(fù)此循環(huán)。
當(dāng)工作流體是水，或是一種具有幾乎對(duì)稱的鐘型溫度/熵(T/S)圖形的流體時(shí)，蒸汽沿著一條實(shí)際的等熵線，從處在鍋爐溫度的飽和蒸汽狀態(tài)下降到冷凝器的溫度(與在渦輪機(jī)中的膨脹相仿)、并在(T/S)圖形的液態(tài)范圍內(nèi)達(dá)到一個(gè)終止?fàn)顟B(tài)。膨脹的流體將包含有許多對(duì)渦輪機(jī)有效運(yùn)行有損害的微小液滴。換句話說，在向渦輪級(jí)傳送能量中，“濕”蒸汽比“干”蒸汽的效率低，結(jié)果，動(dòng)力裝置實(shí)際的熱力學(xué)效率沒有和理論效率一樣那樣高，該理論效率直接與鍋爐和冷凝器之間的溫度差有關(guān)。此外，濕蒸汽比“干”蒸汽對(duì)渦輪機(jī)部件更具有腐蝕性，因而，單從這一點(diǎn)來講，也是所不希望的。
對(duì)實(shí)際的效率和腐蝕問題的常規(guī)解決方法，是把渦輪機(jī)分級(jí)，以及使蒸汽過熱，以使得每一級(jí)中溫度的下降在蒸汽區(qū)域內(nèi)完成?？墒鞘褂眠^熱器會(huì)使實(shí)際效率低于理論效率，并且產(chǎn)生一個(gè)更復(fù)雜更昂貴的系統(tǒng)。
為了提高系統(tǒng)的效率，減少系統(tǒng)的復(fù)雜性，可以使用某種“干”工作流體。某種干工作流體，例如象庚烷，具有非對(duì)稱的，向右歪斜的T-S圖形。由此，蒸汽膨脹是沿著實(shí)際上的等熵線在圖形的過熱區(qū)域內(nèi)發(fā)生。這就是說，渦輪機(jī)中膨脹的終點(diǎn)是在冷凝器壓力下的過熱區(qū)域內(nèi)，而溫度高于冷凝器中的溫度。因此，從工作流體中抽出的能量將僅僅是由鍋爐和冷凝器之間的溫度差所確定的可用能量的一部分。
一般，用回?zé)崞髟谄l(fā)生之前，向鍋爐中的液態(tài)工作流體傳送過熱。然而，這種類型的回?zé)崞?，由于含有蒸?液體熱交換，需要大的熱傳送表面，因而是效率低的，從而導(dǎo)致產(chǎn)生一個(gè)昂貴和復(fù)雜的系統(tǒng)。此外，許多干工作流體，其蒸汽的易燃性是一個(gè)主要的問題。例如庚烷和許多其它的烴類以及它們的鹵代衍生物，由于它們的熱力學(xué)特性和它們與動(dòng)力裝置金屬部件的相容性，是理想的，可適用于在蘭金循環(huán)動(dòng)力裝置中作為工作流體，然而由于它們的易燃性，因而使得它們的應(yīng)用很危險(xiǎn)。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種新的改進(jìn)的用于蘭金循環(huán)動(dòng)力裝置的工作流體，該蘭金循環(huán)動(dòng)力裝置可容許從鍋爐溫度到冷凝器溫度的完全膨脹，其終點(diǎn)不在液態(tài)區(qū)域，并且能減小起火危險(xiǎn)，而且比通常的“干”工作流體安全。
根據(jù)本發(fā)明，一種用于蘭金循環(huán)動(dòng)力裝置的、在一個(gè)鍋爐溫度和一個(gè)冷凝器溫度之間運(yùn)行的組合工作流體包括了一種不溶混的流體混合物。這些流體是這樣選擇的，即使得所說的組合工作流體的蒸汽膨脹是從鍋爐溫度沿著一條基本上的等熵線，一般是沿著工作流體的飽和蒸汽線而發(fā)生。最好是使組合工作流體的蒸汽從鍋爐溫度向冷凝器溫度一般地沿著工作流體的飽和蒸汽線進(jìn)行膨脹。
組合的工作流體是一種濕流體和干流體的混合物?！皾瘛绷黧w的分子量通常比“干”流體分子量小，最好是“濕”流體是一種由包含有水、醇氨和胺或其混合物的一類中選擇出來的極性化合物，“干”流體最好為非極性的，并且由包括有烴類，及其鹵代衍生物或其混合物的一類中來選擇。“濕”和“干”流體混合物使得組合工作流體的T-S圖形的最右邊線，比任一單一組份工作流體的T-S圖形的最右邊線更接近垂直于熵軸線，因此達(dá)到了被改進(jìn)的效率等級(jí)。更可取的是，組合工作流體T-S圖形的最右邊線幾乎垂直于熵軸線，因此，可用一個(gè)單級(jí)渦輪機(jī)使工作流體從鍋爐溫度向冷凝器溫度膨脹。由于工作蒸汽是沿著或接近飽和蒸汽線膨脹，在膨脹期間和膨脹之后都不是“濕”態(tài)，這樣，過熱器或回?zé)崞骶涂扇∠?。因此，根?jù)本發(fā)明的工作流體能使用在一個(gè)單個(gè)膨脹渦輪機(jī)中，以便最有效地利用基于鍋爐和冷凝器之間的溫度差系統(tǒng)的合用的總的能量。
因?yàn)楣ぷ髁黧w的組成物是不混溶的，每一種組成物在蒸汽狀態(tài)的部分壓力分別地只決定于每一種組成物在鍋爐溫度下的蒸汽壓力，總壓力是每一種組成物的單獨(dú)壓力的總和。因此，每一種處在蒸汽狀態(tài)的組成物的量與每一種處在液體狀態(tài)的組成物的量無關(guān)。由于這個(gè)原因，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)系統(tǒng)將利用比“干”流體用量大得多的“濕”流體數(shù)量。仍然能夠產(chǎn)生按上述方式操作的足夠量的蒸汽。例如，相當(dāng)于“濕”流體的大量的水和相當(dāng)于“干”流體的少量的庚烷，可以在一個(gè)系統(tǒng)中以這樣的一種方式來使用，在該方式中體系的易燃危險(xiǎn)性顯著地減少并仍然能夠獲得高的熱力學(xué)效率。
本發(fā)明也適用于相對(duì)比較昂貴一般不作為工作流體使用的干流體。例如非常昂貴的氟代己烷，該氟代己烷可以和水一起使用以得到高效率的蘭金循環(huán)動(dòng)力裝置。
上面所描述的兩種情況是由組合工作流體的兩種組成物的不相混溶的特性而產(chǎn)生的。這就是說，實(shí)際上系統(tǒng)中所有的流體將被容納在鍋爐或蒸發(fā)器中和作為冷凝物的冷凝器中，而同時(shí)所有的蒸汽將被容納在渦輪機(jī)及鍋爐和冷凝器當(dāng)中的液體上方的空間中。組合蒸汽中“干”流體的百分率明顯地大于液體中“干”流體的百分率，結(jié)果，由于使用易燃的“干”流體而引起的任何易燃危險(xiǎn)性皆由于“濕”液體在數(shù)量上占優(yōu)勢(shì)的原因而在液態(tài)中被減少到最小程度。這也不會(huì)降低由不相混溶流體的混合物產(chǎn)生的組合蒸汽的熱力學(xué)效率。
本發(fā)明的具體實(shí)施示于附圖圖1是根據(jù)本發(fā)明的蘭金循環(huán)動(dòng)力裝置的方框圖。
圖2A是典型的“濕”工作流體的T-S圖形，例如水。
圖2B是典型的“干”工作流體的T-S圖形，例如庚烷。以及圖2C是“濕”流體和“干”流體的典型混合物的T-S圖形，例如水與庚烷的混合物。
現(xiàn)在參閱圖1，標(biāo)記數(shù)字10表示根據(jù)本發(fā)明所使用的兩種不相混溶的流體混合物作為工作流體的蘭金循環(huán)動(dòng)力裝置，一種是“濕”流體，另一種是“干”流體。在本說明書中使用的“濕”流體一詞指的是一種其T-S圖形基本上對(duì)稱的鐘形曲線的流體，其中水就是典型的這種流體。這種曲線在圖2A中表明。一個(gè)用水運(yùn)行的蘭金循環(huán)動(dòng)力裝置，例如，在狀態(tài)1A，2A，3A或3A′以及4A或4A′之間運(yùn)行，這就是說，蘭金循環(huán)動(dòng)力裝置鍋爐中的水在恒定的溫度和壓力下從狀態(tài)2A到狀態(tài)3A被加熱至飽和蒸汽線，在這一點(diǎn)，任何附加的熱量使鍋爐產(chǎn)生的蒸汽過熱，并將沿著恒壓線5A到3A′狀態(tài)由飽和蒸汽到過熱蒸汽而改變狀態(tài)。
如果飽和蒸汽被送給一個(gè)允許在其渦輪機(jī)中產(chǎn)生膨脹的渦輪級(jí)，就會(huì)沿著在圖2A所表示的基本上是等熵線到狀態(tài)4A而發(fā)生膨脹，至少在理論上是如此，實(shí)際上，由于蒸汽在通過渦輪級(jí)產(chǎn)生膨脹時(shí)在蒸汽中有小液滴出現(xiàn)，渦輪機(jī)在這些條件下運(yùn)行是做不到的。為了獲得一個(gè)實(shí)用的渦輪機(jī)，蒸汽在膨脹發(fā)生前應(yīng)從狀態(tài)3A被過熱到狀態(tài)3A′。在這種情況下，膨脹就會(huì)在狀態(tài)3A′與4A′之間發(fā)生，該4A′是在冷凝器壓力下的飽和液體狀態(tài)。這里所說的這種情況是由于“濕”流體的T-S圖的形狀而發(fā)生的。這就是說，在鍋爐和冷凝器溫度之間的范圍內(nèi)，飽和蒸汽線有一個(gè)負(fù)向的傾斜角，如圖2A所示的圖形。
本說明書使用的“干”工作流體術(shù)語(yǔ)指的是一種其T-S圖形如圖2B所示的流體。當(dāng)這樣一種流體應(yīng)用在蘭金循環(huán)動(dòng)力裝置時(shí)，在恒溫下，鍋爐把此液體從狀態(tài)2B加熱成狀態(tài)3B的飽和蒸汽。進(jìn)一步對(duì)飽和蒸汽加熱使流體過熱，工作流體的狀態(tài)將落在恒壓線5B上的一個(gè)由把熱量加給蒸汽所決定的位置上。
如果一種“干”工作流體被加熱而產(chǎn)生處于狀態(tài)3B的飽和蒸汽，并且這種蒸汽被施加給一個(gè)渦輪級(jí)，膨脹實(shí)際上就會(huì)沿著垂直線6B(等熵)向下到由冷凝器中的壓力所確定的恒壓線7B而發(fā)生。此蒸汽在狀態(tài)4B′仍然是過熱的，為使其返回鍋爐，必須除去過熱。它可以被排入冷凝器的冷卻劑中，或?qū)⑵溆糜陬A(yù)熱進(jìn)給到鍋爐中的冷凝物。這兩種情況中，很明顯，因?yàn)闋顟B(tài)3B和4B′之間的溫度差小于狀態(tài)3B和狀態(tài)4B之間的溫度差，其中4B為冷凝器溫度，則基于圖2B所示的循環(huán)的渦輪機(jī)所輸出的能量將小于理論上的最大可能值。
圖2c表示一種濕工作流體和一種與之不相混溶的“干”工作流體的混合物的T-S圖形，對(duì)于給定的汽化和冷凝溫度，對(duì)“干”和“濕”流體進(jìn)行挑選以便能產(chǎn)生一個(gè)幾乎與熵軸線垂直的飽和蒸汽線。一種“濕”流體的例子是水，一種“干”流體的例子是庚烷，如圖2c所示。工作流體的液態(tài)組成物在恒溫下從狀態(tài)2c加熱到狀態(tài)3c產(chǎn)生每一種組成物的蒸汽。由于工作流體的各組成物在液態(tài)是不混溶的，在鍋爐中每一種組成物在蒸汽狀態(tài)的量不取決于每一種組成物在液態(tài)的量。這表示在蒸汽組合物中組成物的百分率與液體組合物中的組成物百分率有很大差異。從實(shí)際的觀點(diǎn)來看，這表示組合物蒸汽的熱力學(xué)特性能夠作到非常類似于“干”流體的特性，而組合物液體的熱力學(xué)特性將非常類似于“濕”流體的特性。
從狀態(tài)3c到狀態(tài)4c的膨脹，實(shí)際上是沿著組合物的飽和蒸汽線來進(jìn)行，以便使得用于轉(zhuǎn)化到能量的有效的溫度降落與鍋爐和冷凝器之間的溫度差相同。因此，一種具有如圖2c所示的合成T-S圖形的“濕”和“干”流體的混合物的工作流體能夠使一個(gè)蘭金循環(huán)動(dòng)力裝置以最大的熱力學(xué)效率來運(yùn)行，該效率與由鍋爐和冷凝器之間的溫度差所確定的循環(huán)過程的理論熱力學(xué)效率有關(guān)。
現(xiàn)在返回到圖1，動(dòng)力裝置10包括鍋爐12，鍋爐含有二種不相混溶的以“A”和“B”表示的液體的混合物，熱量由一個(gè)熱源(沒有表示出來)供給。熱量加給鍋爐12中的液體14，使組合物液體汽化而生成組合物蒸汽;由管道16把組合物蒸汽傳送到進(jìn)行膨脹的渦輪機(jī)18的入口，在排放管20中產(chǎn)生熱耗盡蒸汽。此熱耗盡的組合物蒸汽通過管道20傳送到冷凝器22，既可用氣體冷卻，又可用液體冷卻，熱耗盡的蒸汽被冷凝成冷凝物，利用泵(沒有表示出來)或重力通過管道24使其返回到鍋爐12。
當(dāng)工作流體包含一種易燃液體如烴或其部分鹵代的衍生物時(shí)，則本發(fā)明尤其適用。用于蘭金循環(huán)動(dòng)力裝置中適合于作工作流體的易燃流體的例子是庚烷。向系統(tǒng)中加水，系統(tǒng)的效率被提高，并且減少了因?yàn)槭褂靡环N易燃流體而產(chǎn)生的危險(xiǎn)。效率的提高是由于“干”工作流體如庚烷與“濕”工作流體如水進(jìn)行混合，結(jié)果形成了一種具有如圖2c所示形狀的T-S圖形的混合物。由于鍋爐中裝的基本上是水，又在蒸汽中含有有效數(shù)量的庚烷，因而起火的危險(xiǎn)性減小了。例如，在一個(gè)能夠產(chǎn)生500千瓦功率的典型的有機(jī)流體動(dòng)力裝置中，在系統(tǒng)中單獨(dú)使用庚烷時(shí)，大約需要4000千克的庚烷，而當(dāng)與水混合使用時(shí)，只需要大約100千克的庚烷。
當(dāng)所需要的工作流體昂貴時(shí)，向系統(tǒng)中加入水，可以提高系統(tǒng)的效率并降低費(fèi)用。由上所述，由于合成組合物的T-S圖形的調(diào)整，提高了系統(tǒng)的效率，由于只需要相對(duì)少的數(shù)量的昂貴流體從而降低了系統(tǒng)的成本，例如，流體是過氟代己烷時(shí)，熱力學(xué)效率高，并與動(dòng)力裝置的金屬部件相適合。可是，這種流體的通行價(jià)格大約為每千克30.00美元，這自然就造成動(dòng)力裝置中使用這種流體的成本太高。然而，通過向過氟代己烷中加水，過氟代己烷的需要量就能減少大約100倍或更多。因此，使采用過氟代己烷作為工作流體的一種動(dòng)力裝置的結(jié)構(gòu)變成了現(xiàn)實(shí)。
一般來說，“濕”流體是極性的，并且有相對(duì)低的分子量，這種例子有水、醇、氨、胺等。這些流體被認(rèn)為對(duì)火是無危險(xiǎn)的。另一方面，“干”流體是非極性的，且具有相對(duì)高的分子量。這種例子有烴及其鹵代衍生物(如酯)。
實(shí)施例1建立在含有庚烷與水混合物的組合流體基礎(chǔ)上的一種蘭金循環(huán)動(dòng)力裝置可按渦輪機(jī)進(jìn)口溫度為200℃和冷凝器溫度為40℃而進(jìn)行設(shè)計(jì)，在這些強(qiáng)制條件下，水與庚烷混合物將產(chǎn)生一種蒸汽，該蒸汽組成為庚烷占78%(以重量計(jì))，水占22%(以重量計(jì))，動(dòng)力裝置的條件表示如下參數(shù) 數(shù)值鍋爐壓力(巴) 25.4蒸汽密度(千克/米3) 41.8冷凝器壓力(巴) 0.19蒸汽密度(千克/米3) 0.52渦輪機(jī)等熵出口溫度(℃) 40濕水的百分率 4.2熱量輸入(千焦耳/千克) 1105等熵膨脹能量(千焦耳/千克) 305凈效率(百分率) 17.9實(shí)施例2建立在含有1-1二甲基環(huán)己烷(DMCH)和水混合物的組合工作流體基礎(chǔ)上的一種蘭金循環(huán)動(dòng)力裝置可按渦輪機(jī)進(jìn)口溫度為300℃和冷凝器溫度為40℃而進(jìn)行設(shè)計(jì)，在這些強(qiáng)制條件下，這些成份的混合物將產(chǎn)生一種蒸汽，其組成為DMCH占43%(以重量計(jì))，水占57%(以重量計(jì))，動(dòng)力裝置的條件表示如下
參數(shù) 數(shù)值鍋爐壓力(巴) 110蒸汽密度(千克/米3) 158冷凝器壓力(巴) 0.14蒸汽密度(千克/米3) 0.33渦輪機(jī)等熵出口溫度(℃) 40濕DMCH百分率 0.00濕水的百分率 6.0熱量輸入(千焦耳/千克) 1460等熵膨脹能量(千焦耳/千克) 519凈效率(百分率) 22.3實(shí)施例3建立在含有十一烷和乙二醇(Eg)混合物的組合工作流體基礎(chǔ)上的一種蘭金循環(huán)動(dòng)力裝置可按渦輪機(jī)進(jìn)口溫度為300℃和冷凝器溫度為40℃而進(jìn)行設(shè)計(jì)。在這些強(qiáng)制條件下，這些成份的混合物將產(chǎn)生一種蒸汽，其中十一烷占50%和Eg占50%。動(dòng)力裝置的條件表示如下參數(shù) 數(shù)值鍋爐壓力(巴) 26.3蒸汽密度(千克/米3) 65冷凝器壓力(巴) 0.002蒸汽密度(千克/米3) 0.011渦輪機(jī)等熵出口溫度(℃) 56
熱量輸入(千焦耳/千克) 1372等熵膨脹能量(千焦耳/千克) 469凈效率(百分率) 22.3雖然本發(fā)明描述的是關(guān)于特定的裝置、材料和具體實(shí)施，但不言而喻，本發(fā)明不限于這些公開的特定內(nèi)容，而可擴(kuò)展到權(quán)利要求
范圍內(nèi)的所有等同物上。
權(quán)利要求
1.一種用于在鍋爐溫度與冷凝器溫度之間進(jìn)行的蘭金循環(huán)動(dòng)力裝置的組合工作流體，該組合工作流體包含有一種不相混溶的流體的混合物。
2.按照權(quán)利要求
1所說的一種組合流體，選擇一種流體比另一種流體相對(duì)更易燃，易燃性小的流體的數(shù)量要超過易燃性高的流體的數(shù)量，并且組合混合物的熱力學(xué)特性優(yōu)于組成此混合物主要部分的流體的熱力學(xué)特性。
3.按照權(quán)利要求
2所說的一種組合流體，其中，易燃性小的流體從包含有水，乙二醇，氨和胺的一類中進(jìn)行選擇。
4.按照權(quán)利要求
3所說的一種組合流體，其中易燃的流體是烴。
5.按照權(quán)利要求
4所說的一種組合物，其中烴是從包含有庚烷，1-1二甲基環(huán)己烷和十一烷的一類中進(jìn)行選擇。
6.按照權(quán)利要求
1所說的一種組合流體，選擇一種流體比另一種流體相對(duì)更昂貴，較低廉的流體的數(shù)量超過較昂貴的流體的數(shù)量，而且組合的混合物的熱力學(xué)特性優(yōu)于組成此混合物的主要部分的流體的熱力學(xué)特性。
7.按照權(quán)利要求
6所說的一種組合流體，其中較低廉的流體是水，較昂貴的流體是碳氟化合物。
8.按照權(quán)利要求
7所說的一種組合流體，其中較昂貴的流體是氟代己烷。
9.按照權(quán)利要求
1所說的一種組合流體，選擇組合流體的飽和蒸汽線從鍋爐溫度到冷凝器溫度通常是沿著一條實(shí)際上的等熵線。
10.按照權(quán)利要求
9所說的一種組合流體，其中所說的組合工作流體的蒸汽從鍋爐溫度到冷凝器溫度一般是沿著此組合工作流體的飽和蒸汽線來進(jìn)行膨脹。
11.按照權(quán)利要求
10所說的一種組合流體，其中工作流體的不相混溶中的一種是“濕”流體，工作流體的不相混溶中的一種是“干”流體。
12.按照權(quán)利要求
11所說的一種組合流體，其中，“濕”流體為極性化合物。
13.按照權(quán)利要求
12所說的一種組合流體，其中，“濕”流體從包含有水、醇、氨和胺的一類中進(jìn)行選擇。
14.按照權(quán)利要求
13所說的一種組合流體，其中，“濕”流體是水。
15.按照權(quán)利要求
14所說的一種組合流體，其中，“干”流體是非極性化合物。
16.按照權(quán)利要求
15所說的一種組合流體，其中，“干”流體是從包含有烴及其鹵代衍生物的一類中進(jìn)行選擇。
17.按照權(quán)利要求
16所說的一種組合流體，其中，“干”流體是庚烷。
18.按照權(quán)利要求
16所說的一種組合流體，其中，“干”流體是氟代己烷。
19.按照權(quán)利要求
16所說的一種組合流體，其中，“干”流體是1-1二甲基環(huán)己烷。
20.按照權(quán)利要求
12所說的一種組合流體，其中，“濕”流體為乙二醇及“干”流體為十一烷。
21.一種采用前述任何一種權(quán)利要求
的組合流體的蘭金循環(huán)動(dòng)力裝置。
專利摘要
一種用于在鍋爐溫度和冷凝器溫度之間運(yùn)行的蘭金循環(huán)動(dòng)力裝置的組合工作流體，它包含一種不相溶的流體混合物。其選擇方法是此組合流體在鍋爐溫度附近的飽和蒸汽線通常是沿著一條實(shí)際上的等熵線，結(jié)果，組合工作流體的蒸汽從鍋爐溫度到冷凝器溫度的膨脹通常是沿著此組合工作流體和飽和蒸汽線來進(jìn)行。此組合工作流體的不相混溶的流體一種是“濕”流體，一種是“干”流體。此濕流體為極性化合物，其分子量小于“干”流體的分子量，而“干”流體為非極性化合物。
文檔編號(hào)F01K25/06GK87100862SQ87100862
公開日1987年9月30日 申請(qǐng)日期1987年1月8日
發(fā)明者安農(nóng)·約杰夫, 戴維·馬拉布 申請(qǐng)人:奧馬蒂系統(tǒng)公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan