混合嵌入式组合循环 |
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| 申请号 | CN201280021489.X | 申请日 | 2012-04-19 | 公开(公告)号 | CN103502582A | 公开(公告)日 | 2014-01-08 |
| 申请人 | 哈里公司; | 发明人 | W·R·帕尔默; | ||||
| 摘要 | 一种用于通 过热 能做功的方法(400,1100)和设备(500,1200)，其包括 锅炉 (510)，锅炉被构造为加热第一 工作 流体 (F1)的加压流以形成第一蒸气。 压缩机 (502)压缩第二蒸气形态的第二工作流体(F2)。混合腔(504)接收第一和第二蒸气，将 热能 从第一蒸气直接传递给第二蒸气。从第一蒸气传递给第二蒸气的热能通常包括第一工作流体的至少一部分 蒸发 潜热 。膨胀器(506)被设置为，膨胀从混合腔接收到的第一和第二蒸气的混合物，从而在热传递操作之后或期间做有用功。该过程是封闭式的，能进行再循环，从而能回收传统循环过程中通常不再使用的热能。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于在连续循环中通过热能做功的方法，包括以下步骤： |
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| 说明书全文 | 混合嵌入式组合循环技术领域背景技术[0002] 热机使用以热能形式提供的能量做机械功，排出一部分不能用来做功的热能。可利用热源和冷源之间的温差将热能转换为机械功。这种公知的原理如图1所示，图1示出了热源、冷源和产生输出功的中间热力循环。热机可设计在各种不同的公知热力循环或过程中。属于这类公知热机循环的两种热机循环包括布雷顿循环和兰金循环。 [0003] 图2示出了闭式布雷顿循环。工作流体在压缩机202中被加压以做功(Win2)，然后被热源204加热(Qin2)。被加热加压的工作流体然后通过涡轮机206膨胀而释放出能量。通过涡轮机206从被加热加压的工作流体提取一部分功(Wout2)用于驱动压缩机202。工作流体然后在冷却器208中被冷却(Qout2)，从而重复该循环过程。 [0004] 在上述实例中，布雷顿循环以闭式循环运行。布雷顿循环也可以以开式循环运行(开式布雷顿循环)。在这种配置中，周围的空气被吸入压缩机中，在压缩机中被加压。被压缩的空气被输送到燃烧室中，在燃烧室中，燃料燃烧、在等压过程(即，在恒压下)中加热被压缩的空气。之后，被加热加压的空气在涡轮机中膨胀，在涡轮机中做机械功。一部分机械功用于驱动压缩机。之后，空气从涡轮机被排放到周围环境(大气)中。例如，汽轮机是开式布雷顿循环，在航空和电厂中很普遍。 [0005] 图3示出了兰金循环的基本特征。在兰金循环中，液态工作流体通过泵302从低压侧被泵送到高压侧，从而将功(Win3)补充到系统中。加压的工作流体然后进入锅炉304中，通过合适热源在恒压下被加热(Qin3)，变成蒸气。蒸气然后通过膨胀器或涡轮机306膨胀，从而提供输出功(Wout3)。通过涡轮机膨胀的过程将降低蒸气压力和温度，该膨胀过程可以产生一些冷凝物。蒸气和冷凝物然后进入冷凝器308中，在冷凝器中蒸气冷凝或冷却以在恒压下排出热量(Qout3)，变成液体。液体然后进入所述泵中，之后，重复执行该过程。 [0006] 组合式循环是两个或更多个发动机的组合系统，它们通过组合两个或更多个热动力循环将热能转变为机械能。与第一循环相关的一个热机排放的能量可用于提供热源以用于第二循环中。例如，开式布雷顿循环通常与兰金循环组合以形成用于电厂的组合式循环。开式布雷顿循环通常作为燃烧燃料的涡轮机运行，该燃烧过程排放的能量用作兰金循环过程中的热源。在这种情况下，兰金循环称之为后置循环，这是因为该循环使用布雷顿循环的废热来做有用功。使用高温(如2000°F)热源时，开式布雷顿循环与兰金后置循环组合的组合式循环在理想情况下达到的能量转换效率应该高达60%。在低温(如700°F)热源情况下，转换效率要低得多，传统上大致低于35%。 发明内容[0007] 本发明涉及一种用于通过热能做功的方法。该方法包括如下步骤：加热第一工作流体的加压流以形成第一蒸气；以及，压缩第二蒸气形态的第二工作流体。之后，不包括任何干扰结构的情况下，将热能从第一蒸气直接传递给第二蒸气。该方法还包括，在热传递过程之后或期间，膨胀第一和第二蒸气的混合物以做有用功。根据本发明的一个方面，从第一蒸气传递给第二蒸气的至少一部分热量包括第一工作流体的蒸发潜热。该方法还继续执行如下步骤：将第一蒸气的冷凝物与第二蒸气分离。作为分离步骤的一部分，可使用独立于第一和第二工作流体的冷却环路以从第一和第二蒸气中去除掉热量。流体被分离之后，它们可分别在加热和压缩步骤中被再利用。 [0008] 该方法包括蒸发过程(其作为分离步骤的一部分)，在蒸发过程中，冷凝物起到蒸发器中的制冷剂的作用。含有第一工作流体的一部分冷凝物在蒸发器中转变为蒸气。从而降低了蒸发器中的第一工作流体的温度。有利地，蒸发器设置在含有从膨胀步骤排出的第一和第二蒸气混合物的环境中。通过这样设置蒸发器，热量能从第一和第二蒸气传递给蒸发器内的冷凝物(即，第一工作流体)。因此，在一部分第一工作流体被再利用于加热和压缩步骤之前，蒸发器能预热该部分第一工作流体。在替换实施例中，在压缩之前或期间，通过将液体喷射到第二工作流体流中，从而冷却第二工作流体。该液体可以是第一工作流体。 [0009] 根据本发明的一个方面，混合物中的第一蒸气和第二蒸气之比可动态变化。根据本发明的另一方面，选择具有相同化学成分的第一和第二工作流体。根据本发明的第三方面，热量可从外部热源补充到第一和第二蒸气的混合物中。在本发明的另一实施例中，还执行另外的膨胀步骤。有益地，在混合步骤之前执行该另外的膨胀步骤。具体而言，在混合之前使第一蒸气膨胀以做功。 [0010] 本发明还涉及一种设备，用于根据上述方法通过热能做功。该设备包括锅炉，该锅炉被构造为加热第一工作流体的加压流以形成第一蒸气。该设备设置有压缩机，该压缩机被配置为压缩第二蒸气形态的第二工作流体。请注意，上述的第一和第二工作流体并不必须包括单一的化学结构，因此它们可以包括一些合适的化学成分。该设备还包括接收第一蒸气和第二蒸气的混合腔。该混合腔被构造为用于将热能从第一蒸气直接传递给第二蒸气，不包括任何干扰结构。混合腔可选择地被配置为从外部热源将热量补充给第一蒸气和第二蒸气的混合物。本发明还包括膨胀器。该膨胀器被配置为膨胀从混合腔中接收到的第一蒸气和第二蒸气的混合物。这样，在热传递操作之后或期间，膨胀器使用第一和第二工作流体做功。很显然，从第一蒸气传递给第二蒸气的热能通常将包括第一工作流体的至少一部分蒸发潜热。 [0011] 该设备还包括冷凝器。有益地，该冷凝器被构造成用于接收第一和第二蒸气的混合物，并将第一蒸气(第一工作流体)的冷凝物与第二蒸气(第二工作流体)分离。冷凝器可操作地与冷却环路连接。冷却环路被配置为冷却第一和第二蒸气，但是独立于第一和第二工作流体。该设备有益地被构造为可再利用通过冷凝器已经被分离的冷凝物和第二蒸气。具体而言，冷凝物(第一工作流体)和第二蒸气(第二工作流体)可分别在锅炉和压缩机中被再利用。 [0012] 在本发明的一实施例中，该设备还可包括蒸发器，在蒸发器中第一蒸气的冷凝物还起制冷剂的作用。在此方面，该设备可被设置为在蒸发器中将至少一部分冷凝物(第一工作流体)转变为蒸气。转变为蒸气的过程将达到冷却效果。含有这种被冷却的第一工作流体的蒸发器能布置在冷凝器内，或设置在冷凝器附近，以吸收可利用的废热或从整个循环的其他部分排出的热量。蒸发器将热量从混合物传递给蒸发器内的第一工作流体。通过这种热传递过程，从而，第一工作流体在锅炉中被再利用和/或在压缩机中作为喷雾被再利用之前，其能有效地被预加热。 [0013] 该设备还包括喷射系统。该喷射系统被构造成，在压缩机中进行压缩操作之前或期间，通过将液体直接喷射到第二工作流体流中以冷却第二工作流体。在这种实施例中，有利地，用作喷雾的液体可以是第一工作流体。该设备还可包括一个或更多个控制装置，其被构造为动态改变进入混合腔中的第一和第二蒸气的比率。根据本发明的一个方面，第一和第二工作流体可以具有相同的化学成分。附图说明 [0014] 将参照下面的附图描述这些实施例，附图中的类似标记表示图中的类似元件，附图如下： [0015] 图1是示意图，用于示出热动力循环相关的基本原理； [0016] 图2是示意图，用于帮助理解闭式布雷顿循环； [0017] 图3是示意图，用于帮助理解兰金循环； [0018] 图4是流程图，用于帮助理解混合嵌入式组合循环。 [0019] 图5是示意图，用于帮助理解执行图4中的混合嵌入式组合循环的设备； [0020] 图6是示意图，用于帮助理解图4中的混合嵌入式组合循环的效率； [0021] 图7是示意图，用于比较图6中的混合嵌入式组合循环的效率与兰金循环的效率； [0022] 图8是示意图，用于比较图6中的混合嵌入式组合循环的效率与布雷顿循环的效率； [0023] 图9是实例性压力图，参照图5的各个位置示出了混合嵌入式组合循环的工作流体的实例性压力； [0024] 图10是实例性温度图，参照图5的各个位置示出了混合嵌入式组合循环的工作流体的实例性温度； [0025] 图11是流程图，用于帮助理解包括集成式制冷循环的混合嵌入式组合循环的替换实施例； [0026] 图12是示意图，用于帮助理解被构造为执行图11中的混合嵌入式组合循环的设备； [0027] 图13是示意图，用于帮助理解图12的混合嵌入式组合循环的效率； [0028] 图14是实例性压力图，参照图12的各个位置示出了混合嵌入式组合循环的工作流体的实例性压力； [0029] 图15是实例性温度图，参照图12的各个位置示出了混合嵌入式组合循环的工作流体的实例性温度； [0030] 图16示出了某实施例，在该实施例中，用于图12中的兰金循环部分的高温热源是从开式布雷顿循环燃烧系统（如气体涡轮机）输送的； [0031] 图17是图12中所示的设备的替换实施例； [0032] 图18A和18B是图表，用于帮助更详细理解图13所示的系统。 具体实施方式[0033] 下面将参照附图描述本发明。这些附图没有按照比例绘制，提供这些附图仅用于示出本发明的总体性实施例。下面将参照用于阐释的示例应用来描述本发明的几个方面。应该理解为，描述了许多特定细节部分、关系和方法以便于完全理解本发明。但是，相关领域的普通技术人员将能意识到，不采用一个或多个所述特定细节内容或采用其他方法也能实施本发明。在其他情况下，没有详细示出公知结构或操作以免不能清楚理解本发明。本发明并不局限于按照所示次序来执行步骤或过程，可以采用不同次序执行一些步骤；和/或，在执行一些步骤的同时还执行其他步骤或过程。另外，不需要执行所示的所有步骤或过程来实施根据本发明的方法。 [0034] 本发明涉及一种用于通过热能做功的方法。图4中示出了流程图以帮助理解本方法。方法400从步骤402开始，在步骤402中，在一定压力下加热第一工作流体(液体)以产生加压蒸气(第一蒸气)。在步骤404中，在第一膨胀器中通过膨胀第一蒸气来可选择性地做功，但是，该步骤并不是必须的，在本发明的某些实施例中可以省去该步骤。在这类实施例中，由步骤402产生的加压蒸气能直接被传送到混合步骤408中。 [0035] 在执行步骤402和404的同时，在步骤406中压缩由第二工作流体形成的第二蒸气。在某些实施例中，为了达到冷却目的，在压缩步骤之前或期间，可步骤405而将可选的液体喷雾补充到第二工作流体中。之后，在步骤408中，第一蒸气和第二蒸气在大致相等压力下混合，以形成蒸气混合物。蒸气混合物在文中有时也称之为第三工作流体或第三蒸气。在可选的步骤409中，可从系统外部的源将附加热量补充到蒸气混合物(第三蒸气)中。在某些情况下，在循环的该阶段补充热量这一步骤并不是必须的，可以省掉该步骤。 [0036] 在步骤410中，通过膨胀蒸气混合物来做功。从一第二膨胀装置的一侧至另一侧产生压降，从而可促进蒸气混合物膨胀。在步骤412中，第一蒸气在冷凝器中冷凝以恢复成第一液体状态。第二蒸气可保持蒸气状态。此时，通过在步骤406中再压缩第二蒸气、在步骤402中再加热第一液体，可以重复执行该过程。 [0037] 现在将针对图5所示的热机500更详细描述方法400。热机500能实施方法400。但是，应该理解为，仅以示例而非限制本发明的方式配置热机500。可对组合在本创新方法中的热机进行许多变形。例如，并不要求轴压缩（shaft compressing）502、508和506连续。 同样地，如果热机能执行方法400中的各个步骤，则其他元件可被替代掉。因此，组合在本创新方法中的热机可以包括更多或更少的元件或步骤，但是，这些仍落入本发明的范围内。 [0038] 现在参照图5，使用泵501对液态的第一工作流体(F1)加压。加压流体然后被传送到锅炉510中，从而从热源将预定热量Qin5补充到第一工作流体中。由于这些操作中的一个或更多个操作，因此，第一工作流体转变为第一蒸气。之后，第一蒸气可选择性地被传送到第一膨胀器508中，在该第一膨胀器中做功Wout5a。可以采用任何合适的膨胀器来达到此目的，只要膨胀器能使用加压蒸气做有用功即可。例如，第一膨胀器可以是膨胀式涡轮或涡轮膨胀器、叶轮式膨胀器或往复式膨胀器，本发明并不局限于此。 [0039] 一旦已经使用第一蒸气在第一膨胀器508中做功Wout5a，第一蒸气就从膨胀器排到混合腔(其在文中有时称之为混合器)504中。第一蒸气在经过第一膨胀器508之后将含有热潜能(热能)，其在文中称之为Qin-Reject。 [0040] 如上所指出，该循环过程不一定要求执行第一工作流体在第一膨胀器508中膨胀的膨胀步骤。在这类实施例中，可将第一蒸气从锅炉510直接传送到混合腔504中，如下所述。将根据各种设计依据决定选择使用或不使用第一膨胀器508。例如，计算机模拟技术已经显示：热源温度相对高时，使用第一膨胀器将能显著提高系统效率。已经发现，在源温度较低的情况下，膨胀器对效率影响较小。 [0041] 在执行涉及第一工作流体的上述操作的同时，在压缩机502中压缩以第二蒸气形态存在的第二工作流体(F2)。该步骤包括将功(其在图5中表示为Win5)输入到系统中。之后，来自于压缩机502的压缩蒸气从压缩机被传送到混合腔504中。在混合腔504内，第一蒸气和所述第二蒸气组合或混合以形成第三工作流体(第三蒸气)F3，其是第一蒸气和第二蒸气的混合物。由于工作流体的这种混合，流体之间将容易发生热传递，使至少一部分与第一蒸气相关的热能(Qin-Reject)被传递给第二蒸气。可供选择地，此时可将附加热提供给混合腔中的第三工作流体。例如，能从图5所示系统外部的源将附加热提供到混合腔中。 [0042] 请注意，并不需要在混合腔504内发生从第一蒸气向第二蒸气传递热量的所有热传递过程。在本发明的某些实施例中，一部分这种热传递过程可在第三蒸气离开混合腔504之后发生。例如，在本发明的某实施例中，当第三蒸气继续经历下述膨胀循环时，至少一部分这种热传递过程能继续进行。另外，流体也能在大致相等的温度下进入混合器中。但是，由于这些流体的化学成分差异，流体之间的热传递或热交换可能发生在随后的膨胀循环过程中。下面将针对膨胀器506描述膨胀循环过程的细节内容。 [0043] 很显然，上述热传递过程将直接发生在混合的工作流体之间，而不经过物理边界。如果采用传统热交换器用于此目的，上述热传递过程将经过物理边界。因此，热量能够基本上瞬时、高效地从第一蒸气传递给第二蒸气。 [0044] 混合腔504接收压力为P1的一定体积流量的蒸气流体F1和压力为P2的一定体积流量的蒸气流体F2，其中，压力P1和P2基本相等。在本发明的某实施例中，相对于流体F1和F2的流量而言，混合腔的容积不受限制。从而，可选择混合腔的容积以满足VF1+VF2=VF3，其中，VF1是流体F1的体积流量，VF2是流体F2的体积流量，VF3是流体F1和流体F2在接近恒压情况下的总体积流量。但是，本发明并不局限于此，混合腔504的容积可增大或减小，从而，可能改变流速，影响第三工作流体F3(第三蒸气F3)的压力。 [0045] 通过混合第一蒸气和第二蒸气所形成的第三蒸气在一定压力下从混合腔504被传送到第二膨胀器506中，以做有用功。第二膨胀器506产生的有用功在图5中表示为Wout5b。公知的传统膨胀器技术可用于此目的，只要其能使用加压蒸气做有用功即可。例如，第二膨胀器可以是膨胀式涡轮、涡轮膨胀器、叶轮式膨胀器或往复式膨胀器。对于该循环过程的特定实施例而言，有利地，本领域的普通技术人员将选择膨胀器，从而根据被传送到膨胀器中的流体F3的特定属性使转换效率达到最高。但是，本发明并不局限于此，通过第二膨胀器506做功之后，第三蒸气从第二膨胀器被传送到冷凝器512中。 [0046] 冷凝器512可以是能将工作流体从其蒸气状态冷凝成液体状态的任何装置。在本领域众所周知的是，通常在指定压力状态下冷却工作流体来实现冷凝。在图5所示的典型配置结构中，可通过蒸发器518进行冷却，这是一种有效降低冷凝器中的温度的方式。本领域的普通技术人员将能意识到，这种冷却过程通常包括通过第三工作流体释放热量。采用泵送和/或制冷方式将热量从冷凝器转移到冷源516中，从而进一步执行该冷却过程。从冷凝器中除掉的热量在文中将称之为Qout5。在该实例中，Qout5还包括以传导和/或对流方式从冷凝器512直接释放到大气中的热量损失。根据某些实施例，冷凝器512可以是热交换器，其利用泵514将热量传递给冷却剂，在工业生产过程中在配置中采用泵是普遍采用的方式。冷凝器的性能取决于许多因素，包括流体成分的属性、流体流量、流体比率、冷凝器压力和温度、硬件或设备物理结构。冷凝器设计领域的普通技术人员将能完全意识到，这些因素全部都是普通变量。 [0047] 在本发明中，有利地，冷凝器512被构造成在所述冷凝器中将第一蒸气F1转变成冷凝物，但是并不使第二工作流体F2冷凝。换句话说，第二工作流体保持为蒸气状态。本领域的普通技术人员将能意识到，这可通过选择物理属性不同的第一和第二工作流体来实现。由于第一和第二工作流体以这种方式聚集在冷凝器中，因此，该过程返回到其初始点，第一工作流体为液态，第二工作流体为蒸气态。之后，通过使用聚集在冷凝器中的第一和第二工作流体，可以在连续循环过程中重复执行上述全部过程。 [0048] 本领域的普通技术人员将能意识到，实际上，冷凝器通常不能完全冷凝100%的待被冷凝的蒸气。因此，本实施例中的冷凝器512实际上没有使蒸气混合物(第三蒸气)中的第一蒸气100%冷凝。但是，对于本发明的目的而言，这种情况是可以接受的，一部分未被冷凝的第一蒸气可保持与第二蒸气混合，继续被传送到压缩机502中。对于本说明书的目的而言，从设计角度来说，未被冷凝的该部分蒸气可以认为是F2的成分。 [0049] 根据循环内部流体的温度和压力，同时协调地选择流体的最合适的化学配置，这样能使热机500及其循环最优化。例如，在某些实施例中，第一和第二工作流体能由不同的化学成分组成。但是，本发明并不局限于此，在第一和第二工作流体实际上是相同的化学流体的情况下，也能运行该循环过程。在这种实施例中，可控制冷凝器512内的流体F3的冷凝比率或排出率（dropout rate），从而，可让一部分(或一定比率)流体以蒸气状态有效地进入循环中(因此其被再次用作为F2)，同时可让剩余部分冷凝成液态(从而其可被再次用作为F1)。 [0050] 图5中所示的上述过程对应于图4所示的循环过程中的某些步骤。例如，泵501泵送第一工作流体以及在锅炉510中加热第一工作流体的过程通常对应于步骤402。在第一膨胀器508中膨胀第一工作流体的过程、以及冷却工作流体的过程通常分别对应于图4中的步骤404和412。本领域的普通技术人员将能意识到，步骤402、404、410、412中的泵送、加热、膨胀和冷却过程类似于传统兰金循环中执行的相应过程。因此，为方便起见，有时将循环中的这些部分称之为该循环过程的兰金循环部分，或简称为兰金循环部分。 [0051] 类似地，在压缩机502中压缩第二蒸气的过程、在混合腔504中混合的过程、以及可选择地将热量补充给混合腔中的第三蒸气的过程大体上可分别对应于图4中的步骤406、408和409。在第二膨胀器506中膨胀蒸气混合物(第三蒸气)的过程、以及随后在冷凝器512中执行的冷凝过程大体上可分别对应于图4中的步骤410和412。本领域的普通技术人员将能意识到，在压缩机502中执行的压缩过程、在混合腔504中执行的加热过程、在第二膨胀器506中执行的膨胀过程、以及在冷凝器512中执行的冷却过程类似于传统的闭式布雷顿循环中执行的对应过程。因此，为方便起见，有时将循环中的这些部分称之为布雷顿循环部分、或循环中的布雷顿部分。 [0052] 很显然，图4和5的循环中的一些方面对于兰金循环部分和布雷顿循环部分而言是共同的过程。这些共同过程为兰金循环与布雷顿循环相重合的部分。在图4中，共同的步骤包括混合步骤（408）、可选择地将热量补充给第三蒸气的步骤（409）、膨胀步骤（410）以及冷凝步骤（412）。在图5中，这些过程将在混合腔504、第二膨胀器506和冷凝器512中执行。事实上，可以这样说，兰金循环的一部分嵌入在布雷顿循环中。同样地，为方便起见，有时将循环中两种工作流体混合的这部分过程称之为嵌入循环部分。 [0053] 与传统系统相比，参照图4和5所述的方法具有许多优点。例如，在该方法中，通过使工作流体作为热交换器(或起热交换器作用)，从而达到相当高的传热率。本发明能达到的另一个优点是：通过选择流体化学属性、温度和压力，从而可使用蒸发潜热用于热交换目的。具体而言，锅炉510提供给第一流体（F1）的热能可至少等于该工作流体的蒸发潜热。本领域的普通技术人员将能意识到，液体转变成蒸气可产生十分高的热容量。 [0054] 传热率高能实现两个重要目的。第一，直接混合过程不需要增加热交换器硬件，否则将会增加与购买、不动产和维护相关的成本。第二，直接混合将提高传热效率，从而能有效地使循环在热传递在几乎瞬时的情况下进行。由于工作流体之间的传热率更高并且它们在一起做功，因而，与其他方法相比，在使用相同热(温度)基准的情况下，将会从一定质量流量的流体混合物中获取更多有用能。因此，当混合流体在膨胀过程中协调运行时，第一流体中的更多潜热能可用于在膨胀器506中做功。 [0055] 参照图4和5所述的循环及相关设备可能会使温度相对低(如，低于800°F)的热源的转换效率增加，且所述转换效率能够增加至使得所述热源可与烃基能源相媲美。本发明的一个方面涉及增加混合腔504中的流体F1和F2(处于蒸气状态)的体积，从而能达到上述重要效果。混合这两种蒸气的过程助于提供相对大量的可利用能给第二膨胀器506。请注意，循环的兰金循环部分(泵501、锅炉510、以及第一膨胀器508)独自能产生较小的可利用蒸气容积(相对于补充的大量热能而言)，但是，该流体传送的热容量十分大。相反地，布雷顿循环部分(第一压缩机502、混合腔504、第二膨胀器506、冷凝器512)独自能产生较大的蒸气容积，但有效或高效地进行热交换的能力较小。通过结合热容量和容积容量，从补充的单位热能中获取功的可能性将更大。 [0056] 在本发明中，通过蒸发方式从热源中获取大量热能。蒸发潜热提供了一种有用的方式，可用于将液体中的大量热能转变成存储在蒸气中的动能。但是，蒸气流体做功以及因此产生能量的能力受所产生的总容积(相对于产生该容积所消耗的热量而言)限制。为了克服这种局限性，有利地，第二流体容积较大将会促进产生实际能量这一过程。 [0057] 提供容积较大的蒸气态第二流体会带来另一个挑战。具体而言，蒸气流体难以通过热交换装置加热，这是因为，这类装置受对流原理控制。在本发明中，(在循环的兰金循环部分中)可将大量热潜能转移到第一工作流体F1中，然后，(在循环的布雷顿循环部分中)通过混合第一和第二工作流体将该热能直接传递给第二工作流体，因此，本发明克服了现有技术的局限性，可助于提高效率。很显然，布雷顿循环和兰金循环均能以相对低的效率(假定热源温度为325°F的情况下，效率通常小于15%)将热能转换为电能或机械能。但是，通过组合这些单独的循环过程使各循环的最优特性得以利用，从而最终效率会相当高。 [0058] 现在参照图6，图6示出了示意图，用于理解上面参照图4和5所述的循环的效率。在图6中，第一方框601总体上表示图4和图5中的兰金循环部分，第二方框602总体上表示图4和5中的布雷顿循环部分，第三方框603表示图4和5中的嵌入循环部分。嵌入循环部分603实际上是兰金循环部分和布雷顿循环部分的组合部分，因此，示出嵌入循环部分与方框601和602局部重叠。在下面参照图6所述的计算机模型中，包括可选择的第一膨胀器508作为模拟系统的一部分，但是省掉可选择的步骤409(即，没有从任何外源将附加热补充到混合腔504中的工作流体中)。另外，该模型中所使用的流体可认为是如下流体： 第一工作流体F1(兰金循环部分)为100%戊烷或(可选择地，为50%戊烷和50%甲醇)；第二工作流体F2(布雷顿循环部分)为24%戊烷、49%氦和27%氮，上述含量为占第二工作流体总质量的百分比。第三工作流体中的第一和第二工作流体的相对混合比可认为是：39%的第一工作流体（F1）、61%的第二工作流体（F2）。所述第二工作流体的各组分占总质量流量的百分比分别为：15%戊烷、30%氦、16%氮。换句话说，这些值表示组分百分比，它们是总质量流量或F1+F2的函数。 [0059] 很显然，示意图示出了在相对低的基准温度(T=500°F)下的循环效率。图13中示出了T=700°F和T=300°F情况下的循环效率计算结果。每种情况下的循环效率取决于涉及许多变量的具体计算机模型。这些实例尝试与使用标称值(与理想值不同)的情况一致。本领域的普通技术人员将能意识到，对于从某些可再生能源(如地热)获取的热能而言，通常是相对低的温度状况，在地热情况下蒸气源温度通常大致为325°F。但是，应该理解为，本发明并不局限于任何特定的源温度运行范围。本发明可能会在温度范围大的情况下提高热能转换成电能或机械能的转换效率。 [0060] 在图6中，在温度为500°F下，外部源提供10个单位的热能(Qin6)给兰金循环部分。可使用计算机模型来证明：这种情况下兰金循环部分的效率大致为12.2%(η=12.2%)。该值表示：兰金循环部分601与布雷顿循环部分602相结合之前(即，在混合腔504中混合工作流体之前)兰金循环部分601的效率。兰金循环部分中的剩余能量被传递到布雷顿循环部分602中。计算机模型显示：这种情况下布雷顿循环部分的效率为33.2%(η=33.2%)。 [0061] 很显然，通过将能量从兰金循环部分传递给布雷顿循环部分，布雷顿循环部分的效率会比本领域普通技术人员的期望值要更高。效率提高通常是由于：从兰金循环部分补充到布雷顿循环部分中的容积流量增加。因为可选择的第一膨胀器包含在图6的计算机模型中，因此，一部分兰金循环能量消耗在第一膨胀器508中。如果可选择的第一膨胀器508不包含在该模型中，那么，布雷顿循环效率应该会进一步提高，这是因为，兰金循环部分中的更多能量可用于布雷顿循环部分。 [0062] 从输入给图6所示系统中的10个单位的热能中，在兰金循环部分601中可获取1.22个单位的功(Wout6a)。由于嵌入循环部分中的混合腔的效果，排出的8.78个单位的热能从兰金循环部分601传递到布雷顿循环部分602中。通过所传递的8.78个单位的热能，布雷顿循环部分将获取2.92个单位的功(Wout6b)。最后，将从组合系统中释放出5.86个单位的热能。在最初的10个单位热能中，有4.14个单位的热能转换成有用功(1.22+2.92=4.14)，有5.86个单位的热能作为废热排出。如果使用典型的实际元件，将排出的5.86个单位的热能(Wout6)从冷凝器中去除时，系统会消耗1.14个单位的有用功(Win6)。在考虑冷却所需的泵送过程的情况下，计算机模型显示，图6所示系统实际达到的效率为30%。当热源温度为500°F时，该效率为总系统效率。 [0063] 图6中达到的效率值表明，与采用传统硬件在相同温度下运行的传统循环所达到的效率相比较而言，效率显著提高。通过比较图6中的结果与图7和图8所示的兰金循环和布雷顿循环达到的结果，可充分理解这一点。如图7所示，在相同温度范围(T=500°F)下运行的传统兰金循环的效率通常大致仅为21.6%。类似地，在相同温度范围下运行的传统布雷顿循环的效率通常大致仅为21.4%。参照图4-6所述的方法/系统所达到的效率为30%，因而，与传统兰金循环或传统布雷顿循环相比，效率显著提高，其中所有的比较计算均以标称硬件性能为基础。如图6所示，在其他温度下，效率同样会显著提高。在源基准温度为700°F下，估测出效率为38.5%。在源基准温度为300°F下，估测出效率为22.7%。这些效率值也表明，与在相同温度下运行的传统兰金循环或布雷顿循环(参照图7和8)达到的相应效率值相比，有利地提高了效率。 [0064] 现在请参照图9，示出了实例状态图，该图示出系统500内的压力与位置之间的关系。根据循环内的位置以及工作流体类型示出了压力值。在图9中，代表布雷顿循环压力和兰金循环压力的线的重叠区域表示嵌入循环部分。请注意，在循环的该部分期间，第一和第二工作流体处于混合状态。也请注意，图9中的压力单位为磅/平方英寸（绝对压力）(psia)。 [0065] 图10是实例状态图，示出系统内的温度与位置之间的关系。根据循环内的位置和流体类型示出了温度。重叠区域表示循环的嵌入部分。在图10中，代表布雷顿循环压力和兰金循环压力的线的重叠区域表示嵌入循环部分。本领域的普通技术人员将能意识到，图9中的压力和10中的温度仅用于示例说明，本发明并不局限于所示值。 [0066] 在本发明的替换实施例中，通过使用工作流体在循环过程内部用于冷却，可进一步提高循环效率。从而，一部分通常被排出的热能(传统上被冷凝器去除掉)能被再引入循环中，在其能被利用的位置上做功。在循环中再利用有用热能的这种迭代方法进一步有助于提高总效率。参照图11和12描述这种方法的一个实施例。但是，应该理解为，本发明并不局限于此，也可采用被合理设计的其他冷却方法，这些方法目前或将来对于本领域的普通技术人员来说是公知的。所需要的是，第一或第二工作流体在循环内被内部使用，起到冷却或制冷作用。 [0067] 图11和12中所示的实施例将兰金循环的一些方面、闭式布雷顿循环的一些方面以及制冷循环组合在一起，与兰金循环和布雷顿循环相关的工作流体在制冷循环中运行。兰金循环、布雷顿循环和制冷循环高效地嵌入或组合到整个循环的变化部分中，从而，与参照图4和5所述的实施例相比，提高了热转换效率。该方法能从冷凝器中去除掉热(热能)，然后将这些热能有利地重新补充到兰金循环中，之后补充到布雷顿循环的流体中。图11和 12中所示的实施例也减小了被排放到大气中的热能。 [0068] 现在请参照图11，图11提供的流程图有助于理解本发明的替换实施例。方法1100可从步骤1102开始，在步骤1102中，将热量补充到预定压力下的第一流体(液体)中；例如，该步骤可在锅炉中执行。加热第一工作流体可产生加压蒸气(第一蒸气)。在步骤1104中，通过在第一膨胀器中膨胀第一蒸气以可选择性地做功。如前面参照图4和5所解释的那样，在不明显降低总体系统效率的情况下，在某些应用场合中可以省掉该膨胀步骤。 [0069] 在执行步骤1102和1104的同时，在步骤1106中压缩第二蒸气。在该压缩步骤之前或期间，在步骤1105中可将液体喷雾补充到第二蒸气中。在某些实施例中，液体喷雾可由第一工作流体组成。补充液体喷雾可有利地起到冷却作用。在下面的描述中将更详细地描述该冷却操作。在步骤1108中，第一蒸气与第二蒸气在大致相等压力下混合。很显然，在本发明中，在相等压力下混合是一种优选实施方式，但是，本发明并不局限于此方式。在某些运行条件下，在不同压力下混合也能带来益处，本发明包括这类替换方式。在步骤1109中，来自于外源的附加热可以选择地补充到步骤1108所形成的蒸气混合物中。在步骤1110中，通过蒸气混合物的膨胀来做功。通过在第二膨胀装置的一侧至另一侧产生压降，可促进蒸气混合物的膨胀。在步骤1112中，在冷凝器中第一蒸气冷凝以恢复成第一液体。第二蒸气保持为蒸气状态。 [0070] 在步骤1114中，通过使用凝结的第一流体作为冷却剂(或制冷剂)来冷却冷凝器。在下面的讨论中将更详细解释步骤1114。在步骤1116中，将凝结的第一流体提供到步骤1102中，在步骤1102中，(如，在锅炉中)热量再次补充给一定压力的第一流体。在步骤1116中，也可选择地提供凝结的第一流体用于步骤1105。在步骤1118中，将第二蒸气提供到步骤1106中，在步骤1106中再次压缩第二蒸气。该压缩步骤由于可降低压缩机低压侧的第二蒸气压力，因而可进一步冷却冷凝器。然后在所形成的混合温度和压力下将该被压缩的第二蒸气提供到步骤1108中，从而重复执行该过程。 [0071] 现在将参照图12更详细描述图11中公开的方法，图12公开了一种热机1200，热机1200能实施图11中的方法。本领域的普通技术人员将能意识到，热机1200仅是用于实施图11公开的方法的一种可能结构，本发明并不局限于此。热机1200包括的许多元件与图5所示热机的元件相同，这些元件的运行方式与图5所示方式基本相同。但是，对于热机1200而言，第一工作流体用作蒸发器1202内的制冷剂(或，具有制冷剂的能力)以执行制冷循环部分。 [0072] 在本发明的某实施例中，可使用一个或更多个膨胀阀或节流阀1204来实现第一工作流体的蒸发。当第一工作流体被吸入膨胀阀1204或任何其他合适的蒸发环境中时，第一工作流体(液态)转变成蒸气，从而实现蒸发。本领域的普通技术人员将能理解，第一工作流体转变为蒸气状态将可能在降低压力和进行蒸发时降低温度，从而降低了第一工作流体的温度。这种降温将能使第一工作流体从蒸发器1202周围的第三工作流体(蒸气态)中吸收热量。 [0073] 在本领域中，膨胀阀和其他类型的蒸发装置是公知的，因此文中不将对此进行详1 细描述。但是，应该理解为，在冷凝器中在压力P 下为液态冷凝物形式的第一工作流体F1有利地在蒸发器1202的膨胀盘管(或类似蒸发环境)中蒸发。膨胀盘管内的压力比冷凝器512中的环境压力要低。通过使用泵501可促使形成这种较低压力。具体而言，泵通过膨胀阀(阻气阀或节流阀)1204能将至少一部分液体F1吸入蒸发器1202内的蒸气中。从冷凝器512提取的热(热能)被泵送回兰金循环部分中。请注意，与输送到冷凝器中的蒸气混合物相关的一部分热量会损耗到大气中。在图12中，该损耗热标记为Qout5。 [0074] 在图12中，构成兰金循环部分的部件包括泵501、锅炉510和第一膨胀器508。从制冷循环部分中获取的热能之后可用于兰金循环部分和布雷顿循环部分以做功(产生电能或机械能)。使用工作流体在上述嵌入循环模块中执行制冷循环是一种新颖的方式。但是，请注意，对热循环产生的最终影响类似于给水加热原理。这种情况下，通过降低蒸发器中的液体F1的温度，可更高效地从循环中获取热量。相比较而言，传统给水加热器通过简单的热交换传导而从循环的外部分获取热量。从而，该实施例并未简单地将多余热量排到大气中(如图4-6中采用的方式)，相反，泵501可让冷凝器中的热量在系统内被再使用，即，工作流体F1从冷凝器512被提供到温度更高(即，温度高于冷凝器内的冷凝温度)的锅炉510中。 [0075] 第一工作流体在吸收了泵501的低压侧的低压热量之后被进一步加热，之后进入锅炉510中。在加热用泵501的高压侧(高P)，在更高压力下进行该加热过程，其中在泵的更高压力下迫使F1蒸气部分恢复成液态。在锅炉510内，在更高压力(高P)下，热能(Qin5)被补充到第一工作流体中。可选择(限定)整个循环的温度、压力和流量，以使液态形式的第一工作流体再次转变为蒸气形态。根据本发明的某实施例，通过蒸发潜热方式使热能Qin5被主要吸收到流体中。也可进一步加热蒸气态流体，这对于本领域的普通技术人员来说是公知的。第一工作流体(第一蒸气)在锅炉510中被加热之后，其作为蒸气被传送到第一膨胀器508中做有用功。之后，第一工作流体在混合腔504中与第二工作流体混合，以形成第三工作流体。第三工作流体然后可用于在第二膨胀器506中做有用功。之后，第三工作流体被传送到冷凝器512中重复该过程。 [0076] 与图4-6中所示的实施例相比，图11和12中所示的本发明的实施例具有一些优点。例如，图11和12所示的实施例可有利地让冷凝器512变得更冷，同时，需要从锅炉510获取更少热能。计算机模型显示，在参照图12所述的实施例中，从冷凝器512传递给锅炉510的热能比运行泵501所需的能量大致要多三倍。该估测结果基于通过采用商业上成熟的热泵技术501进行的循环所达到的性能系数(CoP)。但是，能意识到，在某些情况下，第一工作流体也可不作为理想制冷剂运行，从而性能系数会更低。 [0077] 从上面的描述内容将能理解到，热机1200利用第一工作流体的性能系数(CoP)来满足冷凝器512的一部分制冷需要(去掉第三工作流体中的热量)，并将热能再次传送给锅炉510。第一工作流体在第一膨胀器中做功之后，其在混合腔504中与第二工作流体混合。因而，从兰金循环部分排出的热(Qin-Reject)可用于布雷顿循环部分中以在混合腔504中加热第二工作流体，之后在膨胀器506中加热第二工作流体。从布雷顿循环部分(其含有兰金循环部分的嵌入部分)排出的热在冷凝器512中被除掉，之后，整个循环过程重复。 [0078] 前面的描述提供了一种可能的方法，通过该方法，可冷却第一工作流体，然后第一工作流体被用于吸收第二工作流体的热量。但是，应该意识到，本发明并不局限于在此所述的用于在冷凝器512中冷却工作流体的特定方法。目前或将来公知的其他合适方法可用于此目的。所需要的是，对于循环的一部分而言，第一工作流体可用作为冷却剂或制冷剂，以提供一种用于传递热能(其为该过程的一部分)的途径。将参照图17进一步描述这种方法的一个实例。 [0079] 图13是示意图，用于理解上面参照图11和12所述的循环效率。兰金循环部分1301表示图12中的循环的一些部件，包括泵501、锅炉510、第一膨胀器508和冷凝器512。 布雷顿循环部分1302表示图12中的一些部件，包括压缩机502、混合腔504、膨胀器506和冷凝器512。示出嵌入循环部分1304为与方框1301和1302重叠的部分，这是因为，嵌入循环部分实际上将兰金循环部分和布雷顿循环部分组合在一起。嵌入循环部分1304表示图12中的循环的一些部件，包括混合腔504、第二膨胀器506、冷凝器512和节流阀1204。 包含在嵌入循环部分中的制冷循环部分1303表示图12中的制冷系统的一些部件，包括泵 501、蒸发器1202和一个或更多个膨胀阀1204。 [0080] 为了实现该实例的目的，我们假定，在压缩机502中压缩第二工作流体之前或期间，包括第一工作流体F1的液体喷雾被补充到第二工作流体F2中。液体喷雾蒸发，从而吸收第二工作流体在压缩期间产生的热，因此喷雾具有冷却作用。将参照图18A和18B详细描述图13的模型所涉及的系统的其他细节内容。如图所示，计算机模型使用戊烷作为第一工作流体。第二工作流体是戊烷、氦和氮的混合物。图18A和18B根据图13中的各系统元件的位置示出了第一和第二工作流体的温度、压力和质量流量。但是，应该意识到，本发明并不局限于该实例中所示的这些工作流体和/或温度、压力和/或质量流量。 [0081] 在图13中，应该认为，外部源将10个单位的热能(Qin13)提供给兰金循环部分1301。在该实例中，在温度为500°F下提供这10个单位的热能。另外，为简单起见，没有附加热能补充给混合腔504中的工作流体(即，省去了可选择的步骤1109)。可使用计算机模型来计算实际循环效率。除了从外部源提供的热能Qinl3以外，还从制冷循环1303中回收得到另外6个单位的能量。因此，共有16个单位的热能提供给兰金循环部分1301中。在兰金循环部分内，获取1.95个单位的功(Woutl3a)。从兰金循环部分1301排出的14.05个单位的热能被传递给布雷顿循环部分1302。从这14.05个单位的被传递的热能中，布雷顿循环部分1302获取4.66个单位的功，排放出9.39个单位的热能。这9.39个单位的热能中，有6个单位的热能被传递给制冷循环1303，有3.39个单位的热能作为废热Qout13从冷凝器 512排放到大气中。根据当前技术估测部件的性能，通过使用该估测的性能值可以得出：在制冷循环期间从冷凝器排出的6.00个单位的热能(Qreturn)被获取时，系统将消耗2.00个单位的有用功(Winl3)。 [0082] 将图13的方案作为整体来看待能发现，外部源仅提供10个单位热能，4.61个单位的能量最终被转换成有用功，该有用功可解释为执行制冷过程所需的附加能。前面描述的内容可总结为，1.95+4.66-2.00=4.61。最终，仅有3.39个单位的能量作为废热被排出，从而总循环效率为46.1%。该效率值表明，与在相等温度下运行的传统循环所达到的效率相比，本申请的效率显著提高。图13是用于理解整个循环过程的基本图形，但是，请注意，图18A和18B所示的表更详细说明和反映出该系统的热能和机械能损耗。 [0083] 现在请参照图14，图14是实例状态图，示出了系统1200内的压力与位置的关系。根据循环内的位置和流体类型示出了压力。图15是实例性能概略图，示出了系统1200内的温度与位置之间的关系。根据循环内的位置和流体类型示出了温度。在图14和15中，代表布雷顿循环和兰金循环的线的重叠区域表示循环的嵌入部分。本领域的普通技术人员将能意识到，图14和15中的压力和温度仅用于示例说明目的，本发明并不局限于所示的值。 [0084] 在某些实施例中，图4-15所示的循环和系统可与其他热动力循环组合。这类组合循环产生的效率甚至高于参照图4-15所述循环的效率。例如，图16示出的实例中将图12的循环组合在一系统中，在该系统中从开式布雷顿循环燃烧器(如气体涡轮机)被供送的高温源用于兰金循环部分1301。在此，开式布雷顿循环燃烧系统1602在相对高的温度(大致为2000°F)下运行。在该模型中，10个单位的热能(Qin16)被输入系统中。开式布雷顿循环燃烧系统从10个单位的热能中获取3.74个单位的功(Wout16a)，从循环中产生1.13个单位的废热(Qout16a)。从开式布雷顿循环1602被排出的热能(Qtransfer)中，剩余的5.13个单位的热能传递给兰金循环1301，使兰金循环1301在大致800°F下运行。在其他方面，图16中的结构布置类似于图11-13所示的结构布置。 [0085] 除了从图16所示的开式布雷顿循环被输送的热能Qtransfer以外，还从制冷循环1303中回收得到另外3个单位的能量。因此，共有8.13个单位的热能提供给兰金循环部分 1301。从兰金循环部分中可获取1.31个单位的功(Wout16b)。从兰金循环部分1301排出的 6.82个单位的热能被传递给布雷顿循环部分1302。从被传递的这6.82个单位的热能中，布雷顿循环部分1302提取3.08个单位的功(Wout16c)，排放出3.74个单位的热能。这3.74个单位的热能中，3个单位的热能(QReturn16)被传递给制冷循环1303，0.74个单位的能量(Qout16b)作为废热从冷凝器512直接排放到大气中。根据目前的技术估测部件的性能，通过使用该性能值可得出：提取在制冷循环期间从冷凝器排出的3.00个单位的热能(QReturn16)时，系统将消耗1.00个单位的有用功(Win16)。 [0086] 将图16的方案作为整体看待能发现，外部源仅提供10个单位的热能，7.13个单位的能量最终转换成有用功，该有用功可解释为用于执行制冷过程所需的能量。前述内容可总结为3.74+1.31+3.08-1.00=7.13。最后，仅有1.87个单位的能量作为废热排出，从而总循环效率为71.3%。对于图16中所示的结构布置而言，计算机模型显示出系统效率大致为71.3%。此相对高的效率值表明：与在类似的源温度下运行的传统组合循环所达到的效率相比，本申请的效率可能会显著提高。 [0087] 在图11和12中，制冷循环使用F1流体作为有效制冷剂以从冷凝器512中第三工作流体F3中获取热能。根据本发明的某实施例，蒸发器1202可选择地设置在一位置上，在该位置处第一工作流体（F1）作为制冷剂能从其他热源中吸收热量。这类其他热源可以是替换热源，或是替换热源及冷凝器内的可利用热源。如果使用这类其他热源，其可包括第二和/或第三热源。如果第二和/或第三热源与冷凝器512内的可利用热源结合使用，那么，有益地，蒸发器1202的局部部分可位于冷凝器内，局部部分位于冷凝器外部。通过采用这种结构布置，可利用蒸发器1202从冷凝器512和第二和/或第三热源中吸收热量。本领域的普通技术人员将能意识到，能在从冷凝器512中吸收热量之前、之后或同时，从这类其他热源中吸收热量。第二和/或第三热源能包括与图11和12所示循环的任何其他部分(在该部分可消耗循环的废热)相关的部件。例如，这种被排出的热能或废热可存在于地热井的回流管路中。图17中示出了具有这种配置的系统。 [0088] 在温度大致为325°F下，地热井中的蒸气通常从地面冒出。考虑这样一种系统：第一工作流体由戊烷组成，锅炉的运行压力为60psia、入口温度为160°F、出口温度大致为280°F。在这种系统中，循环的兰金部分中使用的戊烷仅能吸收大致高于160°F的热(因为这种情况下，锅炉510的入口温度为160°F)。戊烷在60psia下转变为蒸气的过渡温度为185°F。这最终意味着，返回到地热井中的水的温度大致为160°F(即，其含有大量热能)。 [0089] 在前述例子中，可认为，蒸发器1202(或其一部分)位于地热井的回流管路中或靠近地热井的回流管路(或位于其热交换器中)，如图17所示。在该实施例中，戊烷(在蒸发器1202内起到制冷剂作用的第一工作流体)能从该热源中吸收热能。事实上，与从冷凝器512内吸收热量的情况相比，蒸发器能更容易从地热回流管路中吸收这种热能。这是因为，这种情况下，地热井的回流管路温度大致为160°F，而冷凝器中的第三工作流体的温度大致仅为90°F。最终，这意味着，如果蒸发器1202被配置为从地热井的回流管路中吸收热量，那么，图11和12中的系统的CoP(性能系数)能进一步提高。对于文中所述的结构布置而言，地热回流管路的温度最终大致为120°F(而不是前面所述为160°F)。这种温度差异表明，大量热能能用于该循环中而不是返回到地下。 [0090] 通过前述内容将能理解到，本发明的集成式制冷循环具有许多优点，尤其是在该系统用于从废热中吸收有用能的情况下。不具有这种制冷循环的传统系统在利用这种废热的能力方面远不及本发明的系统，这是因为，传统系统中的温差太小不足以带来这种优点。 [0091] 在制冷循环中产生的冷却的第一工作流体F1还具有其他用处。在某些实施例中，该冷却的第一工作流体能用于冷却冷凝器512的表面、和/或用于直接冷却第三工作流体。在另一实施例(未示出)中，在蒸发器环境内的被冷却的第一工作流体能用于进一步冷却冷凝器内的一部分F1冷凝物。这能通过将蒸发器的一部分浸没到液态冷凝物中来实现。冷却的冷凝物之后能有利地用作为喷雾，以直接冷却进入的第三工作流体。总体上，泵501的机械功用于将第一工作流体输送到温度更高的锅炉510中，同时也能降低蒸发器1202的热环境内的第一工作流体的温度。在此方面，泵501实质上以制冷剂泵模式或作为热泵运行。 冷却的工作流体F1然后可用于更有效地从冷凝器内的第三工作流体F3或上述的其他废热源(如，地热回流管路)中吸收热量。 [0092] 本领域的普通技术人员将能意识到，各实施例的总系统性能理所当然由各种不同变量决定。例如，这类变量包括但不局限于： [0093] (1)第一工作流体F1的化学属性； [0094] (2)第二工作流体F2的化学属性； [0095] (3)第一工作流体F1的质量流量； [0096] (4)第二工作流体F2的质量流量； [0097] (5)循环中的每个位置的温度； [0098] (6)循环中的每个位置的压力； [0099] (7)循环中的每个位置的密度/容积； [0100] (8)每种流体状态和混合流体状态时的焓； [0101] (9)每种流体状态和混合流体状态时的比热比(Cp/Cv)。 [0102] 通常，图4-16中所示的循环根据用于提供热能的热源的种类或类型来配置。因此，可使用计算机模拟工具来选择和模拟合适流体。然后，在选定的系统配置的设备内的温度和压力的合适控制点周围，对循环的操作和控制进行微调。在循环内的选定位置，主要通过改变某种流体组合物的各工作流体的流量来控制这些温度和压力。 [0103] 在参照图4-16所述的本发明中，第一和第二工作流体在混合腔中的混合比率可以是静态或动态的。静态流体混合涉及在混合腔504中以固定流量混合第一和第二工作流体。换句话说，在预定温度和压力条件下，每种工作流体的质量流量固定不变。在这种实施例中，每种工作流体的动态特性几乎保持稳定状态，几乎以固定速率输入热能，以固定或基本固定速率输出（轴机械能）。 [0104] 与此相反，动态流体混合涉及在混合器/热交换腔504中以可变流量混合第一和第二工作流体。例如，为了控制这种发动机系统的操作动态特性，可执行这种动态混合过程。在执行这种动态流体混合过程中，每种工作流体的温度、压力和质量流量状态根据操作循环内的波动或变动动态地波动。在这些情况下，输入能(热能)与载荷值(即，输出功率)一起改变，因此，在一些实施例中，改变组分第一和第二工作流体的相对质量流量比改变混合比预定(固定)的混合物的总质量流量要更合适。但是，本发明并不局限于此，在混合比固定的情况下，总质量流量可变化。可供选择地，混合比和总质量流量都可变化。 [0105] 可通过任何合适方式动态控制混合比。在某优选实施例中，通过泵速率或泵速501控制第一工作流体F1的流量，可通过将蒸气从冷凝器吹入或补充到离开冷凝器的管线中来控制第二工作流体F2的流量。另外，可通过改变压缩机502的速度来控制第二工作流体F2。可供选择地，混合比控制系统可以包括一个或更多个控制阀520、522，所述控制阀用于选择性地改变第一工作流体和/或第二工作流体的质量流量。通过改变一种或两种工作流体的流量，第一工作流体和第二工作流体之比将在热交换腔内变化。本领域的普通技术人员将能意识到，在各种条件下，阀的位置和混合比的优选范围将取决于系统的各种具体因素。这些因素包括含有第一和第二工作流体的化学物质。根据流体和流体组合物的耗热率、温度、压力和化学属性，将含有混合的第一和第二工作流体的第三工作流体配置在系统特定基础上。 [0106] 在本发明的某实施例中，通常情况下，第一工作流体和第二工作流体之比大致为1/3至2/3。在不同实施例中，该比率可超过该范围。在第一种配置中，第一工作流体占1/5，第二工作流体占4/5；在第二种配置中，第一工作流体占2/3，第二工作流体占1/3。但是，本发明并不局限于此。如前所述，在极端情况下，可仅使用一种流体成分运行该系统。这种情况下，将一种工作流体配置为使其作为第一工作流体和第二工作流体运行。在这种实施例中，在含有系统的这些元件的物理设备内，不同位置上发生的液体转变为蒸气的相变过程被仔细控制，本发明以这种控制为基础。这些不同位置包括锅炉、膨胀器、压缩机、泵和冷凝器。 [0107] 为了运行图4-13中所示的热动力循环系统，根据许多相互关联的因素选择流体。在选择流体的化学组成过程中，运行温度和压力条件是重要的考虑因素。另外，合适的是，选择第一工作流体的沸点使其相对于可利用的热源的温度适宜。例如，如果热源是温度为 350°F的地热，那么，需要选定的第一工作流体能通过其蒸发而吸收该热源的热量。应考虑到：在大气压(14.7psia)下，化学物质戊烷的公知沸点为97°F。在该操作实例中，戊烷被加压至达到120psia，从而其沸点达到240°F。锅炉将戊烷加热至达到350°F，高于其沸点，从而能使戊烷在升高的压力下蒸发。本领域的普通技术人员很快会发现，如果热源温度低得多或戊烷的压力更高，那么不会根据需要发生状态转变。同样地，戊烷暴露在350°F的热源中时，其能通过蒸发(沸腾)吸收能量。在该实例中，加压的蒸气态戊烷将能做一部分功，另外还能将热潜能传送给布雷顿循环部分中的第二工作流体。 [0108] 还需要选择第一工作流体使其在冷凝器中能够再冷凝至液态。例如，在某些实施例中，有益地，可选择丙烷作为第一工作流体，这是因为，与其他工作流体如戊烷(假定在相同压力下运行)相比，丙烷在更低温度下从液态转变为蒸气态。丙烷在大气压下的沸点为-44°F。例如，在空间功率应用场合中，丙烷是一种适宜的工作流体。在这种应用中，散热器能容易达到十分低的温度(-100°F)，其低于地面正常温度。因此，有益地，在这类场合中可使用类似于丙烷的工作流体，可充分利用其低沸点。 [0109] 也可根据指定工作流体的潜热容来选择流体。通过对比戊烷和水可以理解为什么潜热容是重要的选择依据。在预定压力下将一磅戊烷转变为蒸气所需的热量大致是将等量水转变为蒸气所需热量的1/6。另一种解释为，在相等压力下消耗等量热能的情况下，从液态转变为蒸气的戊烷的质量大致为水质量的六倍。例如，戊烷的沸点比水低，因此，戊烷的优点在于能获取更多低温热能，但是缺点是：假定输入能相等，需要戊烷质量为水质量的六倍，才能让两者形成几乎相等的容积。另外，每磅甲醇(其在大气压下的沸点为148°F)蒸发所需的热能大致为戊烷的3倍，很显然大致为水所需能量的二分之一。 [0110] 在本发明中，使用某些流体作为第一工作流体是不利的。例如，在本发明中，使用体积膨胀能力极低的工作流体并不是最佳选择。另外，沸点更高、体积膨胀能力强的某些流体仅能在温度高于源温度的情况下运行。因此，这类流体不能用于更低温度的热源，但是在热源温度更高的其他配置系统中运行良好。一些流体在兰金循环部分中运行良好，但在与布雷顿循环部分相关的膨胀步骤中运行不佳。因此，重要的是，要选择流体使其属性与热能源特性匹配。 [0111] 第二工作流体的作用体现在两个关键能力。首先，第二工作流体主要用于将一部分压缩热能转换成流体容积。上述转换的方式为：将压缩第二工作流体F2产生的热能用于使第一工作流体F1转变成蒸气，第二工作流体F2放弃的热能是第一工作流体F1蒸发所需的蒸发潜热。另外，第二工作流体起到第一工作流体的载体或输送载体的作用。第一和第二工作流体混合时，第一工作流体能有效地嵌入第二工作流体中。第二工作流体还起到载热介质的作用，提供了一种在膨胀期间将第一工作流体的热能有效地转变为有用功(电能或机械能)的方式。 [0112] 第二工作流体是用于在第二膨胀器506中做功以产生电能或机械能的主要资源。同样地，适宜的是，第二工作流体为低密度蒸气或惰性气体(如，氦)。氦不与第一工作流体结合，易与第一工作流体分离，因此，使用氦是有利的。选择第二工作流体使其在具体应用中通常不凝结成液体，这也是适宜的。值得注意的是，如果第二工作流体凝结成液体，那么图4-13中所示的循环主要是兰金循环。 [0113] 在本发明的某实施例中，第二工作流体将由50%的氦和50%的氮的混合物组成。在这种实施例中，有益地，选择戊烷或水作为第一工作流体。水优选用作为第一工作流体，与戊烷(300°F至500°F的锅炉温度范围)相比，水可在更高温度(如，500°F至1200°F的锅炉温度)下运行。在本发明的另一实施例中，第二工作流体可由50%的丙烷和50%的氦组成。在这种实施例中，可选择戊烷作为第一工作流体。请注意，使用氦作为第二工作流体的成分是有利的。这是因为，与氮等气体相比，氦在膨胀期间将更有效地冷却并在压缩期间更有效地变热。但是，本发明并不局限于这些工作流体，可合适地选择其他工作流体用于本发明。 [0114] 本领域的普通技术人员将意识到，本发明并不局限于在此所述的特定工作流体或流体成分。根据可利用热源、热源之间的温差和流体蒸发速率、以及其他类似的设计考虑因素，可选择最优流体和/或流体成分的任何合适组合用于特定应用场合。总体来说，应该选择能相互协调运行的第一和第二工作流体。具体而言，膨胀期间第二工作流体更迅速冷却(与第一工作流体相比)，从而能够促进能量从第一流体交换给第二工作流体。从而，膨胀循环快结束时，第一工作流体状态接近气液过渡状态。因而，当第一工作流体冷凝时，第一工作流体与第二工作流体分离并可聚集在冷凝器中。这种独特的流体性能提供了一种在运行期间能调节吸热(补热/蒸发)率和流体排出(冷凝)率的方式。 [0115] 如上所述，有益地，本发明使用至少一种工作流体在文中所述的热循环中起冷却或制冷作用。图11和12涉及第一工作流体可用于这种冷却作用的一种方式。这种冷却的另一种替换方式为，使用液体喷雾流体来冷却压缩机502中的第二工作流体。更具体而言，液体喷雾流体补充到第二工作流体中之后或同时，可立即在压缩机502中压缩第二工作流体。该过程有助于去除掉压缩第二工作流体所产生的一部分热量。 [0116] 在某些实施例中，选择液体喷雾是有利的，其是一种不同于第一和第二工作流体的独特的工作流体。但是，在优选实施例中，有益地，选择由第一工作流体组成的液体喷雾流体。图5中示出了这种配置，图5示出了可选择的工作流体F1流从泵501的高压侧流到压缩机502中。但是，本发明并不局限于此，也可选择其他工作流体作为喷雾流体以使其在冷凝过程中能被分离。 [0117] 很显然，上述液体喷雾方法能减少在特定压力下形成指定的工作流体容积所需的压缩机功。具体而言，将温度更低且还能吸热的液体喷雾引入压缩机502内的被压缩的第二工作流体中，从而能便于将热能从第二工作流体传递给液体喷雾流体。从压缩的第二工作流体传递的热能为液体喷雾流体提供了所需的蒸发潜热，从而使液体喷雾流体转变为蒸气。如上所述，液体喷雾可由第一工作流体组成。通过采用这种方法，图5和12中的物理设备能产生更大容积流量的蒸气而提供到混合腔504中，但不会进一步增加压缩机温度，从而需要更少的压缩机功。 [0118] 采用喷射冷却时，液体喷雾流体转变为蒸气流体，从而能做功。更具体而言，蒸气喷雾流体和第二蒸气的混合物能用于在设计压力和更低温度下(与仅使用第二流体而不采用喷雾进行冷却的情况相比)做功。很自然地，假定压缩机502(压缩过程)中所用的选定压力足以提供足够高的温度以使喷射流体从液体转变为蒸气。在热动力流体转变领域，关键要注意到，压力增加时，使液体转变为蒸气所需的温度也增加。因此，重要的是，选择含有液体喷雾流体的化学物质使其在选定的压缩过程的温度和压力条件下可能转变为蒸气。 [0119] 在图5和12所示的实施例中，通过选择锅炉的源温度和/或控制第一工作流体的流量，通常可控制第一工作流体的温度。输送到锅炉510中的第一工作流体的压力由泵501控制。因此，兰金循环部分中的初始压力值可由泵501控制。相同的泵或其他泵与节流阀1204协调地控制蒸发器1202内的真空或相对低的压力。 [0120] 在本发明的某实施例中，第一工作流体和第二工作流体在几乎相等的压力下进入混合腔504中。工作流体F2的压力通常通过压缩机502的操作来控制。另外，压缩机502优选被设计成，能提高第二工作流体F2的压力至达到合适值，从而提供大致与第一工作流体压力相同的加压第二工作流体流。混合腔的特定设计能让这些流体的压力具有差异，这些均包含在本发明的范围内。 [0121] 第二工作流体从压缩机502排出时的温度最好由液体喷雾流体的质量流量和类型控制，其中，组合该液体喷雾流体用于特定的设计结构。通过增加补充到压缩机502中的第二工作流体中的液体喷雾流体的质量流量，将能降低组合流体的温度。这种降温特性的局限性在于，液体喷雾流体将留在压缩机中(即，液体喷雾流体未被蒸发)。从压缩机排出的任何剩余的液体喷雾流体在该系统中做功的能力很小或无此能力，在某些情况下，会进一步减小随后在该循环中达到最优流体流的可能性。液体喷雾转变为蒸气将减小压缩机温度，并在有效的低温下增加容积流量。 [0122] 在某优选实施例中，离开压缩机502的蒸气的压力和温度的组合足以在喷雾流体进入混合腔504时保持喷雾流体为蒸气状态。如果相对于喷雾的质量流量而言温度太低和/或压力太高，那么，一部分喷雾将不适宜地保持为液态。很显然，一小部分液体喷雾流体没有完全由液体转变为蒸气，在某些情况下，本发明的特定应用可以接受这种状况。由于离开锅炉的F1的热量补充给这种液态喷雾流体，因此，之后液态喷雾流体将在混合器中蒸发。因此，在某些情况下，所述一小部分未蒸发的流体不会过度影响系统性能。 [0123] 被加热的工作流体混合物包括离开混合腔504的第一和第二工作流体(在某些情况下还包括喷雾流体)，该混合物的压力和温度受许多因素控制。这些因素包括第二膨胀器506的膨胀率、第一、第二和第三工作流体的质量流量、喷雾流体的质量流量以及提供给锅炉内的第一工作流体的热能的量或速度。其他因素包括，从第一膨胀器（如果使用的话）中提取的有用功的百分比、以及第一工作流体在从第一膨胀器508排出之后其中仍存的热能。本领域的普通技术人员应该能理解到，在循环运行期间可调节这些控制设置以保持连续运行。例如，可通过选择性地改变流体混合物的压力来控制这些参数。类似地，可通过调节工作流体的质量流量及各比率，可在循环内达到适宜的运行温度。相对于流体的质量流量而言，热输入的速率增加时，运行温度也增加。 [0124] 控制温度的另一种方式是，使进入压缩机502中的第二工作流体的温度升高。当冷凝器温度升高时通过有效地保持第二工作流体的质量流量固定不变，从而能控制温度。通过降低泵514将能量泵送到冷源516中的泵送速度，或者减少图12中的蒸发器1202消耗的热能，从而能升高冷凝器中的温度。升高第二工作流体的温度的替换方式是，增加压缩机502的压缩压力，但不增加喷雾流体的质量流量；或者，相反地，保持第二工作流体的流量固定并降低喷雾流体的质量流量。除了如上所述那样控制第二工作流体的温度以外，还可通过更广泛的方式来控制冷凝器512内的温度和压力。 [0125] 本发明能采用许多变化形式，这些均包含在本发明的范围内，前提条件是：通过直接混合每个循环中所用的工作流体，使从第一热动力循环排出的热量传递给第二热动力循环。 [0126] 文中所述的循环本质上能有效、高效地利用更大量的可利用能量(即，热能)，因此，文中所述的循环优于其他循环。文中所述的循环没有对基础热力学原理的整体性或整个循环配置中的过程造成不利影响。事实上，文中所述的每个单独的过程步骤是易理解的热力过程。每个步骤的热力过程遵循传统系统中单独执行的类似过程。但是，传统系统并没有以文中所述方式组合这些过程步骤，因此不能达到相同效果。 [0127] 通过建立计算机模型来显示每个单独步骤的细节以及步骤之间的边界点之间的关系，能整体地评估循环过程。有益地，所述循环包括使用可利用的低温能源，通过再循环过程再利用通常被废弃的热能。因此，计算机模型包括评估过程，该过程将迭代计算结合在性能模拟中以解释回收能量。这种模型和模拟证实了本独特方法有效，该方法通过合适地布置蒸气状态转变来利用潜热。与采用传统公知方式能达到的效果相比，本发明的方法和设备能将更大一部分可利用热能转变为功。 |
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