[发明专利]一种实现热力循环的方法及其设备

说明书

本发明一般涉及一种利用被膨胀和回热的工作流体将热源的热能转换成机械能然后转换成电能的方法和设备。本发明还涉及一种提高热力循环的热效率的方法和设备。

众所周知，根据热力学第二定律可以知道，任何热源的（能势）随该热源温度的升高而增大。由于这种作用，发电技术的改进已经以提高燃烧过程所释放的热温度为目标。这种改进之一是用已燃气对燃烧空气进行逆流预热，以提高燃烧温度和从燃料燃烧所释放的平均热温度。这种称之为“粉煤燃烧”的技术，已经是众所周知和被广泛的确立。

和热源的能势的情况不同，动力循环的效率不直接取决于热温度，而是取决于工作流体在从热源的热转换过程中的平均温度。如果获得的该热温度大大低于可利用的热源的温度，在热转换过程中就造成的不可逆损失，而循环的效率保持较低水平。

这个结果说明了传统动力装置的效率较低的原因。例如，动力装置将热能转换成电力的效率极限约为63%的水平，甚至在工作流体的温度保持在1000至1100°F（538至593℃）的现代动力装置所要求的冶金特性所限定的范围内也是如此。同样，以透平电功率输出（循环供给泵的功从该功率中扣除）为基础的最佳的直接加热（direct-fired）动力装置的效率不超过41-42%。换句话说，这些装置的热力效率不超过65%（热效率与热力学效率极限之比）。

这个现象的理论上的原因是传输给工作流体（即水）的大量热可在蒸发器内得到，在那里水大约于660°F（350℃）沸腾，而可利用热具有更高的温度。从热力学的观点来看，非常清楚的是除非工作流体得到的热的温度急剧升高，否则热能转换成电能的过程的效率，即热力循环 的效率不能得到提高。

使用沸点比水高的工作流体实际上不能提高循环的效率，其原因如下。甚至在用水作为工作流体时冷凝器内的压力必须保持高真空。如果所使用的是在正常情况下其沸点高于水的工作流体，冷凝器内需要更高程度的真空，这在技术上是不实际的。除非冷凝器内得以提供这种超低压，不然这种假想的高沸点流体的冷凝温度就会很高，从而蒸发器内所获得的增益就会在冷凝器内失去。因为存在这个问题，在最近的六、七十年内在提高直接加热动力装置的效率方面只取得了很小的进展。

提高使用高温度热源的动力循环的有前途的方法是使用所谓的“同流换热循环”。按照这一构思，工作流体必须用同一工作流体的回流预热至较高的温度。只有在预热之后，才将外部热传输给工作流体。结果，所有热量的获得都将在高温度下发生，从理论上讲，该循环的效率将被提高。

这种循环的唯一实例是所谓的“同流换热式布莱顿循环”（recuperative    Brighton    Cycle），它采用了气态的工作流体。在该循环中，工作流体在室温下被压缩，在同流换热器中预热，由热源供热，在透平中膨胀，并被送回同流换热器，这样进行预热。

同流换热式布莱顿循环尽管在理论上有很多优点，可实际上并不能提供很高的效率，这是由于以下两个因素造成的：

（1）气态的工作流体的“压缩功”非常大，不能等温地或者以较小的温升进行;

（2）由于使用了气态的工作流体，同流换热器中的温差必须较大，从而引起了不可逆的损失。

对高效动力循环的理想解决方案，是将以布莱顿循环为特征的高度同流换热与蒸汽循环相接合，在蒸汽循环中，工作流体在液态下增大其压力。这就使所使用的泵可以在较小的需要功（低“压缩功”）下增大 流体压力。

很可惜，由于一个很简单的原因，对这种循环的直接了解看来是不可能的。如果同流换热式加热过程包括液体预热，蒸发和某些过热加热，则压力比迎面流入的流体流的压力低的回流将在低于迎面流入的流体流沸点的温度下冷凝。这种现象显示出在该过程中直接进行回热是不可能的。

如上所述，为了讨论的目的，热力循环中的整个蒸发过程可以考虑成是由三个区别的部分组成的：预热、蒸发和过热。按照传统工艺，热源和工作流体的匹配只有在过热的高温部分期间才能满足要求。但是，本发明的发明人理解到，在已知的过程中，可适合于高温过热的一部分高温热是用于蒸发和预热。这引起两个流之间有很大的温差从而导致的不可逆损失。例如，在传统的兰金循环中，由于热源的焓-温度特性与工作流体的不匹配所引起的损失占了有效的约25%。

对过去的热源和工作流体的焓-温度特性匹配不好的困境的理想解决方案，在于将可以从热源得到的高温热用于过热，从而降低过热过程中的温差，而同时又提供低温热，以尽量降低蒸发过程中的温差。