CN101248253B - 利用废热的级联有机兰金循环 - Google Patents
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Abstract
组合一对有机兰金循环系统(20，25)，并且选择它们各自的有机工作流体从而使得第一有机兰金循环中的有机工作流体在远高于第二有机兰金循环系统中的有机工作流体的沸点的冷凝温度下冷凝，以及将单个共用换热器(23)用作第一有机兰金循环系统的冷凝器和第二有机兰金循环系统的蒸发器。第一系统中的优选有机工作流体为甲苯，第二有机工作流体优选为R245fa。
Description
政府利益声明
依据美国能源部和联合技术公司之间的合同No.DE-FC02-00CH11060，美国政府对本发明具有一定的权利。
背景技术
可在最小的环境影响作用下提供低成本能量并且可很容易地被整合在现有的电网或者能被迅速地设置为独立单元的发电系统有助于解决许多领域的紧急能量需求。内燃机例如微型涡轮机或往复式发动机能够利用现有普通燃料例如汽油、天然气以及柴油燃料以25-40％的效率低成本地发电。但是，对于往复式发动机来说，大气排放例如氮氧化物(NOX)排放和颗粒物排放是个问题。
一种用内燃机的废热发电且不增加排放物输出的方法是应用及底循环。及底循环利用来自这种发动机的废热并将热能转变为电能。兰金循环常常被用作内燃机的及底循环。一种基本的有机兰金循环包括涡轮发电机、预热器/锅炉、冷凝器和液泵。这种循环可在稍高于所选有机工作流体的沸点的温度下吸收废热，且通常在稍低于所选有机工作流体的沸点的温度下将废热排向周围空气或水。对工作流体的选择决定了所述循环的温度范围/热效率特性。
在将低温废热源转换成电能时，使用一种流体的简单ORC系统利用类似于空调/制冷工业中所用的硬件和工作流体，是高效的、节约成本的。所述实例为使用由现有离心式压缩机获得的径流式涡轮机和如制冷剂R245fa的工作流体的ORC系统。
对于更高温度的废热流而言，最具有成本效率的ORC系统仍然在相对较低的工作流体温度下运行，允许继续使用HVAC衍生装置和普通的制冷剂。然而这些系统，尽管非常节约成本，但是并没有充分利用废热流的热力学势。
发明内容
简而言之，根据发明的一个方面，一对有机兰金循环(ORC)系统被组合在一起，并且单个共用换热器既被用作第一ORC系统的冷凝器，又被用作第二ORC系统的蒸发器。
通过本发明的另一方面，选择两个系统的制冷剂从而使得第一、高温系统的冷凝温度为汽化第二、低温系统的制冷剂的可用温度。这样，可以获得更高的效率并且排向大气的废热损失可显著地降低。
根据本发明的另一方面，单个共用换热器被用以降温且冷凝第一ORC系统的工作流体。
通过本发明的另一方面，如果第二换热器被设置在第一ORC系统中，具有用于降低第一ORC系统的工作流体温度的共用换热器，还具有用于冷凝第一ORC系统中的工作流体的第二冷凝器。
通过本发明的另一方面，设有利用废热的预热器对进入共用换热器之前的第二ORC系统中的工作流体进行预热。
在下面的附图中示出了优选的、经过改进的实施例；然而，在不偏离本发明的真实精神和范围的情况下，可以对本发明作出多种其他变型和替代结构。
附图说明
图1是现有技术中的有机兰金循环系统的示意图。
图2是图1所示有机兰金循环系统的TS曲线图。
图3是根据本发明组合在一起的一对有机兰金循环系统的示意图。
图4是图3所示有机兰金循环系统的TS曲线图。
图5是本发明的一个替代实施例。
图6是图5所示有机兰金循环系统的TS曲线图。
图7是本发明的另一个替代实施例。
图8是图7所示有机兰金循环系统的TS曲线图。
具体实施方式
现在参见图1，图中示出了一种常规形式的有机兰金循环系统，所述有机兰金循环系统包括接收来自上述热源的废热的蒸发器/锅炉11。受热工作流体流至涡轮机12，受热工作流体在那里被转换成驱动发电机13的动力。所产生的低温、低压工作流体然后流至冷凝器14，在那里它被转变成液体，该液体随后被泵16泵送回到蒸发器/锅炉11。
在这种典型系统中，常用的工作流体为甲苯。在蒸汽发生器11中，工作流体的温度上升到525
左右后流至涡轮机12。在通过涡轮机12后，蒸汽的温度在其被冷凝前下降到大约300
，然后被泵送回到蒸发器/锅炉11。
图2所示为图1所示的使用甲苯作为工作流体的有机兰金循环系统的TS曲线图。从图中可以看到：由于相对较高的临界温度，与使用具有较低临界温度的工作流体的系统相比，甲苯具有更高的热动力学效率。尽管如此，使用甲苯作为工作流体的有机兰金循环系统具有较低的成本效率，并且在效率方面还有许多待改进之处。这些高温ORC系统成本较高的原因在于两方面：第一，具有高临界温度的工作流体例如甲苯能够在较高的蒸发温度下工作，这对于效率而言相当有利，但是在环境条件下呈现极低密度，因而需要大型、昂贵的冷凝装置。第二，这种高临界温度有机流体的本质在于：涡轮机压缩比越大(在这种系统中通常大于25∶1)，排出涡轮机的蒸汽过热越多。因此，由排出涡轮机的蒸汽的过热所表示的热能并没有用于发电，并且需要额外的冷凝器表面来向环境排热。因此，由于存在大量的没有转变成功率的低温废热(例如排出涡轮机的过热低压蒸汽的热量)，因而限制了涡轮机效率。
下面参见图3，图中示出一种经过改进的装置，所述装置包括一对按照下文中将要描述的方式组合在一起的有机兰金循环系统20和25。蒸发器锅炉或蒸汽发生器17接收来自热源18的热量以生成流至涡轮机19从而驱动发电机21的相对高温、高压的蒸汽。在通过涡轮机19后，低温、低压的蒸汽流至冷凝器/蒸发器23，在那里低温、低压的蒸汽被冷凝成液体，该液体然后被泵24泵送到蒸汽发生器17以再一次被汽化。
通常，不进行同流换热的微型涡轮机排出的废气的温度大概为1200
。该高温废气可以用来汽化ORC中的高温有机流体例如戊烷、甲苯或者丙酮。如果甲苯为工作流体，那么从蒸汽发生器17出来的排出温大约为500
，排出涡轮机19并且进入冷凝器23的蒸汽的温度大约为300
。冷凝后，液体甲苯在排出冷凝器23并经由泵24流至蒸汽发生器17时的温度大约为275。这些温度和相关的熵在图4的TS曲线图中示出。
在这种级联ORC装置中，第一ORC系统(例如甲苯循环系统)是一种高温系统，所述系统提取所有热量，或是例如来自高温气体或高温液体中的显热，或是例如来自如制冷锅炉/蒸发器中的蒸汽等冷凝流体中的潜热，从而产生高温、高压蒸汽。该高压蒸汽膨胀通过涡轮机19达到具有饱和温度的低压，在该对应级别下，可以使用低成本/低温ORC系统以高效地、具有成本效率地将低温废热转换为功率。这样，高温制冷剂在冷凝器23中仍然具有正压和相应的较大密度。这在冷凝器中形成更好的传热和较小的尺寸，具有更小的压降，所有这些都形成更具成本效率的ORC系统。从涡轮机19排出的高压、更大密度的蒸汽也使一个较小的涡轮机设计成为可能。通过这些改进能够大大降低成本。而且，涡轮机19中更低的压力比(例如5∶1)也使得更高的涡轮机效率成为可能。
当前考虑到进入冷凝器/蒸发器23中的甲苯蒸汽的温度相对较高，其能量现在可以被用作第二ORC系统25的蒸汽发生器的热源，且冷凝器/蒸发器23既用作第一ORC系统20的冷凝器又用作第二ORC系统25的蒸发器或锅炉。因此，第二ORC系统具有涡轮机26、发电机27、冷凝器28和泵29。用于第二ORC系统的有机工作流体必须具有相对较低的汽化和冷凝温度。适合这种循环的有机工作流体的实例是R245fa或者异丁烷。
在第二ORC系统25中，将R245fa用作有机工作流体，流至涡轮机26的工作流体的温度大概为250，流至冷凝器的蒸汽的温度大概为90
。在蒸汽冷凝过后，制冷剂可以经由泵29泵送到冷凝器/蒸发器23。
参见图5，图中示出一种替代的、嵌套装置，其中在甲苯循环线路中，工作流体再一次从锅炉或蒸汽发生器17流至涡轮机，然后流至共用换热器31。换热器31再一次被用作R245fa循环线路中的蒸发器或锅炉，且R245fa制冷剂从锅炉31流至涡轮机26、冷凝器28、泵29，回到锅炉31。然而，与图3所示实施例中的冷凝器/蒸发器23不同的是，换热器31在甲苯循环线路中仅仅用作降温器(desuperheater)，然后在工作流体被泵24泵送回锅炉17之前应用冷凝器32完成冷凝过程。这种嵌套的ORC循环系统的TS曲线图如图6所示。
在该嵌套装置中，通过加设低温、R245fa、ORC系统从而使得系统的总效率得到提高，进而降低了成本。该简单循环高温ORC系统的主要不可逆性(热动力学损失)就是所谓的冷凝器中的降温(过热后冷却)损失(desuperheat loss)。有机流体排出涡轮机时与其进入涡轮机时相比过热更多。涡轮机的压力比越大，这种影响作用就越强。高温简单循环ORC系统虽然比简单循环低温ORC系统的热动力学更高效，但是，它排出大量在降温器/冷凝器中必须排出的中等温度废热。结果是，需要相对较大的冷凝器。在该嵌套ORC系统中，在低温ORC蒸发器31中进行降温。这样，由于该热量之前会排入大气中且现在在低温ORC系统中用于发电，从而提高了总功率输出。另外一个有利之处是可以减小高温ORC冷凝器32的尺寸。
因此，嵌套ORC系统的总体效果是一种用于高温废热源的更具成本效率的总体ORC系统。通过提高功率输出以及减小原始降温器/冷凝器单元的尺寸从而获得提高的成本效率。
尽管使用两种不同的制冷剂对图5所示实施例进行了描述，但是应当理解：相同的制冷剂也可以应用到两个循环线路中。
本发明进一步的实施例如图7所示，其中通过在所示的R245fa循环中加入预热器33从而对图5所示实施例进行改进。这里，工作流体在通过冷凝器28和泵29之后，通过利用低温废热源(从400
到200
)的液体预热器33。图8中示出了相应的TS曲线图。
虽然已结合附图中所示的优选和替代实施例对本发明进行了描述，但是应当理解：对本领域的技术人员来说，在不偏离本发明的真实精神和权利要求书所限定范围的情况下，可对本发明作出很多具体的改变。
Claims (17)
1.一种利用有机兰金循环系统产生附加能量的方法，所述有机兰金循环系统具有处于串行流关系的用于接收来自蒸汽发生器的第一有机工作流体的涡轮发电机、共用换热器和用于输送第一有机工作流体回到蒸汽发生器的第一泵，所述方法包括以下步骤：
设置第二有机兰金循环系统，该第二有机兰金循环系统具有处于串行流关系的用于接收来自所述共用换热器的第二有机工作流体的第二涡轮发电机、第二冷凝器和用于输送所述第二有机工作流体回到所述共用换热器的第二泵；
其中所述第一和第二有机工作流体以热交换关系流过所述共用换热器；
在所述共用换热器与所述第一泵之间设置第三冷凝器。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述第一有机工作流体为甲苯。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述第二有机工作流体为R245fa。
4.如权利要求1所述的方法，其中包括在所述共用换热器中降温所述第一有机工作流体和在所述第三冷凝器中冷凝所述第一有机工作流体的步骤。
5.如权利要求1所述的方法，其中包括在所述第二泵与所述共用换热器之间设置预热器的步骤。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述第一和第二有机工作流体是不同类型的流体。
7.一种有机兰金循环系统的组合装置，包括：
第一有机兰金循环系统，所述第一有机兰金循环系统具有处于串行流关系的用于接收来自蒸汽发生器的第一有机工作流体的第一涡轮发电机、共用换热器和用于输送所述第一有机工作流体回到蒸汽发生器的第一泵；以及
第二有机兰金循环系统，所述第二有机兰金循环系统具有处于串行流关系的用于接收来自所述共用换热器的第二有机工作流体的第二涡轮发电机、第二冷凝器和用于输送所述第二有机工作流体回到所述共用换热器的第二泵；
其中所述第一和第二有机工作流体在所述共用换热器中以热交换关系进行循环；
其中在所述共用换热器与所述第一泵之间设置第三冷凝器。
8.如权利要求7所述的组合装置，其中所述第一有机工作流体是甲苯。
9.如权利要求7所述的组合装置，其中所述第二有机工作流体是R245fa。
10.如权利要求7所述的组合装置，其中所述共用换热器仅仅被用于给所述第一有机工作流体降温，并且所述第三冷凝器被用于冷凝所述第一有机工作流体。
11.如权利要求7所述的组合装置，其中在所述第二泵与所述共用换热器之间设有预热器。
12.如权利要求7所述的组合装置，其中所述第一和第二有机工作流体是不同类型的流体。
13.一种用于将废热转换成能量的系统，包括：
第一有机兰金循环系统，所述第一有机兰金循环系统具有处于串行流关系的与所述废热处于热交换关系的蒸汽发生器、用于接收来自所述蒸汽发生器的第一有机工作流体的第一涡轮发电机、共用换热器和用于输送所述第一有机工作流体回到所述蒸汽发生器的第一泵；以及
第二有机兰金循环系统，所述第二有机兰金循环系统具有处于串行流关系的用于接收来自所述共用换热器的第二有机工作流体的第二涡轮发电机、第二冷凝器和用于输送所述第二有机工作流体回到所述共用换热器的第二泵，其中所述第一有机工作流体在第一温度下流至所述共用换热器，且其中所述第一温度远高于所述第二有机工作流体的沸点温度；
其中在所述共用换热器与所述第一泵之间设有第三冷凝器。
14.如权利要求13所述的系统，其中所述第一有机工作流体为甲苯。
15.如权利要求13所述的系统，其中所述第二有机工作流体是R245fa。
16.如权利要求13所述的系统，其中所述共用换热器仅仅被用于给所述第一有机工作流体降温，并且所述第三冷凝器被用于冷凝所述第一有机工作流体。
17.如权利要求13所述的系统，其中在所述第二泵与所述共用换热器之间设有预热器。
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