[发明专利]能够使两相流产生的动量最大化的两相膨胀装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种装置，其能够使热流体在装置的工作温度下有显著饱 和流量的非常有效的两相膨胀，同时具有低的蒸汽密度。这尤其适用于温 差小的热源和冷源之间的热能向机械能的转换，更特别适于海洋热能转换 (OTEC)。

背景技术

很久以来，温差小的处于中等温度的热源和冷源之间的热能向机械能的 转换一直是一种重要的挑战。

有许多种配置，这里可提及的例如有：

●地热能

●工业余热

●海洋热能转换(OTEC)，也就是，海洋表层和深层之间的温差，在热带

地区该温差能够达到近20℃。

人们已经提出了许多用于将该种热能转换成机械能的装置，但是仍然没有多 少工业应用，主要是因为以下几点：

●热源和冷源之间小的温差意味着，热能向机械能转换的非常低的最大理 论转换度(对于OTEC来说大约为7％)。

●所提出装置的效能仍然非常有限，其进一步缩减了该转换度。

●因此，待处理的流体量非常大，需要很大的热交换器。

●在OTEC的情况下与大洋环境相关的限制。

现有技术中提出的解决方案可以进行如下归类：

●采用有机兰金循环的解决方案，也就是，在解决方案中，来自热源的热 流体通过交换器将其热量传给工作流体而使其蒸发。工作流体通过涡轮 机膨胀，提供机械功，然后，在冷凝器中冷凝，与来自冷源的冷流体交 换，并且最终通过一个泵加压。该所谓的闭合环路的优点是，能够使用 在所考虑的温度下具有高蒸汽体积密度的工作流体，因此能够使用具有 合理尺寸的涡轮机。然而，它也有主要缺陷，尤其是，热源和冷源之间 的热交换器尺寸非常大，以致工作流体能够处理最小温度夹点的非常高 的流速。在OTEC的情况下，这些交换器具有很大的生物淤积的风险， 而且需要使用诸如氨那样的工作流体也对环境有实际的影响。

●某些解决方案，在这些解决方案中，热流体(通常为水)由于其自身的 比热(闪蒸)而被部分蒸发，其蒸汽在涡轮机中膨胀，在此其提供机械 功，蒸汽之后由于同来自冷源(通常为水)的流体进行热交换(通常来 说是直接的)而被冷凝。该方案被称为开式循环，其优点在于避免了不 得不依靠两种不同流体之间过大尺寸的热交换器。然而，它也有很大的 限制，特别是在OTEC的情况下。实际上，在这种情况下，热源的温度 (大约28℃)对应于大约三百分之一巴的极低的蒸汽压力。在该压力 下，蒸汽密度很低，而且因此有必要使极其大体积流体穿过涡轮机，这 意味着很大的转子直径以及高的圆周速度。涡轮机部件上的离心力然后 从几MW(兆瓦)开始变成很大的功率。此外，涡轮机的惯性也变得非 常大，这可能造成与电网连接的问题。这种开式循环因此被设计成越来 越小的功率，仅在几兆瓦以上。

●还可提到利用所谓的两相涡轮机的许多装置。在这种分类中，我们可能 在以下解决方案之间加以区分：

1.一些解决方案，在这些解决方案中，流体以液态引入，膨胀以 形成气相和液相，两相然后通过分离器分隔，而且每相都在适 于每个相的独立的装置中膨胀。这些解决方案具有高度复杂性 以及普通的效率。

2.一些解决方案，在这些解决方案中，液体通过一个管口膨胀， 在其离开管口的时候部分蒸发，液体和蒸汽然后通过一个适合 的管口一起膨胀。考虑到多个液相的存在，具有流体方向变化 的涡轮机中任何的膨胀都是失策的，否则刀片会快速恶化。剩 下的解决方案是“英雄”型单级反动式涡轮机。在这种类型涡 轮机中，为了保持良好的效率，有必要使离开膨胀的流体的绝 对速率尽可能低。目前，喷射出的流体按液态重量计算最多为 95％，然而蒸汽部分的质量仍然非常低。然而，正是蒸汽部分， 其通过在膨胀过程中将其热含量转变为动能，远比流体部分加 速得多。在提出的装置中具有很少机械耦合的两个相将因此在 膨胀的出口处具有非常不相同的速度，其与涡轮机的高效率不 相容。

迄今为止，仍没有证据证明这种类型的装置很有效率，而且没 有为热源的低温区域特别设计任何装置，流体为水，考虑到其 非常低的蒸汽密度。

●一些解决方案，在这些解决方案中，热水经受闪蒸，其蒸汽在垂直扩散 部分中膨胀，在此，蒸汽将其部分能量转移给液态水以便克服重力提升 装置中的这些水。这些解决方案能够避免闭循环类型的热交换器以及上 述开循环类型的超大涡轮机。提出的解决方案尤其是：