[发明专利]用于将低温热源的热能转化为机械能的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及如权利要求1或者权利要求5前序部分所述的一种用于将低温热源的热能转化为机械能的方法和装置。这样一种方法或者这样一种装置例如由US 7,093,503 B1公开。

背景技术

为了利用低温热源，例如地热源、气态的、蒸汽态的或者液态的废热源或者太阳能的热能，已知在循环中，工作介质不通过热源蒸发，而是只加热。通过取消蒸发可以利用通常对于工作介质的蒸发必需的热能，例如可以加热明显较高的工作介质质量流。由此对在小于400℃的温度范围内的低温源可以实现相对具有工作介质的蒸发的循环明显的效率优点。

在由US 7,093,503 B1公开的循环中，在第一步骤中液态的工作介质利用泵获得提高的压力。在第二步骤中，该压力提高的、液态的工作介质在热交换器中通过从低温源传导热而被加热，但是不蒸发它。在第三步骤中，该加热过的、液态的工作介质在两相涡轮机中膨胀，其中通过工作介质的部分蒸发产生一种膨胀的、部分蒸发的、具有液相和蒸汽相的工作介质，并且工作介质的热能被转化为机械能。

该两相涡轮机为此直接在它的入口处具有喷嘴，工作介质在该喷嘴中通过体积变大从较高的入口压力膨胀到较小的出口压力，由此工作介质部分蒸发。由此产生的水-蒸汽射流被引导到涡轮机的涡轮机叶片上，通过它将水-蒸汽射流的动能转化为转子轴的机械能。该转子轴又与发电机连接，通过它将转子轴的机械能转化为电能。

离开涡轮机的两相的工作介质接着被输送到冷凝器。然后在该冷凝器中在第四步骤中将所述膨胀的、部分蒸发的工作介质的蒸汽相冷凝并且由此产生开始所述的液态的工作介质。该工作介质被输送到已经提及的泵并且由此封闭该循环。在图2中示出的T-S曲线图描述了在这种情况下进行的循环过程。在此SL表示沸点线，TL表示露点线并且K表示工作介质的临界点。工作介质沿着沸点线SL从A点直到B点在临界点K附近被加热，从B点向C点在部分蒸发的情况下膨胀，并且从C点向A点冷凝。

由WO 2005/031123 A1此外已知，离开两相涡轮机的两相混合物被输送到分离器，以将蒸汽相与液相分离。于是蒸汽相在蒸汽涡轮机中继续膨胀，以产生附加的机械能。离开蒸汽涡轮机的膨胀的蒸汽被输送到冷凝器，在那里冷凝并且接着借助于泵获得提高的压力并且然后与在分离器中分离的两相混合物的液相汇流。于是由此产生的工作介质流借助另一个泵泵入热交换器中，在那里它通过热传导被低温源加热。由此该冷凝器仅仅被输入蒸汽涡轮机的废蒸汽，而不是两相涡轮机的两相混合物。该循环尽管通过非常好的效率出色，但是也具有明显较高的复杂性和投资成本。

对一种由EP 0 485 596 A1已知的循环，同样仅加热过的液态的，也就是说没有蒸发的工作介质被输送到膨胀装置并且在那里部分蒸发。离开该膨胀装置的水-蒸汽混合物然后被输送到分离器，它仅仅用于测量在蒸汽中的液态份额。

如果在开始说明的循环中，将离开涡轮机的两相混合物输送到冷凝器，则可能由于液态组成部分导致冷凝器的腐蚀，由此缩短了冷凝器的寿命。

发明内容

因此本发明的任务是，这样改进一种根据权利要求1前序部分的方法和一种根据权利要求5前序部分的装置，即能够可靠地防止冷凝器的腐蚀，而不明显提高循环的复杂性。

根据本发明的方法规定，对于膨胀的、部分蒸发的工作介质直接在冷凝器之前将液相与蒸汽相分开。只有蒸汽相被输送到冷凝器来冷凝。冷凝的蒸汽相(随后是液相)和分离的液相在冷凝器之后，但是在步骤1之前，也就是说，在液态的工作介质的压力提高之前汇流，以产生所述液态的工作介质。该液相由此绕过冷凝器，由此可以防止冷凝器的腐蚀。为此仅需要用于将液相与蒸汽相分离的分离器、用于引导液相绕过冷凝器的旁通管以及用于将(分离的)液相和冷凝的蒸汽相(随后是液相)汇流的汇流装置。循环的复杂性由此仅不明显地提高。

在膨胀后，工作介质的液相在蒸汽相中的液滴大小取决于工作介质的压力在冷凝器中。工作介质在冷凝器中以及由此在膨胀装置的出口处的压力越高，液滴越小。液滴越小，由液滴引起的腐蚀危险也越小。不过在另一方面，随着工作介质在冷凝器中以及在膨胀装置的出口处的变大的压力，会使由膨胀装置的热能转换产生的机械能下降。

因此优选工作介质的压力在冷凝时调整到最优值，该最优值在工作介质的液相在蒸汽相中的液滴大小尽可能小与在步骤3中产生尽可能大的机械能之间。由此有针对性地减小产生的机械能，以避免冷凝器的腐蚀。不过由于工作介质通过低温热源被加热来代替蒸发，产生巨大的效率优点，相对传统的使工作介质通过低温热源蒸发的循环而言，实现明显的效率优点。