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

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

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。
技术介绍
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。泵对从冷凝器所接收的工作流体进行加压，通过循环泵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。泵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℃并且冷凝器温度为～30℃。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，ORC)。传统的兰金发动机具有四个离散组件：锅炉、膨胀设备、冷凝器和泵。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。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。
技术实现思路
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。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。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1巴的压力下处于30和250℃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。根据该工作流的一个实施例，所述纳米颗粒的直径处于1和100nm之间，优选地处于1和50nm之间，并且更为优选地处于1和10nm之间。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0.01至百分之1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。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。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。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。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。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。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。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。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。。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。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。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：加热S1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；使该工作流体的液-气混合物进行膨胀S2；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。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。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。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。图1在T-s图中示出了蒸汽兰金循环。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。图3示出了根据实施例的工作流体的示意图。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。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。图6示出了图5的部分I的放大视图。图7示出了图5中所示的设备中的蒸汽质量的示意图。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。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。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。如果没有以其它方式加以指示，则图中同本文档来自技高网...

【技术保护点】
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1巴的压力下处于30和250℃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。

【技术特征摘要】
2015.03.13 US 14/657,5671.一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1巴的压力下处于30和250℃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1和100nm之间，优选地处于1和50nm之间，并且更为优选地处于1和10nm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1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...

【专利技术属性】
技术研发人员：B·伯格，B·米歇尔，S·佩尔德斯，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：美国;US