专利名称：用于将低温热源的热能转化为机械能的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及如权利要求1或者权利要求5前序部分所述的一种用于将低温热源的 热能转化为机械能的方法和装置。这样一种方法或者这样一种装置例如由US 7，093，503 Bl公开。
背景技术：
为了利用低温热源，例如地热源、气态的、蒸汽态的或者液态的废热源或者太阳能 的热能，已知在循环中，工作介质不通过热源蒸发，而是只加热。通过取消蒸发可以利用通 常对于工作介质的蒸发必需的热能，例如可以加热明显较高的工作介质质量流。由此对在 小于400°C的温度范围内的低温源可以实现相对具有工作介质的蒸发的循环明显的效率优
点ο在由US 7，093，503 Bl公开的循环中，在第一步骤中液态的工作介质利用泵获得 提高的压力。在第二步骤中，该压力提高的、液态的工作介质在热交换器中通过从低温源传 导热而被加热，但是不蒸发它。在第三步骤中，该加热过的、液态的工作介质在两相涡轮机 中膨胀，其中通过工作介质的部分蒸发产生一种膨胀的、部分蒸发的、具有液相和蒸汽相的 工作介质，并且工作介质的热能被转化为机械能。该两相涡轮机为此直接在它的入口处具有喷嘴，工作介质在该喷嘴中通过体积变 大从较高的入口压力膨胀到较小的出口压力，由此工作介质部分蒸发。由此产生的水_蒸 汽射流被引导到涡轮机的涡轮机叶片上，通过它将水-蒸汽射流的动能转化为转子轴的机 械能。该转子轴又与发电机连接，通过它将转子轴的机械能转化为电能。离开涡轮机的两相的工作介质接着被输送到冷凝器。然后在该冷凝器中在第四步 骤中将所述膨胀的、部分蒸发的工作介质的蒸汽相冷凝并且由此产生开始所述的液态的工 作介质。该工作介质被输送到已经提及的泵并且由此封闭该循环。在图2中示出的T-S曲 线图描述了在这种情况下进行的循环过程。在此SL表示沸点线，TL表示露点线并且K表 示工作介质的临界点。工作介质沿着沸点线SL从A点直到B点在临界点K附近被加热，从 B点向C点在部分蒸发的情况下膨胀，并且从C点向A点冷凝。由WO 2005/031123 Al此外已知，离开两相涡轮机的两相混合物被输送到分离器， 以将蒸汽相与液相分离。于是蒸汽相在蒸汽涡轮机中继续膨胀，以产生附加的机械能。离 开蒸汽涡轮机的膨胀的蒸汽被输送到冷凝器，在那里冷凝并且接着借助于泵获得提高的压 力并且然后与在分离器中分离的两相混合物的液相汇流。于是由此产生的工作介质流借助 另一个泵泵入热交换器中，在那里它通过热传导被低温源加热。由此该冷凝器仅仅被输入 蒸汽涡轮机的废蒸汽，而不是两相涡轮机的两相混合物。该循环尽管通过非常好的效率出 色，但是也具有明显较高的复杂性和投资成本。对一种由EP 0 485 596 Al已知的循环，同样仅加热过的液态的，也就是说没有蒸 发的工作介质被输送到膨胀装置并且在那里部分蒸发。离开该膨胀装置的水_蒸汽混合物 然后被输送到分离器，它仅仅用于测量在蒸汽中的液态份额。
如果在开始说明的循环中，将离开涡轮机的两相混合物输送到冷凝器，则可能由 于液态组成部分导致冷凝器的腐蚀，由此缩短了冷凝器的寿命。
发明内容
因此本发明的任务是，这样改进一种根据权利要求1前序部分的方法和一种根据权利要求5前序部分的装置，即能够可靠地防止冷凝器的腐蚀，而不明显提高循环的复杂 性。根据本发明的方法规定，对于膨胀的、部分蒸发的工作介质直接在冷凝器之前将 液相与蒸汽相分开。只有蒸汽相被输送到冷凝器来冷凝。冷凝的蒸汽相(随后是液相)和 分离的液相在冷凝器之后，但是在步骤1之前，也就是说，在液态的工作介质的压力提高之 前汇流，以产生所述液态的工作介质。该液相由此绕过冷凝器，由此可以防止冷凝器的腐 蚀。为此仅需要用于将液相与蒸汽相分离的分离器、用于引导液相绕过冷凝器的旁通管以 及用于将(分离的)液相和冷凝的蒸汽相(随后是液相)汇流的汇流装置。循环的复杂性 由此仅不明显地提高。在膨胀后，工作介质的液相在蒸汽相中的液滴大小取决于工作介质的压力在冷凝 器中。工作介质在冷凝器中以及由此在膨胀装置的出口处的压力越高，液滴越小。液滴越 小，由液滴引起的腐蚀危险也越小。不过在另一方面，随着工作介质在冷凝器中以及在膨胀 装置的出口处的变大的压力，会使由膨胀装置的热能转换产生的机械能下降。因此优选工作介质的压力在冷凝时调整到最优值，该最优值在工作介质的液相在 蒸汽相中的液滴大小尽可能小与在步骤3中产生尽可能大的机械能之间。由此有针对性地 减小产生的机械能，以避免冷凝器的腐蚀。不过由于工作介质通过低温热源被加热来代替 蒸发，产生巨大的效率优点，相对传统的使工作介质通过低温热源蒸发的循环而言，实现明 显的效率优点。按照根据本发明的方法的一种特别有利的方案，冷凝的蒸汽相(随后是液相)和 (分离的)液相在工作介质储存器中进行汇流。因为这样一种储存器在很多循环中总归是 存在的，可以取消用于两个相汇流的附加部件。如果该低温源具有小于400°C的温度，在这种情况下可以实现特别好的效率。根据本发明的装置具有用于将所述膨胀的、部分蒸发的工作介质的液相与蒸汽相 分离的分离器，其中该分离器在工作介质的流动方向上直接布置在冷凝器之前。汇流装置 用于将所述膨胀的、部分蒸发的工作介质的(分离的)液相与冷凝的蒸汽相(随后是液相) 汇流，其中该汇流装置在工作介质的流动方向上布置在泵之前。分离器与冷凝器连接，以将 蒸汽相输送到冷凝器。汇流装置与分离器连接，用于将(分离的)液相输送到汇流装置，并 且与冷凝器连接，用于将冷凝的蒸汽相(随后是液相)输送到汇流装置。对于根据本发明 的方法所述的优点相应地适用于根据本发明的装置。优选工作介质的压力在冷凝器中调整到最优值，该最优值在工作介质的液相在蒸 汽相中的液滴大小尽可能小与可在膨胀装置中产生尽可能大的机械能之间。根据一种特别有利的方案，汇流装置是工作介质储存器。在膨胀装置中，为了使加热过的工作介质膨胀，在工作介质的流动方向上相继布 置有喷嘴和涡轮机是有利的。在喷嘴中，工作介质可以通过体积变大从较高的入口压力膨胀到较小的出口压力，由此工作介质部分蒸发。然后由此产生的水-蒸汽射流可以引导到 涡轮机的涡轮机叶片上，通过它将水-蒸汽射流的动能转化为转子轴的机械能。也可以在 涡轮机的入口处例如以环形结构布置多个喷嘴，代替一个唯一的喷嘴，它们可以平行地被 工作介质流过。在此该喷嘴和涡轮机也可以构成一个唯一的结构单元，也就是说，喷嘴直接布置 在涡轮机的入口上。
本发明以及根据从属权利要求的特征的本发明的其它有利的方案在下面借助实 施例在附图中详细说明。图中示出图1在简化的示意图中示出了根据本发明的装置的线路，图2示出了由现有技术已知的循环的T-S曲线图，其中工作介质通过低温源加热 (不蒸发)，
具体实施例方式根据本发明的用于将低温热源的热能转化为机械能的装置1具有热力学的循环， 在该循环中在工作介质的流动方向上相继布置有热交换器2、膨胀装置3、分离器7、冷凝器 8、冷凝水箱9形式的工作介质储存器和泵10。对低温热源涉及一种具有小于400°C的温度的热源。例如对这种热源是地热源 (热的地热水)、工业废热源(例如钢铁、玻璃或者水泥工业设备的废热)以及太阳能。对小于300°C的温度例如使用R134型冷却剂作为工作介质，并且对高于300°C的 温度例如使用R245型冷却剂作为工作介质。泵10用于将液态的工作介质泵到提高的压力。热交换器2用于加热该循环的压力提高的、液态的工作介质，即通过将热从低温 热源20传导到工作介质上，而不蒸发工作介质，也就是说，工作介质在热交换器2中只被加 热而不被蒸发。热交换器为此在它的初级侧被低温热源20，例如热的地热水流过，并且在它 的次级侧被压力提高的工作介质流过。导管11将热交换器2的次级侧与膨胀装置3连接。 工作介质在热交换器2的次级侧的出口处在进入导管11时继续处于液态。膨胀装置3用于使加热过的液态的工作介质膨胀，其中在膨胀装置3中通过加热 过的液态的工作介质的部分蒸发，可以产生具有液相和蒸汽相的、膨胀的部分蒸发的工作 介质，并且可以将加热过的液态的工作介质的热能转化为机械能。膨胀装置3为此具有喷 嘴4和涡轮机5，它们在工作介质的流动方向上相继布置。该喷嘴和涡轮机可以在这种情况 下构成一个唯一的结构单元，也就是说喷嘴4直接布置在涡轮机5的入口处。也可以在涡 轮机5的入口处例如以环形结构布置多个喷嘴4代替一个唯一的喷嘴4，它们可以平行地被 工作介质流过。涡轮机5在出口侧通过导管12与分离器7连接。分离器7用于将在膨胀装置3 中部分蒸发的工作介质的液相与蒸汽相分离。分离器7在工作介质的流动方向上直接布置 在冷凝器8之前并且通过导管13与冷凝器8连接，用于将蒸汽相输送到冷凝器8，并且通过 导管14与冷凝水箱9连接，用于将液相输送到冷凝水箱9。
冷凝器8用于通过使部分蒸发的工作介质冷凝产生所述液态的工作介质。冷凝水箱9用于将所述部分蒸发的工作介质的液相和冷凝的蒸汽相(随后是液 相)汇流。冷凝水箱9在工作介质的流动方向上布置在冷凝器8之后并且在泵10之前，并 且通过导管14与分离器7连接以输送液相，并且通过导管15与冷凝器8连接，用于将冷凝 的蒸汽相输送到冷凝水箱9。在装置1工作时，在第一步骤中，液态的工作介质从冷凝水箱9中通过泵10获得 提高的压力并且泵到热交换器2中。在第二步骤中，压力提高的、液态的工作介质在热交换器2中通过将热 从在初级 侧流过热交换器2的低温热源20传导到工作介质上实现加热，而不使它蒸发。在第三步骤中，加热过的、液态的工作介质在膨胀装置3中膨胀，其中该工作介质 部分蒸发并且它的热能被转化为机械能。通过膨胀装置3由此产生具有液相和蒸汽相的、 膨胀的部分蒸发的工作介质。为此通过导管11输送到喷嘴4的加热过的、液态的工作介质 在喷嘴4中膨胀并且由此部分蒸发。由此产生的水_蒸汽射流的动能在涡轮机5中转化为 转子轴的机械能并且由此驱动发电机6，它又将机械能转化为电能。在第三步骤中产生的并且离开涡轮机5的膨胀的、部分蒸发的工作介质以两相混 合物的形式(蒸汽相/液相)通过导管12输送到分离器7，在它里面将两相混合物的蒸汽 相与液相分离。只有蒸汽相通过导管13输送到冷凝器8。蒸汽相在冷凝器8中通过冷却，例如通 过直接冷却、空气冷却、混合冷却或者水冷却冷凝并且冷凝的蒸汽相(随后是液相)通过导 管15输送到冷凝水箱9。分离的液相相反通过导管14绕过冷凝器8并且在此之后，但是仍然在泵10之前， 并且由此在第一步骤之前，与冷凝的蒸汽相(随后是液相)在冷凝水箱9中汇流。液态的工作介质从冷凝水箱9中借助泵10获得提高的压力并且泵入热交换器2 中，由此封闭该循环。通过离开涡轮机5的两相混合物的液相与气相在分离器7中的分离，以及接下来 液相绕过冷凝器8直接引导到冷凝水箱9中，可以防止冷凝器8的腐蚀。工作介质的压力在冷凝器8中在这种情况下调整到最优值，该最优值在工作介质 的液相在蒸汽相中的液滴大小尽可能小和在膨胀装置中产生尽可能大的机械能之间。由此 还可以进一步减小冷凝器的腐蚀。
权利要求
用于将低温热源(20)的热能在封闭的循环中转化为机械能的方法，包括下面的步骤-步骤1提高液态的工作介质的压力，-步骤2通过将热从低温热源(20)传导到工作介质上，在没有工作介质蒸发的情况下，加热所述压力提高的、液态的工作介质，-步骤3使所述加热过的、液态的工作介质膨胀，其中通过部分蒸发工作介质，产生具有液相和蒸汽相的、膨胀的部分蒸发的工作介质，并且将所述工作介质的热能转化为机械能，-步骤4使所述在步骤3中产生的蒸汽相在冷凝器(8)中冷凝，用于产生步骤1的所述液态的工作介质，其特征在于，-所述在步骤3中产生的膨胀的、部分蒸发的工作介质直接在冷凝器(8)之前将液相与蒸汽相分离，-只有所述蒸汽相被输送到冷凝器(8)，-所述冷凝的蒸汽相和液相在冷凝器(8)之后，但是在步骤1之前汇流，以产生所述液态的工作介质。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述工作介质的压力在冷凝器(8)中被调 整到最优值，该最优值在工作介质的液相在蒸汽相中的液滴大小尽可能小与在步骤3中产 生尽可能大的机械能之间。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述冷凝的蒸汽相和液相在工作介质储 存器(9)中汇流。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述低温源具有小于400°C 的温度。
5.用于将低温热源(20)的热能在封闭的循环中转化为机械能的装置(1)，包括 -泵(10)，用于提高液态的工作介质的压力，-热交换器(2)，用于通过将热从低温热源(20)传导到工作介质上，在没有工作介质蒸 发的情况下，加热所述压力提高的、液态的工作介质，-膨胀装置(3)，用于使所述加热过的、液态的工作介质膨胀，其中在膨胀装置(3)中， 通过工作介质的部分蒸发，能产生具有液相和蒸汽相的、膨胀的部分蒸发的工作介质，并且 能将所述工作介质的热能转化为机械能，-冷凝器(8)，用于冷凝所述部分蒸发的工作介质的蒸汽相，以产生所述液态的工作介质，其特征在于，_分离器(7)，用于将所述膨胀的、部分蒸发的工作介质的液相与蒸汽相分离，其中分 离器(7)在工作介质的流动方向上直接布置在冷凝器(8)之前，并且与冷凝器(8)连接，以 将蒸汽相输送到冷凝器(8)，-汇流装置(9)，用于使所述部分蒸发的工作介质的液相与冷凝的蒸汽相汇流，其中该 汇流装置(9)在工作介质的流动方向上布置在泵(10)之前，并与分离器(7)连接，以输送 液相，并且与冷凝器(8)连接，以将冷凝的蒸汽相输送到汇流装置(9)。
6.根据权利要求5所述的装置(1)，其特征在于，所述工作介质的压力在冷凝器(8)中 被调整到最优值，该最优值在工作介质的液相在蒸汽相中的液滴大小尽可能小和能在膨胀 装置(3)中产生尽可能大的机械能之间。
7.根据权利要求5或6所述的装置(1)，其特征在于，所述汇流装置(9)是工作介质储存器。
8.根据权利要求5至7中任意一项所述的装置(1)，其特征在于，在所述膨胀装置(3) 中，在工作介质的流动方向上相继布置有喷嘴(4)和涡轮机(5)。
9.根据权利要求5至8中任意一项所述的装置(1)，其特征在于，所述喷嘴(4)和涡轮 机(5)构成唯一的安装单元。
10.根据权利要求5至9中任意一项所述的装置(1)，其特征在于，所述低温源具有小 于400°C的温度。
全文摘要
本发明涉及一种用于将低温热源(20)的热能在封闭的循环中转化为机械能的方法和装置(1)，其中液态的工作介质通过从低温热源(20)传导热而被加热，并且在膨胀装置(3)中部分蒸发，可以由此防止用于冷凝所述部分蒸发的工作介质的冷凝器(8)腐蚀，其中对于部分蒸发的工作介质，直接在冷凝器(8)之前将液相与蒸汽相分离，只有蒸汽相被输送到冷凝器(8)以进行冷凝，并且接着将冷凝的蒸汽相与液相汇流。
文档编号F01K25/04GK101842557SQ200780101291
公开日2010年9月22日 申请日期2007年11月9日 优先权日2007年8月31日
发明者J·伦格特, K·鲁斯兰, M·伦格特, N·韦因伯格 申请人:西门子公司