專利名稱：利用廢熱的級聯(lián)有機蘭金循環(huán)的制作方法
利用廢熱的級聯(lián)有機蘭金循環(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)燃機例如微型渦輪機或往復(fù)式發(fā)動機能夠利用現(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)燃機的及底循環(huán)。一種基本的有機蘭金循環(huán)包括渦輪發(fā)電機、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工作流體的沸點的溫度下吸收廢 熱，且通常在稍低于所選有機工作流體的沸點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)有離心式壓縮機獲得的徑流式渦輪機和如制冷劑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)熱器對進入共用換熱器之前的 第二 ORC系統(tǒng)中的工作流體進〗亍預(yù)熱。在下面的附圖中示出了優(yōu)選的、經(jīng)過改進的實施例；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)形式的有機蘭金循環(huán)系統(tǒng)，所述有機 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12,受熱工作流體在那里被轉(zhuǎn)換成驅(qū)動發(fā)電機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12。在通過渦輪機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流體的本質(zhì)在于渦輪機壓縮比越大(在這 種系統(tǒng)中通常大于25: 1)，排出渦輪機的蒸汽過熱越多。因此，由排出渦輪機 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 機的過熱低壓蒸汽的熱量)，因而限制了渦輪機效率。下面參見圖3，圖中示出一種經(jīng)過改進的裝置，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19從而驅(qū)動發(fā)電機21 的相對高溫、高壓的蒸汽。在ffiil渦輪機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，不進行同流換熱的微型渦輪機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19并且進入冷凝器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19達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19排出的高壓、更大密度的蒸汽 也使一個較小的渦輪機設(shè)計成為可能。通過這些艦?zāi)軌虼蟠蟾绞县敗６遥?渦輪機19中更低的壓力比(例如5: 1)也使得更高的渦輪機效率成為可能。當前考慮到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26、發(fā)電機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，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)。 有機流體排出渦輪機時與其進入渦輪機時相比過熱更多。渦輪機的壓力比越大， 這種影響作用就越強。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所示實施例進行了描述，但是應(yīng)當理解: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所示實施例進行改進。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)明進行了描述，但是應(yīng) 當理解對本領(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. 一種利用有機蘭金循環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生附加能量的方法，所述有機蘭金循環(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)生器的第一有機流體的渦輪發(fā)電機、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)置第二有機蘭金循環(huán)系統(tǒng)，該第二有機蘭金循環(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工作流體的第二渦輪發(fā)電機、第二冷凝器和用于輸送所述第二有機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 流體和在所述第三冷凝器中冷凝所述第一有機流體的步驟的方法。
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、 一種有機蘭金循環(huán)系統(tǒng)的組合裝置，包括第一有機蘭金循環(huán)系統(tǒng)，所述第一有機蘭金循環(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)生器的第一有機工作流體的第一渦輪發(fā)電機、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工作流體的第二渦輪發(fā)電機、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 第一有機工作流體的第一渦輪發(fā)電機、第一冷凝器和用于輸送所述第一有機工 作流體回到所述蒸汽發(fā)生器的第一泵；以及第二有機蘭金循環(huán)系統(tǒng)，所述第二有機蘭金循環(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工作流體的第二渦輪發(fā)電機、第二 冷凝器和用于輸送所述第二有機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^遠高于所述第二有機工作流體的沸點溫度。
16、 如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中所述第一有機工作流體為甲苯。
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
組合一對有機蘭金循環(huán)系統(tǒng)(20，25)，并且選擇它們各自的有機工作流體從而使得第一有機蘭金循環(huán)中的有機工作流體在遠高于第二有機蘭金循環(huán)系統(tǒng)中的有機工作流體的沸點的冷凝溫度下冷凝，以及將單個共用換熱器(23)用作第一有機蘭金循環(huán)系統(tǒng)的冷凝器和第二有機蘭金循環(huán)系統(tǒng)的蒸發(fā)器。第一系統(tǒng)中的優(yōu)選有機工作流體為甲苯，第二有機工作流體優(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