具有流体成分分离和多个冷凝器的高滑移流体动力生成系统的制作方法

具有流体成分分离和多个冷凝器的高滑移流体动力生成系统的制作方法
【专利摘要】一种实例动力生成系统，包括蒸气生成器、涡轮机、分离器和泵。在所述分离器中，所述工作流体的多种成分被彼此分离，并且被输送到分离的冷凝器。分离的冷凝器中的每一个配置用于冷凝所述工作流体的单一成分。一旦所述成分中的每一种冷凝回到液体形式，这些成分就被重新组合并排放到泵，所述泵转而驱动所述工作流体回到所述蒸气生成器。
【专利说明】具有流体成分分离和多个冷凝器的高滑移流体动力生成系统
[0001]相关申请的交叉引用
本申请要求2012年I月6日提交的美国申请N0.13/345, 096的优先权。
[0002]关于联邦政府资助的研究或开发的声明
本公开的该主题在能源部分派的合同N0.: DE-EE0002770下受到政府支持。因此，政府可以在所公开主题中具有一定权利。

【技术领域】
[0003]本公开大体涉及一种利用高滑移工作流体的有机朗肯循环(Rankine cycle)动力生成系统。更具体地，本公开涉及一种分离工作流体的成分的系统，以便提高冷凝器的效能，提高系统的热效率，并且相对于未分离流所需的冷凝器的成本降低冷凝器的成本。

【背景技术】
[0004]利用常规有机朗肯循环生成动力的系统典型地包括被加热以变成干饱和蒸气的工作流体。该蒸气在涡轮机中膨胀，由此驱动涡轮机生成动力。在涡轮机中的膨胀降低了压力，并且会使一些蒸气冷凝。该蒸气接着穿过冷凝器，以便将工作流体冷却回到液体形式。工作流体接着借助于泵而被驱动穿过该系统。
[0005]在有机朗肯循环中利用的工作流体能够是在给定压力处具有不同冷凝和蒸发温度的成分的组合。各成分的工作温度差异被称为“滑移(glide)”。滑移越高，多成分混合物的泡点和露点之间的温度差异就越大。如果系统正确设计以使与高滑移工作流体相关联的可能后果降到最低，则高滑移工作流体提高该系统的效率。高滑移工作流体的各成分之间的工作温度差异直接影响冷凝器效能、尺寸、成本和操作。


【发明内容】

[0006]所公开的有机朗肯循环动力生成系统包括分离器，所述分离器用于以蒸气形式分离工作流体，用于将高滑移工作流体对于所述系统的冷凝器的影响降到最低。
[0007]实例动力生成系统包括蒸气生成器、涡轮机、分离器和泵。工作流体在所述蒸气生成器中被加热为干饱和蒸气。该蒸气在涡轮机之内膨胀，以便使得涡轮机旋转以提供动力生成。膨胀以驱动所述涡轮机的蒸气离开所述涡轮机并且进入所述分离器。在所述分离器中，所述工作流体的成分被彼此分离，并且被输送到分离的冷凝器。所述冷凝器配置用于冷凝所述工作流体的单一成分。一旦所述成分中的每一种冷凝回到液体形式，这些成分就被重新组合并排放到泵，所述泵转而驱动所述工作流体回到所述蒸气生成器。
[0008]另一种所公开的系统包括冷凝器，所述冷凝器具有用于所述分离成分的每一种的多个出口。所述工作流体以蒸气形式进入所述冷凝器，在所述冷凝器中，每一成分以液体形式被分离开。已组合液体随后被运送到所述泵，用于再循环穿过所述系统。
[0009]本文所公开的这些以及其他特征能够通过随后的说明书和附图得到最好地理解，下面是这些附图的简要说明。

【专利附图】

【附图说明】
[0010]图1为有机朗肯循环动力生成系统的示意图。
[0011]图2A为实例旋涡生成器的示意图。
[0012]图2B为实例旋涡生成器的示意性横截面。
[0013]图3A为另一实例旋涡生成器的示意图。
[0014]图3B为图3A中的实例旋涡生成器的示意性横截面。
[0015]图4为实例可渗透膜分离器的示意图。
[0016]图5为另一有机朗肯循环动力生成系统的不意图。
[0017]图6为另一有机朗肯循环动力生成系统的不意图。
[0018]图7为另一有机朗肯循环动力生成系统的不意图。
[0019]图8为实例冷凝器的示意图。

【具体实施方式】
[0020]参考图1，实例有机朗肯循环动力生成系统10包括蒸气生成器18、涡轮机20、分离器24和泵30。多成分高滑移工作流体12在蒸气生成器18中被加热为干饱和蒸气。蒸气生成器18可以在低于或高于工作流体的临界压力的压力处操作。该蒸气在涡轮机20之内膨胀，以便使得涡轮机20旋转以提供动力生成。在该实例中，涡轮机20驱动发电机22产生电力。如意识到的，涡轮机20可以用于驱动其他动力生成装置、例如蒸气压缩系统的热系统或者例如泵、风扇的辅助系统等。
[0021]有机朗肯循环动力生成系统10的实施有助于利用许多形式的热能(包括来自地热井的热能)以及由工业和商业过程及操作生成的废热。热能或废热的其他源包括生物质锅炉、发动机冷却系统、太阳热、工业冷却过程以及这些热流的组合。有机朗肯循环(ORC)动力生成系统还可以被串联以能够形成更高效率或利用不同的热流。因为ORC系统的这种配置一般使用单一构成的工作流体，其具有特别好地限定的“夹点(Pinch point)”或者在温度廓线中工作流体和热源的温度之间的差异最小的点，所以这些资源的利用、热的资源的kffe/gpm以及由此的转换效率受到了限制。
[0022]膨胀以驱动涡轮机20的蒸气离开涡轮机20并且进入分离器24。在分离器24中，工作流体12的第一和第二成分14、16彼此分离。工作流体12的第一和第二成分14、16中的每一个随后被排放到分离的第一和第二冷凝器26、28。第一和第二冷凝器26、28中的每一个将工作流体12的成分分离地冷凝为液体形式，该液体形式被排放到泵30。
[0023]实例系统10利用具有多成分14、16的工作流体12。不同成分14、16包括不同的热属性，并且因此在本领域中作为具有温度滑移的工作流体而公知。温度滑移是非共沸工作流体混合物在恒定压力下在蒸发和冷凝期间的蒸气相和液相之间的温差。工作流体12的分离的第一和第二成分14、16的温度滑移或热属性之间的差异的增大提高了有机朗肯循环动力生成系统10的转换效率。
[0024]实例工作流体12优选为包括由小箭头表示的第一成分14和由大箭头表示的第二成分16的高滑移工作流体12。滑移越高，第一和第二成分14、16之间的工作温度差异就越大。该差异提高了系统10的转换效率。然而，这样的高滑移工作流体需要冷凝器的表面面积相当大，以便提供将蒸气冷凝为液体必须的期望热传递。这些冷凝器的所需表面面积和尺寸能够使这样的高滑移系统不可行。
[0025]实例系统10包括将从涡轮机20排放的蒸气分离为其个体成分的分离器24。在该实例中，分离器分离第一成分14和第二成分16，使得这些成分流动穿过对应的第一和第二冷凝器26、28。因为第一和第二冷凝器26、28中的每一个均设计为唯一地仅用于冷凝一种成分，所以冷凝器的配置可以被简化。对于已分离成分，常规的公知换热器设计可以被利用。一旦工作流体12的第一和第二成分14、16被分离并冷凝回到液体形式，它们就被再次组合，并且由泵30泵送回到蒸气生成器18以便重新开始循环。
[0026]实例工作流体12包括两种分离成分14、16。然而，要理解的是，工作流体12可以包括具有不同热属性的数种不同成分。在该实例中，在从涡轮机20被排放时，分离成分14、16中的每一种以基本蒸气形式被引导穿过分离器24。已分离成分14、16被排放到分离的第一和第二冷凝器26、28，这些冷凝器中的每一个均单独地配置为提供使蒸气形式的该成分回到液相的期望冷凝。
[0027]次级冷却流路径25A、25B操作以在第一和第二冷凝器26、28中维持近似压力，使得它们可以在对于每一个体成分14、16独特的不同压力和温度处高效地操作。在该实例中，第一冷凝器28具有次级冷却流路径25A，该次级冷却流路径25A利用用于为冷凝器28维持期望温度和压力的液体。实例第二冷却流路径25A包括从源27抽取流体的泵29，该流体被泵送穿过冷凝器28。控制阀31调节流体流，以维持并控制冷凝器28之内的条件。
[0028]冷凝器26具有次级冷却流路径25B，该次级冷却流路径25B利用空气流21以控制冷凝器26之内的包括压力和温度的条件。次级冷却流路径25B包括风扇23以及控制风扇23的操作的控制器19，以便提供将冷凝器14维持在冷凝第一成分14回到液体形式所需的条件处所需的期望空气流21。次级冷却流体(液体和/或空气)的每一个的流量控制提供对不同冷凝器26、28的条件的单独控制。应当理解的是，冷凝器26、28中的每一个能够利用确定以控制分离冷凝器26、28之内的条件的次级冷却流。而且，冷凝器中的每一个还能够利用被单独控制用于每一冷凝器26、28的共用次级流。因而，取决于应用的具体需要，用于每一个的次级流可以是液体、空气或任何组合。
[0029]工作流体12的实例实施方式具有容易分离的两种成分14、16。工作流体12还能够包括能够被分离的三种或更多种成分。这些流体能够被分离，以便通过浓度优化和操纵提高冷凝器性能或者提供用于容量控制的手段。
[0030]参考图2A-B，实例分离器24为旋涡生成器32。旋涡生成器32围绕轴线34旋转以生成离心力。第一和第二成分14、16具有不同的分子量，并且由此受到由旋涡生成器32生成的旋转和离心力的影响不同。由箭头36表示的围绕轴线34的旋转生成的离心力从轴线34径向向外驱动具有更高分子量的第二成分16。在该实例中，第二成分16具有大于第一成分14的分子量。因而，第二成分16被驱动到第一成分14的径向外面，并随后被排放出设置在轴线34的径向外面的出口 38。分子量低于成分16的成分14基本保留在旋涡生成器32的径向内部空间之内，并且被排放出基本沿着轴线34设置的出口 40。
[0031]一旦第一和第二成分14和16彼此分离同时仍然处于蒸气形式，它们就被引导到对应的第一和第二冷凝器26、28，如图1所示。
[0032]实例旋涡生成器32配置为使得入口 35与轴线34成角度37，以便将在旋涡生成器32之内引发期望蒸气旋转所需的能量降到最低。
[0033]参考图3A-B，在另一实例旋涡生成器32’中，入口 39设置为与旋转相切，以便使可用于涡流的动量增到最大。此外，工作流体12的压力能能够借助于喷嘴33转换为动能，以产生工作流体12的喷流41。如果证明有必要，图2A-B中的旋涡生成器32可以包括喷嘴33，以产生工作流体12的喷流。
[0034]参考图4，分离模块24还可以包括可渗透膜单元42。可渗透膜单元42包括选择性可渗透膜44。包括第一和第二成分14、16的蒸气形式的工作流体12的混合物进入共用入口 45。选择性可渗透膜44提供用于较小的第一成分14迁移穿过，同时防止较大的第二成分16通过。可渗透膜44的具体配置取决于用于分离的成分。可渗透膜44为包括开口的大致多孔结构，这些开口的尺寸允许在设定的压力差下的具体尺寸的仅一种成分或元素通过。横跨可渗透膜的压力差驱动第一成分14迁移，同时还驱动第二成分16穿过单元42。
[0035]在该实例中，可渗透膜44为管状，并且提供用于仅使第一成分14迁移到环绕可渗透膜44的环形空间47内。环绕可渗透膜44的环形空间47与第一出口 46连通。第一出口 46将第一成分14排放到对应的冷凝器28，如图1所示。具有更大结构的第二成分16不能够穿过实例可渗透膜44，并且因此穿过第二出口 48离开并到达第二冷凝器26。
[0036]实例可渗透膜单元42为包括由选择性可渗透膜44限定的内通道49的管状单元。内通道49由环形空间47环绕，该环形空间47接收已迁移的第一成分14，并且将其与第一出口 46连通。如意识到的，尽管实例可渗透膜单元42显示为管状配置，但是在本公开的设想之内能够利用可渗透膜的其他配置。
[0037]参考图5，另一实例有机朗肯循环动力生成系统50被公开，并且包括涡轮机52，该涡轮机52包括旋涡部分54。如意识到的，涡轮机在工作部段中具有大涡流速度，但典型地设计为消除穿过出口开口的出口涡流，以便使等熵效率最大化。然而，在该实例中，实例涡轮机52有意设计为在从涡轮机52排放的蒸气中产生足够涡流。在旋涡部分54之内引发的涡流提供对第一和第二成分14、16的分离。
[0038]已排放蒸气的旋转效果由箭头62表示，并且有涡轮机52产生。由于涡轮机52引发的离心力，在蒸气中弓丨发的涡流使得分子量更高的成分(例如该实例中的第二成分16 )被驱动到更轻的第一成分14的径向外面。
[0039]第一开口 58与旋转蒸气的轴线60径向隔开，并由此为更重的第二成分16提供出口。第二开口 56基本沿着旋转轴线60设置，以便排放保留在旋涡部分54的中心区域之内的第一成分14。
[0040]已分离的成分14、16随后被输送到分离的第一和第二冷凝器26、28。如上文早先讨论的，第一和第二冷凝器26、28具体地配置成为对应的第一和第二成分14、16中的每一个提供高效冷凝。如意识到的，因为第一和第二冷凝器26、28中的每一个能够具体地配置用于工作流体的单一成分，所以每一个冷凝器能够更小更轻且包括小得多的内部热传递表面面积。
[0041]参考图6，另一有机朗肯循环动力生成系统88被公开，并且包括接收从涡轮机组件92a、92b放出的工作流体12的分离部分的双冷凝器26、28。在实例动力生成系统88中，分离器90设置在第一和第二涡轮机92a和92b之前。分离器90利用已生成旋涡将工作流体12的成分分离为其分离的部分和流。
[0042]涡轮机92a和92b中的每一个配置为最佳地利用工作流体12中的至少两种成分之一操作。因而，在该实例中，分离器90产生旋涡，工作流体12流动到该旋涡内。旋涡生成器分离工作流体12的更重和更轻的成分，使得它们能够分离地被输入到分离的涡轮机92a和92b内。气态工作流体12的膨胀驱动涡轮机92a和92b以为发电机22供应动力。在该实例中，涡轮机92a和92b彼此平行设置，并且两者都提供动力以驱动同一发电机22。然而，在本公开的设想之内，涡轮机92a和92b可以设置在共用轴线上，和/或还可以为不同发电机22供应动力。
[0043]附加地，径向涡轮机典型地具有环涡形部段，以将蒸气导引到涡轮机入口叶片或喷嘴内。在喷嘴上游的该区域中的旋转速度可以用于分离蒸气成分，从而将流有效地分离到涡轮机92a、96b内，并且随后到冷凝器26、28内。
[0044]参考图7，另一有机朗肯循环动力生成系统64被公开，并且包括单个冷凝器68，该冷凝器68包括用于冷凝工作流体12的分离部分的多个部分。当蒸气可以直接接触内部热传递表面时，该冷凝器操作最佳。当液体在内部表面上聚积时，热传递的效率降低。因而，减少在冷凝器内部表面上形成的液体的量使冷凝器效率提高。
[0045]在该实例中，工作流体12包括第一和第二成分14、16以及由流体箭头15表示的第三成分。从涡轮机20排放的工作流体12处于蒸气形式，并且被输送到实例冷凝器68。实例冷凝器68包括与工作流体的成分的数量对应的多个出口 70、72、74。这些出口中的每一个配置为输送并排放工作流体12的各成分中的分离的一种。在该实例中，第一出口 70接收第一成分14。第二出口 72接收中间成分15，并且第三出口 74接收工作流体的最易挥发或最重的成分16。因为冷凝器部段连接到共用集管，所以期望以近似压力操作每一部段。这能够例如通过调节每一部段的冷凝温度来完成，调节每一部段的冷凝温度是通过调节次级冷凝器冷却剂流以实现近似压力。一旦工作流体12的成分以液体形式离开冷凝器68，它们就再次组合，用于由共用泵30泵送到蒸气生成器18。
[0046]在另一实施方式中，工作流体12包括成分14和16。从涡轮机20排放的工作流体12处于蒸气形式，并且被输送到实例冷凝器68。在该实例中，冷凝器68包括对应于工作流体的成分14和16的出口 70和74。这些出口中的每一个配置为输送并排放工作流体12的各成分中的分离的一种。在该实例中，第一出口 70接收第一成分14。第二出口 74接收工作流体中的最易挥发或最重的成分16。
[0047]而且，液体还可以随着其形成而被分离开，无论液体对应于哪一种成分。该方法使得内部热传递表面上的液体层的厚度受到控制，以便提供期望水平的冷凝热传递效能。实例冷凝器68可以包括离散放置的中间出口，用于随着液体形成并在内部壁上聚集而移除该液体，以便增强大量蒸气和内部壁之间的冷凝热传递。此外，液体的分离防止与非共沸工作流体混合物相关联的附加质量和热传递阻力。该附加阻力由降低的界面温度引起，如果液体未被移除就会存在该降低的界面温度。因而，尽管该实例被描述为具有取决于工作流体的不同成分的冷凝属性而定位的出口，但是这些出口还可以基于液体的预定厚度放置，这将使在内部壁上的液体聚集的影响降到最低，并且提高工作流体蒸气和冷凝器68之间的热传递。
[0048]参考图8，实例冷凝器68被示意性地显示，并且包括具有入口 76的入口集管78。实例高滑移工作流体12包括第一成分14、第二成分16和第三成分15。所有这些成分被组合，并且被输送到实例冷凝器68的共用入口 76。
[0049]实例冷凝器68还包括第一中间集管80、第二中间集管82和出口集管84。第一集管80限定第一出口 70，第二集管82限定第二出口 72，并且第三集管84限定第三出口 74。
[0050]第一集管80和第一出口 70接收工作流体12的最不易挥发的成分。换句话说，实例工作流体的最不易挥发的成分14首先冷凝为液体形式，并且在第一出口 70处以液体形式从冷凝器68排放。中间易挥发成分15从第二出口 72排放。如意识到的，中间易挥发成分15将在最不易挥发成分之后冷凝，并且由此以液体形式被排放穿过第二出口 72。最易挥发成分16随着其最后冷凝回到液体形式而行进穿过最后出口 74。一旦所有成分14、16和18被冷凝为液体形式，它们就被输送回到泵30，并且经受加热过程以产生驱动涡轮机20所需的蒸气。
[0051]在另一实施方式中，工作流体12包括成分14和16。从涡轮机20排放的工作流体12处于蒸气形式，并且被输送到实例冷凝器68。在该实例中，冷凝器68包括分别对应于中间集管80和出口集管84以及工作流体的成分14和16的出口 70和72。这些出口中的每一个配置为输送并排放工作流体12的各成分中的分离的一种。在该实例中，第一出口 70通过集管80接收第一成分14。第二出口 74通过集管84接收工作流体中的最易挥发或最重的成分16。
[0052]因而，实例系统提供使用高滑移工作流体，以在利用个体冷凝器的同时获得有益的效率，这些个体冷凝器被限定并配置为冷凝分离成分中的每一种。该系统免除了单一冷凝器的需要，以便包括允许冷凝高滑移工作流体中的所有成分的配置。这提高了实施这样的高滑移动力生成系统的效率和实用性。
[0053]尽管已经公开了实例实施方式，但是本领域普通技术人员将会意识到，某些修改将会落在本公开的范围之内。出于该原因，所附权利要求应当被研究以确定本发明的范围和内容。
【权利要求】
1.一种动力生成系统，包括: 工作流体，所述工作流体包括具有不同热属性以在冷凝和蒸发期间提供温度滑移的至少两种成分； 蒸气生成器，所述蒸气生成器用于将所述工作流体转化为蒸气； 涡轮机，所述涡轮机通过已蒸发工作流体的膨胀驱动； 分离器，所述分离器用于分离所述工作流体的所述至少两种成分； 冷凝器，所述冷凝器用于将所述至少两种成分转化回到液体形式；以及 泵，所述泵用于将液体形式的所述工作流体驱动回到所述蒸气生成器。
2.根据权利要求1所述的动力生成系统，其中，所述冷凝器包括从所述分离器接收蒸气形式的所述至少两种成分中的一种的至少两个分离冷凝器。
3.根据权利要求1所述的动力生成系统，其中，所述分离器包括选择性可渗透膜，所述工作流体的所述至少两种成分中的一种可以穿过所述选择性可渗透膜。
4.根据权利要求1所述的动力生成系统，其中，所述分离器生成离心力，所述离心力将所述工作流体的所述至少两种成分中的一种驱动到所述成分中的另一种的径向外面。
5.根据权利 要求1所述的动力生成系统，其中，所述分离器包括所述涡轮机的一部分。
6.根据权利要求5所述的动力生成系统，其中，所述涡轮机在蒸气形式的所述工作流体中生成涡流，与所述至少两种成分中的另一种相比，所述涡流驱动所述至少两种成分中的更重成分进一步径向向外。
7.根据权利要求4所述的动力生成系统，包括用于所述至少两种成分中的一种的第一出口，所述第一出口在用于所述至少两种成分的第二出口的径向外面。
8.根据权利要求1所述的动力生成系统，其中，所述分离器和所述冷凝器设置在共用外壳中，所述冷凝器包括与所述工作流体之内的成分数量对应的多个出口，其中，所述工作流体之内的所述成分中的每一种被排放穿过所述多个出口中的对应的一个出口。
9.根据权利要求1所述的动力生成系统，其中，至每一冷凝器的次级冷却流被调节，以控制冷凝温度，并因此在所有平行冷凝器中实现统一的冷凝压力。
10.一种动力生成系统,包括: 工作流体，所述工作流体包括具有不同热属性以在冷凝和蒸发期间提供温度滑移的至少两种成分； 蒸气生成器，所述蒸气生成器用于将所述工作流体转化为蒸气； 涡轮机，所述涡轮机通过已蒸发工作流体的膨胀驱动； 冷凝器，所述冷凝器用于将所述至少两种成分转化回到液体形式，其中，所述冷凝器包括与所述工作流体之内的成分数量对应的多个出口，使得所述工作流体的所述至少两种成分中的每一种穿过所述多个出口中的一个对应的不同出口离开所述冷凝器；以及 泵，所述泵用于将液体形式的所述工作流体驱动回到所述蒸气生成器。
11.根据权利要求10所述的动力生成系统，其中，所述冷凝器包括与所述多个出口对应的多个集管。
12.根据权利要求10所述的动力生成系统，其中，所述工作流体的所述至少两种成分中的最不易挥发的成分在所述工作流体的所述至少两种成分中的更易挥发的成分之前从所述冷凝器被排放。
13.根据权利要求10所述的动力生成系统，其中，至每一冷凝器隔间的次级冷却流被调节，以控制冷凝温度，并因此在所有平行冷凝器中实现统一的的冷凝压力。
14.根据权利要求10所述的动力生成系统，其中，对应的至少一种成分中的每一种从所述多个出口中的对应的一个出口以基本液体形式被排放到所述泵。
15.—种操作有机朗肯循环动力生成系统的方法,包括: 加热具有至少两种不同成分的工作流 体，每一种成分具有不同的热属性，以在冷凝以及在蒸气生成器之内蒸发以生成蒸气期间提供温度滑移； 使已生成的蒸气膨胀以驱动涡轮机； 通过根据不同热属性的成分，分离从所述涡轮机排放的蒸气的所述至少两种不同成分； 将已分离的至少两种不同成分中的每一种冷凝为液体形式；以及 将所述至少两种成分的液体形式泵送回到所述蒸气生成器。
16.根据权利要求15所述的操作有机朗肯循环动力生成系统的方法，包括:在蒸气中生成离心力，以便基于分子量分离所述至少两种成分。
17.根据权利要求16所述的方法，包括:利用所述涡轮机生成所述离心力。
18.根据权利要求15所述的方法，包括:通过选择性可渗透膜分离所述至少两种不同成分。
19.根据权利要求15所述的方法，包括:在冷凝器之内分离所述至少两种不同成分，所述冷凝器包括与所述工作流体的所述至少两种成分对应的多个出口，使得所述工作流体的所述至少两种成分中的每一种穿过所述多个出口中的对应的一个出口从所述冷凝器被排放。
20.根据权利要求15所述的方法，其中，至每一冷凝器的次级冷却流被调节，以控制冷凝温度，并因此在所有平行冷凝器中实现统一的冷凝压力。
【文档编号】F01K25/06GK104081009SQ201380004804
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2013年1月3日 优先权日:2012年1月6日
【发明者】A.M.马蒙德, J.李, T.D.拉德克里夫 申请人:联合工艺公司