具有重力驱动泵的兰金系统 【技术领域】
本发明涉及一种操作在兰金循环(Rankine cycle)上的可以或者可以不并入同时发热发电的联合热电系统(combined heat and powersystems)。更具体地，本发明涉及一种泵送方法以及用于该方法的设备。
【背景技术】
包括闭合的制冷剂循环、冷凝器单元、液体制冷剂泵、锅炉单元(boiler unit)和膨胀机的兰金循环在本领域中是为人熟知的。冷凝器单元在待加热的流体与待冷凝的制冷剂之间提供热接触和热传递相互作用。锅炉单元在携带有可用热能的焓的流体与待沸腾的制冷剂蒸气之间提供热接触和热传递相互作用。例如，在美国专利3,393,515中描述了这样的系统。
液体制冷剂泵将已冷凝的制冷剂再循环至锅炉单元，将压力大致从冷凝压力提升至沸腾压力。当执行该功能时，液体制冷剂泵在泵的入口处需要大量的过冷液体，以避免气穴现象，所述液体制冷剂泵消耗相当数量的电力，并且需要维护费用来处理可靠性问题。
由泵所消耗的电力可以从膨胀机中获取的电力中减除，而它降低了整个制冷系统的热动力效率。
通常，通过提高冷凝器的压力来提供所需的制冷剂过冷，其还减少了所产生的电力量并降低了制冷系统的热动力效率。此外，在冷凝器单元的出口处具有过冷的制冷剂是与额外的制冷剂充注和冷凝器单元的增大的尺寸相关联的。换言之，所有的这些因素增加了系统的成本。
典型地，泵送容量调节由可变速的驱动装置或其他任何已知的减少容量的方法来提供，例如节流或脉冲宽度调制控制阀。这也增加了成本，降低了热动力效率并可能会带来可靠性问题。类似地，如果应用旁路技术来降低泵送能力，系统的效率和操作成本将会受到损害。
在专利合作条约下公开的国际申请号PCT/US97/20229(国际公开号WO99/24766)中揭示了一种太阳能动力的加热和冷却系统，其包含高温热源，并具有允许低压液体通过重力而从冷凝器流动至蒸发器的布置。然而，尽管关于通过重力驱动来使得制冷剂流动的概念在本领域中是为人熟知的，但是该申请并未揭示或暗示任何特定的组件设计、系统配置、阀门布置或者如何能将这实现的任何其他的手段。
【发明内容】
简而言之，根据本发明的一个方面，一种兰金系统包括闭环制冷循环，该闭环制冷循环具有膨胀机、冷凝器单元、重力驱动泵送单元和锅炉单元。所述重力驱动泵送单元具有入口阀、出口阀和在入口阀与出口阀之间的中转区域(staging zone)。所述入口阀被连接至所述冷凝器单元，而所述出口阀被连接至所述锅炉单元。所述冷凝器单元相对于重力方向而位于锅炉单元的上方。所述入口阀、出口阀、所述冷凝器单元和锅炉单元之间建立的液体管线和整个路径都相对于重力方向而言，逐渐地向下定向，并且其尺寸和形状使得蒸气制冷剂从所述锅炉单元到所述冷凝器单元自由地向上运动，并使得液体制冷剂能够通过重力而从所述冷凝器单元到所述锅炉单元自由地向下排出。控制系统通过顺次地开启和闭合所述入口阀和所述出口阀而便利了所述重力驱动泵送单元的操作，这使得液体制冷剂能够对抗在所述锅炉单元和所述冷凝器单元之间的正压力差，而从所述冷凝器单元到所述中转区域并接着从所述中转区域到所述锅炉单元进行重力驱动运动。
所述重力驱动泵送单元在泵的入口处不需要实质的过冷，而这是本发明的另一个方面，其克服了与现有技术相关联的设计和操作困难。
在本发明的再另一方面中，控制系统与定时器一起操作以顺次地在一个时间间隔期间内用制冷剂填充中转区域，并随后在另一个时间间隔期间将所述制冷剂大致从所述中转区域排出。此外，在开启出口阀之前可以有时间延迟，而在开启被结合到控制逻辑的入口阀之前也可以有时间延迟。控制系统给所述时间间隔分配标称值，以提供最大的泵送容量，并且改变时间间隔来降低泵送容量。多个重力驱动泵送单元可以互相结合而使用。
在本发明的再另一方面中，具有重力驱动泵的兰金系统具有多个沸腾压力级(boiling pressure level)。所述膨胀机具有与最高的沸腾压力级相关联的单一入口、以及与其他中间沸腾压力级相关联的将制冷剂流引入膨胀过程地多个其他的中间入口。
在本发明的再另一方面中，具有重力驱动泵的兰金系统具有冷凝器单元，所述冷凝器单元具有被顺次(in sequence)连接的多个冷凝器部分。每个冷凝器部分用制冷剂液体供给一个重力驱动泵送单元，并用制冷剂蒸气供给接下来的下游冷凝器(如果有的话)。
在如以下所描述的附图中描绘了优选的和替代的实施方案；然而，在不背离本发明的精神和范围的情况下能够对这些实施方案做出各种其他的修改和替代结构。
【附图说明】
图1是根据本发明的具有重力驱动泵的兰金系统的示意性图示；
图2是本发明的兰金系统工作的时间序列的图表图示；
图3A和图3B分别是同轴阀在闭合位置和开启位置下的示意性图示；
图4是根据本发明的具有直列式的(in-line)压力释放装置的中转区域；
图5A-5D是根据本发明的重力驱动泵，其具有由带有不同的正常流动方向的两个邻近的电磁阀做成的阀组件；
图6是根据本发明的具有多个重力驱动泵的兰金系统的示意性图示；
图7是用于具有多个泵的重力驱动泵送单元的工作的控制逻辑的时间序列的图表图示；
图8是根据本发明的具有两个沸腾压力级的兰金系统的示意性图示；
图9A和9B分别是具有被顺次连接的两个涡轮机和被并联连接的两个涡轮机的两级膨胀机的示意性图示；
图10是根据本发明的提供同时产生热能和机械能的、具有重力驱动泵的兰金系统的示意性图示；
图11是根据本发明的具有重力驱动泵和分级冷凝的兰金系统的示意性图示；
图12是根据本发明的具有重力驱动泵、两个沸腾压力级和分级冷凝的兰金系统的示意性图示；
图13是根据本发明的两级冷凝线圈的示意性图示，且每个冷凝级(condensation stage)中具有一个通路；
图14是两级冷凝线圈的示意性图示，该两级冷凝线圈在第一冷凝级中具有两个通路，而在第二冷凝级中具有一个通路；
图15是两级冷凝线圈的示意性图示，该两级冷凝线圈在第一冷凝级中具有两个通路，而在第二冷凝级中具有三个通路；
图16是是两级冷凝线圈的示意性图示，该两级冷凝线圈在第一冷凝级中具有五个通路，而在第二冷凝级中具有四个通路；
图17是具有竖直折流器(baffle)的三级冷凝管壳式换热器的示意性图示；
图18是具有水平折流器的三级冷凝管壳式换热器的示意性图示；
图19是将蒸气压缩和具有重力驱动泵的兰金循环相结合的示意性图示。
【具体实施方式】
如图1所示，具有重力驱动泵的兰金系统包括冷凝器单元1、重力驱动泵送单元2、锅炉单元3和膨胀机4。
冷凝器单元1在待被加热的流体(例如空气、水或盐水)和待被冷凝的制冷剂蒸气之间提供热接触和热传递相互作用。冷凝器单元1在冷凝压力P1下在冷凝器出口处传送过冷液体。
重力驱动泵送单元2被安装在液体管线5上，液体管线5通过泵送单元2而连接冷凝器单元1和锅炉单元3。
锅炉单元3在携带有可用热能的焓的流体和待被沸腾的制冷剂蒸气之间提供热接触和热传递相互作用，锅炉单元3在沸腾压力P2下传送已过热的蒸气，所述沸腾压力P2大于冷凝压力P1。
膨胀机4，例如为涡轮式、涡管式(scroll)、螺杆式(screw)、往复式、旋转式或任何其他的类型，使得制冷剂蒸气膨胀并产生有用的机械功。高压蒸气管线6连接锅炉单元3的出口和膨胀机4的入口。低压蒸气管线7连接膨胀机4的出口和冷凝器单元1的入口。
重力驱动泵送单元2具有入口阀8、中转区域9和出口阀10。入口阀8被连接至液体制冷剂源，在此情况下，该液体制冷剂源是冷凝器单元1。出口阀10被连接至锅炉单元3。对于重力方向而言，冷凝器单元1位于锅炉单元3的上方(即在更高的高度上)。液体管线5和重力驱动泵送单元2被向下定向(竖直地或倾斜地)，以使得重力驱动泵送单元2能够工作。
重力驱动泵可以具有位于入口阀8的上游的接收器55。同样地，该接收器可以是冷凝器单元1的一部分。
利用下述的阿基米德力和重力，重力驱动泵送单元2在冷凝压力P1下接收来自冷凝器单元1的液体制冷剂，并将其泵送入锅炉单元3中，在该锅炉单元3中保持沸腾压力P2＞P1。在锅炉单元3中，液体制冷剂由于与携带有可用热能的焓的流体进行热传递相互作用而沸腾。已过热的蒸气从锅炉单元3通过高压蒸气管线6进入膨胀机4，过热蒸气在膨胀机4中从沸腾压力P2膨胀至冷凝压力P1，这产生了能够从膨胀机4的轴中获取的有用的机械能。所产生的机械功可被转换成电能或者可被直接应用到其他的机械驱动装置上。已膨胀的制冷剂蒸气通过低压蒸气管线7到达冷凝器单元1中，该已膨胀的制冷剂蒸汽由于与待被加热的流体之间热传递相互作用而在冷凝压力P1下被减温、冷凝并使其过冷。来自冷凝器单元1的液体由重力驱动泵送单元2被泵送穿过液体管线5，并且重复兰金循环的热处理过程的序列。
在图2中示出了图1所示的重力驱动泵送单元2的工作原理，图2由相对于时间表示的理想压力图、用于入口阀8的位置图和用于出口阀10的位置图的几个图组成。压力图标示了相对于冷凝器单元1中的压力P1和锅炉单元3中的压力P2而在中转区域9中的压力变化。阀位置图标示了入口阀8和出口阀9的开启和闭合位置。
起初，将入口阀8开启而将出口阀10闭合。这有利于填充过程。来自中转区域9的一部分蒸气制冷剂由于阿基米德力而向上运动至冷凝器单元1，同时来自冷凝器单元1的液体制冷剂由于重力作用以相对较低的排放速率向下排放至中转区域9。因而，液体制冷剂被排放的部分代替中转区域9中的蒸汽制冷剂。如图2所示，在填充过程中，中转区域9中的压力变得等于冷凝器单元1的压力P1。
接下来，将入口阀8闭合，并且由于入口阀8和出口阀10均被闭合，因此没有与中转区域9相关联的蒸气或液体流。
当将出口阀10开启时，中转区域9和锅炉单元3开始连通。中转区域9中的液体制冷剂被锅炉单元3中的蒸气加压，从而中转区域9中的压力变得与锅炉单元3中的压力P2相等，并且启动了排放过程。在压力相等之后，一部分蒸气制冷剂由于阿基米德力而从锅炉单元3向上运动至中转区域9，而来自中转区域9的液体制冷剂由于重力作用而向下排放至锅炉单元3。所排放的液体制冷剂在锅炉单元3中沸腾。图2的压力图演示了在中转区域9中压力被升高至P2值。
接下来，将出口阀10闭合，并且没有与中转区域9相关联的蒸气或液体流。入口阀8的开启再次启动了填充过程，并且重复上述的重力驱动泵送循环。
重力驱动泵的一个设计挑战是考虑对中转区域9的壁温的影响。壁温是由于与周围环境、从冷凝器单元1中接收的液体制冷剂、从锅炉单元3接收的蒸气制冷剂的热相互作用的结果而产生的，并且其是由于在冷凝器单元和中转区域9之间、以及在锅炉单元3和中转区域9之间的热桥的结果而产生的。如果中转区域9中的压力出现对应于在壁温下的饱和状态，那么在排放过程中发生中转区域内的蒸气的冷凝。来自锅炉单元3的一部分蒸气制冷剂向上运动，替换中转区域9中被排放的液体，并在它接触中转区域的壁时以特定的冷凝速率被冷凝在那里。液体制冷剂以特定的相对较低的排出速率被向下排出至锅炉单元3。冷凝速率减少了从锅炉单元3传送的制冷剂的量，并最终可以等于液体排出速率。当液体制冷剂被通过阿基米德力而向上运动的制冷剂蒸气充分加热时，冷凝过程终止。使重力驱动泵绝缘可以降低冷凝过程的速率并改善泵送效率。
可以合适地将中转区域9的容积效率引入作为比率：ηv=mα-m0mmax=ρ′(tα)-ρ′(p2;t2)ρ′(tamb)---(1)]]>其中ηv-中转区域的容积效率；mα-在实际制冷剂温度ta下填充中转区域9的液体制冷剂的实际质量；m0-在出口阀10闭合之前，被限定在锅炉压力p2和温度t2下的剩余在中转区域9中的制冷剂蒸气的质量；mα-m0-在一次泵送循环期间被泵送至锅炉单元3的制冷剂的质量；mmax-是当中转区域内的制冷剂温度等于周围温度tamb时填充所述中转区域的液体制冷剂的最大质量；ρ′(tα)-在实际制冷剂温度tα下填充中转区域的已饱和的液体制冷剂的密度；ρ′(p2；t2)-在温度t2和压力p2下制冷剂蒸气的密度；ρ′(tamb)-在周围环境的温度是tamb下的已饱和的液体制冷剂的密度。
如果一部分液体制冷剂被保留在中转区域9中，则会降低中转区域9的容积效率。出口阀10的较长时间的开启减少了保留在中转区域中的液体制冷剂的量，但是延长了排放时间并减少了泵送容量。
中转区域9的壁温越低，填充中转区域9的液体制冷剂的温度也就越低，液体制冷剂的密度也就越高，而填充中转区域9的液体制冷剂的质量mα也就越大。这引起了容积效率的提高。在另一方面，中转区域9的壁温越低，冷凝速率也就越高，而质量mα也就越大。这引起了容积效率的降低。
相反地，中转区域9的壁温越高，填充中转区域9的液体制冷剂的温度也就越高，液体制冷剂的密度也就越低，而填充中转区域9的液体制冷剂的质量mα也就越小。这引起了容积效率的降低。在另一方面，中转区域9的壁温越高，冷凝速率也就越低，而质量mα也就越小。这引起了容积效率的提高。
当中转区域9的壁温在填充过程中等于周围温度、并且中转区域9的壁温在填充过程中等于锅炉温度时，达到了最大容积效率。然而，考虑到周围温度接近于冷凝器的温度，当将中转区域9尽可能地靠近锅炉单元3放置时，可获得最实用的折衷方案。在这种情况下，由于壁材料的热传导作用，在排放过程中，中转区域9的壁温被设置成尽可能地接近于锅炉温度。在填充过程中，由于填充中转区域的液体制冷剂的高的比容量，因此中转区域9的壁温被设置成尽可能地于接近周围温度。
如果周围温度接近于沸腾温度，那么当中转区域9被放置成尽可能地靠近于冷凝器单元3时可获得最实用的折衷方案。
与倾斜的定向相比，竖直的定向降低了壁温的影响。
在上述实施例中的重力驱动装置的工作暗含着两路电磁阀的使用。传统的电磁阀是在额定的压力差下在一个方向上阻挡流体流动的装置，该方向是正常流动方向。通常，它们不在相反的方向上阻挡流动。在两个方向上阻挡流体流的两路电磁阀被称为双向阀。如果定额压力差对于每个方向是不同的，那么具有更高的定额压力差的方向被称为正常流动方向。否则就不存在正常流动方向。
为了有效地提供泵送能率，重力驱动泵应当满足以下要求：1)入口阀8和出口阀10应当具有阻挡制冷剂沿着从锅炉单元3到冷凝器单元1的方向流动的能力；2)至少一个阀应当具有阻挡制冷剂流沿着两个方向流动的能力(即，至少一个阀应当为双向流控制装置)；3)入口阀8和出口阀10的内端口的大小和形状、以及液体管线2的内部尺寸的大小和形状应被制成允许制冷剂蒸气由于阿基米德力的作用而向上流动，并允许液体制冷剂由于重力的作用而向下流动；以及4)在入口阀8、出口阀10、液体管线2、以及连接出口阀10和锅炉单元3的管线内的路径的定向应当允许制冷剂蒸气由于阿基米德力的作用而向上流动，并允许液体制冷剂由于重力的作用而向下运动流动。
当入口阀8是传统的常开启的电磁阀而出口阀10是常关闭的双向电磁阀时，重力驱动泵是可运行的。或者，当出口阀10是传统的常开启的电磁阀而入口阀8是常关闭的双向电磁阀时，重力驱动泵可以运行。如果没有阀是常开启的，那么被截留(trapped)的液体可能会在停止循环期间沸腾并损坏重力驱动泵。
传统的电磁阀通常是直接作用式或者先导式的装置。直接作用式电磁阀具有端口，该端口太小无法在此应用。端口尺寸的增加与将阀座保持在适当的位置的力的增加相关联，这是因为所述力与阀端口的面积成比例。将阀起动的线圈限制了所述力。先导式的阀使用可用的压力来将阀座保持在适当的位置。尽管这种工作原理显著减小了力，但是先导式的阀仅仅是单向装置。
如图3A和3B所示，双向阀的一个例子是同轴阀。如图3A所示，同轴阀由罩壳11、座12(其不是运动部件)和中空管13(其是运动部件)组成。罩壳11和座12之间的区域是进入端口14的截面。出口端口15位于相反的端部。中空管13在中空管13和罩壳11之间具有密封环16。
如图3A所示，当中空管13抵靠座12定位时产生了密封，同轴阀处在闭合位置。在该闭合位置下，所述阀阻挡了从进入端口14到出口端口15、以及从出口端口15到进入端口14的流动。如图3B所示，当将中空管13运动至另一端时，同轴阀处在开启位置。在该开启位置下，如图3B中的箭头所示，阀使得制冷剂流从进入端口14到出口端口15、以及从出口端口15到进入端口14进行流动。将中空管13运动到座12或者使中空管13从座12运动的力、或者保持中空管13抵靠座12的力与端口尺寸不成比例，因此端口尺寸可以如所需的那样大。
同轴阀的中空管在开启和闭合位置之间具有短冲程。因此，用于重力驱动泵的同轴阀的尺寸应当基于座12周围的截面面积或者在开启位置下的座12和中空管13之间的截面面积，而无论哪一个更小。中空管13的内径通常大于那些截面面积。
被步进电机驱动的机动球阀和调节阀可以完美地满足上述的所有四个条件。然而，由于当停电时这些阀的位置无法被控制，因此液体可能会被截留在入口阀8和出口阀10之间。当区域周围和区域内的温度在停止循环期间被升高时，被截留的液体可能会引起中转区域9内的危险的压力增高。在这种情况下，如图4所示，应当提供直列式的压力释放装置9a，该压力释放装置9a将中转区域9与在中转区域9之外的兰金系统的任意一点相连接，并且优选地连接至低压侧的一点上。
图5A-5D显示了在重力驱动泵中使用传统电磁阀的选择。已假设提供了上述的第三和第四要求。
在图5A中，入口阀8是传统的电磁阀，其被安装以提供从锅炉单元3到冷凝器单元1的正常流动方向。出口阀布置提供了双向操作并配置为两个邻近的传统阀，它们是第一阀10a和第二阀10b。第一阀10a是传统的电磁阀，其被安装以提供从冷凝器单元1到锅炉单元3的正常流动方向。第二阀10b是常闭合的传统阀，其被安装以提供从锅炉单元3到冷凝器单元1的正常流动方向。如果图5A中的入口阀8是常开启的电磁阀，则第一阀10a可以是常开启或者常闭合的电磁阀；第二阀10b应当是常闭合的电磁阀。如果图5A中的入口阀8是常闭合的电磁阀，则第一阀10a应当是常开启的电磁阀；第二阀10b可以是常开启或常闭合的电磁阀。
图5B中的第一阀10a是传统的电磁阀，其被安装以提供从锅炉单元3到冷凝器单元1的正常流动方向。第二阀10b是传统的电磁阀，其被安装以提供从冷凝器单元1到锅炉单元3的正常流动方向。如果图5B中的入口阀8是常开启的电磁阀，则第一阀10a应当是常闭合的电磁阀；第二阀10b可以是常开启或者常闭合的电磁阀。如果图5B中的入口阀8是常闭合的电磁阀，则第一阀10a应当是常开启的电磁阀；第二阀10b可以是常开启或常闭合的电磁阀。
除了邻近阀的开启和关闭同时进行之外，利用邻近的传统电磁阀的重力驱动泵的工作原理与显示在图1中的重力驱动泵的工作原理相同。
图5C具有提供双向操作的入口阀装置，该入口阀装置由两个邻近的传统阀构成，它们是第一阀8a和第二阀8b。第一阀8a是传统的电磁阀，其被安装以提供从冷凝器单元1到锅炉单元3的正常流动方向。第二阀8b是传统的电磁阀，其被安装以提供从锅炉单元3到冷凝器单元1的正常流动方向。如果出口阀10是常闭合的电磁阀，那么第一阀8a和第二阀8b可以是常闭合或常开启的阀。如果出口阀10作为常开启的电磁阀，那么第一阀8a可以是常闭合或常开启的，但是第二阀8b应当是常闭合的电磁阀。
在图5D中，第一阀8a是传统的电磁阀，其被安装以提供从锅炉单元3到冷凝器单元1的正常流动方向。第二阀8b是传统的电磁阀，其被安装以提供从冷凝器单元1到锅炉单元3的正常流动方向。如果出口阀10是常闭合的电磁阀，那么第一阀8a和第二阀8b可以是常闭合或常开启的阀。如果出口阀10是常开启的电磁阀，那么第二阀8b可以是常闭合或常开启的阀，但是第一阀8a应当是常闭合的电磁阀。
根据图1，兰金系统的重力驱动泵送单元2具有一个重力驱动泵。当所述泵将一部分液体制冷剂排放入锅炉单元3中时，沸腾过程开始并且建立了特定的沸腾压力。在沸腾过程期间，沸腾装置3中的液体量减少。沸腾液体制冷剂的量的减少引起了所产生的制冷剂蒸气的量的减少。结果，沸腾压力被降低。这引起了冷凝压力的降低和膨胀机4转速的降低。当一部分新的液体制冷剂到达时，沸腾和冷凝压力以及转速被恢复，并且泵送循环被重复。因此，在泵送循环之间发生了沸腾和冷凝压力以及膨胀机4的转速的波动。
为了减少压力和转速的波动并且提供连续的泵送工作，使用了多个重力驱动泵。压力和转速的可接受级别规定了多个重力驱动泵。
在图6中示出了具有多个重力驱动装置的兰金系统。重力驱动泵送单元2由并行工作的第一重力驱动泵2a、第二重力驱动泵2b和第三重力驱动泵2c组成。液体制冷剂接收器55被安装在重力驱动泵送单元2的入口处，以确保液体在重力驱动泵送单元的入口的可用性。控制系统112调整重力驱动泵2a、2b和2c的工作。
控制系统112调整下述的对每个重力驱动泵的工作序列：开启入口阀8，分配足够的时间间隔来用液体制冷剂填充中转区域9，闭合入口阀8，在开启出口阀10之前分配足够的时间延迟，开启出口阀10，分配足够的时间间隔来将制冷剂从中转区域9中排放，闭合出口阀10，在开启入口阀8之前分配足够的时间延迟，以及连续地重复该序列，在图2中示出了该序列。
根据上述序列，每个重力驱动泵的泵送容量取决于填充时间间隔τf，其为用液体制冷剂填充中转区域9的时间；排放时间间隔τd，其为将制冷剂从中转区域9排放至锅炉单元3的时间；在开启入口阀8之前的时间延迟τ1(包括开启的时间)；以及在开启出口阀10之前的时间延迟τ2(包括开启的时间)。
在图7中显示了控制系统112的控制逻辑，该图7图示了上述的开启和闭合入口阀与出口阀的序列以及时间间隔τf、τd、τ1和τ2。
让我们将泵送循环定义为利用了一个排放行为的过程。根据图7，一个重力驱动泵送装置的泵送循环的持续时间等于τ0＝τf+τd+τ1+τ2 (3)
当多个重力驱动泵顺次工作时，在该时间期间发生一次排放操作的时间被计算为τ0＝τd+τ3 (4)其中τ3-是在闭合一个重力驱动泵的出口阀和开启另一个重力驱动泵的出口阀之间的时间间隔(包括闭合和开启时间)，该另一重力驱动泵相对于第一泵按序列顺序进行操作。在图7中，显示为τ3＝τ2；然而，不需要此特定的关系。
由每个公式(4)计算的时间意味着将有多个泵按序列顺序进行操作：n=r·τf+τd+τ1+τ2τd+τ3---(5)]]>其中r-是将n调节为整数值的校正因子；例如，可能发生r＝1。
每个序列步骤在同时或者重叠的循环中可以包括并行工作的多个泵。总体而言，重力驱动泵送单元提供的质量流率为：G=(ma-m0)·k·nτ0=ηv·mmax·k·nτ0,---(6)]]>其中k-是此时并行操作的重力驱动泵的数量。
在特定的填充和排放时间下(τf＝τf0并且τd＝τd0)，并且在开启入口阀8和出口阀10之前的时间延迟为最小时(τ1→0并且τ2→0)，由一个重力驱动泵送装置提供的质量流率处于最大值。这些时间被称作为标称时间。当τf≠τf0、τd≠τd0、τ1＞0并且τ2＞0时，质量流率减小。如果τf＜τf0或τd＜τd0，则流量减小，因为填充过程或者排放过程未完成。如果τf＞τf0或τd＞τd0，则质量流率减小，因为泵送循环持续时间被增加。由于相同的原因，当时间延迟τ1和τ2增大时，质量流率被减小。
同样的结论也可应用至多个重力驱动泵，即使公式(4)仅仅包含τd和τ3。这是因为根据公式(5)，时间τ3依赖于时间τf、τd、τ1和τ2。并且，时间τ3依赖于按序列顺序工作的重力驱动泵的数量n。因此，具有多个重力驱动泵提供了接合不同数量的泵的额外选择的可能，以改变泵送容量。所改变的泵的数量可能需要改变时间τf、τd、τ1或τ2。
控制系统112基于来自温度传感器113和压力传感器114的读数而利用时间τf、τd、τ1和τ2来调节质量流率。锅炉单元3的尺寸被制成在最大的流量下保持特定的标称过热。如果由温度传感器113和压力传感器114监测的制冷剂过热下降，则控制系统112就降低制冷剂质量流率。如果过热被增高，则控制系统112就增大制冷剂质量流率。
重力驱动泵送单元可以在压力释放模式下工作。如果在兰金系统高压侧的压力被不期望地增大，基于由压力传感器114提供的读数，控制系统112开启入口阀8和出口阀10，并将不期望地增大的制冷剂压力释放入冷凝器单元1中。
膨胀机4的入口处的压力越高，兰金循环的潜在效率也就越高。在另一方面，沸腾压力越高，锅炉单元3的出口处的流体温度也就越高，因此热能的利用程度也就越低。
在图8中，锅炉单元3包括在高沸腾压力下工作的第一锅炉3a和在低沸腾压力下工作的第二锅炉3b。重力驱动泵2a供给第一锅炉3a，而重力驱动泵2b供给第二锅炉3b。携带有热能的流体115在第一锅炉3a中冷却至中间温度，并在第二锅炉3b中进一步冷却至接近低沸腾温度的温度。离开第一锅炉3a的制冷剂供给膨胀机4的主入口116。来自第二锅炉3b的制冷剂供给膨胀机4的中间入口117，以将一部分低沸腾压力下的制冷剂引入膨胀过程中。因此，当锅炉在兰金循环中通过一个沸腾压力级工作时，膨胀机4通过主入口而被供给在高沸腾压力下的相同数量的蒸气制冷剂，并且同时，低沸腾温度使得热能热源的能量提取达到更高的程度。结果，兰金系统的效率显著增加。
最终，兰金系统可以具有多个沸腾压力级，以及与所述多个沸腾压力级数量相同的锅炉、膨胀机4的入口、以及重力驱动泵送单元。
除了具有主入口116和中间入口117的膨胀机4的选择以外，还可以使用如图9A和9B所示的具有两个涡轮机或者两个膨胀器4a和4b的两级(或多级)膨胀机4。
图9A涉及一种具有顺次连接的第一级4a和第二级4b的两级膨胀机4。每个级4a和4b可以具有多个涡轮机或其他的膨胀装置。在高沸腾压力下的制冷剂蒸气穿过入口116而进入到第一级4a。第一级4a将已进入的部分制冷剂膨胀至等于低沸腾压力的中间压力。在低沸腾压力下的被膨胀的部分制冷剂与从第二锅炉通过中间入口117进来的部分制冷剂相混合，这类似于图7中的兰金系统。在第二级4b中执行进一步的冷凝压力的膨胀。最终，膨胀机4可以具有多个顺次连接的涡轮机或其他的膨胀装置(诸如涡管、螺杆或往复活塞)，并且具有与前者数量相同的重力驱动泵送单元、沸腾压力级和锅炉。
在图9B中，第一级4a和第二级4b并行工作。每个级4a和4b可以具有多个涡轮机或其他的膨胀装置。在高沸腾压力下的制冷剂蒸气穿过入口116而进入到第一级4a，并被膨胀至冷凝压力。在低沸腾压力下的制冷剂蒸气从第二锅炉通过中间入口117进入第二级4b，这类似于图7中的该兰金系统，并且也被膨胀至冷凝压力。最终，膨胀机4可以具有多个并联的涡轮机或其他的膨胀装置(诸如涡管、螺杆或往复活塞)，并且具有与前者数量相同的重力驱动泵送单元、沸腾压力级和锅炉。
在图9A和图9B所示的两种情况下，两个膨胀级可以附着于一个轴，或者它们具有独立的轴，独立分配重新获得的机械能。
如图10所示，可以在提供同时产生热能和机械能的兰金系统中应用两级的沸腾压力。兰金系统在膨胀机4中重新获得能量，并同时通过与流体115的热量和热传递相互作用而在冷凝装置1a和冷凝器单元1b中执行加热工作(heating duty)。冷凝器单元1a加热流体118a以提供高质量的热输出；冷凝器1b加热流体118b来提供低质量的热输出。可选择地，冷凝器单元1a和1b可以利用两步骤118a和118b加热来加热单一的流体。
热能在两个沸腾压力级下被吸收到锅炉单元3中。在锅炉3b中保持着高沸腾压力，该锅炉3b通过入口116来供给膨胀机4。在锅炉3a中保持着低沸腾压力，该锅炉3a通过中间入口117来供给膨胀机4。锅炉3a由重力驱动泵送单元2b供给，而锅炉3b由重力驱动泵送单元2a和2c供给。
制冷剂冷凝也在两个压力级下发生。冷凝器单元1a在对应于膨胀机4的出口处的压力的冷凝压力下工作。冷凝器单元2a在等于低沸腾压力的压力下工作。
冷凝器单元1a供给重力驱动泵送单元2a和2b，或者可选择地可以仅供给重力驱动泵送单元2b。冷凝器单元2a供给重力驱动泵送单元2c。
最终，提供同时产生热能和机械能的兰金系统具有多个冷凝器和冷凝压力级以及相同数量的锅炉、沸腾压力级以及膨胀机4(或者如图9A和图9B所示的膨胀机)的入口。重力驱动泵送单元的数量至少应当相同；然而该数量可以变化。例如，如果有n个压力级：P1、P2、P3...PN-1和PN，其中P1是最低的压力级并且仅仅是冷凝压力；PN是最高的压力级并且仅仅是沸腾压力。沸腾压力的数量是n-1：P2、P3...PN-1和PN。冷凝压力的数量是相同的，它们是：P1、P2、P3...和PN-1。因此，压力P2、P3...和PN-1为沸腾压力，并且同时它们是冷凝压力。在压力级P1下工作的冷凝器可以具有n-1个泵，在压力级P2下工作的冷凝器可以具有n-2个泵，在压力级P3下工作的冷凝器可以具有n-3个泵等等。从而，n个压力级最终容许有个泵。
已知在制冷剂通道内冷凝的液体制冷剂占据了整个冷凝器单元内部体积的很小的一部分，但是它主要位于冷凝器单元的壁上，并覆盖了大部分的内热传递面积。结果，占据了整个内部容积显著部分的蒸气制冷剂不接触冷凝器单元的壁，并且整个热传递系数被大大地减小。被冷凝的制冷剂从冷凝器单元中去除可以显著地提高整个系统的性能特性。
图11涉及具有分级冷凝的兰金系统。冷凝器单元1包括由流体118冷却的第一冷凝器1a、第二冷凝器1b和第三冷凝器1c，所述流体118可以是例如水、空气或盐水。每个冷凝器供给它自己的接收器和重力驱动泵。第一接收器55a和第一重力驱动泵2a与第一冷凝器1a相关联，第二接收器55b和第二重力驱动泵2b与第二冷凝器1b相关联，并且第三接收器55c和第三重力驱动泵2c与第三冷凝器1c相关联。该第一、第二和第三泵2a、2b和2c可以包括多个泵。
离开膨胀机4的制冷剂蒸气在第三冷凝器1c中被局部地冷凝。已冷凝的液体部分被引导到第三接收器55c中，并且制冷剂蒸气的剩余部分进入到第二冷凝器1b，在此其被局部地冷凝。随后，被冷凝的流体部分被运送到第二接收器55b中，并且制冷剂蒸气的剩余部分进入第一冷凝器单元1c。在第一冷凝器1c中，制冷剂被完全冷凝并接着填充第一接收器55a。
图12是利用分级冷凝的另一个图示，尽管该分级冷凝结合有两个沸腾压力级。冷凝器单元1包括由流体118冷却的第一冷凝器1a和第二冷凝器1b，所述流体118可以是例如水、空气或盐水。锅炉单元3由第一锅炉3a和第二锅炉3b组成，并由携带有可用热能的焓的流体115加热。每个冷凝器供给它自己的接收器、泵和锅炉。第一接收器55a、第一重力驱动泵2a和第一锅炉3a与第一冷凝器1a相关联。第二接收器55b、第二重力驱动泵2b和第二锅炉3b与第二冷凝器1b相关联。该系统需要具有两个入口的膨胀机4或者如图9A和9B所示的膨胀机4。
该系统结合了两级沸腾压力的优势，其改善了兰金系统的效率并且去除了来自冷凝过程的液体，这提高了冷凝器的性能并最终提高了整个兰金系统的效率。
具有不同的机会来在冷凝器单元中提供分级冷凝。
图13-16涉及气冷式冷凝器单元。每个冷凝级可以被环行(circuited)以具有多个通路。
图13显示了两级冷凝器单元，其中每级中具有一个通路。所述冷凝器单元具有入口集管24、出口集管25、以及在入口集管24和出口集管25之间延伸的多个冷凝剂通道26。冷凝剂通道26密封在入口集管24和出口集管25中。所述通道的外表面热暴露于冷却流体。入口集管24具有蒸气入口27和液体出口29。出口集管25具有中间液体出口28。入口集管24包含折流器30，该折流器30将入口集管24分离成两个部分31和32，该折流器30还将冷凝的制冷剂流沿路线运送到两个通路33和34中。一部分与通路33和蒸气入口27相关联；另一部分与通路34和液体出口29相关联。
尽管图13中的冷凝器单元在每个冷凝级中仅仅具有一个通路，图14呈现出在第一冷凝级33中具有两个通路33a和33b、并且在第二冷凝级34中具有一个通路的冷凝器单元。入口集管24具有相位分离器30。该相位分离器30将入口集管24分离成与蒸气入口27相关联的上腔室31和与中间出口28相关联的下腔室32。出口集管25具有相位分离器35，该相位分离器35将出口集管分离成上腔室36和下腔室37。上腔室36与第一冷凝级33相关联。下腔室37与第二冷凝级34和液体出口29相关联。
可能使得冷凝器单元在每个冷凝级中具有多个通路。例如，图15显示了在第一冷凝级33中的两个通路33a和33b以及在第二冷凝级34中具有三个通路34a、34b和34c。在入口集管24中使用了相位分离器30和36，而在出口集管25中使用了相位分离器35和37。并且，在液体出口29附近使用了收集器29a。
图16显示了第一冷凝级33中的五个通路33a、33b、33c、33d和33e以及第二冷凝级34中的三个通路34a、34b和34c。在入口集管24中使用了相位分离器30、36、38和40，并且在出口集管25中使用了相位分离器35、37、39和41。并且，在液体出口29附近使用了收集器29a。
在图15中，中间液体出口28位于出口集管25中，而液体出口29位于入口集管24中。但是在图16中，中间液体出口28和液体出口29位于出口集管25中。并且，当中间液体出口28位于入口集管24中并且液体出口29位于出口集管25中时，可能具有这类结构；而当中间液体出口28和液体出口29位于入口集管24中时，可能具有这类结构。
通常，第一冷凝级中的通路数量大于第二冷凝级中的通路数量。
在图12-15中所示的冷凝器单元中，制冷剂通道在入口集管24和出口集管25之间延伸，所述制冷剂通道水平定向并且冷凝的制冷剂流沿路线被从顶部运送到底部。具有沿着相反的方向来使用图13-16所示的冷凝器单元的选择，其中所述蒸气入口位于29而不是位于27，蒸气出口位于27而不是位于29；而中间液体出口28保持不变。在这种情况下，冷凝的制冷剂流沿路线被从底部运送到顶部。
在美国专利US 5,988,267和US 5,762,566中提到的结构也是有可能的。
图17-18涉及被例如水或盐水冷却的管壳式冷凝器单元。该管壳式热交换作用具有一个冷凝剂通路、一个用于加热流体的通路和三个冷凝级。
在图17中的管壳式冷凝器具有伸长的圆柱形外罩或外壳40。外壳40内具有一捆纵向热传递管41。外壳40和热传递管41在第一管板42和第二管板43之间延伸。第一盖罩44在外壳40的一端附至第一管板42。第二盖罩45在外壳40的相对端附接至第二管板43。管侧用于水流。第一盖罩44具有水入口46，而第二盖罩45具有水出口47。外壳侧用于制冷剂流。外壳40内布置有制冷剂入口48和三个制冷剂出口49、50和51。三个竖直折流器52a、52b和52c安装在外壳40内以提供三个冷凝区域。冷凝剂入口48和第一冷凝剂出口49位于第一管板42和第一竖直折流器52a之间的第一冷凝区域中。第二制冷剂出口50位于第一竖直折流器52a和第三竖直折流器52c之间的第二冷凝区域中，该第一冷凝区域包含第二竖直折流器52b。第三冷凝剂出口51位于第三竖直折流器52c和第二管板43之间的第三冷凝区域中。竖直折流器52a、52b和52c如图17中箭头所示的方向来导引制冷剂流。
在图18中的管壳式冷凝器具有纵向折流器53a和53b以及竖直折流器54a和54b。制冷剂入口48和三个制冷剂出口49、50和51被布置在外壳40中。制冷剂入口48和第一制冷剂出口49位于第一竖直折流器54a和第二竖直折流器54b之间的第一冷凝区域中。第二制冷剂出口50位于第一端42和第一竖直折流器54a之间的第二冷凝区域中。第三制冷剂出口51位于第二竖直折流器54b和第二管板43之间的第三冷凝区域中。纵向折流器53a和53b以及竖直折流器54a和54b如图18中箭头所示的方向来导引制冷剂流。
在图17和图18当中，制冷剂的第一部分在第一冷凝区域中冷凝，并且被冷凝的部分通过第一制冷剂出口49而从外壳侧去除。制冷剂的第二部分在第二冷凝区域中冷凝，并且被冷凝的部分通过第二制冷剂出口50而从外壳侧去除。制冷剂的第三部分在第三冷凝区域中冷凝，并且被冷凝的部分通过第三制冷剂出口51而从外壳侧去除。
图19将兰金环路和蒸汽压缩环路相结合。兰金环路包括冷凝器单元1、接收器55、安装在液体管线5上的重力驱动泵送单元2、锅炉单元3、高压管6、膨胀机4和低压管7。蒸气压缩环路包含压缩机22、排放管线23、低压管线7的一部分(其为用于蒸气压缩环路的高压管线)、冷凝器单元1、接收器55、膨胀装置19、蒸发器单元20和吸入管线21。压缩机22和膨胀机4可以共享公共轴，并且从膨胀机4中的膨胀过程中获取的能量被用来驱动或辅助驱动压缩机22。压缩机22和膨胀机4可以具有公共罩壳以形成密封装置。兰金环路产生机械能并在沸腾(高)压力和冷凝(低)压力之间工作。被压缩机22驱动的蒸气压缩环路在蒸发器单元20中提供冷却和/或在冷凝器单元1中提供加热。蒸气压缩环路可以具有换向阀，以能够将所述环路的工作作为热泵。由重力驱动泵送单元2来调整由蒸气压缩环路产生的冷却和/或加热容量。
尽管已经详细地揭示了本发明的某些优选实施方案，但是应当理解的是，在不背离如下面的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，在其结构中可以采用各种修改。