[发明专利]用于转化能、增加焓并提高压缩系数的方法

说明书

本发明涉及利用工作流体将热能转化为机械功，尤其用于发电，但是并不限于该应用。

在将一种形式的能转化为另一种时可以获得有用功：势能转化为动能、热能转化为机械能、机械能转化为电能等。实验证实所有形式的能都相等的结果是热力学第一定律，也就是说能量不能产生或消灭，它总是以一种形式或另一种形式守恒。这是为什么努力提高该过程的效率以最大产生所需形式的能，同时使能以其它形式的损失最小的原因。

机械能、电能和动能是可以非常高效率彼此转化的能量形式。但是，这不适用于热能。如果我们试图将温度T下的热能转化为机械功，该过程的效率将受限于1-T₀/T，其中T₀是环境温度。可以转化的有用能量称作“有效能(exergy)”，而不能转化为“有效能”的能量称作“无效能(anergy)”。因此，热力学第一定律可以表示为“有效能与无效能之和总是恒定的”。

此外，热力学第二定律指过程按给定方向进行而不能朝相反方向进行，它可以表示为“无效能与有效能不能转化”。

热力学过程可以分类为不可逆的和可逆的。在不可逆的过程中，所执行的功等于0，有效能转化为无效能。在可逆过程中，可以最大可能地产生功。

为了在有效能将转化为无效能这种不能再利用的能量形式之前利用大部分的有效能，对能量转化的努力基于第二定律。换句话说，必须提供条件以尽可能长地维持过程的可逆性。

本发明涉及将热能转化为机械能，尤其用于发电，这种就效率而言最棘手的过程。在该过程中，热转移到工作流体，而工作流体在逆循环中经历许多温度、压力和体积的关系。Carnot循环是公知的理想再生循环，但是许多其它的常规循环，尤其是兰金(Rankine)循环以及Atkinson、Erikson、Brayton、Diesel和Lenoir循环也可以利用。在这些循环的任一种中，将气体形式的工作流体进料到用于将工作流体的能量转化为机械能的设备中，例如汽轮机和大量其它类型的热机。每种情况下，当工作流体做出有用机械功时，流体体积增加，而其温度和压力下降。

由于工作流体是循环做出有用功的重要构成，因此已知其中将工作流体改性以提高过程有用功的许多方法。US4439988描述兰金循环，其中使用喷射器将气态的工作流体注入汽轮机中。已发现通过使用用于将轻质气体注入工作流体中的喷射器(在工作流体已经加热和蒸发之后)，汽轮机以比其中仅使用工作流体的先前变化方案所需低的压降回收有用的能量。工作流体的温度也显著降低，这确保汽轮机在较低温度的环境中运行。可以使用下面的轻质气体：氢气、氦气、氮气、空气、蒸汽或分子量小于工作流体的有机化合物。

US4196594所描述的方法包括向用于在热机中执行机械功的气相工作流体(例如蒸汽)中注入惰性气体如氩气或氦气。与没有添加剂的工作流体的常规使用相比，具有添加剂的蒸汽具有较低的绝热H值，其中H定义为C_p/C_v，其中C_p是恒定压力下的比热，C_V是恒定体积下的比容。

US4876855涉及用于兰金循环发电厂的工作流体，该流体包含极性和非极性的化合物，并且极性化合物具有比非极性化合物小的分子量。

这些方案使用气体添加剂作为使工作流体改性的物质，其使用降低过程安全性并要求更复杂的设备。

RU2114999(1998年10月7日公布)也教导用于将热能转化为机械能的方法，其包括将催化添加剂引入到工作流体中；对槽中的工作流体提供足以使工作流体从液相转变为气相的热能；将气相的工作流体进料到用于将能转化为机械功的装置中，气态的工作流体膨胀并且温度和压力降低；冷凝气态的工作流体；并使液相的工作流体循环回到槽中。

该方法的缺点包括在氢气或氦气加入工作流体时需要确保过程安全的措施，在压力下安全输送气体添加剂并将其储存在钢瓶中，必须从膨胀和冷却的工作流体中回收添加剂的阶段，这使得工艺及其设备复杂化，以及需要引入大量添加剂，这降低了该方法的经济吸引力。此外，该方法对选择适合其实现的物质有限制，即物质的分子量不大于工作流体的分子量，并且对选择操作顺序也有限制：将催化添加剂引入已经装在槽中的工作流体中，并且仅在工作流体转变为气体之后，不能比这早，这降低了其操作能力。

此外，RU2114999(1998年10月7日公布)公开了增加蒸汽的焓和压缩系数的方法，其包括加热槽中的水以产生蒸汽；将催化添加剂以催化物质或催化物质混合物的形式引入水中。