专利名称：用于转化能、增加焓并提高压缩系数的方法
用于转化能、增加焓并提高压缩系数的方法本发明涉及利用工作流体将热能转化为机械功，尤其用于发电，但是并不限于该应用。在将一种形式的能转化为另一种时可以获得有用功:势能转化为动能、热能转化为机械能、机械能转化为电能等。实验证实所有形式的能都相等的结果是热力学第一定律，也就是说能量不能产生或消灭，它总是以一种形式或另一种形式守恒。这是为什么努力提高该过程的效率以最大产生所需形式的能，同时使能以其它形式的损失最小的原因。机械能、电能和动能是可以非常高效率彼此转化的能量形式。但是，这不适用于热能。如果我们试图将温度T下的热能转化为机械功，该过程的效率将受限于1-TcZT，其中Ttl是环境温度。可以转化的有用能量称作“有效能(exergy)”，而不能转化为“有效能”的能量称作“无效能(anergy)”。因此，热力学第一定律可以表示为“有效能与无效能之和总是恒定的”。此外，热力学第二定律指过程按给定方向进行而不能朝相反方向进行，它可以表示为“无效能与有效能不能转化”。热力学过程可以分类为不可逆的和可逆的。在不可逆的过程中，所执行的功等于0，有效能转化为无效能。在可逆过程中，可以最大可能地产生功。为了在有效能将转化为无效能这种不能再利用的能量形式之前利用大部分的有效能，对能量转化的努力基于第二定律。换句话说，必须提供条件以尽可能长地维持过程的可逆性。本发明涉及将热能转化为机械能，尤其用于发电，这种就效率而言最棘手的过程。在该过程中，热转移到工作流体，而工作流体在逆循环中经历许多温度、压力和体积的关系。Carnot循环是公知的理想再生循环，但是许多其它的常规循环，尤其是兰金(Rankine)循环以及Atkinson、Erikson、BraytoruDiesel和Lenoir循环也可以利用。在这些循环的任一种中，将气体形式的工作流体进料到用于将工作流体的能量转化为机械能的设备中，例如汽轮机和大量其它类型的热机。每种情况下，当工作流体做出有用机械功时，流体体积增加，而其温度和压力下降。由于工作流体是循环做出有用功的重要构成，因此已知其中将工作流体改性以提高过程有用功的许多方法。US4439988描述兰金循环，其中使用喷射器将气态的工作流体注入汽轮机中。已发现通过使用用于将轻质气体注入工作流体中的喷射器(在工作流体已经加热和蒸发之后)，汽轮机以比其中仅使用工作流体的先前变化方案所需低的压降回收有用的能量。工作流体的温度也显著降低，这确保汽轮机在较低温度的环境中运行。可以使用下面的轻质气体:氢气、氦气、氮气、空气、蒸汽或分子量小于工作流体的有机化合物。US4196594所描述的方法包括向用于在热机中执行机械功的气相工作流体(例如蒸汽)中注入惰性气体如氩气或氦气。与没有添加剂的工作流体的常规使用相比，具有添加剂的蒸汽具有较低的绝热H值，其中H定义为Cp/Cv，其中Cp是恒定压力下的比热，Cv是恒定体积下的比容。US4876855涉及用于兰金循环发电厂的工作流体，该流体包含极性和非极性的化合物，并且极性化合物具有比非极性化合物小的分子量。这些方案使用气体添加剂作为使工作流体改性的物质，其使用降低过程安全性并要求更复杂的设备。RU2114999 (1998年10月7日公布)也教导用于将热能转化为机械能的方法，其包括将催化添加剂弓I入到工作流体中；对槽中的工作流体提供足以使工作流体从液相转变为气相的热能；将气相的工作流体进料到用于将能转化为机械功的装置中，气态的工作流体膨胀并且温度和压力降低；冷凝气态的工作流体；并使液相的工作流体循环回到槽中。该方法的缺点包括在氢气或氦气加入工作流体时需要确保过程安全的措施，在压力下安全输送气体添加剂并将其储存在钢瓶中，必须从膨胀和冷却的工作流体中回收添加剂的阶段，这使得工艺及其设备复杂化，以及需要引入大量添加剂，这降低了该方法的经济吸引力。此外，该方法对选择适合其实现的物质有限制，即物质的分子量不大于工作流体的分子量，并且对选择操作顺序也有限制:将催化添加剂引入已经装在槽中的工作流体中，并且仅在工作流体转变为气体之后，不能比这早，这降低了其操作能力。此外，RU2114999 (1998年10月7日公布)公开了增加蒸汽的焓和压缩系数的方法，其包括加热槽中的水以产生蒸汽；将催化添加剂以催化物质或催化物质混合物的形式弓I入水中。该方法不经济，尤其在应用中需要引入高达9wt %的氦气，在输送、储存和使用中需要确保安全的特殊措施，以及复杂设备。此外，该方法对选择适合其实现的材料(仅是氢气和/或氦气)和将催化添加剂精确进料到蒸气中的必要条件有严格限制，这降低了其操作能力。申请RU2008145464(2010年5月27日公布)公开了将热能转化为机械能的方法，这是本发明的发明人已经开发的，就该组中的一个发明而言是最相关的现有技术，包括:将催化添加剂引入到工作流体中；对槽中的工作流体提供足以使工作流体从液相转变为气相的热能；将气相的工作流体进料到用于将能转化为机械功的装置中，气态的工作流体膨胀并且温度和压力降低；冷凝气态的工作流体；并使液相的工作流体循环回到槽中，其中在向其提供热能之前或之后将催化添加剂引入到工作流体中；催化添加剂是包含至少一个羰基官能团且在IR光谱中1550至1850CHT1的区域中具有至少一个吸收带的物质。该现有技术方法的缺点包括对所用蒸汽发生器的选择，尤其是仅具有流体自然循环的高压蒸汽发生器的局限性。在直流蒸汽发生器中实施该方法可能困难，因为要将活性物质输送到用于将热能转化为机械功的装置中，以及将气态工作流体输送到冷凝器中，这将折抵该方法的优势。由于活性物质在高压和高温的作用下快速分解，该方法难以在超超临界和超临界蒸汽发生器中实现。这些缺点是是由如下事实引起的:该方法提供在每一特定情况下仅使用单独的催化物质，并且不涉及根据当前需要和工艺条件实际优化目标工艺的可能性。RU2008145464(2010年5月27日公布)公开了提高蒸汽的焓和压缩系数的方法，是本组中第二发明的最相关技术，包括:加热槽中的水以产生蒸汽；将催化添加剂引入水中，其中催化添加剂在水加热之前或之后引入其中，催化添加剂是包含至少一个羰基官能团且在IR光谱中在1550至1850CHT1的区域中具有至少一个吸收带的物质。该方法因对进料水的品质和提供给蒸汽汽轮机的过热蒸汽有非常严格的要求，因此对在直流蒸汽发生器以及超超临界和超临界蒸汽发生器中应用具有明显限制。这些缺点是因该现有技术方法在每一特定情况下都涉及仅使用单独的催化物质，并且没有提供根据当前需要和工作条件实际优化目标工艺的可能性引起的。本组发明包括将热能转化为机械能的方法，以及提高蒸汽的焓和压缩系数的方法，它们具有相同的目的，都是为了如下提高目标工艺的效率:通过实现确保蒸发比热增加的条件来提高蒸汽的焓和增加工作流体膨胀，同时根据当前需要和工艺条件扩大操作能力和便利性，这是因为所显示出的使用单种催化物质和催化物质混合物用作催化添加剂的机会，以及使所引入的催化剂的量最小化，这为本方法提供经济上的吸引力。应该提到:本发明人已发现先前未发现的引入催化添加剂对提高液相至气相转变率的影响，无论是为实现本发明所选择的单种催化物质还是催化物质混合物。本申请人相信根据本发明所用的催化物质和催化物质混合物促进硬度盐在工作流体本体中结晶，而不是在传热表面上结晶；该盐变成蒸发位点，这最终提高工作流体的相变速度。此外，通过引入添加剂可以利用更少量的蒸发工作流体转移更多能量，这允许目标工艺在可接受的高工艺速率下进行，并最大可能地减少蒸发级数。本目的在将热能转化为机械能的方法中实现，包括:将催化添加剂引入到工作流体中；为槽中的工作流体提供足以使工作流体从液相转变为气相的热能；将气相的工作流体进料到用于将能转化为机械功的装置中，气态的工作流体膨胀并且温度和压力降低；冷凝气态的工作流体；使液相的工作流体循环回到槽中，其中所述将催化添加剂引入到工作流体中是在对其提供热能之前或之后完成的；催化物质或催化物质混合物以固体、其溶液或悬浮液，或者液体或其乳液的形式用作催化添加剂；所述催化物质或催化混合物中的至少一种物质包含至少一个羰基官能团且在IR光谱中在1550至1850CHT1的区域中具有至少一个吸收带；添加剂以0.0000001至0.lwt%的量引入，并且催化物质和催化混合物中各个物质的重量比选择为根据当前需要防止或促进物质或混合物在高压和高温作用下分解。具体地，工作流体是水、或液烃、或液烃混合物。具体而言，用作添加剂的物质选自单羧酸及其酸酐；二元羧酸及其酸酐；羧酸盐；二元羧酸盐；羧酸酰胺；二元羧酸酰胺；羧酸酰苯胺；二元羧酸酰苯胺；羧酸酯；二元羧酸的单酯和二酯；羧酸酰亚胺；二元羧酸酰亚胺；碳酸二酰胺；非环碳酸酯和环状碳酸酯；氨基甲酸酯；氨基羧酸，其分子包含氨基(NH2基)和羧基(C00H基)；肽和蛋白质，其分子由通过肽(酰胺)键C(O)NH连接的α-氨基酸残基构成。本发明的目的在提高蒸汽的焓和压缩系数的方法中实现，包括:加热槽中的水以产生蒸汽；将催化添加剂引入水中，所述将催化添加剂引入水中在开始所述加热之前或之后完成；催化物质或催化物质混合物以固体、其溶液或悬浮液，或者液体或其乳液的形式用作催化添加剂，其中所述催化物质或催化混合物中的至少一种物质包含至少一个羰基官能团且在IR光谱中在1550至1850CHT1的区域中具有至少一个吸收带；添加剂以0.0000001至0.lwt%的量引入，并且催化物质和催化混合物中各个物质的重量比选择为根据当前需要防止或促进物质或混合物在高压和高温作用下分解。具体而言，用作添加剂的物质选自单羧酸及其酸酐；二元羧酸及其酸酐；羧酸盐；二元羧酸盐；羧酸酰胺；二元羧酸酰胺；羧酸酰苯胺；二元羧酸酰苯胺；羧酸酯；二元羧酸的单酯和二酯；羧酸酰亚胺；二元羧酸酰亚胺；碳酸二酰胺；非环碳酸酯和环状碳酸酯；氨基甲酸酯；氨基羧酸，其分子包含氨基(NH2基)和羧基(COOH基)；肽和蛋白质，其分子由通过肽(酰胺)键C(O)NH连接的α-氨基酸残基构成。对比分析已表明本发明方法与最相关现有技术的不同之处在于不同量的催化添加剂，不仅使用单独的催化物质，而且能使用催化物质混合物，由此扩大这些方法在所有类型的蒸汽发生器中的适用范围。实施本发明方法通过自然循环和多种强制循环提高蒸汽发生器中气相工作流体的焓和压缩系数，包括直流蒸汽发生器。所引入的单独催化物质或催化物质混合物提高工作流体的蒸发比热和比热容，由此提高蒸汽的焓并减少每时间单位产生的蒸气量。这提高蒸汽汽轮机热循环的热效率。前述催化物质或催化物质混合物在加入蒸汽发生器中的工作流体中时仅对其具有影响。当使用流体自然循环的蒸汽发生器时，催化物质或催化物质混合物不会由于在蒸汽发生器鼓中分离和用工作流体洗涤蒸汽而转移到热发电装置的冷凝器中。当使用工作流体强制循环的蒸汽发生器(直流蒸汽发生器)时，催化物质或催化物质混合物不会由于催化物质或催化物质混合物被过热蒸汽分解而转移到热发电装置的冷凝器中。结果气态工作流体的冷凝在通常条件下进行(不受催化剂影响)。因此，每时间单位形成相同量的工作流体并被冷凝，但是蒸发在受所引入催化剂影响的变化条件下进行，而冷凝在通常条件下进行。由此更少量的蒸发工作流体可以转移更多的能量，这提高蒸汽汽轮机装置热循环的热效率。焓是在热能至机械能转化的分析中极其重要的热力学性质。焓定义为内能与压力-体积之积的和H = U+PV。每单位质量的焓定义为内能与压力-比容之积的和h =U+P υ。随着压力接近0，所有气体接近理想气体，并且内能变化定义为比热容Cp与温度增量dT的积。“理想”焓的增量定义为Cp与温度增量的积dh = CpdT。直至压力大于0，焓增量是“实际”焓。理想焓和实际焓之差与工作流体的临界温度之比称作“残余焓”。本发明人已经在理论上证明如果焓的实际增量在其前一状态所需的温度和压力范围内继续，则可逆过程可以实现更大的效率。这推测由主要通过减少系统的有效能损失来允许释放残余焓的方法实现。工作流体的另一非常重要的特征是压缩系数Z，用于确定真实气体行为与理想气体行为的一致性。通过下面状态等式确定不同压力(P)、体积(V)和温度(T)下的理想气体行为:
权利要求
1.一种将热能转化为机械能的方法，包括:将催化添加剂引入到工作流体中；为槽中的所述工作流体提供足以使所述工作流体从液相转变为气相的热能；将气相的所述工作流体进料到用于将能转化为机械功的装置中，气态的工作流体膨胀并且温度和压力降低；冷凝所述气态的工作流体；使液相的所述工作流体循环回到槽中，其中所述将催化添加剂引入到工作流体中是在对其提供热能之前或之后完成的；催化物质或催化物质混合物以固体、其溶液或悬浮液，或者液体或其乳液的形式用作催化添加剂；所述催化物质或所述催化混合物中的至少一种物质包含至少一个羰基官能团且在IR光谱中在1550至1850CHT1的区域中具有至少一个强的吸收带；添加剂以0.0000001至0.lwt%的量引入，并且所述催化物质和所述催化混合物中各个物质的重量比选择为根据当前需要防止或促进所述物质或所述混合物在高压和高温作用下的分解。
2.根据权利要求1的方法，其中所述工作流体是水、或液态烃、或液态烃的混合物。
3.根据权利要求1的方法，其中用作所述添加剂的一种或更多种所述物质选自单羧酸及其酸酐；二元羧酸及其酸酐；羧酸盐；二元羧酸盐；羧酸酰胺；二元羧酸酰胺；羧酸酰苯胺；二元羧酸酰苯胺；羧酸酯；二元羧酸的单酯和二酯；羧酸酰亚胺；二元羧酸酰亚胺；碳酸二酰胺；非环碳酸酯和环状碳酸酯；氨基甲酸酯；氨基羧酸，其分子包含氨基(NH2基)和羧基(COOH基)；肽和蛋白质，其分子由通过肽(酰胺)键C(O)NH连接的α-氨基酸残基构成。
4.一种用于提高蒸汽的焓和压缩系数的方法，包括:加热槽中的水以产生蒸汽；将催化添加剂引入所述水中，所述将催化添加剂引入所述水中在开始所述加热之前或之后完成；催化物质或催化物质混合物以固体、其溶液或悬浮液，或者液体或其乳液的形式用作所述催化添加剂，其中所述催化物质或所述催化混合物中的至少一种物质包含至少一个羰基官能团且在IR光谱中在1550至1850CHT1的区域中具有至少一个强吸收带；并且其中所述添加剂以0.0000001至0.lwt%的量引入，并且所述催化物质和所述催化混合物中各个物质的重量比选择为根据当前需要防止或促进所述物质或所述混合物在高压和高温作用下的分解。
5.根据权利要求4的方法，其中用作所述添加剂的一种或更多种所述物质选自单羧酸及其酸酐；二元羧酸及其酸酐；羧酸盐；二元羧酸盐；羧酸酰胺；二元羧酸酰胺；羧酸酰苯胺；二元羧酸酰苯胺；羧酸酯；二元羧酸的单酯和二酯；羧酸酰亚胺；二元羧酸酰亚胺；碳酸二酰胺；非环碳酸酯和环状碳酸酯；氨基甲酸酯；氨基羧酸，其分子包含氨基(NH2基)和羧基(C00H基)；肽和蛋白质，其分子由通过肽(酰胺)键C(O)NH连接的α-氨基酸残基构成。
全文摘要
本发明涉及一种将热能转化为机械功的方法，包括将热能提供给槽中的工作流体。将气相的工作流体进料到用于将能转化为机械功的装置中。气态的工作流体冷凝，并使其以液相循环回到槽中。在开始加热之前或之后将作为催化物质或催化物质混合物的催化添加剂以0.0000001至0.1wt％的量引入工作流体中。添加剂是固体、其溶液或悬浮液，或者液体或其乳液。催化物质和混合物中组分的比例选择为根据当前需要防止或促进物质或混合物在高压和高温作用下分解。本发明的方法提高工艺效率并扩大其操作能力。
文档编号F01K25/06GK103154447SQ201180046880
公开日2013年6月12日 申请日期2011年4月4日 优先权日2010年8月26日
发明者伊戈尔·阿纳托列维奇·列文科 申请人:伊戈尔·阿纳托列维奇·列文科