专利名称：使用有机郎肯循环的能量回收系统的制作方法
技术领域：
本发明大体上涉及对来自诸如内燃机的原动机的余热进行能量回收。
背景技术：
众所周知，内燃机的热效率非常低。通常，未被提取作为可用机械能的能量被作为余热排至大气中。通常，通过发动机的热废气及其冷却系统排出绝大部分的余热。
发明内容
本发明教导了一种用于余热回收的热力系统，该系统利用了采用单一有机热传送工质的有机郎肯循环(ORC)，其经济地增加了对温度显著不同的柴油机余热流的能量回收。 独立的高温和低温热交换器(锅炉)提供了沸腾的高压和低压蒸汽流，优选地，将该蒸汽流引导至具有安装在公共轴上的双涡轮的集成涡轮发电机。每个涡轮的尺寸都适用于每条蒸汽流的压力比。优选地，通过公共回流管或液力联轴节，这两个涡轮都排放至同一冷凝器， 从而将从涡轮排放的工质回收至该系统。
图1表示描绘了本发明的示例性实施方式的示意图；以及图2表示描绘了本发明的另一示例性实施方式的示意图。
具体实施例方式图1表示有机郎肯循环(ORC)系统10的流程图，其具有单一有机工质，例如 R-M5fa、蒸汽、氟(fluorinol)、甲苯、氨、或任意适合的冷媒。通常，ORC 10包括高温热交换器或锅炉14，与锅炉14平行设置的低温热交换器或锅炉34，集成涡轮发电机20、以及冷凝器30。低压泵42将处于相对较低压力(IlOOkPa)的液化有机工质供应至低温锅炉34以及高压泵40的吸入口。高压泵40以相对较高的压力(2000kPa-3000kPa)将有机工质供应至高温锅炉14。高温循环高温余热源％将高温热输送介质(诸如内燃柴油机的高温废气)提供至排气管道12用于流过锅炉14。通常，取决于发动机负载，经由排气管道12进入锅炉14的废气在 300C-620C的范围，并且经由排气通道13排出锅炉14的废气在100C-140C的范围。废气余热％加热从高压泵40排出的高压液化有机工质，并且通过管道15使其流过高温锅炉14， 从而产生从高压工质到排出通过管道18的高压气体流的相变。通过管道18，将排出高温锅炉14的高压气体流输送至集成涡轮20。通常，通过排气通道13，将由此产生的排出锅炉 14的冷却废气释放至大气或废气洗涤器，或者作为EGR(废气再循环)返回至进气歧管。集成涡轮20包括安装在公共轴沈上的双涡轮(高压涡轮22和低压涡轮24)。该公用轴可以给发电机或任意其他期望的设备27提供动力或对其进行操作。在集成涡轮20 中，来自管道18的高压气体流流过高压涡轮22，从而驱动设备27。高压涡轮22和低压涡轮M排放至公共工质通道观，该通道将废弃且冷却的气体流传送至冷凝器30。冷凝器30进一步冷却该废气流，从而将这些气体流冷却为液相。通过管道33，将该液相流输送至(例如)处于大约170kPa-300kPa的低压泵42的吸入侧。通过管道50，将冷却介质流(诸如，冷空气或水)传送至冷凝器30，并且使其流过处于(例如) 大约25C-45C的冷凝器30，从而去除流过冷凝器30的流的剩余余热％。低温循环再次参见图1，通过管道33，将排出冷凝器30的经压缩的有机工质引导至低压泵 42的吸入口。接着，当作为相对低压(IlOOkPa)的液相有机工质排出泵42的排出口时，管道35将该液化工质引导至高压泵40的进入口以及低温锅炉34。该工质排出低温锅炉34， 并且作为相对低压的气体流流入管道38。与以上描述的高温循环类似，低温余热源^将高温热输送介质(诸如经加热的发动机燃气或压缩机提供的“充气”)提供至通道32，以传送至低温锅炉34。在锅炉34中，余热Ql加热流过锅炉34的相对低压的液体流，导致从低压液体至低压气体流的相变，该低压气体流流入管道38。因此，低温锅炉34也用作中冷，用于在进入发动机燃烧循环之前的发动机充气。由此产生的冷却工质(即，充气)经由通道37排出锅炉34，并且通常被引导至发动机的进气歧管。通过管道38，将排出锅炉34的低压气体流引导至集成涡轮20，其中通过低压涡轮 24使低压气体流膨胀。低压涡轮M也排放至公共工质通道观，其中来自涡轮22和M的组合排放物流过冷凝器30，并且由此作为冷却且液化的工质经由管道33排出。本发明的系统和方法还包括控制系统，其适于控制流至以及通过每个热交换器 14、34的工质的流率。在图1的示例实施方式中，控制系统包括使用变速泵(诸如，电泵)， 以用于高压泵40和低压泵42。此外，控制器50接收表明(例如)从热交换器排出的工质的排出温度的信号，确定并且产生适当的控制信号，并且经由线路52适当地向泵40、42之一或这两者发送控制信号，从而基于(例如)离开热交换器的蒸汽的目标过热度值来控制每个泵的速度，并且因此控制对于热交换器的工质的流率。在图1的示例性实施方式中，可以在排出管道18、38中设置温度感应器，用于生成信号并经由传感线路M将信号发送至控制器50。在图2所示的可替换实施方式中，控制系统包括设置在各热交换器的上游侧的低压流量控制阀56和高压流量控制阀58，用于控制流入相应热交换器的工质。控制器50接收(例如)表明从热交换器排出的工质的排出温度的信号，确定并产生适当的控制信号，并且经由线路60将控制信号恰当地发送至阀56、58之一或这两者，从而基于(例如)离开热交换器的蒸汽的目标过热度值，控制每个阀的位置(即，打开程度)，并且因此控制到热交换器的工质的流率。在另一个实施方式中，该系统可以包括变速泵和流量控制阀这两者。通常，在运行期间，对于每个热交换器的热输入通常与另一个成比例。因此，当一个热交换器具有增加的热输入时，另一个热交换器也会具有增加的热输入。在增加热输入期间，也需要提高流至每个热交换器的有机工质的流率，以适应更高的热输入，并且保持离开每个热交换器的蒸汽的目标过热度。这可以或是通过提高泵40、42之一或这两者的泵速，或是通过打开相应热交换器上游的流量控制阀56、58来实现，以允许流至热交换器的额外流量。当针对一个热交换器的热输入减少时，通常这两个热交换器的热输入都会减少，并且需要降低有机工质的流率，以防止饱和工质进入透平膨胀机。优选地，调节针对这两个热交换器的流率以防止由于温度过高而导致工作工质的热击穿。通过增加流至特定热交换器的有机工质的流率，可以实现这种调节。此外，需要调节流率以防止饱和工质进入透平膨胀机。通过根据需要来降低对于每个热交换器的流率，可以实现这种调节。通常，对于低温热交换器的热输入没有高到足以引起工质的热击穿，并且因此可以很容易地将工质流率降低至零流率，而不会使工作工质降级。这有益于在发动机高载荷运行时，冷却高温热源。以上描述的余热回收系统可以应用于内燃机，以增加基础发动机的热效率。处于明显不同温度的余热流支配了不同的热交换器/锅炉温度(即，不同的压力)，从而使得来自每个余热源的能量回收的潜能最大化。如以上讨论的，通过将沸腾的蒸汽流引导至膨胀机(优选地，该膨胀机具有双涡轮，并且优选地，该双涡轮安装在公用轴上)，本发明利用处于不同压力的单一工质而从两个余热流提取热能。采用本文以上公开的双涡轮组件，利用具有处于不同压力比的双涡轮的单一旋转组件，由于每个涡轮的尺寸都适用于每个气体流的压力比，所以能够经济性地回收来自温度范围较宽的余热源的热能。因此，与采用两个单独的涡轮相比，本系统和方法成本更低，并且附加损失也更小。虽然以上结合特定实施方式描述了本发明的原理，应该明确理解的是，该描述只是以示例的方式给出，并非用作对本发明范围的限制，本发明范围由所附权利要求阐述。
权利要求
1.一种利用单一有机工质从具有不同温度的双余热源回收能量的方法，所述方法包括a)设置第一余热源；b)设置第二余热源，所述第二余热源的温度低于所述第一余热源；c)设置第一热交换器；d)使来自所述第一余热源的第一热输送介质流过所述第一热交换器；e)设置第一泵，从而将所述有机工质加压至第一压力；f)使所述有机工质流过所述第一热交换器；g)引导来自所述第一热交换器的所述有机工质通过第一涡轮；h)引导来自所述第一涡轮的所述有机工质通过冷却冷凝器；i)设置第二泵，设置在所述冷却冷凝器的下游，从而将所述有机工质加压至第二压力， 所述第二压力大于所述第一压力；j)设置第二热交换器；k)使来自所述第二余热源的第二热输送介质流过所述第二热交换器； 1)使排出所述第二泵的经加压的所述有机工质流过所述第二热交换器；以及 m)引导来自所述第二热交换器的所述有机工质通过第二涡轮。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二涡轮对相关联的设备提供动力。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一涡轮和所述第二涡轮安装在公共轴上。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述公共轴驱动发电机。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二泵设置在所述第一泵的下游。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一涡轮和所述第二涡轮操作共同的设备。
7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括控制对于所述第一热交换器和所述第二热交换器中至少一个的有机工质的流率。
8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括感应排出所述第一热交换器和所述第二热交换器中至少一个的所述有机工质的温度，并且基于所述温度控制所述有机工质的流率。
9.一种利用单一有机工质从具有不同温度的双余热源回收能量的系统，所述系统包括a)第一热交换器，被布置为接收来自第一余热源的热输送介质；b)第一泵，适于将所述有机工质加压至第一压力，并且将所述有机工质输送通过所述第一热交换器；c)第一涡轮，被设置为接收来自所述第一热交换器的所述有机工质；d)公共通道，被布置为接收来自所述第一涡轮的所述有机工质；e)冷却冷凝器，被布置为接收来自所述公共通道的所述有机工质；f)第二泵，设置在所述第一泵的下游，用于将所述有机工质加压至第二压力，所述第二压力大于所述第一压力；g)第二热交换器，被布置为接收来自所述第二余热源的热输送介质，并且接收排出所述第二泵的所述有机工质；以及h)第二涡轮，设置为接收来自所述第二热交换器的所述有机工质。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述第一涡轮操作设备。
11.根据权利要求9所述的系统，其中，所述第一涡轮和所述第二涡轮安装在公共轴上。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述公共轴驱动发电机。
13.根据权利要求9所述的系统，其中，所述第一涡轮和所述第二涡轮操作共同的设备。
14.根据权利要求9所述的系统，进一步包括流量控制系统，从而控制对于所述第一热交换器和所述第二热交换器中至少一个的有机工质的流率。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述第一泵和所述第二泵是变速泵，所述流量控制系统包括控制器，所述控制器适于产生控制信号，从而控制所述第一泵和所述第二泵的速度，以控制所述有机工质的流率。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，基于排出所述第一热交换器和所述第二热交换器的所述有机工质的温度，所述控制器产生所述控制信号。
17.根据权利要求14所述的系统，其中，所述流量控制系统包括相应的流量控制阀， 设置在所述第一热交换器和所述第二热交换器中每一个的上游；以及控制器，适于产生控制信号，以控制所述流量控制阀的位置，从而控制所述有机工质的流率。
18.根据权利要求17所述的系统，其中，基于排出所述第一热交换器和所述第二热交换器中至少一个的所述有机工质的温度，所述控制器产生所述控制信号。
全文摘要
本发明提供一种使用有机郎肯循环的、用于余热回收的热力系统，其采用单一有机热传送工质以回收来自具有不同余热温度的两个余热流的热能。独立的高和低温锅炉提供了高和低压蒸汽流，这些蒸汽流被引导至具有安装在公共轴上的双涡轮集成涡轮组件。每个涡轮的尺寸都适用于各个气流的压力比。
文档编号F01K27/00GK102472121SQ201080033420
公开日2012年5月23日 申请日期2010年6月23日 优先权日2009年7月23日
发明者蒂莫西·C·恩斯特 申请人:康明斯知识产权有限公司