[发明专利]用于增加发电过程的效率和生产率的方法和装置

说明书

本发明涉及利用工质将热能转换为机械能，特别是(但并不仅限于此)用来产生电能的技术领域。

为了做有用的功，能量必须转换其形式，比如说由势能转换为动能，由热能转换为机械能，由机械能转换为电能，由电能转换为机械能等等。由经验所证实的所有各种形式能量的等值性导致了热力学第一定律的产生，即能量不可以被创造，也不可以被消灭，但可以由一种形式转换为另一种形式。对于应如何将能量由一种形式转换为另一种形式，人们一直在寻求如何增大过程的效率，以产生尽可能多的所需形式的能量，且尽可能减少能量以其它形式的损失。

机械能、电能、动能是可以以相当高的效率彼此转换的能量形式，但热能却非如此。若要将温度为T的热能转化为机械能，则这一过程的效率极限为1-To/T，其中To为环境温度。这种可被转换的有用能量被称为(exergy)，而不能被转换为的那部分能量被称为(anergy)。因此，热力学第一定律还可以被表述为，和的总和是保持不变的。

通常表述为过程可以向某一特定方向、而不能向相反方法进行的热力学第二定律，还可以被表述为，不可能转换为

热力学过程可分为可逆的和不可逆的。在不可逆过程中，所做的功为零，被转换为。而在可逆过程中，可做最大的功。

有关能量转换的作用，就是基于第二定律，在转换为(一种不能再利用的能量)之前实现的最大利用率。换言之，就是要创造条件以尽可能的保持过程的可逆性。

本发明涉及热能转换为机械能，特别是用于产生电能的过程，而这一种过程所存在的最大问题就是如何提高效率。在这些过程中，热被传递给工质，而工质要经受一可逆循环中的一系列的温度、压力和体积的变化。公知的理想再生循环为卡诺循环，但有许多其他常规的循环均可被利用，特别是其中的兰金(Rankine)循环，其它还包括艾金森(Atkinson)循环，埃里克森(Ericsson)循环，布雷顿(Brayton)循环，狄塞尔(Diesel)循环，勒努瓦(Lenoir)循环。利用这些循环中的任一个，均可以使气态的工质通过一个装置，而将工质的能量转换为机械能，这里所说的装置包括叶轮机，以及其它的种种热机。在各种情况中，当工质在做有用的机械功时，工质的体积增加，而它的温度和压力降低。循环的残余部分用于增高工质的温度和压力，以便它能进一步地做有用的机械功。图1A-1J给出了若干典型的循环的P-V和T-S图。

因为工质是用于做有用功的循环的重要部分，因而已知的许多循环均涉及工质的改进，以增加可由这些过程获得的功。若举例来说，美国专利4439988披露了一种利用喷射器将气态工质(工作介质)喷入叶轮机的兰金循环。它是利用喷射器将较轻的气体喷入工质的方式，在工质被加热并气化后，该叶轮机可用比仅用主工质所需的压降更小的压降来获取有用的能量，并且会产生显著的温度降低，故可以使叶轮机在较低的温度环境下运行。所使用的较轻气体可为氢气、氦气、氮气、空气、水蒸汽，或是其分子量低于该工质的有机化合物。

美国专利4196594披露了喷射诸如氩气、氦气等等稀有气体到诸如用于在热机中做机械功的水蒸汽等气态工质中的技术。被加入上述气体的蒸汽具有比工质更低的H值。H值为Cp/Cv，其中Cp为压力不变时的比热，Cv为体积不变时的比热。

美国专利4876855披露了一种用于兰金循环发电厂的、由极性化合物和非极性化合物构成的工质，且极性化合物的分子量比非极性化合物的分子量低。

在分析热能向机械能的转换时，一个非常重要的热力学参数就是焓。焓是内能和压力与体积乘积的和，H＝U+PV。每单位质量的焓是内能和压力与比容的乘积的和，h＝u+Pv。当压力趋近于零时，所有的气体均趋近于理想气体，且内能的变化等于比热Cpo和温度变化dT的积。“理想的”焓变化等于Cpo与温度变化dT的积，dh＝CpodT。当压力大于零时，焓的变化表示“真实的”焓。

理想焓与真实焓的差被工质的临界温度除，即为余焓。

申请人已从理论上证明，如果可以在设计所需的温度和压力条件的范围内，增大一系统中真实焓的变化量，便实际上可以由可逆过程中得到更大的效率。采用可导致“余”焓释放的方式即可以实现这一过程，实际上，它引起系统中的损耗下降。

工质的另一个非常重要的特性是可压缩性因子Z，它使真实气体的特性与理想气体的特性相关联。在不同的压力(P)、体积(V)和温度(T)的条件下，理想气体的特性可由下式表示：