專利名稱：利用廢熱的級聯(lián)有機(jī)蘭金循環(huán)的制作方法
利用廢熱的級聯(lián)有機(jī)蘭金循環(huán)TO利益聲明依據(jù)美國能源部和聯(lián)合技術(shù)公司之間的合同No.DE-FC02-00CHU060，美國TO對本發(fā)明具有一定的權(quán)利。
技術(shù)背景可在最小的環(huán)境影響作用下提供低成本能量并且可很容易地被整合在現(xiàn)有 的電網(wǎng)或者能被fflil地設(shè)置為獨(dú)立單元的發(fā)電系統(tǒng)有助于解決許多領(lǐng)域的緊急 能量需求。內(nèi)燃機(jī)例如微型渦輪機(jī)或往復(fù)式發(fā)動機(jī)能夠利用現(xiàn)有普通燃料例如 汽油、天然氣以鵬油燃料以25—40%的效率低成本地發(fā)電。但是，對于往復(fù) 式發(fā)動機(jī)來說，大氣排放例如氮氧化物(NOx)排放和顆粒物排放是個問題。一種用內(nèi)燃機(jī)的廢熱發(fā)電且不增加排放物輸出的方法是應(yīng)用及底循環(huán)。及 底循環(huán)利用來自這種發(fā)動機(jī)的廢熱并將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋Ｌm金循環(huán)常常被用作 內(nèi)燃機(jī)的及底循環(huán)。一種基本的有機(jī)蘭金循環(huán)包括渦輪發(fā)電機(jī)、預(yù)熱器/鍋爐、 冷凝器和液泵。這種循環(huán)可在稍高于所選有機(jī)工作流體的沸點(diǎn)的溫度下吸收廢 熱，且通常在稍低于所選有機(jī)工作流體的沸點(diǎn)的溫度下將廢熱排向周圍空氣或 7K。對工作流體的選擇決定了所述循環(huán)的溫度范圍/熱效率特性。在將低溫廢熱源轉(zhuǎn)換成電能時，使用一種流體的簡單ORC系統(tǒng)利用類似于 空調(diào)/制冷工業(yè)中所用的硬件和工作流體，是高效的、節(jié)約成本的。所述實例為 使用由現(xiàn)有離心式壓縮機(jī)獲得的徑流式渦輪機(jī)和如制冷劑R245fa的工作流體的 ORC系統(tǒng)。對于更高溫度的廢熱流而言，最具有成本效率的ORC系統(tǒng)仍然在相對較低 的工作流體溫度下運(yùn)行，允許繼續(xù)使用HVAC衍生裝置和普通的制冷劑。然而 這些系統(tǒng)，盡管非常節(jié)約成本，但是并沒有充分利用廢熱流的熱力學(xué)勢。發(fā)明內(nèi)容簡而言之，根據(jù)發(fā)明的一個方面， 一對有機(jī)蘭金循環(huán)(ORC)系統(tǒng)被組合 在一起，并且單個共用換熱器既被用作第一 ORC系統(tǒng)的冷凝器，又被用作第二 ORC系統(tǒng)的蒸發(fā)器。MiW發(fā)明的另一方面，選擇兩個系統(tǒng)的制冷劑從而使得第一、高溫系統(tǒng)的冷凝溫度為汽化第二低溫系統(tǒng)的制冷劑的可用溫度。這樣，可以獲得更高 的效率并且排向大氣的廢熱損失可顯著地斷氐。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，單個共用換熱器被用以降溫且冷凝第一ORC系統(tǒng)的工作流體。i!31本發(fā)明的另一方面，如果第二換熱器被設(shè)置在第一ORC系統(tǒng)中，具有 用于降低第一 ORC系統(tǒng)的工作流體溫度的共用換熱器，還具有用于冷凝第一 ORC系統(tǒng)中的工作流體的第二冷凝器。ilil本發(fā)明的另一方面，設(shè)有利用廢熱的預(yù)熱器對進(jìn)入共用換熱器之前的 第二 ORC系統(tǒng)中的工作流體進(jìn)〗亍預(yù)熱。在下面的附圖中示出了優(yōu)選的、經(jīng)過改進(jìn)的實施例；然而，在不偏離本發(fā) 明的真實精神和范圍的情況下，可以對本發(fā)明作出多種其他變型和替代結(jié)構(gòu)。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)中的有機(jī)蘭金循環(huán)系統(tǒng)的示意圖。圖2是圖1所示有t/l^金循環(huán)系統(tǒng)的TS曲線圖。圖3是根據(jù)本發(fā)明組合在一起的一對有機(jī)蘭金循環(huán)系統(tǒng)的示意圖。圖4是圖3所示有，/L蘭金循環(huán)系統(tǒng)的TS曲線圖。圖5是本發(fā)明的一個替代實施例。圖6是圖5所示有m^金循環(huán)系統(tǒng)的TS曲線圖。圖7是本發(fā)明的另一個替代實施例。圖8是圖7所示有機(jī)蘭金循環(huán)系統(tǒng)的TS曲線圖。
具體實施方式
現(xiàn)在參見圖1，圖中示出了一種常規(guī)形式的有機(jī)蘭金循環(huán)系統(tǒng)，所述有機(jī) 蘭金循環(huán)系統(tǒng)包括接收來自上述熱源的廢熱的蒸發(fā)器/鍋爐11。受熱工作流體流 至渦輪機(jī)12,受熱工作流體在那里被轉(zhuǎn)換成驅(qū)動發(fā)電機(jī)13的動力。所產(chǎn)生的低 溫、低壓工作流體然后流至冷凝器14，在那里它被轉(zhuǎn) 液體，該液體隨后被 泵16泵送回到蒸發(fā)器/鍋爐11。在這種典型系統(tǒng)中，常用的工作流體為甲苯。在蒸汽發(fā)生器ll中，工作流 體的溫度上升到525下左右后流至渦輪機(jī)12。在通過渦輪機(jī)12后，蒸汽的溫度 在其被冷凝前下降到大約300下，然后被泵送回到蒸發(fā)器/鍋爐11 。圖2所示為圖1所示的使用甲苯作為工作流體的有機(jī)蘭金循環(huán)系統(tǒng)的TS曲線圖。從圖中可以看到由于相對較高的臨界溫度，與使用具有較低臨界溫 度的工作流體的系統(tǒng)相比，甲苯具有更高的熱動力學(xué)效率。盡管如此，使用甲 苯作為工作流體的有機(jī)蘭金循環(huán)系統(tǒng)具有較低的成本效率，并且在效率方面還 有許多待改進(jìn)之處。這些高溫ORC系統(tǒng)成本較高的原因在于兩方面第一，具 有高臨界溫度的工作流體例如甲苯能夠在較高的蒸發(fā)、皿下工作，這對于效率 而言相當(dāng)有利，但是在環(huán)境條件下呈現(xiàn)極低密度，因而需要大型、昂貴的冷凝 裝置。第二，這種高臨界溫度有機(jī)流體的本質(zhì)在于渦輪機(jī)壓縮比越大(在這 種系統(tǒng)中通常大于25: 1)，排出渦輪機(jī)的蒸汽過熱越多。因此，由排出渦輪機(jī) 的蒸汽的過熱所表示的熱能并沒有用于發(fā)電，并且需要額外的冷凝器表面來向 環(huán)境排熱。因此，由于存在大量的沒有轉(zhuǎn)變成功率的低溫廢熱(例如排出渦輪 機(jī)的過熱低壓蒸汽的熱量)，因而限制了渦輪機(jī)效率。下面參見圖3，圖中示出一種經(jīng)過改進(jìn)的裝置，所述裝置包括一對按照下文中將要描述的方式組合在一起的有機(jī)蘭金循環(huán)系統(tǒng)20和25。蒸發(fā)器鍋爐或蒸 汽發(fā)生器17接收來自熱源18的熱量以生成流至渦輪機(jī)19從而驅(qū)動發(fā)電機(jī)21 的相對高溫、高壓的蒸汽。在ffiil渦輪機(jī)19后，低溫、低壓的蒸汽流至冷凝器 /蒸發(fā)器23，在那里低溫、低壓的蒸汽被冷凝成液體，該液體然后被泵24泵送 到蒸汽發(fā)生器17以再一次被汽化。通常，不進(jìn)行同流換熱的微型渦輪機(jī)排出的廢氣的溫度大概為1200下。該 高溫廢氣可以用來汽化ORC中的高溫有機(jī)流體例如戊烷、甲苯或者丙酮。如果 甲苯為工作流體，那么從蒸汽發(fā)生器17出來的排出溫大約為500下，排出渦輪 機(jī)19并且進(jìn)入冷凝器23的蒸汽的溫度大約為300°F。冷凝后，液體甲苯在排出 冷凝器23并經(jīng)由泵24流至蒸汽發(fā)生器17時的溫度大約為275下。這些溫度和 相關(guān)的熵在圖4的TS曲線圖中示出。在這種級聯(lián)ORC裝置中，第一ORC系統(tǒng)(例如甲苯循環(huán)系統(tǒng))是一種高 溫系統(tǒng)，所述系統(tǒng)提取所有熱量，或是例如來自高溫氣體或高溫液體中的顯熱， 或是例如來自如制冷鍋爐/蒸發(fā)器中的蒸汽等冷凝流體中的潛熱，從而產(chǎn)生高溫、 高壓蒸汽。該高壓蒸n^脹通過渦輪機(jī)19達(dá)到具有飽和溫度的低壓，在該對應(yīng) 級別下，可以使用低成*/低溫ORC系統(tǒng)以高效地、具有成本效率地將低溫廢 熱轉(zhuǎn)換為功率。這樣，高溫制冷劑在冷凝器23中仍然具有正壓和相應(yīng)的較大密度。這在冷凝器中形成更好的傳熱和較小的尺寸，具有更小的壓降，所有這些都形成更具成本效率的ORC系統(tǒng)。從渦輪機(jī)19排出的高壓、更大密度的蒸汽 也使一個較小的渦輪機(jī)設(shè)計成為可能。通過這些艦?zāi)軌虼蟠蟾绞县敗６遥?渦輪機(jī)19中更低的壓力比(例如5: 1)也使得更高的渦輪機(jī)效率成為可能。當(dāng)前考慮到iSA冷凝器/蒸發(fā)器23中的甲苯蒸汽的溫度相對較高，其能量 現(xiàn)在可以被用作第二 ORC系統(tǒng)25的蒸汽發(fā)生器的熱源，且冷凝器/蒸發(fā)器23 既用作第一 ORC系統(tǒng)20的冷凝器又用作第二 ORC系統(tǒng)25的蒸發(fā)器或鍋爐。 因此，第二ORC系統(tǒng)具有渦輪機(jī)26、發(fā)電機(jī)27、冷凝器28和泵29。用于第 二ORC系統(tǒng)的有豐/lX作流體必須具有相對樹氏的汽化和冷凝^Jt。適合這種循 環(huán)的有機(jī)工作流體的實例是R245fa或者異丁烷。在第二 ORC系統(tǒng)25中，將R245fa用作有^H作流體，流至渦輪機(jī)26的 工作流體的溫度大概為250下，流至冷凝器的蒸汽的溫度大概為90下。在蒸汽 冷^lil后，制冷劑可以經(jīng)由泵29泵送到冷凝器/蒸發(fā)器23 。參見圖5，圖中示出一種替代的、嵌套裝置，其中在甲苯循環(huán)線路中，工 作流體再一次從鍋爐或蒸汽發(fā)生器17流至渦輪機(jī)，然后流至共用換熱器31。換 熱器31再一次被用作R245fa循環(huán)線路中的蒸發(fā)器或鍋爐，且R245fa制冷劑從 鍋爐31流至渦輪機(jī)26、冷凝器28、泵29，回到鍋爐31。然而，與圖3所示實 施例中的冷凝器/蒸發(fā)器23不同的是，換熱器31在甲苯循環(huán)線路中僅僅用作降 溫器(desuperheater)，然后在工作流體被泵24泵送回鍋爐17之前應(yīng)用冷凝器 32完成冷;i31程。這種嵌套的ORC循環(huán)系統(tǒng)的TS曲線圖如圖6所示。在該嵌套裝置中，艦加劍氐溫、R245fa、 ORC系統(tǒng)從而使得系統(tǒng)的總效 率得到提高，進(jìn)而降低了成本。該簡單循環(huán)高溫ORC系統(tǒng)的主要不可逆性(熱 動力學(xué)損失)就是所謂的冷凝器中的降溫(過熱后冷卻)損失(desuperheatloss)。 有機(jī)流體排出渦輪機(jī)時與其進(jìn)入渦輪機(jī)時相比過熱更多。渦輪機(jī)的壓力比越大， 這種影響作用就越強(qiáng)。高溫簡單循環(huán)ORC系統(tǒng)雖然比簡單循環(huán)低溫ORC系統(tǒng) 的熱動力學(xué)更高效，但是，它排出大量在降溫器/冷凝器中必須排出的中等溫度 廢熱。結(jié)果是，需要相對較大的冷凝器。在該嵌套ORC系統(tǒng)中，在低溫ORC 蒸發(fā)器31中進(jìn)行降溫。這樣，由于該熱量之前會排入大氣中且現(xiàn)在在低溫ORC 系因此，嵌套ORC系統(tǒng)的總體效果是一種用于高、M熱源的更具成本效率的總體orc系統(tǒng)。iiai提高功率輸出以及減小原始降溫器/冷凝器單元的尺寸從 而獲得提高的成本效率。盡管使用兩種不同的制冷劑對圖5所示實施例進(jìn)行了描述，但是應(yīng)當(dāng)理解:相同的制冷劑也可以應(yīng)用到兩個循環(huán)線路中。本發(fā)明進(jìn)一步的實施例如圖7所示，其中通過在所示的R245fa循環(huán)中加入 預(yù)熱器33從而對圖5所示實施例進(jìn)行改進(jìn)。這里，工作流1tt通過冷凝器28 和泵29之后，Sii利用低溫廢熱源(從400下到200下)的液體預(yù)熱器33。圖 8中示出了相應(yīng)的TS曲線圖。雖然己結(jié)合附圖中所示的優(yōu)選和替代實施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是應(yīng) 當(dāng)理解對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在不偏離本發(fā)明的真實精神和權(quán)利要求書所 限定范圍的情況下，可對本發(fā)明作出很多具體的改變。
權(quán)利要求
1. 一種利用有機(jī)蘭金循環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生附加能量的方法，所述有機(jī)蘭金循環(huán)系統(tǒng)具有處于串行流關(guān)系的用于接收來自蒸汽發(fā)生器的第一有機(jī)流體的渦輪發(fā)電機(jī)、第一冷凝器和用于輸送制冷劑回到蒸汽發(fā)生器的第一泵，所述方法包括以下步驟設(shè)置第二有機(jī)蘭金循環(huán)系統(tǒng)，該第二有機(jī)蘭金循環(huán)系統(tǒng)具有處于串行流關(guān)系的用于接收來自所述冷凝器的第二有機(jī)工作流體的第二渦輪發(fā)電機(jī)、第二冷凝器和用于輸送所述第二有機(jī)工作流體回到所述冷凝器的第二泵；其中所述第一和第二有機(jī)工作流體以熱交換關(guān)系流過所述第一冷凝器。
2、 如權(quán)利要求l所述的方法，其中所述第一有t幾工作流體為甲苯。
3、 如權(quán)禾腰求l所述的方法，其中所述第二有ax作流體為R245fa。
4、 一種如權(quán)利要求1所述并且包括在所述第一冷凝器中降溫和冷凝第一有 秒LT作流體的步驟的方法。
5、 一種如權(quán)利要求1所述并且包括在所述第一冷凝器與所述第一泵之間設(shè) 置第三冷凝器的步驟的方法。
6、 一種如權(quán)利要求5所述并且包括在所述第一冷凝器中降溫所述第一有機(jī) 流體和在所述第三冷凝器中冷凝所述第一有機(jī)流體的步驟的方法。
7、 一種如權(quán)利要求1所述并且包括在所述第二泵與所述第一冷凝器之間設(shè) 置預(yù)熱器的步驟的方法。
8、 一種有機(jī)蘭金循環(huán)系統(tǒng)的組合裝置，包括第一有機(jī)蘭金循環(huán)系統(tǒng)，所述第一有機(jī)蘭金循環(huán)系統(tǒng)具有處于串行流關(guān)系 的用于接收來自蒸汽發(fā)生器的第一有機(jī)工作流體的第一渦輪發(fā)電機(jī)、第-一冷凝器和用于輸送所述第一有t;u:作流體回到蒸汽發(fā)生器的第一泵；以及第二有機(jī)蘭金循環(huán)系統(tǒng)，所述第二有t;i^金循環(huán)系統(tǒng)具有處于串行流關(guān)系 的用于接收來自所述第一冷凝器的第二有機(jī)工作流體的第二渦輪發(fā)電機(jī)、第二冷凝器和用于輸i^f述第二有亂工作流體回至,述第一冷凝器的第二泵；其中所述第一和第二有Dn:作流體在所述第一冷凝器中以熱交換關(guān)系進(jìn)行 循環(huán)。
9、 如權(quán)利要求8所述的組合裝置，其中所述第一有機(jī)j:作流體是甲苯。
10、 如權(quán)利要求8所述的組姊置，其中所述第二有t/lX作流體是R245fa。
11、 如權(quán)利要求8所述的組合裝置，其中所述第一冷凝器皮操作用來降溫和冷M^f述第一有l(wèi)u:作流體。
12、 一種如權(quán)利要求8所述并且在所述第一冷凝器與所述第一泵之間設(shè)置 第三冷凝器的組合裝置。
13、 如權(quán)利要求12所述的組合裝置，其中所述第一冷凝器僅僅被用于給所 述第一有機(jī)工作流體降溫，并且所述第三冷凝器被用于冷凝所述第一有機(jī)工作 流體。
14、 一種如權(quán)利要求8所述并且在所述第二泵與所述第一冷凝器之間設(shè)有 預(yù)熱器的組合裝置。
15、 一種用于將廢熱轉(zhuǎn)換成能量的系統(tǒng)，包括第一有機(jī)蘭金循環(huán)系統(tǒng)，所述第一有ia^金循環(huán)系統(tǒng)具有處于串行流關(guān)系的與所述廢熱處于熱交換關(guān)系的蒸汽發(fā)生器、用于接收來自所述蒸汽發(fā)生器的 第一有機(jī)工作流體的第一渦輪發(fā)電機(jī)、第一冷凝器和用于輸送所述第一有機(jī)工 作流體回到所述蒸汽發(fā)生器的第一泵；以及第二有機(jī)蘭金循環(huán)系統(tǒng)，所述第二有機(jī)蘭金循環(huán)系統(tǒng)具有處于串行流關(guān)系 的用于接收來自所述第一冷凝器的第二有機(jī)工作流體的第二渦輪發(fā)電機(jī)、第二 冷凝器和用于輸送所述第二有機(jī)工作流體回到所述第一冷凝器的第二泵，其中 所述第一有機(jī)工作流體在第一冷凝溫度下流至所述第一冷^疑器，且其中所述冷 凝^遠(yuǎn)高于所述第二有機(jī)工作流體的沸點(diǎn)溫度。
16、 如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中所述第一有機(jī)工作流體為甲苯。
17、 如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中所述第二有機(jī)工作流體是R245fa。
18、 如權(quán)禾腰求15所述的系統(tǒng)，其中所述第一冷凝器被操作用來降溫和冷 凝所述第一有機(jī)工作流體。
19、 一種如權(quán)利要求15所述并且在所述第一冷凝器與所述第一泵之間設(shè)有 第三冷凝器的系統(tǒng)。
20、 如權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中所述第一冷凝器僅僅被用于給所述第一有機(jī)jc作流體降溫，并且所述第三冷凝器被用于冷 MM述第一有Wo:作流體。
21 、 一種如權(quán)利要求15所述并且在所述第二泵與所述第一冷凝器之間設(shè)有 預(yù)熱器的系統(tǒng)。
全文摘要
組合一對有機(jī)蘭金循環(huán)系統(tǒng)(20，25)，并且選擇它們各自的有機(jī)工作流體從而使得第一有機(jī)蘭金循環(huán)中的有機(jī)工作流體在遠(yuǎn)高于第二有機(jī)蘭金循環(huán)系統(tǒng)中的有機(jī)工作流體的沸點(diǎn)的冷凝溫度下冷凝，以及將單個共用換熱器(23)用作第一有機(jī)蘭金循環(huán)系統(tǒng)的冷凝器和第二有機(jī)蘭金循環(huán)系統(tǒng)的蒸發(fā)器。第一系統(tǒng)中的優(yōu)選有機(jī)工作流體為甲苯，第二有機(jī)工作流體優(yōu)選為R245fa。
文檔編號F01K25/08GK101248253SQ200580049305
公開日2008年8月20日 申請日期2005年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月29日
發(fā)明者B·P·比德爾曼, J·J·布拉什, T·D·拉德克利夫 申請人:Utc電力公司