[发明专利]将气相流体的比能量的一部分转化为机械功的装置和方法

说明书

本发明涉及将气相流体的比能量(specific energy)的一部分转化为机械功的装置和方法。

大部分产生的电能是通过由汽轮机驱动的发电机来提供的。驱动所述轮机的蒸汽例如由煤的燃烧产生。在所消耗的所有电能中，大约有40％的电能以此方式产生。此外，电能通过利用能量来产生蒸汽的核反应堆产生，或者来自于所谓的利用煤气燃烧的排气来产生蒸汽的煤气厂(gasworks)。

利用现有技术的汽轮机来产生电能有许多缺陷。这些缺陷涉及相对较差的以产生的电流为形式的燃料能量的利用率，同时，所需要的设备既多又昂贵，而且该设备还需要大量的辅助系统。此外，汽轮机必须以非常高的速度运转。这是因为来自真空侧上的负压(underpressure)的吸力被用来产生高的流率(flow rate)、以及捕获尽可能最多的能量，所以轮机转轮必须以每分钟高转数旋转。另一个相当严重的缺陷在于汽轮机需要过热的蒸汽以避免冷凝和损坏该轮机。

本领域技术人员知道，一个汽轮机的效率由该轮机的吞吐量(throughput)决定。除了其他因素以外，该吞吐量还受到连接至该轮机的排气部分的冷凝器中所获得的负压的影响。而所述负压又易受到所述冷凝器可以提供的冷却量的影响。

已知现代的煤气厂使用海水来获得对冷凝器的可能最佳的冷却。例如，已知煤气厂消耗60m³的4℃海水以产生1MW功率，其中从冷凝器流出的冷却水的温度大约是14℃。因此，浪费掉了大量的能量。

许多类型的气体适用于此装置。其中最相关的气体中的一种气体是气相水，即蒸汽。在接下来的描述中，“蒸汽”这一概念将在除了气体以外使用。然而，蒸汽也将被理解为可包括任何合适的气体。

本发明的目的是克服或减少现有技术的缺陷中的至少一个。

该目的通过接下来的说明书以及所附的权利要求书中所具体描述的特征来实现。

根据本发明的第一方面，提供一种用于将气相流体的比能量的一部分转化为机械功的装置，所述装置包括：

至少一个壳体(housing)，所述至少一个壳体设置有至少一个供气部分和至少一个排气部分，所述至少一个壳体中的每一个包括：

一个叶轮，所述叶轮被可旋转地布置于所述壳体中，以及所述叶轮包括：由一个鼓包封的一个轴；至少两个叶片，所述叶片被可移动地布置至所述鼓，使得所述叶片的一个部分被布置为以这样的方式移动朝向所述壳体的内部套表面(internal casing surface)，使得所述鼓、所述壳体的内部套表面以及所述叶片限定一个或多个布置用于包含气体的腔室，其中：紧邻所述排气部分的上游的一个叶片的有效面积(effective area)大于紧邻所述供气部分的上游的一个叶片的有效面积；所述叶轮在供气部分和排气部分之间构成一个屏障；以及所述至少一个壳体中的一个的排气部分设置有一个冷凝器，以冷凝已被运送入所述排气部分中的气体。所述冷凝器设置有一个受控出口，从而可在所述冷凝器中提供真空。

就此而论，有效面积是指引起叶轮旋转的面积的分量(component)。例如，相对于叶轮的鼓表面(以及壳体的内部套表面)倾斜的一个叶片将具有如下一个有效面积，该有效面积由从鼓表面垂直凸出的面积的分量限定。

如果紧邻所述供气部分的上游的叶片的有效面积接近于零，则这是一个有利之处。这可以通过使得叶轮的鼓尽可能地靠近壳体的内部套表面以及通过使得叶片几乎不从该鼓凸出来而实现。这样的效果是：由于有效面积几乎为零，所以除了摩擦力以外就不存在任何其他力用来抵抗叶轮的旋转。

如果所述供气部分设置有一个凸轮格栅(cam grate)，该凸轮格栅被布置为以如下方式来引导该叶片，使得所述叶片的有效面积在其通过所述供气部分时逐渐增大，则这是一个有利之处。

如果所述排气部分设置有一个凸轮格栅，所述凸轮格栅被布置为以如下方式来引导该叶片，使得所述叶片的有效面积在其通过所述排气部分时逐渐减小，则这是一个有利之处。这具有如下效果：使得叶片被运送通过所述排气部分并被引导至与所述排气部分的下游的所述壳体的内部套表面有关的正确位置。

令人意外的是，一些试验已经表明：如果所述排气部分的下游的所述壳体的一个部分设置有一个排出设备，所述排出设备以这样的方式与所述排气部分相通，使得由所述叶片从所述排气部分朝向所述供气部分输送的任何流体均可被排出到所述排气部分中，则这是一个有利之处。在一个实施方案中，所述排出设备由壳体的套部分中的一个或多个槽形成。