專利名稱：級聯(lián)有機蘭金循環(huán)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開總體上涉及有機蘭金循環(huán)(ORC)系統(tǒng)，并且更具體地涉及級聯(lián)有機蘭金循環(huán)。
背景技術(shù)：
有機蘭金循環(huán)是以有機流體制冷劑代替水/水蒸氣作為工作流體的蒸氣動力循環(huán)。該工作流體在“蒸發(fā)器/鍋爐”中由廢熱源或低品質(zhì)熱源來加熱。流體以液體作為開始而以蒸氣作為結(jié)束。高壓制冷劑蒸氣在渦輪機中膨脹以產(chǎn)生電力。從渦輪機排出的低壓蒸氣冷凝，然后被送回到泵以重新啟動該循環(huán)。用于發(fā)電的簡單蘭金循環(huán)遵循如下工藝順序:I)絕熱壓力(adiabaticpressure)通過泵上升；2)在預(yù)熱器、蒸發(fā)器和過熱器中的等壓加熱(isobaric heataddition) ;3)在潤輪機中絕熱膨脹(adiabatic expansion);以及4)在冷凝器中的等壓放熱(isobaric heat rejection),但其它循環(huán)改動也是可能的,諸如添加蒸氣到液體回流換熱器(recuperator)等。有機蘭金循環(huán)中主要的熱力不可逆性是由蒸發(fā)器中廢熱流的溫度和沸騰的制冷劑的溫度之間的較大溫差引起的。廢熱流溫度越高，該不可逆性變得越大。一種用來減少該損耗的方式是將兩個熱力循環(huán)級聯(lián)在一起，其中在較高溫度下運行的循環(huán)將熱排放到在較低溫度下運行的循環(huán)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本公開的示例性方面的一種級聯(lián)有機蘭金循環(huán)系統(tǒng)包括底循環(huán)(bottomingcycle),底循環(huán)通過冷凝器/蒸發(fā)器與頂循環(huán)(topping cycle)熱連通,其中底循環(huán)工作流體首先蒸發(fā)然后過熱，而頂循環(huán)工作流體首先降低過熱然后冷凝，使得飽和冷凝期間出現(xiàn)的來自頂循環(huán)流體的總熱傳遞的百分比等于或小于飽和蒸發(fā)期間出現(xiàn)的到達底循環(huán)流體的總熱傳遞的百分比。根據(jù)本公開的示例性方面的操作級聯(lián)有機蘭金循環(huán)系統(tǒng)的方法，其中底循環(huán)與頂循環(huán)熱連通，其包括保持頂循環(huán)中的流體的百分比飽和度小于底循環(huán)中的流體的40%飽和度。


從公開的非限制性實施方式的以下詳細說明中，各種特征對于本領(lǐng)域技術(shù)人員將變得顯而易見。本詳細說明的附圖可簡要描述如下:
圖1為具有頂循環(huán)和底循環(huán)的級聯(lián)有機蘭金循環(huán)的示意 圖2為用于底循環(huán)的TS 圖3為用于頂循環(huán)的TS圖；以及
圖4為使頂流體(娃氧燒MM)降低過熱(de-superheating)然后冷凝并使底流體 (R245fa)蒸發(fā)然后過熱的逆流式熱交換器中的溫度分布線圖。
具體實施例方式圖1示意性地圖示了級聯(lián)有機蘭金循環(huán)系統(tǒng)20。級聯(lián)有機蘭金循環(huán)系統(tǒng)20包括至少兩個蘭金循環(huán)，其中相對較熱的頂循環(huán)22與相對較冷的底循環(huán)24相級聯(lián)。在所公開的非限制性實施方式中，頂循環(huán)22使用硅氧烷MM作為工作流體，而底循環(huán)24使用R245fa。然而，應(yīng)當認識到的是，可另外地使用另外的循環(huán)和其它工作流體。頂循環(huán)22總體上包括由工作流體驅(qū)動的電力產(chǎn)生渦輪機26，以便驅(qū)動產(chǎn)生電力的發(fā)電機28。制冷劑泵30增加了來自于冷凝器/蒸發(fā)器32的工作流體的壓力。從頂循環(huán)22傳遞熱至底循環(huán)24的熱交換器組在本文中被稱為“冷凝器/蒸發(fā)器” 32，但應(yīng)當理解的是，熱交換器組還可包括在頂循環(huán)22中的工作流體的降低過熱(desuperheat)和過冷(subcooling),以及在底循環(huán)24中的工作流體的預(yù)熱和過熱。諸如鍋爐等蒸發(fā)器34接收來自例如油回路36的大量的熱輸入，以使硅氧烷MM工作流體氣化，其中硅氧烷MM工作流體的蒸氣被傳送通過至渦輪機26以提供動力。在離開渦輪機26后，相對較低壓力的工作流體蒸氣傳送至冷凝器/蒸發(fā)器32，并且通過與底循環(huán)24的熱交換關(guān)系而冷凝，使得冷凝器/蒸發(fā)器32在頂循環(huán)22中作為冷凝器運行而在底循環(huán)24中作為蒸發(fā)器運行。在所公開的非限制性實施方式中，渦輪機26為徑向向心渦輪機(radial inflowturbine)，徑向向心渦輪機使頂循環(huán)工作流體蒸氣膨脹直到較低的壓力，并且通過從該膨脹過程得到的功來發(fā)電。蒸氣仍被過熱，以便在冷凝器/蒸發(fā)器32中使用蒸氣的熱勢(heatpotential)。實際上，冷凝器/蒸發(fā)器32使工作流體降低過熱并且最終冷凝工作流體使其恢復(fù)到液體用于通過泵30傳輸。然后由泵30將經(jīng)冷凝的工作流體環(huán)行至蒸發(fā)器34以完成頂循環(huán)22。底循環(huán)24總體上包括電力產(chǎn)生渦輪機36，電力產(chǎn)生渦輪機36由底循環(huán)中的工作流體來驅(qū)動，并且繼而驅(qū)動產(chǎn)生電力的發(fā)電機38。制冷劑泵40增加來自于回流換熱器40的工作流體的壓力。底循環(huán)工作流體經(jīng)由水冷式冷凝器44與諸如水回路42等冷卻系統(tǒng)熱連通。依據(jù)所提出的循環(huán)的性質(zhì)，使進入和離開渦輪機36的蒸氣高度過熱。在渦輪機出口處的過熱蒸氣的能勢(energy potential)沒有被浪費,而是被輸送到回流換熱器46中。回流換熱器46將來自低壓熱蒸氣的熱從渦輪機出口傳遞至在泵出口處的高壓液體。
回流換熱器46使用這種過熱來預(yù)熱泵40下游的液態(tài)工作流體。即是說，如果將循環(huán)驅(qū)動至高的渦輪機入口過熱，則渦輪機出口過熱將會是高的。由于回流換熱器46為內(nèi)部熱交換器，因此可獲取該熱的可用性以保持循環(huán)效率。當使頂循環(huán)22的低壓側(cè)降低過熱時，重要的是將其回流換熱至實現(xiàn)較高過熱處的底循環(huán)24中。工作流體與其壓力的匹配促進了該相互作用?；亓鲹Q熱器46僅在底循環(huán)24中。由于沒有回流換熱頂循環(huán)22，頂循環(huán)22的廢熱由冷凝器/蒸發(fā)器32獲取。兩種循環(huán)都是高度過熱的，但避免了熱交換器收縮(pinch)使熱傳遞溫差最小化并且使過程的不可逆性最小化。圖2示出了用于底循環(huán)24的TS圖。冷凝器/蒸發(fā)器32從回流換熱器46接收幾乎飽和的液體(接近于沸騰的溫度)。冷凝器/蒸發(fā)器32使制冷劑沸騰，然后將其從狀態(tài)6加熱至I。狀態(tài)I的情況是高度過熱的。來自渦輪機36的出口狀態(tài)——狀態(tài)2——也是高度過熱的?；亓鲹Q熱器46使用該熱(狀態(tài)2至3)來加熱高壓工作流體(狀態(tài)5至6)。回流換熱器46的尺寸影響狀態(tài)6。例如，較小的回流換熱器46導(dǎo)致較少被傳遞的熱，且因此導(dǎo)致在6處較冷的更過冷的狀態(tài)，這導(dǎo)致需要來自冷凝器/蒸發(fā)器32的更多熱傳遞，并且導(dǎo)致在預(yù)熱和蒸發(fā)機制中該熱的百分比較大。圖3示出了用于頂循環(huán)22的TS圖。頂循環(huán)渦輪機26的出口狀態(tài)是高度過熱的，但沒有使用回流換熱器。作為替代，由于底循環(huán)高壓工作流體是過熱的，故將低壓工作流體蒸氣降低過熱。用于頂循環(huán)22的諸如硅氧烷等重分子的選擇導(dǎo)致高度成角的飽和圓頂(dome)。結(jié)果，渦輪機26的入口狀態(tài)僅是略微過熱的。圖4代表理想化的逆流式熱交換器。X軸線是每一種流體的標準化焓變，而I軸線是溫度。X軸線基于第一 熱力學定律，其用于熱交換器可以寫成:
權(quán)利要求
1.一種級聯(lián)有機蘭金循環(huán)系統(tǒng)，其包括: 頂循環(huán)；以及 通過冷凝器/蒸發(fā)器與所述頂循環(huán)熱連通的底循環(huán)，其中底循環(huán)工作流體首先蒸發(fā)然后過熱，而頂循環(huán)工作流體首先降低過熱然后冷凝，使得飽和冷凝期間出現(xiàn)的來自所述頂循環(huán)流體的總熱傳遞的百分比等于或小于飽和蒸發(fā)期間出現(xiàn)的到達所述底循環(huán)流體的總熱傳遞的百分比。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，用于所述頂循環(huán)的所述工作流體是硅氧烷MM。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，用于所述底循環(huán)的所述工作流體是R245fa。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述底循環(huán)包括回流換熱器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，在所述冷凝器/蒸發(fā)器中的所述底循環(huán)流體和所述頂循環(huán)流體二者均是飽和的，超過所述總熱傳遞的大約40%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括通過蒸發(fā)器與所述頂循環(huán)熱連通的熱油回路。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括通過冷凝器與所述底循環(huán)熱連通的冷卻回路。
8.一種操作級聯(lián)有機蘭金循環(huán)系統(tǒng)的方法，其中底循環(huán)與頂循環(huán)熱連通，其包括: 保持在所述頂循環(huán)中的工作流體的百分比飽和度小于在所述底循環(huán)中的工作流體的百分比飽和度。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，所述方法還包括: 使用硅氧烷MM作為所述頂循環(huán)中的工作流體；以及 使用R245fa作為所述底循環(huán)中的工作流體。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，所述方法還包括: 使用冷凝器/蒸發(fā)器作為所述底循環(huán)與所述頂循環(huán)之間的熱接口。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，所述方法還包括: 操作冷凝器/蒸發(fā)器作為用于所述頂循環(huán)的冷凝器并且作為用于所述底循環(huán)的蒸發(fā)器。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，在標準化焓圖中從右往左流動的所述頂循環(huán)中的工作流體的“拐點”位于從左往右流動的所述底循環(huán)的工作流體的“拐點”的左邊。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述頂循環(huán)中的工作流體小于在所述底循環(huán)中的工作流體的40%飽和度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種級聯(lián)有機蘭金循環(huán)系統(tǒng)，其包括底循環(huán)工作流體和頂循環(huán)工作流體，底循環(huán)工作流體首先蒸發(fā)然后過熱，而頂循環(huán)工作流體首先降低過熱然后冷凝，使得飽和冷凝期間出現(xiàn)的來自頂循環(huán)流體的總熱傳遞的百分比等于或小于飽和蒸發(fā)期間出現(xiàn)的到達底循環(huán)流體的總熱傳遞的百分比。
文檔編號F01K23/08GK103174475SQ20121056139
公開日2013年6月26日 申請日期2012年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月22日
發(fā)明者F.J.科斯維爾, B.P.比德曼, L.張 申請人:聯(lián)合工藝公司