用于设备的工作流体，用于将热量转换为机械能的设备和方法
【专利摘要】本发明的实施方式涉及用于设备的工作流体，用于将热量转换为机械能的设备和方法。公开了一种用于将热量转换为机械能的设备(4)的工作流体(6)。该工作流体(6)包括具有在1巴的压力下处于30和250℃之间的范围中的沸腾温度，以及在该流体的液相(7)中分散或悬浮的纳米颗粒(8)。所述纳米颗粒(8)被机能化为冷凝和/或沸腾核并且所述纳米颗粒(8)的表面适于支持冷凝和/或沸腾。
【专利说明】
用于设备的工作流体，用于将热量转换为机械能的设备和方法
技术领域
[0001]本公开内容涉及一种用于将热量转换为机械能的设备的工作流体，一种用于将热量转换为机械能的设备以及一种用于将热量转换为机械能的方法。
【背景技术】
[0002]如今的大部分电能是通过利用用于创建机械工作的热力循环而生成的。卡诺(Carnot)循环是尼古拉斯.伦纳德.萨迪.卡诺所提出的一种理想的理论热力循环。该理论循环为用于将给定数量的热量转换为两个储热器(thermal reservoir)之间的工作的任何热力循环的效率设定了上限。两相工作流的循环是兰金(Rankine)循环。威廉姆.J.M.兰金提供了蒸汽发动机的基本热力学基础，其被认为实际上是两相工作流体的卡诺循环，因为T-s图类似于卡诺循环。主要差异在于，(在锅炉中的)供热和(冷凝器中的)排热在兰金循环中是等压的、而在理论上的卡诺循环中是等温的。栗对从冷凝器所接收的工作流体进行加压，通过循环栗送工作流体中的所有能量都被损失，就像锅炉中所有的蒸发能量都在冷凝器中被排出一样。栗送液体工作流体要求大约1-3 %的涡轮功率。兰金循环的效率被工作流体和设备材料所限制。进入到涡轮之中的蒸汽入口温度为?565°C并且冷凝器温度为?30 °C。这针对现代多级发电站给出了理论上?63 %的卡诺效率以及42 %的实际效率，21%主要在锅炉和冷凝器中损失用于对抗压力下的膨胀工作以及由于在沸腾和冷凝中的热梯度。尽管许多工作流体能够被使用，但是水由于其无毒、无反应、充足、低成本并且具有良好的热力学特性而被选择作为流体。当利用有机工作流体来实施兰金循环时，其通常被称为有机兰金循环(Organic Rankine cycle，0RC)o
[0003]传统的兰金发动机具有四个离散组件:锅炉、膨胀设备、冷凝器和栗。此外，传统的兰金发动机涉及气相和液相之间的相变。兰金循环最为突出的特征是将锅炉和冷凝器从膨胀设备分离、并且避免工作流体在膨胀设备中从液体到气体的变化这一相变。传统的兰金发动机的效率是有限的，因为它们无法利用由于相变过程和由于无需重新加热的绝热膨胀过程以及由于热源、工作流体和散热片之间的温度梯度所引起的体积增加。将进行加热和冷却的热交换器与膨胀设备进行分离的主要原因是体积的不相容性。这意味着热交换器的体积明显大于膨胀设备。小的温度梯度对于低阶热源明显更为重要，这是因为它们与高阶转换过程相比触发了更大得多的相对效率损失。
[0004]文献US8166761B2公开了针对兰金循环的可替换循环，其具有更高的能量效率。
【发明内容】
[0005]因此，本公开的一个方面是提供一种用于将热量转换为机械能的设备的有所改进的工作流体，其允许较小体积中的沸腾和冷凝以及更大体积中的膨胀并且其允许更高的整体效率
[0006]本公开的另一个方面是提供一种用于将热量转换为机械能的有所改进的设备。
[0007]本公开的又一个方面是提供一种用于将热量转换为机械能的有所改进的方法。
[0008]因此，公开了一种用于将热量转换为机械能的设备的工作流体。该工作流体包括具有在I巴的压力下处于30和250°C之间的范围的沸腾温度的流体，以及在该流体的液相中分散或悬浮的纳米颗粒。所述纳米颗粒被机能化为冷凝和/或沸腾核并且所述纳米颗粒的表面适于支持冷凝和/或沸腾。
[0009]根据该工作流的一个实施例，所述纳米颗粒的直径处于I和10nm之间，优选地处于I和50nm之间，并且更为优选地处于I和1nm之间。
[0010]根据该工作流的另外的实施例，该流体中的所述纳米颗粒的浓度处于体积的百分之0.0I至百分之I的范围之中，优选地处于体积的百分之0.05至百分之0.5的范围之中，并且更为优选地处于体积的百分之0.06至百分之0.14的范围之中。
[0011]根据该工作流的另外的实施例，所述纳米颗粒具有功能化表面，特别是亲水表面。
[0012]根据该工作流的另外的实施例，所述纳米颗粒包括氧化物单层和/或有机物单层。
[0013]另外，公开了一种用于将热量转换为机械能的设备。该设备包括根据所描述的工作流体以及适用于至少部分对该工作流体进行冷凝由此从该工作流体去除热量的流入冷凝器。包含在该工作流体中的所述纳米颗粒增加了总体冷凝表面以便提升并加速冷凝过程。该冷凝过程被实施为使得该工作流体的液-气混合物的一部分在所述纳米颗粒处冷凝。
[0014]根据该设备的实施例，进一步包括锅炉，其适于对该工作流体进行加热以便生成该工作流体的液-气混合物;和膨胀设备，其适于使该工作流体的液-气混合物进行膨胀。
[0015]根据该设备另外的实施例，该流入冷凝器设备包括用于从该工作流体去除热量的定子热交换器。
[0016]根据该设备另外的实施例，该流入冷凝器设备包括多个用于从该工作流体去除热量的定子热交换器，该定子热交换器关于该工作流体的流动方向而被串行布置。
[0017]根据该设备另外的实施例，进一步包括可移动元件，其被布置为使得该工作流体的液-气混合物至少部分将该工作流体的液-气混合物的内能和/或动能转换为与该可移动元件相关联的机械能。
[0018]根据该设备另外的实施例，该流入冷凝器设备包括多个用于从该工作流体去除热量的定子热交换器，所述多个定子热交换器关于该工作流体的流动方向而被串行布置，并且该可移动元件关于该工作流体的流动方向而被布置在该流入冷凝器设备的两个定子热交换器之间。。
[0019]根据该设备另外的实施例，该工作流体的液-气混合物以处于100%和80%之间、优选地处于99%和93%之间的蒸汽质量进入该流入冷凝器设备，和/或其中该工作流体的液-气混合物以处于60 %和40 %之间、优选地处于55 %和45 %之间的蒸汽质量离开该流入冷凝器设备。
[0020]根据该设备另外的实施例，该锅炉是通道流锅炉，该通道流锅炉具有至少一条适于加热工作流体以用于生成该工作流体的液-气混合物的通道，并且其中所述纳米颗粒用作用于在该至少一条通道内进行沸腾的成核位置。
[0021]另外，公开了一种用于将热量转换为机械能的方法。该方法包括以下步骤:
[0022]加热SI包括纳米颗粒的工作流体以用于生成该工作流体的液-气混合物；
[0023]使该工作流体的液-气混合物进行膨胀S2;
[0024]将该工作流体的液-气混合物的内能和/或动能转换S3为机械能;并且
[0025]使得该工作流体的液-气混合物至少部分地冷凝S4在流入冷凝器设备中，而使得冷凝至少部分地在作为冷凝核的所述纳米颗粒处开始。
[0026]该方法作为热力循环进行操作和/或该流入冷凝器设备中的冷凝大致上是等温的。
[0027]根据该方法的实施例，多个定子热交换器支持在该流入冷凝器设备中的冷凝期间的循环再冷却，以允许等温冷凝。
[0028]所给出的用于将热量转换为机械能的设备的工作流体、用于将热量转换为机械能的设备以及用于将热量转换为机械能的方法的某些实施例可以包括如以上或者下文中关于实施例所提到的单独或组合的特征、方法步骤或方面。
【附图说明】
[0029]在下文中，参考附图对工作流体、设备和方法的实施例进行描述。
[0030]图1在T-s图中示出了蒸汽兰金循环。
[0031]图2示出了根据实施例的用于将热量转换为机械能的设备的示意图。
[0032]图3示出了根据实施例的工作流体的示意图。
[0033]图4示出了根据另外的实施例的用于将热量转换为机械能的设备的示意图。
[0034]图5示出了根据图4的用于将热量转换为机械能的设备的示意性截面图。
[0035]图6不出了图5的部分I的放大视图。
[0036]图7示出了图5中所示的设备中的蒸汽质量的示意图。
[0037]图8在T-s图中示出了根据与图5所示类似的设备的经修改的热力循环。
[0038]图9示出了根据另外的实施例的用于将热量转换为机械能的设备的示意性截面图。
[0039]图10示出了根据实施例的用于将热量转换为机械能的方法的流程图。
[0040]如果没有以其它方式加以指示，则图中同样或功能相同的要素已经被指定以相同的附图标记。
【具体实施方式】
[0041]公开了一种用于将热量转换为机械能的设备的工作流体。该工作流体包括具有在I巴(bar)的压力下处于30和250°C之间的范围中的沸腾温度的流体，以及在该流体的液相中分散或悬浮的纳米颗粒。所述纳米颗粒被机能化为冷凝和/或沸腾核并且所述纳米颗粒的表面适于支持冷凝和/或沸腾。
[0042]由于该工作流体包括纳米颗粒，所以能够实现更小得多并且更为有效的用于将热量转换为机械能的整体设备。特别是总冷凝设备可以更小。纳米颗粒所辅助的冷凝允许使用流入冷凝器设备。工作流体在通过流入冷凝设备时至少部分地冷凝。这之所以是可能的是因为该工作流体中的纳米颗粒在该工作流体通过该流入冷凝器设备的同时增加了总体冷凝表面。这意味着该纳米颗粒用作该冷凝过程的成核位置。
[0043]该工作流体包括适于在热力循环中使用的流体。在热力循环期间，该工作流体可以被加压、膨胀、冷凝和/或压缩。另外，工作流体可以经历相变，特别是液相和气相之间的相变，反之亦然。例如，工作流体可以是水。然而，工作流体也可以是诸如甲醇、甲烷或戊烷之类的有机流体。在I巴的压力下，该流体的沸腾温度处于30和250°C之间的范围中，优选地处于65和200°C之间的范围中，并且更为优选地处于75和150°C之间的范围中。此外，纳米颗粒分布在流体中。在流体的液相中，纳米颗粒分散或悬浮于该流体之中。
[0044]根据工作流体的实施例，所述纳米颗粒的直径处于I和10nm之间，优选地处于I和50nm之间，并且更为优选地处于I和1nm之间。如果该纳米颗粒足够小，则它们并不会损坏设备的转子元件。如果该纳米颗粒小于lOOnm，则它们随气流而流动，并且并不会影响到叶片，因此将会发生的损坏更少得多。
[0045]根据该工作流体另外的实施例，流体中的所述纳米颗粒的浓度处于体积的百分之
0.01至百分之I的范围之中，优选地处于体积的百分之0.05至百分之0.5的范围之中，并且更为优选地处于体积的百分之0.06至百分之0.14的范围之中。纳米颗粒处于体积的百分之
0.01至百分之I之间的浓度适合于允许该工作流体在流入冷凝器设备中快速且有效的冷凝。
[0046]根据该工作流体另外的实施例，所述纳米颗粒具有功能化表面，特别是亲水表面。该纳米颗粒的功能化表面对于保持该纳米颗粒分离可以是有利的。亲水表面能够防止纳米颗粒在该流体中凝聚。
[0047]根据该工作流体另外的实施例，所述纳米颗粒包括氧化物单层和/或有机物单层。而且，该纳米颗粒的氧化物单层和/或有机物单层能够防止纳米颗粒在流体中凝聚。此外，冷凝和/或沸腾的效率能够被提高。
[0048]另外，公开了一种用于将热量转换为机械能的设备。该设备包括根据所描述的工作流体的工作流体、以及适用于至少部分地对该工作流体进行冷凝由此从该工作流体去除热量的流入冷凝器。包含在该工作流体中的所述纳米颗粒增加了总体冷凝表面以用于提升并加速冷凝过程。该冷凝过程被实施为使得该工作流体的液-气混合物的一部分在所述纳米颗粒处冷凝。
[0049]与用于将热量转换为机械能的常规发动机相比，用于将热量转换为机械能的设备能够在尺寸上有所减小，原因在于冷凝器和/或锅炉部分能够被制造得更小。纳米颗粒所辅助的冷凝允许使用流入冷凝器设备。工作流体在通过流入冷凝设备时至少部分地冷凝。这之所以是可能的是因为该工作流体中的纳米颗粒在该工作流体通过该流入冷凝器设备的同时增加了总体冷凝表面。这意味着该纳米颗粒用作该冷凝过程的成核位置。具体而言，膨胀设备由于低温/低压操作而更大。由于该纳米颗粒以及锅炉和冷凝器的流入配置明显更小，从而它们能够被包括在现在更大的膨胀设备中。
[0050]根据实施例，设备进一步包括锅炉，该锅炉适于对该工作流体进行加热以便生成该工作流体的液-气混合物;和膨胀设备，该膨胀设备适于对该工作流体的液-气混合物进行膨胀。该锅炉、膨胀设备和流入冷凝器设备的大小相配，并且因此能够被集成在组合的涡轮设备中。
[0051 ]锅炉可以适于提供液-气混合物。该液-气混合物可以包括该工作流体的液相和该工作流体的气相。另外，锅炉可以提供如下液-气混合物，其具有预定的该液-气混合物的气体或蒸汽的质量分数。该液-气混合物的气体的质量分数也被称作蒸汽质量。另外，该沸腾设备可以适于提供其中液相精细分散为多个小的微滴(droplet)的液-气混合物，这些微滴凭借它们的小尺寸而被完全携带于流动的气相之中，从而避免了可移动元件(例如涡轮叶片)由于液滴冲击而出现不期望看到的侵蚀。
[0052]膨胀设备可以包括允许该液-气混合物发生膨胀的布置。由于液-气混合物的膨胀，液-气混合物的体积将有所增加。为了考虑到发生膨胀的液-气混合物的体积增加，膨胀设备的内部体积也必须例如沿着流动方向而有所增加。
[0053]锅炉能够至少部分地耦合至膨胀设备。膨胀设备能够适于生成机械能。例如，锅炉的出口和膨胀设备的入口可以相符(coincide)。此外，膨胀设备可以至少部分地耦合至流入冷凝器设备。例如，膨胀设备的出口和流入冷凝器设备的入口可以相符。特别地，锅炉、膨胀设备和流入冷凝器设备可以整体形成。另外，锅炉和膨胀设备可以被布置或对齐而使得在该沸腾设备中所生成的液-气混合物的动能可以在该液-气混合物从沸腾和加速设备至膨胀设备的通过期间得以保持。特别地，沸腾设备和膨胀设备的导管或管路可以被省略。
[0054]锅炉、膨胀设备和流入冷凝器设备可以各自具有优选方向，诸如工作流体的流动方向。在实施例中，锅炉、膨胀设备和流入冷凝器设备的优选方向互相平行和/或它们是共线的。在可替换的选择中，可以存在转弯，但是这会降低效率。
[0055]根据设备另外的实施例，流入冷凝器设备包括用于从工作流体去除热量的定子热交换器。在流入冷凝器设备中，冷凝过程从热传输过程中被分离。因此，流入冷凝器设备中的冷凝过程是多相冷凝过程。该过程被纳米颗粒所调和(mediated)但是不具有相关联的热量传输。原则上，这是与云雾室中云的形成和雾的生成相同的过程。因此，该流入冷凝器设备包括至少一个定子热交换器以在不允许气体膨胀的情况下执行热量传输。对于小型化系统而言，表面与体积的比率很大从而在定子的顶端不需要明确的热交换器以达到接近等温的操作。定子热交换器并不是必需的。热交换也能够通过体积膨胀来实现。
[0056]根据设备另外的实施例，流入冷凝器设备包括用于从工作流体去除热量的多个定子热交换器，它们关于工作流体的流动方向而被串行布置。多个定子热交换器能够比仅一个定子热交换器提供更好的热量传输。
[0057]根据另外的实施例，设备进一步包括可移动元件，其被布置为使得该工作流体的液-气混合物至少部分地将该工作流体的液-气混合物的内能和/或动能转换为与该可移动元件相关联的机械能。
[0058]该可移动元件可以是转子元件。特别地，该膨胀的液-气混合物可以移动该可移动元件，这可以至少部分地将该液-气混合物的内能和/或动能转换为与该可移动元件相关联的机械能。例如，可移动元件可以驱动或激励用于发电机(诸如电气发电机)的轴承。
[0059]特别地，膨胀的液-气混合物可以激励涡轮设备的可移动转子元件。膨胀的液-气混合物的内能和/或动能可以使得可移动的转子元件旋转。由于该转子元件的旋转，液-气混合物的内能和/或动能可以被转换为机械能。
[0060]根据设备另外的实施例，流入冷凝器设备包括多个用于从工作流体去除热量的定子热交换器，该多个定子热交换器关于该工作流体的流动方向而被布置，并且可移动元件关于工作流体的流动方向而被布置在流入冷凝器设备的两个定子热交换器之间。而且，在流入冷凝器设备中，膨胀的液-气混合物的内能和/或动能能够被转换为机械能。
[0061 ]根据设备另外的实施例，该工作流体的液-气混合物以处于100%和80 %之间、优选地处于99 %和93 %之间的蒸汽质量进入该流入冷凝器设备，和/或其中该工作流体的液-气混合物以处于60 %和40 %之间、优选地处于55 %和45 %之间的蒸汽质量离开该流入冷凝器设备。原则上，大约90%的冷凝能够在该流入冷凝器设备中进行。
[0062]根据该设备另外的实施例，该锅炉是通道流锅炉，该通道流锅炉具有至少一条适于加热工作流体以用于生成该工作流体的液-气混合物的通道，并且其中所述纳米颗粒用作用于在该至少一条通道内沸腾的成核位置。由于该纳米颗粒，沸腾过热可以较低。之所以如此是因为纳米颗粒减少了表面张力。沸腾和冷凝过程由于流体内的有限热量传输而受到过热或过冷的影响，并且受到热交换器的影响，而且是因为沸腾需要几何辅助(因为小气泡是不稳定的)。
[0063]另外，公开了一种用于将热量转换为机械能的方法。该方法包括以下步骤:
[0064]加热SI包括纳米颗粒的工作流体以用于生成该工作流体的液-气混合物；
[0065]膨胀S2该工作流体的液-气混合物；
[0066]将该工作流体的液-气混合物的内能和/或动能转换S3为机械能;并且
[0067]使得该工作流体的液-气混合物至少部分地冷凝S4在流入冷凝器设备中，而使得冷凝至少部分地在作为冷凝核的所述纳米颗粒处开始。
[0068]该方法被操作为热力循环和/或该流入冷凝器设备中的冷凝大致上是等温的。
[0069]该工作流体的液-气混合物的膨胀是近似等温的膨胀。这意味着在膨胀该工作流体的液-气混合物的同时，热量经由定子热交换器而有所增加。该流入冷凝器设备中的工作流体的液-气混合物的冷凝是近似等温的冷凝。这意味着在流入冷凝器设备中冷凝该工作流流体的液-气混合物的同时，热量经由该定子热交换器而被去除。
[0070]根据该方法的实施例，多个定子热交换器支持在该流入冷凝器设备中的冷凝期间的循环再冷却，以允许等温冷凝。该流入冷凝器设备中的定子热交换器被用来从工作流体去除热量。可替换地，体积流体膨胀也是可能的。
[0071]另外，公开了用于将热量转换为机械能的设备的工作流体的使用。该工作流体包括具有在I巴的压力下处于30和250°C之间的范围中的沸腾温度的流体，以及在该流体的液相中分散或悬浮的纳米颗粒。所述纳米颗粒被机能化为冷凝和/或沸腾核并且所述纳米颗粒的表面适于支持冷凝和/或沸腾。
[0072]所要理解的是，在下文中，仅示出用于将热量转换为机械能的设备的多个分部或部分。在实际实施例中，可以包括诸如阀、管路、管线、附件、配件、栗、压缩机等的附加元件。
[0073]实施例示出了与基于兰金循环的过程的一些相似性。图1在T-S图中示出了蒸汽兰金循环。特别地，蒸汽兰金循环被普遍用在生成电能的蒸汽发电机中。横坐标I表示系统的熵S而纵坐标2则表示系统的绝对温度T。曲线3表示所采用的工作流体一例如蒸汽一的饱和蒸汽曲线。兰金循环包括工作流体的绝热压缩(A->B)，增加到工作流体的等压热(B_>C)，工作流体的绝热膨胀(C_>D)，以及等压热量释放(D_>A)。兰金循环的效率限于卡诺循环的效率的?70%。兰金循环和理论的卡诺循环之间的主要差异在于，热量增加(例如，在锅炉中)和热量释放(例如，在冷凝器中)是等压的(即，恒定压力)而不是等温的(即，恒定的熵)，并且工作流体的膨胀是绝热的而不是等温的。而且，兰金循环的常规实施方式所遇到的实际问题是在工作流体的绝热膨胀期间(C->D)形成水滴。这些水滴导致涡轮叶片的冲击侵蚀。出于该原因，蒸汽例如被过度加热，这导致循环效率的损失。具有过热的兰金循环在图1中由处理A-B-C-C ’ -D ’ -A所指示。
[0074]图2示出了用于将热量转换为机械能的设备4的实施例的示意图。设备4包括流入冷凝器设备5，其适于至少部分地使工作流体6冷凝由此从工作流体6去除热量。
[0075]图3示出了根据实施例的工作流体6的示意图。工作流体6包括流体7和纳米颗粒8。纳米颗粒8分布在工作流体6中。在流体7的液相中，纳米颗粒是分散或悬浮的。纳米颗粒8被机能化为冷凝核。另外，纳米颗粒8的表面适于支持冷凝。
[0076]图2的用于将热量转换为机械能的设备4包括图3的工作流体6。纳米颗粒8增加了总冷凝表面，该总冷凝表面由纳米颗粒8的表面以及流入冷凝器设备5的表面所组成。因此，冷凝过程得到了提升。该流入冷凝器设备5中的冷凝过程被实施为使得工作流体6的液-气混合物的一部分在纳米颗粒8处冷凝。
[0077]流入冷凝器设备5可以包括可移动元件，特别是转子元件15。转子元件15将工作流体6的内能和/或动能转换为机械能。另外，流入冷凝器设备5可以包括用于从工作流体6去除热量的定子热交换器16。在流入冷凝器设备5中，冷凝过程由于纳米颗粒8而与热传输过程分离。因此，流入冷凝器设备5包括至少一个定子热交换器16以执行热量传输。
[0078]设备4可以进一步包括锅炉9，该锅炉被实施为适于加热工作流体6以用于从液态工作流体6生成并加速液-气混合物的通道流锅炉。锅炉9具有至少一个通道，其定义了通道方向y。工作流体6经由入口 10从供应线路11被供应至锅炉9。设备4可以进一步包括膨胀设备14。锅炉9的出口 12可以连接至膨胀设备14的入口 13。通道方向y可以与膨胀设备14中的可移动元件15的优选方向相符。膨胀设备14适于使液-气混合物膨胀并且适于向该液-气混合物供应热量。特别地，膨胀设备14通过可移动元件一特别是转子元件15—而至少部分地将内能和/或动能转换为机械能。另外，膨胀设备14可以包括用于向工作流体6添加热量的定子热交换器16。这允许工作流体6的等温膨胀。
[0079]为了执行热力循环，设备4可以可选地连接至常规冷凝器17和栗18。另外，设备4可以包括绝热级19。绝热级19被布置在膨胀设备14和流入冷凝器设备5之间。
[0080]锅炉9、膨胀设备14和流入冷凝器设备5具有相当的大小。因此，加热、膨胀和冷凝这些功能在单独实体中的分离并非是必要的。锅炉9、膨胀设备14和流入冷凝器设备5可以是一个整体设备。在常规的蒸汽发动机中，锅炉和冷凝器(热交换设备)具有比针对当前温度和所建立的压力的膨胀设备更大得多的体积。所公开的设备和方法允许用于将热量转换为机械能的更小且更好的集成系统和布置。
[0081]图4示出了根据另外的实施例的用于将热量转换为机械能的设备4的示意图。设备4包括锅炉9、膨胀设备14、绝热级19、流入冷凝器设备5和冷凝器设备20。锅炉9、膨胀设备
14、绝热级19、流入冷凝器设备5和冷凝器设备20可以被集成在一个单独设备4中。图4的用于将热量转换为机械能的设备4被实施为涡轮21。涡轮21包括用于将机械能传输至另一个设备(图4中未示出)的轴承22。
[0082]在图4中，热源23在封闭回路24中被连接至设备4。例如，水可以被用于封闭回路24中。封闭回路24通过膨胀设备14和锅炉9以用于将热量提供至膨胀设备14和锅炉9。此外，封闭回路24通过热交换设备25。
[0083]另外，冷源26在封闭回路27中被连接至设备4。例如，水可以被用于封闭回路27中。封闭回路27通过冷凝器设备20以用于对冷凝器设备20进行冷却。
[0084]工作流体6在封闭回路28中通过锅炉9、膨胀设备14、绝热级19、流入冷凝器设备5和冷凝器设备20。此外，在离开冷凝器设备20之后，封闭回路28第二次通过流入冷凝器设备5，由此对流入冷凝器设备5进行冷却并加热工作流体6。这意味着在流入冷凝器设备5中的冷凝过程期间所损失的热量的一部分能够在封闭回路28第二次通过流入冷凝器设备5时被保存。这提高了热力循环的整体效率。另外，封闭回路28通过要由热源23经由封闭回路24进行加热的热交换设备25，该封闭回路24同样通过热交换设备25。随后，封闭回路28再次到达锅炉9。
[0085]图5示出了根据图4的用于将热量转换为机械能的设备4的示意性截面图。如能够在图5中看到的，设备4包括被集成在一个单个壳体36中的5个分部。第一分部包括锅炉9，第二分部包括膨胀设备14，第三分部包括绝热级19，第四分部包括流入冷凝器设备5，并且第五分部包括冷凝器设备20。设备4被实施为涡轮21。涡轮21包括轴承22。多个转子元件15被连接至轴承22。
[0086]连接热源23和膨胀设备14以及锅炉9的封闭回路24包括用于通过膨胀设备14和锅炉9栗送加热流体的栗29。此外，封闭回路24的加热流体还通过热交换设备25。热源23例如可以是太阳能热能或者工业废热。另外，连接冷源26和冷凝器设备20的封闭回路27包括用于通过冷凝器20栗送冷却流体的栗30。包含工作流体的封闭回路28包括用于栗送工作流体的栗31。
[0087]在可替换配置中，热交换设备25能够通过将入口和出口交叉连接而被消除。返回的流体随后在热源23中被加热并且经由其出口而被注入到供应线路11之中。因此在热源23和膨胀设备14之间仅有单个回路。这种配置的好处在于不会在膨胀设备14的加热流体和工作流体6之间引入热梯度。
[0088]此外，膨胀设备14、流入冷凝器设备5和冷凝器设备20可以包括定子热交换器16，定子热交换器16适于向膨胀中的液-气混合物提供热量并且在冷凝过程期间向该液-气混合物提供冷却。为了向液-气混合物提供热量或冷却，定子热交换器16包括热交换器布置。该热交换器布置包括通过其导引携带热量或冷却的流体的导管。特别地，由定子热交换器16提供给该液-气混合物的热量至少部分地对液-气混合物在膨胀设备14中的温度下降有所补偿。
[0089]锅炉9包括第一锅炉分部32和第二锅炉分部33，其中每个锅炉分部32、33包括多个通道流锅炉34。锅炉分部32、33的数量以及锅炉分部32、33的几何布置可以取决于后续膨胀设备14的大小和几何形状。
[0090]供应线路11向每个通道流锅炉34供应工作流体6。该工作流体6的液-气混合物在每个通道流锅炉34中生成、并且以朝向膨胀设备14的方向离开通道流锅炉34。
[0091]设备4包括多个后续级(stage)。每个级可以包括适于至少部分地将工作流体6的液-气混合物的内能和/或动能转换为机械能的可移动转子元件15。另外，设备4的每个级可以包括定子热交换器16，该定子热交换器16适于向工作流体6的液-气混合物提供热量或冷却。可移动转子元件15和定子热交换器16关于工作流体6的流动方向进行布置。
[0092]如能够在图5中看到的，膨胀设备14的内径d在工作流体6的流动方向有所增大。而且，工作流体6的液-气混合物在工作流体6的流动方向上膨胀。膨胀设备14中的膨胀由于由定子热交换器16所添加的热量而是近似等温的。
[0093]如图5所示，绝热级19的直径是恒定的。在可替换配置中，绝热级19将持续膨胀。此夕卜，绝热级19可以像传统涡轮中那样由多个级所组成。
[0094]图6示出了图5的部分I的放大视图。这意味着图6更为详细地示出了绝热级19和流入冷凝器设备5。箭头35指示工作流体6的流动方向。如能够看到的，绝热级19包括三个转子元件15a、15b、15c而没有定子热交换器16。工作流6的液-气混合物进一步膨胀并且在绝热级19中没有热量进行交换。因此，工作流体6的液-气混合物开始冷却并冷凝。
[0095]如能够在图6中看到的，绝热级19具有恒定的直径。然而，在可替换配置中，绝热级19持续膨胀。
[0096]接下来，工作流体6的液-气混合物进入流入冷凝器设备5。在图6中示出的流入冷凝器设备5包括两个定子热交换器16a、16b。每个定子热交换器16a、16b包括适于与工作流体6的液-气混合物交换热量的多个鳍片37。另外，设备4包括在流入冷凝器设备5的分部之中的转子元件15d ο定子热交换器16a、16b连接至工作流体6的封闭回路28。然而，冷的液体工作流体6通过定子热交换器16a、16b由此对定子热交换器16a、16b进行冷却。以箭头35所指示的方向流动的工作流体6的液-气混合物在定子热交换器16a、16b的位置处被冷却。由于工作流体6还由于冷凝过程而被加热，所以在流入冷凝器设备5中进行了循环的重复冷却过程。
[0097]冷凝主要在纳米颗粒8处发生并且还在流入冷凝器设备5内的表面发生。纳米颗粒8用作冷凝过程的成核位置。工作流体6在通过流入冷凝器设备5的时至少部分发生冷凝。之所以可能如此是因为工作流体6中的纳米颗粒8在工作流体通过流入冷凝器设备5时增加了总冷凝表面。
[0098]图7示出了用于将热量转换为机械能的设备中的蒸汽质量的示意图。液-气混合物中的气体的质量分数被称作蒸汽质量。纵坐标38示出了设备4中的位置。当工作流体6的液-气混合物离开绝热级19并且进入流入冷凝器设备5之中时，蒸汽质量处于100至80%之间。另外，当工作流体6的液-气混合物离开流入冷凝器设备5并且进入到冷凝器设备20中时，蒸汽质量处于60至40%之间。
[0099]图5示出了在工作流体6的液-气混合物离开流入冷凝器设备5之后，其进入冷凝器设备20之中。在冷凝器设备20中，进行剩余的冷凝而使得工作流体6在其离开冷凝器设备20时为液体。
[0100]图8在T-s图中示出了根据与图5所示类似的设备4的经修改的热力循环。在该类似设备4中，绝热级19的横截面有所增大。横坐标I表示系统的熵S，并且纵坐标2表示系统的绝对温度T。曲线3表示所采用工作流体一例如，蒸汽一的饱和蒸汽曲线。该经修改的热力循环包括工作流体的绝热压缩(A->B)，在通道流锅炉34中增加到该工作流体的热量(B->C)，随后为膨胀设备14中近似等温的膨胀(C->C’)。在点C和C’之间示出的齿状结构表示工作流体6的一系列膨胀，其中每个膨胀结合以工作流体6的再加热。由于在膨胀设备14中液-气混合物的液相的一部分的进一步的蒸发以及工作流体6的绝热膨胀，温度有所下降，这从C和C’之间的曲线的垂直分段所明显看出。该温度下降随后由于在膨胀设备14的每个定子热交换器16中提供热量而得到补偿。这由垂直分段之后的上升分段所图示。
[0101 ]在液-气混合物中的剩余液相蒸发之后，工作流体在设备4的绝热级19中经历绝热膨胀(C’->D’)。图4所示的热力循环通过流入冷凝器设备5和冷凝器设备20中的热量释放(D ’->A)而完成。由于流入冷凝器设备5中的冷凝过程，热量被添加至工作流体6，即温度有所上升，这从D’和D之间的曲线的上升分段中是明显的。在流入冷凝器设备5中，热量被流入冷凝器设备5的每个定子热交换器16所去除。这由上升分段之后的垂直线条所图示。原则上，垂直线条可以以三种方式完成。第一种方式是通过定子热交换器16进行冷却。第二种方式是通过转子元件15进行膨胀和机械能提取。第三种方式是体积膨胀。
[0102]所公开的设备4和方法优选地被实施而使得工作流体6的液-气混合物的膨胀和冷凝以近似等温的方式进行。所要理解的是，参考图8，C和C’之间以及D’和D之间的处理分部是在曲线的齿状部分所定义的有限温度范围内进行的。该齿状部分的高度或幅度处于被认为大致等温的温度范围之内。
[0103]图9示出了根据另外的实施例的用于将热量转换为机械能的设备4的示意性截面图。图9的设备非常类似于图5的设备。仅有的差异在于，图9的设备4并不包括冷凝器设备20。相反，图9的设备4连接至常规冷凝器17。当然，工作流体6在工作流体已经通过流入冷凝器设备5之后的剩余冷凝能够在连接至设备4的常规冷凝器17中完成。
[0104]图10示出了根据实施例的用于将热量转换为机械能的方法的流程图。该方法步骤并非必然以图10的流程图所描绘的顺序来执行。在第一步骤SI，包括纳米颗粒的工作流体6被加热以用于生成工作流体6的液-气混合物。这可以在例如通道流锅炉34的锅炉9中执行。该纳米颗粒能够对沸腾过程有所提升。
[0105]在第二步骤S2，所生成的工作流体6的液-气混合物被膨胀。由于工作流体6的液-气混合物的膨胀以及工作流体6的液-气混合物中的液相部分的进一步蒸发，该液-气混合物的温度有所下降。该温度下降至少部分地通过向该液-气混合物提供热量而得到补偿。因此，执行了近似等温的膨胀。
[0106]在第三步骤S3，该工作流体6的液-气混合物的内能和/或动能被转换为与例如转子元件15的可移动元件相关联的机械能。
[0107]在第四步骤S4，工作流体6的液-气混合物在流入冷凝器设备5中发生冷凝而使得该冷凝至少部分在作为冷凝核的纳米颗粒处开始。另外，该方法在热力循环过程中得以被利用。如虚线箭头所指示的，整个方法可以被重复。例如，该方法可以在用于驱动电气发电机的热力循环过程中被采用。流入冷凝器设备5中的冷凝是近似等温的。在流入冷凝器设备5中的工作流体6的液-气混合物进行冷凝的同时，热量经由定子热量交换器16而被去除。
[0108]多个定子热交换器16支持在流入冷凝器设备中的冷凝期间进行循环冷却。因此，能够实现等温冷凝。
[0109]所要理解的是，所描述的实施例能够进行修改而并不背离本公开中所描绘的整体概念。特别地，模块、分部、转子元件、定子热交换器、导管等的数量和形式可以根据系统的具体应用而有所变化。
[0110]更一般地，虽然已经参考某些实施例对本发明进行了描述，但是本领域技术人员将要理解的是，可以进行各种变化并且可以替换以等同形式而并不本例本发明的范围。此夕卜，可以进行许多修改以将特定情形针对本发明的教导进行调适而并不背离其范围。因此，本发明并非意在被局限于所公开的特定实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求范围之内的所有实施例。
[0111]附图标记
[0112]I横坐标
[0113]2纵坐标
[0114]3饱和蒸汽曲线
[0115]4用于将热量转换为机械能的设备
[0116]5流入冷凝器设备
[0117]6工作流体
[0118]7流体
[0119]8纳米颗粒
[0120]9锅炉
[0121]10锅炉入口
[0122]11供应线路
[0123]12锅炉出口
[0124]13膨胀设备入口
[0125]14膨胀设备
[0126]15转子元件
[0127]16定子热交换器
[0128]17常规冷凝器
[0129]18栗
[0130]19绝热级
[0131]20冷凝器设备
[0132]21涡轮
[0133]22轴承
[0134]23热源
[0135]24热源的封闭回路
[0136]25热交换设备
[0137]26冷源
[0138]27冷源的封闭回路
[0139]28工作流体的封闭回路
[0140]29栗
[0141]30栗
[0142]31栗
[0143]32第一锅炉分部
[0144]33第二锅炉分部
[0145]34通道流锅炉
[0146]35箭头
[0147]36壳体
[0148]37鳍片
[0149]38纵坐标
[0150]d膨胀设备的内径
[0151]S1-S4方法步骤
[0152]VQ蒸汽质量
[0153]y通道流锅炉方向
【主权项】
1.一种用于将热量转换为机械能的设备的工作流体，包括: 具有在I巴的压力下处于30和250°C之间的范围的沸腾温度的流体;和 在所述流体的液相中分散或悬浮的纳米颗粒； 其中所述纳米颗粒被机能化为冷凝核和/或沸腾核，并且其中所述纳米颗粒的表面适于支持冷凝和/或沸腾。2.根据权利要求1所述的工作流体，其中所述纳米颗粒的直径处于I和10nm之间，优选地处于I和50nm之间，并且更为优选地处于I和1nm之间。3.根据权利要求1所述的工作流体，其中所述流体中的所述纳米颗粒的浓度处于体积的百分之0.01至百分之I的范围之中，优选地处于体积的百分之0.05至百分之0.5的范围之中，并且更为优选地处于体积的百分之0.06至百分之0.14的范围之中。4.根据权利要求1所述的工作流体，其中所述纳米颗粒具有功能化表面，特别是亲水表面。5.根据权利要求1所述的工作流体，其中所述纳米颗粒包括氧化物单层和/或有机物单层。6.一种用于将热量转换为机械能的设备，包括: 根据权利要求1所述的工作流体;和 流入冷凝器设备，适用于至少部分地使所述工作流体冷凝，由此从所述工作流体去除热量； 其中包含在所述工作流体中的所述纳米颗粒适于增加总冷凝表面以用于增强并加速冷凝过程，并且其中所述冷凝过程被实施为使得所述工作流体的液-气混合物的一部分在所述纳米颗粒处冷凝。7.根据权利要求6所述的设备，进一步包括 锅炉，适于加热所述工作流体以用于生成所述工作流体的所述液-气混合物;和 膨胀设备，适于使所述工作流体的液-气混合物膨胀。8.根据权利要求6所述的设备，其中所述流入冷凝器设备包括用于从所述工作流体去除热量的定子热交换器。9.根据权利要求8所述的设备，其中所述流入冷凝器设备包括多个用于从所述工作流体去除热量的定子热交换器，所述多个定子热交换器关于所述工作流体的流动方向而被串行布置。10.根据权利要求6所述的设备，进一步包括可移动元件，所述可移动元件被布置为使得所述工作流体的所述液-气混合物至少部分地将所述工作流体的所述液-气混合物的内能和/或动能转换为与所述可移动元件相关联的机械能。11.根据权利要求10所述的设备，其中所述流入冷凝器设备包括多个用于从所述工作流体去除热量的定子热交换器，所述多个定子热交换器关于所述工作流体的流动方向而被串行布置，并且其中所述可移动元件关于所述工作流体的流动方向而被布置在所述流入冷凝器设备的两个定子热交换器之间。12.根据权利要求6所述的设备，其中所述工作流体的所述液-气混合物以处于100%和80 %之间、优选地处于99 %和93 %之间的蒸汽质量进入所述流入冷凝器设备，和/或其中所述工作流体的所述液-气混合物以处于60 %和40 %之间、优选地处于55 %和45 %之间的蒸汽质量离开所述流入冷凝器设备。13.根据权利要求7所述的设备，其中所述锅炉是通道流锅炉，所述通道流锅炉具有至少一条适于加热所述工作流体以用于生成所述工作流体的所述液-气混合物的通道，并且其中所述纳米颗粒用作用于在所述至少一条通道内沸腾的成核位置。14.一种用于将热量转换为机械能的方法，其中所述方法包括: 加热(SI)包括纳米颗粒的工作流体以用于生成所述工作流体的液-气混合物； 使所述工作流体的所述液-气混合物膨胀(S2); 将所述工作流体的所述液-气混合物的所述内能和/或动能转换(S3)为机械能;并且使得所述工作流体的所述液-气混合物至少部分地冷凝(S4)在流入冷凝器设备中，而使得冷凝至少部分地在作为冷凝核的所述纳米颗粒处开始； 其中所述方法被操作为热力循环和/或所述流入冷凝器设备中的所述冷凝大致上是等温的。15.根据权利要求14所述的方法，其中多个定子热交换器支持在所述流入冷凝器设备中的所述冷凝期间的循环再冷却，以允许等温冷凝。
【文档编号】F01K27/00GK105971680SQ201610141372
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年3月11日
【发明人】B·伯格, B·米歇尔, S·佩尔德斯
【申请人】国际商业机器公司