专利名称:用于兰金循环动力装置的工作流体的制作方法
本发明是有关兰金循环动力装置的工作流体，特别是有关一种既经济又安全的工作流体。
在兰金循环动力装置中，热量加到一个装有液态工作流体的锅炉上，在恒温下使工作流体汽化，把所产生的蒸汽供给一个或多个涡轮级，该涡轮级发生膨胀而作功。从各涡轮级中排出的消耗掉热量的工作流体被传送到冷凝器，在冷凝器中蒸汽排出了热量而冷凝成液体再返回到锅炉以重复此循环。
当工作流体是水，或是一种具有几乎对称的钟型温度/熵(T/S)图形的流体时，蒸汽沿着一条实际的等熵线，从处在锅炉温度的饱和蒸汽状态下降到冷凝器的温度(与在涡轮机中的膨胀相仿)、并在(T/S)图形的液态范围内达到一个终止状态。膨胀的流体将包含有许多对涡轮机有效运行有损害的微小液滴。换句话说，在向涡轮级传送能量中，“湿”蒸汽比“干”蒸汽的效率低，结果，动力装置实际的热力学效率没有和理论效率一样那样高，该理论效率直接与锅炉和冷凝器之间的温度差有关。此外，湿蒸汽比“干”蒸汽对涡轮机部件更具有腐蚀性，因而，单从这一点来讲，也是所不希望的。
对实际的效率和腐蚀问题的常规解决方法，是把涡轮机分级，以及使蒸汽过热，以使得每一级中温度的下降在蒸汽区域内完成。可是使用过热器会使实际效率低于理论效率，并且产生一个更复杂更昂贵的系统。
为了提高系统的效率，减少系统的复杂性，可以使用某种“干”工作流体。某种干工作流体，例如象庚烷，具有非对称的，向右歪斜的T-S图形。由此，蒸汽膨胀是沿着实际上的等熵线在图形的过热区域内发生。这就是说，涡轮机中膨胀的终点是在冷凝器压力下的过热区域内，而温度高于冷凝器中的温度。因此，从工作流体中抽出的能量将仅仅是由锅炉和冷凝器之间的温度差所确定的可用能量的一部分。
一般，用回热器在汽化发生之前，向锅炉中的液态工作流体传送过热。然而，这种类型的回热器，由于含有蒸汽/液体热交换，需要大的热传送表面，因而是效率低的，从而导致产生一个昂贵和复杂的系统。此外，许多干工作流体，其蒸汽的易燃性是一个主要的问题。例如庚烷和许多其它的烃类以及它们的卤代衍生物，由于它们的热力学特性和它们与动力装置金属部件的相容性，是理想的，可适用于在兰金循环动力装置中作为工作流体，然而由于它们的易燃性，因而使得它们的应用很危险。
因此，本发明的目的是提供一种新的改进的用于兰金循环动力装置的工作流体，该兰金循环动力装置可容许从锅炉温度到冷凝器温度的完全膨胀，其终点不在液态区域，并且能减小起火危险，而且比通常的“干”工作流体安全。
根据本发明，一种用于兰金循环动力装置的、在一个锅炉温度和一个冷凝器温度之间运行的组合工作流体包括了一种不溶混的流体混合物。这些流体是这样选择的，即使得所说的组合工作流体的蒸汽膨胀是从锅炉温度沿着一条基本上的等熵线，一般是沿着工作流体的饱和蒸汽线而发生。最好是使组合工作流体的蒸汽从锅炉温度向冷凝器温度一般地沿着工作流体的饱和蒸汽线进行膨胀。
组合的工作流体是一种湿流体和干流体的混合物。“湿”流体的分子量通常比“干”流体分子量小，最好是“湿”流体是一种由包含有水、醇氨和胺或其混合物的一类中选择出来的极性化合物，“干”流体最好为非极性的，并且由包括有烃类，及其卤代衍生物或其混合物的一类中来选择。“湿”和“干”流体混合物使得组合工作流体的T-S图形的最右边线，比任一单一组份工作流体的T-S图形的最右边线更接近垂直于熵轴线，因此达到了被改进的效率等级。更可取的是，组合工作流体T-S图形的最右边线几乎垂直于熵轴线，因此，可用一个单级涡轮机使工作流体从锅炉温度向冷凝器温度膨胀。由于工作蒸汽是沿着或接近饱和蒸汽线膨胀，在膨胀期间和膨胀之后都不是“湿”态，这样，过热器或回热器就可取消。因此，根据本发明的工作流体能使用在一个单个膨胀涡轮机中，以便最有效地利用基于锅炉和冷凝器之间的温度差系统的合用的总的能量。
因为工作流体的组成物是不混溶的，每一种组成物在蒸汽状态的部分压力分别地只决定于每一种组成物在锅炉温度下的蒸汽压力，总压力是每一种组成物的单独压力的总和。因此，每一种处在蒸汽状态的组成物的量与每一种处在液体状态的组成物的量无关。由于这个原因，根据本发明的一个系统将利用比“干”流体用量大得多的“湿”流体数量。仍然能够产生按上述方式操作的足够量的蒸汽。例如，相当于“湿”流体的大量的水和相当于“干”流体的少量的庚烷，可以在一个系统中以这样的一种方式来使用，在该方式中体系的易燃危险性显著地减少并仍然能够获得高的热力学效率。
本发明也适用于相对比较昂贵一般不作为工作流体使用的干流体。例如非常昂贵的氟代己烷，该氟代己烷可以和水一起使用以得到高效率的兰金循环动力装置。
上面所描述的两种情况是由组合工作流体的两种组成物的不相混溶的特性而产生的。这就是说，实际上系统中所有的流体将被容纳在锅炉或蒸发器中和作为冷凝物的冷凝器中，而同时所有的蒸汽将被容纳在涡轮机及锅炉和冷凝器当中的液体上方的空间中。组合蒸汽中“干”流体的百分率明显地大于液体中“干”流体的百分率，结果，由于使用易燃的“干”流体而引起的任何易燃危险性皆由于“湿”液体在数量上占优势的原因而在液态中被减少到最小程度。这也不会降低由不相混溶流体的混合物产生的组合蒸汽的热力学效率。
本发明的具体实施示于附图图1是根据本发明的兰金循环动力装置的方框图。
图2A是典型的“湿”工作流体的T-S图形，例如水。
图2B是典型的“干”工作流体的T-S图形，例如庚烷。以及图2C是“湿”流体和“干”流体的典型混合物的T-S图形，例如水与庚烷的混合物。
现在参阅图1，标记数字10表示根据本发明所使用的两种不相混溶的流体混合物作为工作流体的兰金循环动力装置，一种是“湿”流体，另一种是“干”流体。在本说明书中使用的“湿”流体一词指的是一种其T-S图形基本上对称的钟形曲线的流体，其中水就是典型的这种流体。这种曲线在图2A中表明。一个用水运行的兰金循环动力装置，例如，在状态1A，2A，3A或3A′以及4A或4A′之间运行，这就是说，兰金循环动力装置锅炉中的水在恒定的温度和压力下从状态2A到状态3A被加热至饱和蒸汽线，在这一点，任何附加的热量使锅炉产生的蒸汽过热，并将沿着恒压线5A到3A′状态由饱和蒸汽到过热蒸汽而改变状态。
如果饱和蒸汽被送给一个允许在其涡轮机中产生膨胀的涡轮级，就会沿着在图2A所表示的基本上是等熵线到状态4A而发生膨胀，至少在理论上是如此，实际上，由于蒸汽在通过涡轮级产生膨胀时在蒸汽中有小液滴出现，涡轮机在这些条件下运行是做不到的。为了获得一个实用的涡轮机，蒸汽在膨胀发生前应从状态3A被过热到状态3A′。在这种情况下，膨胀就会在状态3A′与4A′之间发生，该4A′是在冷凝器压力下的饱和液体状态。这里所说的这种情况是由于“湿”流体的T-S图的形状而发生的。这就是说，在锅炉和冷凝器温度之间的范围内，饱和蒸汽线有一个负向的倾斜角，如图2A所示的图形。
本说明书使用的“干”工作流体术语指的是一种其T-S图形如图2B所示的流体。当这样一种流体应用在兰金循环动力装置时，在恒温下，锅炉把此液体从状态2B加热成状态3B的饱和蒸汽。进一步对饱和蒸汽加热使流体过热，工作流体的状态将落在恒压线5B上的一个由把热量加给蒸汽所决定的位置上。
如果一种“干”工作流体被加热而产生处于状态3B的饱和蒸汽，并且这种蒸汽被施加给一个涡轮级，膨胀实际上就会沿着垂直线6B(等熵)向下到由冷凝器中的压力所确定的恒压线7B而发生。此蒸汽在状态4B′仍然是过热的，为使其返回锅炉，必须除去过热。它可以被排入冷凝器的冷却剂中，或将其用于预热进给到锅炉中的冷凝物。这两种情况中，很明显，因为状态3B和4B′之间的温度差小于状态3B和状态4B之间的温度差，其中4B为冷凝器温度，则基于图2B所示的循环的涡轮机所输出的能量将小于理论上的最大可能值。
图2c表示一种湿工作流体和一种与之不相混溶的“干”工作流体的混合物的T-S图形，对于给定的汽化和冷凝温度，对“干”和“湿”流体进行挑选以便能产生一个几乎与熵轴线垂直的饱和蒸汽线。一种“湿”流体的例子是水，一种“干”流体的例子是庚烷，如图2c所示。工作流体的液态组成物在恒温下从状态2c加热到状态3c产生每一种组成物的蒸汽。由于工作流体的各组成物在液态是不混溶的，在锅炉中每一种组成物在蒸汽状态的量不取决于每一种组成物在液态的量。这表示在蒸汽组合物中组成物的百分率与液体组合物中的组成物百分率有很大差异。从实际的观点来看，这表示组合物蒸汽的热力学特性能够作到非常类似于“干”流体的特性，而组合物液体的热力学特性将非常类似于“湿”流体的特性。
从状态3c到状态4c的膨胀，实际上是沿着组合物的饱和蒸汽线来进行，以便使得用于转化到能量的有效的温度降落与锅炉和冷凝器之间的温度差相同。因此，一种具有如图2c所示的合成T-S图形的“湿”和“干”流体的混合物的工作流体能够使一个兰金循环动力装置以最大的热力学效率来运行，该效率与由锅炉和冷凝器之间的温度差所确定的循环过程的理论热力学效率有关。
现在返回到图1，动力装置10包括锅炉12，锅炉含有二种不相混溶的以“A”和“B”表示的液体的混合物，热量由一个热源(没有表示出来)供给。热量加给锅炉12中的液体14，使组合物液体汽化而生成组合物蒸汽;由管道16把组合物蒸汽传送到进行膨胀的涡轮机18的入口，在排放管20中产生热耗尽蒸汽。此热耗尽的组合物蒸汽通过管道20传送到冷凝器22，既可用气体冷却，又可用液体冷却，热耗尽的蒸汽被冷凝成冷凝物，利用泵(没有表示出来)或重力通过管道24使其返回到锅炉12。
当工作流体包含一种易燃液体如烃或其部分卤代的衍生物时，则本发明尤其适用。用于兰金循环动力装置中适合于作工作流体的易燃流体的例子是庚烷。向系统中加水，系统的效率被提高，并且减少了因为使用一种易燃流体而产生的危险。效率的提高是由于“干”工作流体如庚烷与“湿”工作流体如水进行混合，结果形成了一种具有如图2c所示形状的T-S图形的混合物。由于锅炉中装的基本上是水，又在蒸汽中含有有效数量的庚烷，因而起火的危险性减小了。例如，在一个能够产生500千瓦功率的典型的有机流体动力装置中，在系统中单独使用庚烷时，大约需要4000千克的庚烷，而当与水混合使用时，只需要大约100千克的庚烷。
当所需要的工作流体昂贵时，向系统中加入水，可以提高系统的效率并降低费用。由上所述，由于合成组合物的T-S图形的调整，提高了系统的效率，由于只需要相对少的数量的昂贵流体从而降低了系统的成本，例如，流体是过氟代己烷时，热力学效率高，并与动力装置的金属部件相适合。可是，这种流体的通行价格大约为每千克30.00美元，这自然就造成动力装置中使用这种流体的成本太高。然而，通过向过氟代己烷中加水，过氟代己烷的需要量就能减少大约100倍或更多。因此，使采用过氟代己烷作为工作流体的一种动力装置的结构变成了现实。
一般来说，“湿”流体是极性的，并且有相对低的分子量，这种例子有水、醇、氨、胺等。这些流体被认为对火是无危险的。另一方面，“干”流体是非极性的，且具有相对高的分子量。这种例子有烃及其卤代衍生物(如酯)。
实施例1建立在含有庚烷与水混合物的组合流体基础上的一种兰金循环动力装置可按涡轮机进口温度为200℃和冷凝器温度为40℃而进行设计，在这些强制条件下，水与庚烷混合物将产生一种蒸汽，该蒸汽组成为庚烷占78%(以重量计)，水占22%(以重量计)，动力装置的条件表示如下参数 数值锅炉压力(巴) 25.4蒸汽密度(千克/米3) 41.8冷凝器压力(巴) 0.19蒸汽密度(千克/米3) 0.52涡轮机等熵出口温度(℃) 40湿水的百分率 4.2热量输入(千焦耳/千克) 1105等熵膨胀能量(千焦耳/千克) 305净效率(百分率) 17.9实施例2建立在含有1-1二甲基环己烷(DMCH)和水混合物的组合工作流体基础上的一种兰金循环动力装置可按涡轮机进口温度为300℃和冷凝器温度为40℃而进行设计，在这些强制条件下，这些成份的混合物将产生一种蒸汽，其组成为DMCH占43%(以重量计)，水占57%(以重量计)，动力装置的条件表示如下
参数 数值锅炉压力(巴) 110蒸汽密度(千克/米3) 158冷凝器压力(巴) 0.14蒸汽密度(千克/米3) 0.33涡轮机等熵出口温度(℃) 40湿DMCH百分率 0.00湿水的百分率 6.0热量输入(千焦耳/千克) 1460等熵膨胀能量(千焦耳/千克) 519净效率(百分率) 22.3实施例3建立在含有十一烷和乙二醇(Eg)混合物的组合工作流体基础上的一种兰金循环动力装置可按涡轮机进口温度为300℃和冷凝器温度为40℃而进行设计。在这些强制条件下，这些成份的混合物将产生一种蒸汽，其中十一烷占50%和Eg占50%。动力装置的条件表示如下参数 数值锅炉压力(巴) 26.3蒸汽密度(千克/米3) 65冷凝器压力(巴) 0.002蒸汽密度(千克/米3) 0.011涡轮机等熵出口温度(℃) 56
热量输入(千焦耳/千克) 1372等熵膨胀能量(千焦耳/千克) 469净效率(百分率) 22.3虽然本发明描述的是关于特定的装置、材料和具体实施，但不言而喻，本发明不限于这些公开的特定内容，而可扩展到权利要求
范围内的所有等同物上。
权利要求
1.一种用于在锅炉温度与冷凝器温度之间进行的兰金循环动力装置的组合工作流体，该组合工作流体包含有一种不相混溶的流体的混合物。
2.按照权利要求
1所说的一种组合流体，选择一种流体比另一种流体相对更易燃，易燃性小的流体的数量要超过易燃性高的流体的数量，并且组合混合物的热力学特性优于组成此混合物主要部分的流体的热力学特性。
3.按照权利要求
2所说的一种组合流体，其中，易燃性小的流体从包含有水，乙二醇，氨和胺的一类中进行选择。
4.按照权利要求
3所说的一种组合流体，其中易燃的流体是烃。
5.按照权利要求
4所说的一种组合物，其中烃是从包含有庚烷，1-1二甲基环己烷和十一烷的一类中进行选择。
6.按照权利要求
1所说的一种组合流体，选择一种流体比另一种流体相对更昂贵，较低廉的流体的数量超过较昂贵的流体的数量，而且组合的混合物的热力学特性优于组成此混合物的主要部分的流体的热力学特性。
7.按照权利要求
6所说的一种组合流体，其中较低廉的流体是水，较昂贵的流体是碳氟化合物。
8.按照权利要求
7所说的一种组合流体，其中较昂贵的流体是氟代己烷。
9.按照权利要求
1所说的一种组合流体，选择组合流体的饱和蒸汽线从锅炉温度到冷凝器温度通常是沿着一条实际上的等熵线。
10.按照权利要求
9所说的一种组合流体，其中所说的组合工作流体的蒸汽从锅炉温度到冷凝器温度一般是沿着此组合工作流体的饱和蒸汽线来进行膨胀。
11.按照权利要求
10所说的一种组合流体，其中工作流体的不相混溶中的一种是“湿”流体，工作流体的不相混溶中的一种是“干”流体。
12.按照权利要求
11所说的一种组合流体，其中，“湿”流体为极性化合物。
13.按照权利要求
12所说的一种组合流体，其中，“湿”流体从包含有水、醇、氨和胺的一类中进行选择。
14.按照权利要求
13所说的一种组合流体，其中，“湿”流体是水。
15.按照权利要求
14所说的一种组合流体，其中，“干”流体是非极性化合物。
16.按照权利要求
15所说的一种组合流体，其中，“干”流体是从包含有烃及其卤代衍生物的一类中进行选择。
17.按照权利要求
16所说的一种组合流体，其中，“干”流体是庚烷。
18.按照权利要求
16所说的一种组合流体，其中，“干”流体是氟代己烷。
19.按照权利要求
16所说的一种组合流体，其中，“干”流体是1-1二甲基环己烷。
20.按照权利要求
12所说的一种组合流体，其中，“湿”流体为乙二醇及“干”流体为十一烷。
21.一种采用前述任何一种权利要求
的组合流体的兰金循环动力装置。
专利摘要
一种用于在锅炉温度和冷凝器温度之间运行的兰金循环动力装置的组合工作流体，它包含一种不相溶的流体混合物。其选择方法是此组合流体在锅炉温度附近的饱和蒸汽线通常是沿着一条实际上的等熵线，结果，组合工作流体的蒸汽从锅炉温度到冷凝器温度的膨胀通常是沿着此组合工作流体和饱和蒸汽线来进行。此组合工作流体的不相混溶的流体一种是“湿”流体，一种是“干”流体。此湿流体为极性化合物，其分子量小于“干”流体的分子量，而“干”流体为非极性化合物。
文档编号F01K25/06GK87100862SQ87100862
公开日1987年9月30日 申请日期1987年1月8日
发明者安农·约杰夫, 戴维·马拉布 申请人:奥马蒂系统公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan