从可变温度热源产生动力的方法、设备和热力循环与流程

本发明涉及用于从可变温度热源产生机械动力和/或电力的方法、设备和级联热力循环。这种类型的方法/设备/循环利用可变温度热源来加热一种或多种工作流体，该热源将热量传递给工作流体，工作流体进行动力传递并在一个或多个膨胀器中膨胀。作为非限制性示例，这些可变温度热源可以是：燃气轮机的烟气、吸热发动机的烟气和热量、带有集油器或盐(液体载液，非蒸气)的太阳能集热器的csp应用、压缩机的交互制冷热、中冷器冷却热、吸热发动机的机油和夹套、工业废热(钢厂、水泥厂、玻璃厂、石化过程热等)、生物质和废料的燃烧烟气等。

背景技术：

公开文献us7942001示出了利用级联的有机朗肯循环从内燃发动机(例如微型涡轮或往复式发动机)的废热产生动力的系统。组合一对orc系统，并选择它们各自的有机流体，以使第一有机朗肯循环的有机流体(甲苯)在明显高于第二有机朗肯循环的有机流体(r245fa)的沸点的冷凝温度下冷凝。单个热交换器用作第一朗肯有机循环的冷凝器和第二有机朗肯循环的蒸发器。

公开文献us8869531示出了用于从废热中回收能量的级联系统和方法。该系统包括：交换器，其与废热源联接以加热工作流体(co2、丙烷、氨)的第一流；第一膨胀装置，其从交换器接收第一流以使其膨胀并使轴转动；第一换热器，其联接到第一膨胀装置以从第一膨胀装置接收第一流并将热量从第一流传递到工作流体的第二流；第二膨胀装置，其从第一换热器接收第二流；以及第二换热器，其流体地联接到第二膨胀装置，以从第二膨胀装置接收第二流并将热量从第二流传递到第一流和第二流的组合流。

公开文献us6857268是一种级联的闭环循环，用于从热能源中回收动力，该热能源的温度足够高以蒸发诸如丙烷或丙烯之类的轻质烃。轻质烃在多个间接交换器中蒸发，在多个级联涡轮中膨胀，并在冷却系统中冷凝。然后用泵对轻质烃加压，并且轻质烃返回至间接热交换器。

公开文献ep2607635示出了级联的有机朗肯循环，其设置有通过冷凝器/蒸发器与顶部循环热连通的顶部循环和底部循环，在该冷凝器/蒸发器中，底部循环的工作流体(r245fa)随后被蒸发然后被加热，顶部循环的工作流体(硅氧烷mm)首先被冷却，然后冷凝。以此方式，在冷凝期间从顶部循环的工作流体传递的总热量的百分比等于或低于在蒸发期间传递到底部循环的总热量的百分比。

技术实现要素：

定义

术语“高温下”是指可变温度热源的最高温度在300至600℃之间。

涉及工作流体的术语“稳定且不可燃”是指流体是稳定的，即其确实具有明显的动力学反应，并且在工作温度下的操作条件下不可燃，即其自燃温度高于其从中接收热量的可变温度热源的最高温度。

流体的术语“降低的温度”是指以开氏度为单位的流体温度与以开氏度为单位的所述流体的临界温度之间的比率。

术语“降低的压力”是指流体的压力与所述流体的临界压力之间的比率。

概述

在本文中，申请人已经意识到需要提高用于从可变温度热源产生机械动力和/或电力的方法/设备/循环的效率，以便例如对于相同的可用源产生更多的动力。

申请人特别地意识到需要提出一种甚至更有效的循环，该循环能够更好地利用可变温度热源中所包含的废热，例如上述的热源。

具体地，申请人限定了以下目标：

设计更有效的级联方法、设备和循环，以优选地在高温下利用可变温度资源；

设计级联方法、设备和循环，与现有技术相比，其允许从所述资源提取更多的热量，以将它们冷却到较低的温度。

设计以不可逆性较低并因此具有更好转化性能的方法、设备和循环；

设计本质上安全的方法、设备和循环，特别是考虑到迄今为止所使用的工作流体所引起的着火危险；

设计相对经济的方法、设备和循环，特别是但并非唯一地参考用于膨胀器的技术。

申请人已经发现，通过执行多个级联循环可以实现上述以及其它目的，其中所述级联循环的顶部循环，即优选地与高温源直接热交换的顶部循环，是有机超临界朗肯循环，其有机工作流体选自全氟化化合物的循环。

具体地，所述的目标和除此以外的其它目的基本上通过所附权利要求书中要求保护的和/或在以下方面中描述的类型的方法、设备和循环来实现。

在独立的方面中，本发明涉及用于从可变温度热源产生动力的级联方法。

优选地，该方法包括：根据主有机超临界朗肯循环，使选自全氟化化合物的主工作流体在主回路中循环，其中所述主工作流体被加热和蒸发、在优选地从属于发电机或机械用户的主膨胀器中膨胀、冷却、冷凝并再次加热和蒸发。在本说明书和权利要求中的术语“超临界”循环意味着超临界是流入涡轮的工作流体的状态(而冷凝是亚临界的)。

优选地，该方法包括：在锅炉中将可变温度热源(优选为烟气)操作地联接到主回路的主工作流体，以执行主工作流体的所述加热和蒸发。

优选地，可变温度热源直接联接到主工作流体，即没有中间流体的介入。

优选地，该方法包括：根据辅助朗肯循环，使辅助工作流体在辅助回路中循环，其中所述辅助工作流体被加热和蒸发、在优选地从属于辅助发电机或辅助机械用户的辅助膨胀器中膨胀、冷却、冷凝并再次加热和蒸发。

优选地，该方法包括：将主朗肯循环的膨胀的主工作流体热联接到辅助朗肯循环的辅助工作流体，以便冷却主工作流体，并且在辅助工作流体在辅助膨胀器膨胀之前，通过从所述主朗肯循环到所述辅助朗肯循环的热传递来加热和蒸发所述辅助工作流体。

在一个方面中，主工作流体在主换热器或第一换热器中被预热。

在独立的方面中，本发明涉及用于从可变温度热源产生动力的级联设备。

优选地，该设备包括：主回路，其包括：锅炉，其操作地联接到可变温度热源(优选地为烟气)；主膨胀器；主换热器或第一换热器；主冷凝器；主泵；将锅炉、主膨胀器、主换热器、主冷凝器和主泵彼此连接的主管道；主工作流体，其选自全氟化化合物并在主回路中流动，以实现超临界有机朗肯循环。

优选地，该设备包括：至少一个辅助回路，所述至少一个辅助回路热联接到主回路并包括辅助膨胀器；其中辅助工作流体在与离开主膨胀器的主工作流体进行热交换之后进入辅助膨胀器。

在另一个独立的方面中，本发明涉及要求保护和描述的用于从可变温度热源产生动力的级联设备与选自全氟化化合物的主工作流体的组合。

在另一个独立的方面中，本发明涉及用于从可变温度热源产生动力的级联热力循环。

优选地，所述级联循环包括：超临界主朗肯循环，其具有选自全氟化化合物的有机主工作流体；其中主朗肯循环从可变温度热源(优选地为烟气)接收热量。

优选地，所述级联循环包括：辅助朗肯循环，其具有辅助工作流体；其中辅助循环热联接到主循环，以在主工作流体膨胀之后且在辅助工作流体膨胀之前从所述主循环接收热量。

优选地，在主循环中：在紧接主膨胀之前的主工作流体的降低的温度在1.1至1.7之间。

优选地，在主循环中：在紧接主膨胀之前的主工作流体的降低的压力在1至2.5之间。

优选地，在主循环中：主工作流体的降低的冷凝温度在0.6至0.9之间。

优选地，在主循环中：主工作流体的降低的冷凝压力在0.005至0.3之间。

申请人已经证实，本发明允许以相对经济和本质上稳定和安全的设备充分和有效地利用高温废热源。

具体地，申请人已经证实，循环和回路的级联结构允许串联利用热源，以充分冷却烟气，并获得较低的不可逆性并因此获得更好的转化性能。

申请人已经证实，达到最高温度的工作流体，即与高温和可变温度源直接进行热交换的工作流体，是从全氟化化合物中选择的流体，并且其是热稳定的，在高操作温度下不可燃。

申请人已经证实，循环和回路的级联结构以及从全氟化化合物中选择的工作流体的使用允许在所有循环和回路上使用相同的技术，特别是膨胀器的技术，还有直接与高温可变温度热源联接的主膨胀器的技术。

在上述方面中的至少一个方面中，本发明可以具有以下描述的一个或多个其它优选方面。

在一个方面中，多种辅助工作流体在根据相应辅助朗肯循环的级联布置的相应辅助回路中循环。

在一个方面中，该设备包括：多个辅助回路，其级联布置并且彼此热联接。

在主循环/回路的下方可以存在串联布置或一个接一个级联布置的多个循环/回路，它们之间进行热交换。每个循环/回路从顶部循环/回路接收热量并将热量传递至底部循环/回路。

在一个方面中，该方法包括：根据附加辅助朗肯循环使附加辅助工作流体在附加辅助回路中循环，其中所述附加辅助工作流体被加热和蒸发、在优选地从属于附加辅助发电机或辅助机械用户的附加辅助膨胀器中膨胀、冷却、冷凝、以及再次加热和蒸发；将辅助朗肯循环的膨胀的辅助工作流体与附加辅助朗肯循环的附加辅助工作流体热联接，以冷却辅助工作流体，并且在附加辅助工作流体在附加辅助膨胀器中膨胀之前，通过从所述辅助朗肯循环到所述附加辅助朗肯循环的热传递来加热和蒸发所述附加辅助工作流体。

在一个方面中，该设备包括：至少一个附加辅助回路，其热联接到辅助回路，并且包括附加辅助膨胀器；其中在与离开辅助膨胀器的辅助工作流体进行热交换之后，附加辅助工作流体进入附加辅助膨胀器。

在一个方面中，级联循环包括：具有附加辅助工作流体的附加辅助朗肯循环；其中附加辅助循环热联接到辅助循环，以在辅助工作流体膨胀之后并且在附加辅助工作流体膨胀之前从所述辅助循环接收热量。

在一个方面中，选自全氟化化合物的主工作流体选自：全氟-2-甲基戊烷/全氟正己烷(flutec^tmpp1)、全氟甲基环己烷(pp2)、全氟-1,3-二甲基环己烷(pp3)、六氟苯。

在一个方面中，主工作流体和辅助工作流体是相同的流体。

在一个方面中，进入主膨胀器和辅助膨胀器的所述相同流体的压力基本相同。

在一个方面中，辅助工作流体不同于主工作流体。

在一个方面中，辅助工作流体是有机流体。

在一个方面中，辅助工作流体选自：环戊烷、异戊烷、异己烷、己烷、戊烷、r245fa、r1234yf。

在一个方面中，可变温度热源的最高温度在900至300℃之间。

在一个方面中，在紧接辅助膨胀之前的辅助工作流体的降低的温度在0.8至1.2之间。

在一个方面中，在紧接辅助膨胀之前的辅助工作流体的降低的压力在0.3至1.2之间。

在一个方面中，辅助工作流体的降低的冷凝温度在0.5至0.75之间。

在一个方面中，辅助工作流体的降低的冷凝压力在0.001至0.1之间。

在一个方面中，在紧接主膨胀之前的主工作流体的温度在250℃至400℃之间。

在一个方面中，在紧接主膨胀之前的主工作流体的压力在25巴至50巴之间。

在一个方面中，主工作流体的冷凝温度在10℃至50℃之间。

在一个方面中，主工作流体的冷凝压力在0.1巴和1巴之间。

在一个方面中，在紧接辅助膨胀之前的辅助工作流体的温度在150℃至300℃之间。

在一个方面中，在紧接辅助膨胀之前的辅助工作流体的压力在20巴至50巴之间。

在一个方面中，辅助工作流体的冷凝温度在10℃至50℃之间。

在一个方面中，辅助工作流体的冷凝压力在0.1巴和2巴之间。

冷凝温度下的冷凝压力使得可以使用空气冷凝器，因为所述冷凝压力与大气压力相差不大。

在一个方面中，主工作流体的冷凝温度基本上等于辅助工作流体的冷凝温度。

在一个方面中，辅助回路是主回路的分支。

在一个方面中，在位于主膨胀器下游和辅助膨胀器上游的第二换热器中进行主工作流体与辅助工作流体的热联接。第二换热器是高温换热器，主换热器是低温换热器。

在一个方面中，将辅助工作流体在主膨胀器上游与主工作流体分离，并且在主膨胀器和辅助膨胀器下游将辅助工作流体和主工作流体重新连接。

在一个方面中，辅助工作流体在主换热器中重新连接主工作流体。

在一个方面中，辅助工作流体是主工作流体。

在一个方面中，该设备还包括第二换热器，其位于主回路上且在主膨胀器的下游，并放置在辅助回路上且在辅助膨胀器的上游；主回路的工作流体与辅助回路的工作流体之间在第二换热器中进行热交换。

在一个方面中，辅助回路在位于主换热器和锅炉之间的点处从主回路分支，并在主换热器中重新连接主回路。

在一个方面中，具有单一工作流体的设备包括单一泵，即主泵。

在一个方面中，具有单一工作流体的设备包括单一的低温换热器，即主换热器。

在一个方面中，具有单一工作流体的设备包括单一冷凝器。

在一个方面中，具有单一工作流体的设备包括单一组：冷凝器、换热器、泵。

在一个方面中，主工作流体和辅助工作流体是流体地分离的；其中设备包括热交换器；其中主工作流体和辅助工作流体在热交换器中热联接。

在一个方面中，辅助回路与主回路流体地分离；其中所述设备包括热交换器；其中主回路和辅助回路在热交换器中热联接。

在一个方面中，辅助回路包括：辅助换热器；辅助冷凝器；辅助泵；将辅助膨胀器、辅助换热器、辅助冷凝器和辅助泵相互连接的辅助管道。

在一个方面中，热交换器定位在主膨胀器和主换热器之间的主回路上，并且定位在辅助换热器和辅助膨胀器之间的辅助回路上。

在一个方面中，主膨胀器的膨胀比在30至200之间。

在一个方面中，主膨胀器和/或辅助膨胀器和/或附加辅助膨胀器选自：轴向涡轮、径向流出/流入涡轮、径向/轴向涡轮。优选地，主膨胀器和/或辅助膨胀器和/或附加辅助膨胀器是径向流出涡轮。

优选地，径向流出涡轮包括：外壳；设置有前表面并且可旋转地容纳在外壳中的转子盘；同心地位于前表面上的转子叶片的环形阵列；定子叶片的环形阵列，其安装在外壳上并插置在转子叶片的环形阵列之间，以限定用于工作流体的第一径向路径。

优选地，壳体具有入口，其与所述第一径向路径流体连通，并且优选地位于转子盘的中心附近。

优选地，外壳具有位于转子盘的径向周边部分附近的出口。

优选地，转子盘设置有与前表面相对的后表面，其中转子叶片的环形阵列同心地定位在后表面上，其中定子叶片的环形阵列安装在外壳上并插置在后表面的转子叶片的环形阵列之间，以限定用于工作流体的第二径向路径。

优选地，外壳具有附加入口，其位于后表面的前方并且与所述第二径向路径流体连通。

在一个方面中，所述第一径向路径是主回路的一部分，并且所述第二径向路径是辅助回路的一部分。

当主工作流体和辅助工作流体是相同的流体时，具有两个叶片面的径向流出涡轮限定主膨胀器(通过第一径向路径)和辅助膨胀器(通过第二径向路径)。在一个方面中，锅炉包括容器和容纳在容器中的多个管，其中主工作流体在所述管中流动。

在一个方面中，该容器具有用于限定了可变温度热源的烟气的入口和出口。

在一个方面中，烟气直接覆盖这些管，以将热量传递到主工作流体。

在一个方面中，管是弯曲的管道，优选地没有接头/焊缝。

在一个方面中，管包括多个盘管。

从对根据本发明的用于从可变温度热源产生动力的级联热力方法/设备/循环的优选的但非排他性的实施例的详细描述，其它特征和优点将变得更加显而易见。

附图说明

下面将参考附图进行这种描述，这些附图仅出于指示性目的而并非限制本发明，其中：

图1示意性地示出了根据本发明的用于从可变温度热源产生动力的级联设备；

图2示出了由图1的设备实施的级联热力循环的t-s图；

图3示出了在亚临界条件下与图1的设备的两个回路之间的热交换有关的t-q图；

图4示出了在超临界条件下与图1的设备的两个回路之间的热交换有关的t-q图；

图5示出了根据本发明的设备的不同实施例；

图6示出了由图5的设备实施的级联热力循环的t-s图；

图7示出了图5的设备的变型形式；

图8示出了由图7的设备实施的级联热力循环的t-s图；

图9示出了图1的级联设备的变型形式；

图10示意性地示出了可用于图5或图7的设备中的涡轮。

具体实施方式

参考前述附图，附图标记1总体上表示根据本发明的用于从可变温度热源产生机械动力和/或电力的级联设备。

具体参考图1，设备1包括彼此热联接但彼此流体地分离的闭合主回路2和闭合辅助回路3。

主回路2包括锅炉4、主膨胀器5、主换热器6、主冷凝器7、主泵8。主管道将锅炉4、主膨胀器5、主换热器6、主冷凝器7和主泵8相互连接，以便借助于循环通过主管道和上述元件的工作流体来实现换热超临界有机朗肯循环。

具体地，关于工作流体的流动方向，主膨胀器5位于锅炉4的紧下游，主冷凝器7位于主膨胀器5的下游，主泵8位于主冷凝器7的紧下游，锅炉4位于泵8的下游。

主换热器6操作地定位在主管道的从泵8朝向锅炉4延伸的第一区段上以及同样的主管道的从主膨胀器5朝向主冷凝器7延伸的第二区段上。主换热器6具有在主工作流体进入锅炉4之前借助于从主膨胀器5离开的同一主工作流体传递的热量来预热该主工作流体的功能。

主工作流体选自全氟化化合物，并且其优选为全氟-2-甲基戊烷/全氟正己烷(例如，以商品名flutec^tmpp1已知)。

锅炉4操作地联接到高温的、例如最高温度为600℃的可变温度热源，例如涡轮燃气或工业过程的烟气9。

如图1示意性所示，锅炉4包括容器10，该容器具有用于烟气9的入口和出口以及容纳在容器10中的多个管。这些管是上述主管道的一部分，并且由布置成线圈的弯曲/屈曲的管道限定。烟气9直接覆盖这些管，以将热量传递到主工作流体。弯曲/屈曲的管道优选地由不锈钢制成并且被制成为没有接头/焊缝。

主膨胀器5从属于发电机11，该发电机通过在所述主膨胀器5中膨胀的工作流体施加给主膨胀器5的旋转来产生能量。主膨胀器5优选地但非排他性地是本身已知的径向流出涡轮，其包括：外壳；设置有前表面并且可旋转地容纳在外壳中的转子盘；同心地位于前表面上的转子叶片的环形阵列；定子叶片的环形阵列，其安装在外壳上并插置在转子叶片的环形阵列之间，以限定用于工作流体的第一径向路径，其中外壳具有位于转子盘中心附近的入口和位于转子盘的径向周边部分附近的出口。例如，径向流出涡轮类似于在同一申请人名下的专利ep2699767中描述的径向流出涡轮。在其它的实施例变型中，主膨胀器可以是轴向涡轮、径向流入涡轮、径向/轴向涡轮，例如类似于在同一申请人名下的专利ep2743463中所描述的那些。

辅助回路包括：从属于各自的辅助发电机13的辅助膨胀器12；辅助换热器14；辅助冷凝器15；辅助泵16；以及将辅助膨胀器12、辅助换热器14、辅助冷凝器15和辅助泵16彼此连接的辅助管道，以便允许借助于循环通过辅助管道和上述元件的辅助工作流体来实现换热有机朗肯循环。

辅助膨胀器12可以是轴向涡轮、径向流出/流入涡轮、径向/轴向涡轮。

辅助工作流体是有机流体，例如环戊烷。

设备1包括热交换器17，其热联接主回路2和辅助回路3。

热交换器17放置在主膨胀器5和主换热器6之间的主回路2上，并且放置在辅助换热器14和辅助膨胀器12之间的辅助回路3上。

通过所述热交换器17，主回路2的主工作流体将热量传递到辅助回路3的辅助工作流体。

具体地，关于辅助工作流体的流动方向，主膨胀器12位于热交换器17的紧下游，辅助冷凝器15位于辅助膨胀器12的下游，辅助泵16位于辅助冷凝器15的紧下游，热交换器17位于辅助泵16的下游。

辅助换热器14操作地定位在辅助管道的从辅助泵16朝向热交换器17延伸的第一区段上以及在同样的辅助管道的从辅助膨胀器12朝向辅助冷凝器15延伸的第二区段上。辅助换热器14具有在辅助工作流体进入热交换器17之前借助于由从辅助膨胀器12离开的同样的辅助工作流体传递的热量来预热该辅助工作流体的功能。

在使用中并根据本发明的级联方法和热力循环，并参考图2的t-s图，在主回路2中循环的主工作流体(flutec^tmpp1)由主泵8泵送并稍微增加其自身的温度而从点a到达点b。主工作流体穿过主换热器6而加热到点c，然后进入锅炉4，在锅炉中，主动作流体从烟气9(例如，烟气的最高温度为600℃)中吸收热量，以加热并蒸发至d点(在约400℃下)。然后，蒸发的主工作流体在主膨胀器5中膨胀，以冷却至点e，并引起膨胀器5和相应发电机11的旋转。

紧接主膨胀(点d)之前的主工作流体(flutec^tmpp1)具有以下参数：

温度：400℃

降低的温度：1.5

压力：40巴

降低的压力：2.1

主工作流体在热交换器17中被进一步冷却，将热量传递到辅助回路3的辅助工作流体，然后在主换热器6中冷却(点f和g)。主冷凝器7中随后的通过确定主工作流体的冷凝，然后返回至点a，准备开始新的主朗肯循环。

主工作流体(flutec^tmpp1)具有以下参数：

冷凝温度：25℃

降低的冷凝温度：0.65

冷凝压力：0.25巴

降低的冷凝压力：0.01

在辅助回路3中循环的辅助工作流体(环戊烷)由辅助泵16泵送，并稍微增加其自身的温度而从点h到达点i。辅助工作流体穿过辅助换热器14，以加热到点l，然后进入热交换器17，在热交换器中，辅助工作流体从主工作流体中吸收热量，以加热并蒸发到点m(在大约250℃下)。蒸发的辅助工作流体然后在辅助膨胀器12中膨胀，以冷却至点n，并引起膨胀器12和相应发电机13的旋转。

紧接辅助膨胀(点m)之前的辅助工作流体(环戊烷)具有以下参数：

温度：250℃

降低的温度：1.02

压力：30巴

降低的压力：0.7

辅助工作流体在辅助换热器14中进一步冷却(点o)，然后在辅助冷凝器15中冷却。辅助冷凝器15中的通过确定辅助工作流体的冷凝，然后返回到点h，准备开始新的辅助朗肯循环。

辅助工作流体(环戊烷)具有以下参数：

冷凝温度：25℃

降低的冷凝温度：0.6

冷凝压力：0.32巴

降低的冷凝压力：0.007

图3示出了与在亚临界条件下在热交换器17处在图1的设备的两个回路之间发生的热交换有关的t-q图(点e-f和l-m)。图4示出了与超临界条件下的同样的热交换有关的t-q图。

图5示出了根据本发明的设备1的不同实施例，其中辅助回路3是主回路2的分支，因此两个回路2、3中的工作流体是相同的。

主回路2包括：锅炉4、主膨胀器5(从属于发电机11)、主换热器6、主冷凝器7、主泵8。具体地，关于工作流体的流动方向，主膨胀器5位于锅炉4的紧下游，主冷凝器7位于主膨胀器5的下游，主泵8位于主冷凝器7的紧下游，锅炉4位于泵8的下游。主换热器6操作地定位在主管道的从泵8朝向锅炉4延伸的第一区段上以及同样的主管道的从主膨胀器5朝向主冷凝器7延伸的第二区段上。

辅助回路3还包括在该特定实施例中从属于主膨胀器5的同一发电机11的辅助膨胀器12。辅助回路3在位于主换热器6和锅炉4之间的分支点18处从主回路2分支，并且在主换热器6中重新连接主回路2。因此，主膨胀器5和辅助膨胀器12流体地并行放置，并且进入两个膨胀器5和12的工作流体具有基本相同的压力。主回路的工作流体和辅助回路的工作流体在第二换热器19中交换热量。第二换热器19放置在主膨胀器5下游的主回路上，并且放置在辅助膨胀器12上游的辅助回路上。第二换热器19是高温换热器。主换热器6是低温换热器。

单一工作流体选自全氟化化合物，并且其优选为全氟-2-甲基戊烷/全氟正己烷(例如，以商品名flutec^tmpp1已知)。

在使用中并根据本发明的级联方法和热力循环，并参考图6的t-s图，主工作流体(flutec^tmpp1)由主泵8泵送并稍微增加其自身的温度而从点a到达点b。

工作流体穿过主换热器6以加热到点c，然后分成主流和辅助流，主流进入锅炉4，在锅炉中，主流从烟气中吸收热量，以加热并蒸发到点e(在大约350℃下)，辅助流进入第二换热器19以加热到点d。

然后，蒸发的主流在主膨胀器5中膨胀，以冷却到点f并引起膨胀器5和相应发电机11的旋转，然后进入第二换热器19，在第二换热器中，主流将热量传递给辅助流(其加热到点d)并冷却到点g。

然后，辅助流在辅助膨胀器12中膨胀，以冷却到点g，并引起膨胀器12和发电机11的旋转。主流和辅助流汇入主换热器6中，并在主换热器中传递热量，以冷却至点h。在这一点上，工作流体的单流穿过冷凝器7，冷凝(在大约30℃下)并返回到泵8，即返回到点a。

图7示出了图5的设备1的变型形式。相对于图5的设备，图7的变型形式包括与辅助回路3热联接的附加辅助回路20。附加辅助回路20包括附加辅助膨胀器21。附加辅助回路20从上述分支点18分支，或者从位于分支点18与第二换热器19之间的辅助回路3的附加分支点22分支。辅助回路的工作流体和附加辅助回路的工作流体在第三换热器23中交换热量。

第三换热器23放置在辅助膨胀器12下游的辅助回路上，并且放置在附加辅助膨胀器21的上游的附加辅助回路上。第三换热器21是高温换热器。第二换热器19是中温换热器，主换热器6是低温换热器。

附加辅助回路20、辅助回路3和主回路2在主换热器6中连接。因此，主膨胀器5、辅助膨胀器12和附加辅助膨胀器21流体地并行放置，并且进入三个膨胀器5、12和21的工作流体具有基本相同的压力。

在使用中并根据本发明的级联方法和热力循环，并参考图7的t-s图，工作流体由主泵8泵送并稍微增加其自身的温度而从点a到达点b。工作流体穿过主换热器6以加热到点c，然后分成主流、辅助流和附加辅助流，主流进入锅炉4，在锅炉中，主流从烟气中吸收热量，以加热并蒸发到点f(在大约400℃下)，辅助流进入第二换热器19以加热到点e，附加辅助流进入第三换热器23，以加热到点d。

然后，主流在主膨胀器5中膨胀，以冷却到点g并引起膨胀器5和相应发电机11的旋转，然后进入第二换热器19，在第二换热器中，主流将热量传递给辅助流(其加热到点e)并冷却到点i。

辅助流在辅助膨胀器12中膨胀，以冷却到点h并引起膨胀器12和发电机11旋转，然后进入第三换热器23，在第三换热器中，辅助流将热量传递到附加辅助流(其加热到点d)，然后冷却至点i。

附加辅助流在附加辅助膨胀器21中膨胀，以冷却至点i，并引起膨胀器21和发电机11的旋转。

主流、辅助流和附加辅助流在主换热器6中连接，并在主换热器中传递热量，以冷却至点l。在这一点上，工作流体的单流穿过冷凝器7，冷凝(在大约30℃下)并返回到泵8，即返回到点a。

图5和图7的其它变型形式(未示出)包括另外的级联的附加辅助回路/循环，它们全部以相同的工作流体操作。图1的设备的其它变型形式包括串联布置的多个循环/回路，即一个接一个地级联，其中在它们之间交换热量的流体不同。

例如，图9示出了相对于图1的辅助回路3级联布置的附加辅助回路20。附加辅助回路20在结构上类似于辅助回路3。附加辅助回路20在附加热交换器24处与辅助回路3操作地联接。附加辅助回路20包括具有相应的附加辅助发电机25的附加辅助膨胀器21、附加辅助换热器26、附加辅助冷凝器27和附加辅助泵28。

在其它实施例中，图5和/或图7的设备的主膨胀器5和辅助膨胀器12被并入图10所示类型的单个径向流出涡轮100中。

径向流出涡轮100包括外壳101、可旋转地容纳在外壳101中的单个转子盘102。转子盘102设置有前表面103和与前表面103相对的后表面104。

转子叶片105的环形阵列同心地布置在前表面103以及后表面104上。定子叶片106的环形阵列安装在外壳101的位于转子盘102的前表面103前方的内表面上，并置于前表面103的转子叶片105的环形阵列之间，以限定用于工作流体的第一径向路径。定子叶片106的环形阵列还安装在外壳101的位于转子盘102的后表面104前方的内表面上，并置于后表面104的转子叶片105的环形阵列之间，以限定用于工作流体的第二径向路径。

外壳101具有：入口107，其位于前表面103的前方，靠近转子盘102的中心，并且与第一径向路径流体连通；附加入口108，其位于后表面104的前方并且与第二径向路径流体连通；以及出口109，其定位成靠近转子盘102的径向周边部分。

在所示实施例中，附加入口108由穿过外壳101的壁获得的开口限定，该开口围绕涡轮100的轴111的支撑套筒110定位，该轴通过轴承安装在所述套筒110中。轴111以悬垂方式支承和支撑转子盘102。

在前表面103上限定的第一径向路径是图5或7的主回路的一部分，在后表面104上限定的第二径向路径是图5或7的辅助回路的一部分。

因此，具有两个叶片面的径向流出涡轮100限定了图5或图7的主膨胀器5(通过第一径向路径)和辅助膨胀器12(通过第二径向路径)。换言之，入口107对应于图5或7的点e，附加入口108对应于图5或7的点d。这些点e和d基本上处于相同的压力下，从而转子盘102本质上是平衡的。

元件列表

1级联设备

2主回路

3辅助回路

4锅炉

5主膨胀器

6主换热器

7主冷凝器

8主泵

9烟气

10容器本体

11发电机

12辅助膨胀器

13辅助发电机

14辅助换热器

15辅助冷凝器

16辅助泵

17热交换器

18分支点

19第二换热器

20附加辅助回路

21附加辅助膨胀器

22附加分支点

23第三换热器

24附加热交换器

25附加辅助发电机

26附加辅助换热器

27附加辅助冷凝器

28附加辅助泵

100径向流出涡轮

101外壳

102转子盘

103前表面

104后表面

105转子叶片

106定子叶片

107入口

108附加入口

109出口

110套筒

111轴