高效发电装置、制冷/热泵装置及其方法和系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于对输出自能量提取设备（例如涡轮机）的热或能量进行再循 环的系统和方法。更特别地，本发明涉及用于产生机械功或其他形式能量的热引擎和发电 站。更为特别地，本发明涉及用于从多种相对低到高温的能源产生电能的发电装置和方法， 所述发电装置和方法通常在闭合热力循环内运行。
[0002] 本发明同样涉及一种用于运行热泵的制冷循环的系统和方法。
【背景技术】
[0003] 目前从热能发电的电力发电站主要基于闭合回路朗肯循环、使用热引擎和系统、 利用水作为工作介质。在这样的发电站中，通过燃烧燃料或者执行和控制核反应来产生对 锅炉中的增压水进行加热的热能，该热能还经过相变过程并产生高压且高温水蒸汽。蒸发 的高压气体工作介质被进一步过度加热到更高的温度并接着被提供到涡轮机并且使其通 过涡轮机膨胀以释放热能及产生机械功。留在涡轮机内的在低压且低温耗费的工作介质在 冷凝器内凝结，在此期间其经过相变过程以形成液态水。上述的凝结步骤在传统的热引擎 功能中是必要的，通过该步骤，液态水能够被高效地泵送和加压以再循环回到锅炉内，从而 将被再次蒸发以完成并重复热引擎的闭合回路热力循环（朗肯循环）。
[0004] 传统发电站中对凝结阶段的需求会导致所燃烧的燃料的重要很大一部分热 能损失，该部分热能用于加热和蒸发工作介质并且损失于冷却剂（例如用于冷却冷凝 器的海水、或河水、或空气）。此外，传统的发电站使用非常高的燃料燃烧温度（超过 12731((1000°〇)在非常高的压力下（超过6.0010^)和在超过7501((480°〇的温度下蒸发 工作介质。发电站在这样高的温度和压力下运行需要这些发电站被构建强劲。
[0005] 采用朗肯循环运行的发电站的效率通常较低，特别是那些使用低阶（温）能源的 发电站，并且其效率同样比相对理论性的卡诺循环低出很多。虽然目前运行的传统发电站 在持续发展之中、高度可靠并且能够产生持续的电力，然而，很多相关的不利因素和环境要 求也会导致在每千瓦功率上耗费更高的初始投资成本。
[0006] 现有技术（例如"KalinaCycle"（1984年12月25日的美国专利No. 4, 489, 563) 以及发电领域的一些其他专利）同样描述了采用低温和高温能源的其他热引擎和发电站 方法。这些系统通常使用多组分液体（例如氨水混合物）作为工作介质。虽然这些系统能 够在就温度和压力来说更为恶劣的条件下运行，与相关的理论卡诺循环甚至是朗肯循环相 t匕，其特点是热效率相对较低。其原因主要在于用来冷却和凝结工作介质所消耗蒸汽的冷 却剂的动力循环运行所需的很大一部分热能损失，这是不可避免的。
[0007] 由此，发明人认为提供一种能够以较采用朗肯循环运行的、主要以水作为工作介 质的传统发电站更低的工作介质沸点（例如氨）运行的、但在近似的或甚至更高的涡轮机 蒸汽和气压下运行的热引擎系统是有益的。发明人还理解，人们还希望该热引擎还能够在 对用于采用冷却剂将耗费的工作介质的凝结潜热排出到外界环境的最小需求下运行、或者 更佳地希望该热引擎能够在不需要将传统动力循环的凝结步骤的凝结潜热排出到外界环 境的情况下运行。
[0008] 本发明的实施方式试图提供一种热引擎系统，该系统能够对发电的一些有利的原 理和标准进行结合，同时发明人的最终目的和目标是提高热引擎的效率以及从用于运行发 电站的能量中产生更多的功和电力。
[0009] 本发明的实施方式能够利用从超过673K(400°C)的高温到低阶温度（例如大约 403K(130°C)的地热能的温度以及发电站消耗能量（凝结）或超过5°C的任意温度的海水 或河水）的多个热能源（从化石燃料的燃烧获得）。由此，本发明的实施方式可包括能够处 理生成的热能和产生的电力的设施（facility)以及能够部分地或完全地对所提到的热引 擎的热力循环边界内的工作液体的凝结潜热进行保留和再循环的设施。被再循环的热接下 来能够补充生成的能量以蒸发将被供给动力涡轮机的更多的工作介质并且产生更多的能 量及提高新热引擎的效率。
【发明内容】
[0010] 本发明的范围应参考所附权利要求来界定。
[0011] 根据本发明的一个方面，描述了一种用于对热引擎的工作介质的热或能量进行再 循环以用于产生机械功或其他形式能量的系统。该系统包括热交换装置（204)，用于将热 从输出自能量提取设备（202)的工作介质转移到加热剂以蒸发加热剂；第二热交换装置 (240)，用于将更多的热转移到蒸发后的加热剂；与第二热交换装置（240)耦合的加压装置 (231)，被布置为对被进一步加热的加热剂进行加压；以及第三热交换装置（211)，用于将 热从加压后的加热剂转移到工作介质。所述第二热交换装置可将更多的热从输出自第一热 交换装置的加热剂转移到蒸发的加热剂。
[0012] 上述步骤的益处在于不需要大量单独的加压阶段和撤出（withdrawal)设施以使 工作介质在每一个这些阶段的结束部分凝结，同时利用凝结能量的全部量而不是将其排出 到系统之外。
[0013] 在某些实施方式中，使用了热交换。通常地，每一热交换器具有第一输入、第二输 入、第一输出和第二输出。本发明的实施方式应用了热引擎来产生机械功，包括如前所述的 能量再循环系统。所述热引擎可包括涡轮机（单级或多级涡轮机）以用于产生机械功。输 出自能量交换设备的工作介质可称为耗费的工作介质，即，仅包括蒸汽或汽液阶段。
[0014] 对蒸发后的加热剂的进一步加热可被称为对加热剂的过度加热。在某些方面，可 以提供单一热交换装置而非包含热交换装置和第二热交换装置。
[0015] 在本发明的另一方面，描述了一种高性能热泵，该热泵可使用诸如正辛烷的加热 齐U。所述加热剂可以是制冷剂。
[0016] 作为本发明实施方式的热泵与现有技术的热泵相比可具有改进的性能系数 (CoP)。所述性能系数可被定义为输入的每单元功的递送到热源的能量。
[0017] 举例来说，在相似的温度条件下，与具有大约为1. 5的CoP的传统热泵相比，本发 明的实施方式所具有的CoP大约为8。
[0018] 与具有最多45%的效率的传统发动机相比，作为本发明实施方式的热引擎的效率 在55%至57%的范围内。
[0019] 本发明实施方式使用的工作液体可以是任意具有适当的热力特性的材料，例如 氨、氨水混合物等等。能量保留和再循环材料（加热剂）同样可以是任意具有适当的热力 特性的材料，例如正庚烷、异辛烷、戊胺、甲酸丁酯等等。
[0020] 纯氨和氨水混合物具有适当的热力特性，并且（作为一个实例）已被选定为本发 明实施方式的工作液体，同时正辛烷具有适当的热力特性并且（同样作为一个实例）已被 选定为本发明实施方式的能量保留和再循环系统的加热剂液体。
[0021] 在某些实施方式中,采用了两种液体和两种工作回路以用于能量保留和再循环。
[0022] 此外，某些实施方式通过吸收耗费的工作介质的能量（甚至在非常低的温度（例 如低于TC))、并且优选地通过将所吸收的消耗的能量的温度提升到将被使用的非常高的 热源温度、优选地重复进行、来再循环消耗工作液体的总能量，以蒸发工作介质并产生能 量。
[0023] 某些实施方式包括热交换器256,并且从非常低的热源温度源吸收能量到所述系 统中，并且将能量的温度提升到高热源温度并从其产生电力。
[0024] 某些实施方式在将加热剂供给加压器之前，对加热剂进行过度加热，以最小化每 加热剂单元重量的功和能量需求。
[0025] 本发明的实施方式适用于任意生成消耗的热并且将再循环和保留消耗的热的系 统。
[0026] 某些实施方式采用相对低的温度源工作，例如耗费的工作介质，甚至在非常低的 温度（7°C以下）工作。本发明的实施方式可包括两个集成回路，所述两个集成回路可包括 功并且优选地为发电回路；以及能量再循环和保留回路。
[0027] 本发明的实施方式由此可对消耗的能量进行再循环从而将其保留在热力循环之 内。
[0028] 本发明的主要特征和特性在于包括热保留和再循环系统，该系统从功生成设备吸 收耗费的工作介质的凝结潜热并且增加潜热的温度且将所吸收的热再循环回到热引擎内。 这可以通过蒸发热交换器中的加热剂来实现，其中吸收了耗费的工作介质的凝结的所释放 的潜热。蒸发的加热剂优选地被过度加热并且供给加压器，该加压器对其进行加压并增加 加热剂蒸发的相对温度。高温加热剂被供给热交换器，该热交换器对加压后的液态工作介 质进行加热和蒸发。耗费的工作介质的被再循环的热被添加到新生成的热中以蒸发更多的 工作介质并且产生更多的机械功及改善所述系统的效率。在将被再循环的热释放到工作介 质之后，加热剂凝结并冷却，并且被减压和供给回热交换器以吸收耗费的工作介质的潜热， 重复所述热再循环回路。由此，热保留和再循环系统在闭合回路（第一回路）内运行并且 以持续的方式重复热再循环过程。
[0029] 来自新的和再循环的能源的蒸发的工作介质优选地被进一步过度加热并且供给 机械功生成设备，该机械功生成设备中该工作介质膨胀并产生机械功，并且在所述设备的 出口处变为耗费的工作介质。耗费的工作介质接着在热交换器中通过蒸发液体加热剂而凝 结，并且凝结的工作介质通过泵被加压以供给回热交换器，在热交换器中该工作介质通过 被再循环的和新的热能被加热并蒸发，重复该循环。由此，机械功生成系统同样在闭合回路 (第二回路）中运行。
[0030] 所提到的生成热引擎的新机械功（以及能量）由此包括用于至少两（2)个运行的 闭合回路的运行设施，所述闭合回路能够从外界接收能量并且以某种方式交互以构成闭合 热力循环以及产生能量，并且所述闭合回路为：
[0031]-机械功和能量（电力）生成回路，
[0032]-能量保留和再循环回路，
[0033] 此外，所述两个回路中的每一个都能够依次包括多于一个全相运行（full operating)闭合子回路，所述全相运行闭合子回路内部交互以完成所述主回路的最终功能 与作用。每一回路或子回路能够将单组分或多组分材料用作其工作液体（介质）以完成和 实现发电或能量保留和再循环的目的。
[0034] 采用单组分工作介质的本发明的一个方面根据图3所示的实施方式进行描述，并 且采用多组分工作介质版本的本发明的一个方面在图4中示出。这两种版本（改动）的 实施方式在构建的大多数方面和所涉及的运行设施中都是类似的，但是仍然存在细微的区 另IJ，这些区别会酌情加以提及和描述。这些细微的区别可能无法保证针对每一工作介质类 型在发明周期中具有单独的名称，针对单组分或多组分工作介质被命名为"AtallaHarwen Cycle，'、"AtallaHarnessingandRecyclingWasteandWaterEnergyCycle(Atalla治 理与再循环耗费和水能循环）"。
[0035] 用于产生净电力的交互的两个回路的实施方式的特征和功能是通过慎重选择发 电工作介质的适当材料和能量保留和再循环加热剂以及相应的适当的技术设施和两个环 路的运行条件而得以完成的。尽管如此，由于需要完成不同的功能并且在该报告的章节中 进行描述，用于能量保留和再循环回路的加热剂的适当的热力特性将与用于机械功和发电 的工作介质的适当的热力特性形成对比。
[0036] 每一回路都具有与其他回路接头的设施，主要用于在工作介质液体与能量保留和 再循环加热剂之间交换热能量，并且某些特定专用的附属设施用于完成所述回路的其他所 需特定功能，并且在详细描述的章节中进行说明。
[0037] 在该
【发明内容】
中，描述了在图3中示出的本发明采用单组分工作介质的方面，在 此阶段并未强调所述系统的特定功能属于独立运行回路。
[0038] 根据本发明的一个方面，提供了一种用于生成机械功或其他形式能量的热引擎， 该热引擎包括用于第一阶段或改进制冷和凝结成液体、将由所述发动机生成的消耗（耗 费）的工作介质（WM)蒸发成机械功产物的装置。如果使用，消耗工作介质还产生自能量保 留和再循环系统加压器（加热剂）的涡轮机及过度加热涡轮机及高压液体氨泵涡轮机。所 有这些消耗的氨流的运行条件都被控制以使得这些消耗的氨流在比压下混合在一起以用 于后续工序。消耗的氨流的凝结以某种方式实施以使得只有最少量的潜热能量或者更佳地 没有潜热能量被排出到运行的热力循环的外界环境之中。上述过程可以通过使用或促使液 体加热剂正辛烷在冷凝器的热交换表面的另一面蒸发并且吸收工作介质凝结潜热来实现。
[0039] 凝结的工作介质被供给到存储罐中，从所述存储罐撤出凝结的工作介质并在发电 涡轮机入口处经由泵将其加压到高压高温工作介质所需的压力。加压后的液态工作介 质逐渐被加热并且由于逆流方向正辛烷凝结潜热的作用、能量保留和再循环回路（热泵） 的加热剂、在显著升高的温度下在一系列热交换器中被部分蒸发或全部蒸发。
[0040] 如果未在热交换器中被全部蒸发，所述工作介质的汽液混合物接着被供给到闪蒸 罐或柱以将高压且高温蒸汽从液体中分离。闪蒸罐中的高压单组分工作介质的蒸发温度为 恒定