[发明专利]用于将热能转变成机械能的系统

说明书

本发明涉及一种系统，其包括：泵(3)，该泵用于输送流介质；组件(5)，该组件用于将流介质从液态状态转变成气态状态；流体机械(6)，该流体机械用于将流介质的热能转变成机械能；冷凝器(4)，该冷凝器用于将气态的流介质冷凝成液态状态，其中，用于冷却液态的流介质的冷却单元(7)布置在泵(3)之前，以降低压缩功。

技术领域

本发明涉及一种系统，其包括：泵，该泵用于输送流介质；组件，该组件用于将流介质从液态状态转变成气态状态；流体机械，该流体机械用于将流介质的热能转变成机械能；冷凝器，该冷凝器用于将气态的流介质冷凝成液态状态。

背景技术

热力过程可以封闭的方式实施。封闭式热力过程的一个示例是在用于产生电能的发电厂中的水-蒸汽回路。在此，水或蒸汽用作热载体和工作介质。这种循环过程被称为克劳修斯-郎肯过程(Clausius Rankine Prozess)。

在低的过程温度下，该循环过程还通过有机流介质来运转。这种循环过程被称为有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle)。

尽管在有机朗肯循环中的流介质严格来说不是纯水蒸气，但将在该循环过程中用于将热能转变成机械能的流体机械称为蒸汽透平。以CO₂作为流介质运转的流体机械的另一名称是CO₂膨胀器。

可用在回路中的另一流介质是二氧化碳。二氧化碳相对于水的优点是，临界点在相对低的压力和温度水平。二氧化碳的临界点是在约74巴的压力和约31℃的温度下。相比之下，水的临界点在约221巴的压力和385℃的温度下。这种回路几乎都是超临界回路。因此，这种回路还被称为超临界二氧化碳回路或sCO₂回路(sCO₂＝supercritical CO₂)。虽然这里的流介质同样不是水蒸气，但用于将热能转变成机械能的流体机械被称为蒸汽透平。

图1示出了根据现有技术的在CO₂循环过程中的回路1。在进入到泵3中的入口2之前，将流介质(CO₂)在冷凝器4中从气态状态转变成液态状态。泵3将液态CO₂输送至组件5，该组件构造成将液态的CO₂转变成气态的CO₂。这通过使用燃料、例如化石燃料或还通过使用地热(所谓的地热发电厂)来实现。在组件5之后，气态的CO₂流向蒸汽透平6，该蒸汽透平构造成将CO₂的热能转变成机械能。接着，冷却的CO₂到达冷凝器4，由此循环结束。

这种sCO₂回路的主要特征是，流介质的压缩是在近液态的状态区域中进行的。这意味着，工作介质具有可压缩的特性。这与克劳修斯-郎肯过程相反，在其中，水作为流介质可被称为是不可压缩的。这导致压缩机或泵必须做相对大量的压缩功。

因为压缩与损失相关联，这意味着，例如在水蒸气回路中低的压缩功导致小的损失，而例如在sCO₂回路中高的压缩功导致大的损失。

在US8316955B2中公开了sCO₂回路用于地热发电的应用。由于大地高度的显著差异，这里说明的系统具有附加的工作原理。输热发生在土地中，亦即，在730米以上的地下，通常在2000米至5000米的深度。在此，沿着注入井的“冷的”CO₂(在10℃至40℃)的平均密度与热的CO₂(在约60℃和260℃之间)的平均密度有很大差别。由于这种密度差，发生了流介质的自然循环，这还被称为热虹吸效应。工作介质在没有加入机械功的情况下进行循环。从大地汲取热能可通过循环泵来加速。

对于这些地热回路来说，同样重要的是，尽可能地朝液体的方向冷却冷的流介质，因为由此来降低在注入井的入口处的密度以及流介质的可压缩性，或减小在注入井的入口处所需的压缩功。因此加强热虹吸效应。

发明内容