用有机流体进行兰金循环的动力设备及该设备的使用方法

摘要

一种兰金循环动力设备包括，一个蒸发器元件，它响应于汽化工质的热输入而产生汽化的工质，一个透平发电机，它响应于汽化的工质而产生动力，并产生废弃的热工质，一个冷凝器元件，它响应于所述废弃热工质，冷却该工质并产生冷凝液；另外还有相应的管路用于将所述冷凝液送回到蒸发器。工质是含有多种组分的液体，从该液体分馏出至少一种组分从而产生蒸馏液。将该蒸馏液做为工质送入到动力设备。

说明书

本发明所涉及的是一种用有机流体进行兰金循环的动力设备及该设备的使用方法。

用有机流体进行兰金循环的动力设备是公知的。在这些公知的设备中，有机流体在蒸发器或锅炉中经过加热而汽化，其热源取自燃料，地热源或工业过程;汽化的工质（Working  fluid）在透平发电机中膨胀从而产生动力，而加热后的废弃工质在空气或水冷冷凝器中冷凝成液态工质并由泵送回蒸发器。

所选用的工质应具有适于循环的各种热力学特性，如热容量，工作温度下的稳定性等等，以及对用于普通透平机安装的各种金属的适应性。此外，工质还须具有良好的润滑性，因为透平机以及与之耦合的发电机通常置于密闭的壳体内，其中，由冷凝器输送的液态工质做为润滑剂。

通常，工质是碳氢化合物，如戊烷、己烷或其异构体，诸如异戊烷或异己烷。另外，也使用一些其它的有确定特性的化学制品。但无论哪种情况，工质均为市场上可获得的纯净的材料，这种材料具有确切的定义和已知的特性，这些特性在设计动力设备的硬件时是需要考虑的。人们有时也采用碳氢流体的混合物，以便利用混合物的特殊性能，例如在3842593号美国专利中采用了一种特殊的碳氢混合物，使动力设备可以在某些 不允许使用纯净材料的环境条件下工作。

用有机流体进行兰金循环的动力设备的生产厂家必须保证，相应于单位时间内放出预定热量的热源可以产生预定的电输出值，因此，所选择的工质或流体混合物必须具有确定的物理特性。而保证所选流体具备这些特性的条件是，采用与国际标准一致的工业纯净流体。这些流体在世界上大部分地区都易于得到，但在许多地方理想的纯净流体相当昂贵。另外，在某些情况下将这些流体用于动力设备时，会由于在这种条件下没有使用这种流体的先例而引起政府在规章制度方面的问题。

一些在理论上可用于动力设备的有机流体比起那些常用在动力设备上的流体价格更便宜，而且更易于获得。但是这种流体通常是由其压力-体积-温度特性未知，或其特性随地点，时间变化范围很大的混合物构成的，因此动力设备的设计师无法保证这样的流体能够象具有确定特性的纯净流体那样，按照预定的方式在动力设备中工作。例如发动机燃料汽油是一种无论在工业发达的国家，还是在贫穷的第三世界国家都普遍存在的流体。在有些国家，汽油的可获得甚至超过水，而且政府对汽油的储存和使用比对一些被建议用于兰金循环动力设备的，被人们视为稀有的有机流体有更明确的允许使用的规定。然而，选择汽油或其它由多组分组成的碳氢化合物用于有机流体兰金循环动力设备是不可行的，其原因在于对于某特定批量的汽油，无法确定它在世界上某地区，在某时间的热力学特性。设计者无法事先确定在起动或后来作为补充工质而输送到设备中的某批汽油的热力学特性，因而在设计中无法考虑可能会产生哪些变化。因此，设计者拒绝采用汽油。

本发明的目的在于提供一种方法及装置，借此，人们可以在兰金循环动力设备中采用已知的，易于获得的，可容许的工业有机流体如汽油，而无须考虑流体的热力学特性随时间或地点的变化。

本发明涉及一种兰金循环动力设备的工作过程，其中，一个蒸发器元件响应于用于汽化工质的热输入而产生汽化的工质，一个透平发电机响应于汽化的工质而产生动力并生成废热工质，一个冷凝器响应废热工质将工质冷凝并产生冷凝液，冷凝液经过输送装置返回到蒸发器。工质是含有多种组分的液体，本发明提供了一种由所述液体中经蒸馏分出至少一种组分，从而得到蒸馏液的方法。将该蒸馏液做为工质输送给动力设备。

所述蒸馏液是这么一种液体，将此种液体输送到动力设备中并与之共同工作，利用动力设备中的至少一个装置，或是蒸发器或是冷凝器，或二者兼用，从所述液体中分馏出一种组分从而得到所述的蒸馏液。在此情况下，将所述组分由动力设备中排出，然后动力设备使用蒸馏液继续工作。其结果是，用于稳态工况的工质是液体的主要组分，其热力学特性是已知的和可再现的。

所述液体最好是汽油。用蒸发器分出那些低沸点组分，用冷凝器分出那些高沸点组分，从而得到一种特性已知的液体。或者，也可以用蒸发器分出高沸点组分，而用冷凝器分出低沸点组分。这样，即使这种液体的特性在动力设备开始工作之前是未知的，或知之甚少，但在用蒸发器和冷凝器做为分馏塔所进行的蒸馏过程之后，和在那些较高沸点组分及较低沸点组分均被排出之后，所余工质即可保证动力设备按照预定的方法产生 额定功率。

做为本发明的改进，可以对上述分馏装置的温度和压力进行监视，并根据所测温度和压力调整所述蒸馏液中所述组分的量值，从而保证通过动力设备的容积流量基本上是恒定的。

以下将通过如下附图举例说明本发明实施例：

图1是本发明的用有机流体进行兰金循环的动力设备的方框图;

图2是根据本发明所采用的一种调节工质的流量，从而保证图1所示动力设备保持额定功率的技术方案;

图3所示为本发明的另一种调节工质的流量，从而保证图1所示动力设备保持额定功率的技术方案。

参见附图，标号10表示的是本发明的用有机流体进行兰金循环的动力设备。动力设备10包括蒸发器12，在蒸发器12中通过燃烧器14加热，用以汽化有机工质16，从而输出管18中产生汽化的工质，输出管18通过联接器19与通往透平发电机22的透平机21的入口的管路20相连接。汽化的工质在透平机21中膨胀并形成废热工质，该工质被送入冷凝器24中，使废热工质在此被冷凝。冷凝器可以是空冷或水冷，冷凝器中的冷凝液25通过泵26被送回到蒸发器中，从而完成了有机流体的循环。由此驱动了与透平机21耦合的发电机23，透平机中工质的膨胀导致了电能的产生。

上述的各装置及工作过程，除了工质的性质外都是已有技术中所惯用的。在本发明出现之前，工质均采用纯净的有机流体，例如戊烷或异构戊烷，其热力学特性都是确定的，因而允许设计者在设计动力设备时，根据给定的用于向透平中输送选定 流量的蒸汽的热输入，可以得到选定的动力输出。根据本发明的方案，工质可以是含有多种组分的碳氢化合物，例如汽油。由于汽油中含有的各种组分的变化，使汽油的特性及成分随着时间和地点会产生变化。

为了使用碳氢化合物如汽油，采用一种补充油箱30，油箱中充有足以供动力设备起动用的碳氢化合物液体。为此目的，在油箱30和泵26之间安装有阀V₅。因而，当蒸发器或动力设备的其他部分中没有工质，而此时需要向动力设备输送工质以便起动动力设备时，阀V₅打开，泵26将工质泵入蒸发器12，使动力设备中充满足够的冷却的液体。

然后阀V₆打开，继而给蒸发器加热。通过控制蒸发器的温度使蒸发器中的液体中较低沸点的组分被分馏出去，温度最好保持在低于设计值的温度，直至所有低沸点组分基本汽化为止。在此期间，阀V₁打开，大部分低沸点组分通过管路进入储存油箱32中。一个辅助阀（未示出）可用来阻止这些组分进入透平机。

为了检测低沸点组分的汽化程度，使汽化过程得以控制，在蒸发器中设置有由标号33代表的温度和压力传感器。当传感器33所测温度和压力表明，较低沸点组分已从蒸发器内的液体中排出时，阀V₁关闭，V₇打开，使此时产生的蒸汽通过管路进入冷凝器24中。

进入冷凝器的蒸汽与排出蒸发器的蒸汽，具有大致相同的温度和压力。冷凝器24的作用是将汽化的工质冷凝成液体。首先被冷凝成液体的部分是沸点较高的组分，这些组分通过打开阀V₃经由管道储入储存油箱34内。通过用标号35所示的传感器监视温度和压力，来确定阀V₃的关闭时刻。当V₃关闭时，设备可以进入运行状态。就是说，阀V₁、V₂、V₃、V₄、V₅和V₇都关闭，通过蒸发器，透平机及冷凝器进行循环的工质，是原来存于补充油箱30中的碳氢化合物中的中等沸点组分。

为了使设备有效地工作并产生额定功率，可以调节蒸发器和冷凝器的温度和压力，从而产生所需要的流量。这些参数是通过传感器33和35测量的，所测值输入到控制单元36中。控制单元可以是被控制来操纵系统中的各种阀门的计算机。流体从储存油箱32和34经由阀门进入系统，而系统在工作过程中调节温度和压力使动力设备的电输出达到最佳值。这样的工作过程可能在夏天或冬天，例如环境温度变化的条件下进行，此时冷凝器中冷却介质如水或空气的温度也随之变化。这样的工作过程类似于美国3842593号专利中所述的工作过程，因而本发明引入其主题做为参考。这样，例如在夏天，环境温度升高，随之引起冷凝器中的冷却介质的温度升高，从而使较多的高沸点组分进入到工作系统。另一方面，例如在冬天，环境温度降低导致冷凝器中的冷却介质温度降低，从而使较多的低沸点组分进入了工作系统。

做为上述方案的变换或增补方案，可以采用图2所示的设计方案。在该方案中，在透平机的入口段装置了一组相互独立的喷嘴51、52、53，它们通过各自的控制阀V_a、V_b、V_c从蒸发器中获取工质。这些阀受控于控制单元36，使进入透平机的百分吸入量控制在保证设备的输出为最佳值的水平上。

做为另一种选择方案，也可以采用图3所示的方案。其中，在透平机的入口段22B处设置一列喷嘴51B，用以输送由蒸发器12产生的蒸汽。由22B排出的蒸汽经由一列喷嘴51C进入到透平机的下一段22C。由22C排出的蒸汽经由一列喷嘴51D进入到段22D。喷嘴51B、51C和51D的排出角度是可调的，这些角度分别由控制器36B、36C和36D设定，以便控制压力降，从而控制在各个阶段的工质的流量。

尽管图示的动力设备的热源是燃烧燃料的燃烧器，但本发明也可采用其它类型的热源，例如地热液体。

由以上对本发明最佳实施例的描述，可以明显地看出本发明所具备的优点及改进效果。在本发明的主题下及权利要求限定的范围内，还可以包括多种变化及改进。