利用一orc回路产生电能的装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明是关于用以执行一 ORC处理(ORC-p1cess)的装置，包括一第一循环流程(first circular flow)，其中一第一工作流体(first process fluid)在第一循环流程中被导引，且第一循环流程包括一蒸发器，用以蒸发第一工作流体，一膨胀机，设置在蒸发器的下游，用以膨胀被蒸发的第一工作流体，其中膨胀机与用以产生电能的一发电机连接，一第一冷凝器，设置在膨胀机的下游，用以冷凝被膨胀的第一工作流体，以及一第一流体能机(first fluid energy machine)，设置在第一冷凝器的下游，用以增加被冷凝的第一工作流体的压力，及用以输送第一工作流体至设置在第一流体能机的下游的蒸发器。上述流体能机的用语可被理解成描述一机器，其可与工作流体交换机械功(mechanical work)。
【背景技术】
[0002]ORC处理是被长久知悉，可被应用在一热源与一散热器之间的可利用温度梯度(temperature gradient)针对水蒸气驱动式膨胀机属于过小的情况。ORC处理的应用领域包括如生产过程、工业厂房、烟囱、沼气发电厂、以及热发电厂(block heat and powerplants)的废热或余热，上述厂房所产生的余热温度约为摄氏80至250度及更高。现有ORC处理已公开在例如DE 10 2009 049 338 Al或DE 10 2007 035 058 Al。一般而言，膨胀机可驱动一发电机以产生电力，上述电力被使用在工厂或被送入公共电网(public powergrid) ο
[0003]由于电效率(electrical efficiency)低至10%以下，ORC处理并未享有大规模的扩展，因为实施所需要的投资显然超过可达成的节省。因此，大多数的情况下，可利用的余热没有执行ORC处理就被释放到环境中，理由是在考虑经济和生态的条件下，ORC处理非最理想的，特别在考虑可利用能量的持续管理时，更是大大地需要将余热中的能量做到最好的利用。现有ORC处理仅能够满足这些需求中的一有限部分，即使在考虑可利用能量的持续管理时，上述低效率问题仍为一大缺点。
[0004]如开头所述，ORC处理可应用在生产过程、工业厂房、烟囱、沼气发电厂、以及热发电厂，并利用被释放的废热或余热产生电能。在大多数情况下，这些厂房的空间不合于(backfitted)ORC装置，因此ORC装置的小型化设计扮演了重要的角色。在许多情况下，上述厂房的空间不合于现有ORC装置归咎于可利用空间的不足。
【发明内容】
[0005]因此，本发明的一目的在于进一步开发如开头所述的装置，使其效率提高到能够将余热中的能量作为经济上的使用。再者，本发明装置应配合可利用的空间，并具有小型化设计，从而能够被轻易整合至现有的厂房。
[0006]在如开头所述的装置还包括一第二循环流程(second circular flow)的情况下，上述目标是可达成的。其中，第二循环流程中的一第二工作流体(second process fluid)被导引流经第一冷凝器，并在第一冷凝器中被蒸发，且第二循环流程包括一第二流体能机(second fluid energy machine)，设置在第一冷凝器的下游，用以压缩被蒸发的第二工作流体，一第二冷凝器，设置在第二流体能机的下游，用以冷凝被蒸发的第二工作流体，其中第一工作流体可流经第二冷凝器，以及一节流阀，设置在第二冷凝器的下游，用以节流被冷凝的第二工作流体，其中膨胀机没有通过齿轮机构，即无齿轮(gearless)，而以一轴杆连接发电机。
[0007]在现有技术的ORC处理中，可利用冷却环境的方法由被膨胀的第一工作流体取出(withdrawn)热量，例如利用冷却塔(cooling towers)，但是也需要消耗自身能量，以致取出的热量未被使用就失去。另外，相对高的环境温度，例如处在赤道附近的区域，也会造成实质的负面影响，因为环境温度定义了较低的温度水平，从而造成热源与散热器之间的可利用温度梯度变得较小。因此，在没有利用到余热中的热量的情况下，该余热就消失。
[0008]在第一冷凝器中进行的热传递，可冷凝第一工作流体及加热第二工作流体。在第二循环流程中，第二工作流体被输送至第一工作流体会流经的热交换器，此时，热量由第二工作流体取出，并被用以加热第一工作流体。为了达到热传递，第二工作流体需要被压缩，以达到在热交换器中的第一工作流体的压力。为此，会使用到第二流体能机。
[0009]膨胀机与发电机间的无齿轮连接方式，可节省齿轮机构所需要的空间，从而使得本发明装置变得非常紧密(compact)且需要小的可利用空间，因此本发明装置可更轻易被整合至现有具有利用废热及余热需求的厂房。除此之外，齿轮机构会造成能量损失，故相较于包括有齿轮机构的装置，无齿轮机构的结构可增加本发明用以执行ORC处理的装置的效率。由于齿轮机构容易磨损，往往会造成干扰，因此无齿轮机构的结构更具有使得本发明装置运行更加可靠的优点。
[0010]在一有利的实施例中，轴杆的轴承包括一双滚子轴承结构(tandem rollerbearing configurat1n)。通常情况下，轴杆被两个彼此相隔一特定距离的轴承所支撑，例如径向轴承，且轴杆需要被轴向地支撑。在未使用齿轮机构连接涡轮机及发电机的情况下，没有办法将涡轮机所提供的转速增加或减少至发电机的最理想转速。在ORC处理中所使用的涡轮机通常是以非常高的转速运行，其中60000rpm并不少见。设在发电机的转子旁边的涡轮机的叶轮也被安装在同一轴杆上，且以简单或由上方悬垂的方式(overhung)被支撑，故导致了轴承一高的机械及热负载。因此，现有ORC装置配备有磁性或空气轴承。磁性轴承的价格昂贵，且进一步会消耗能量，以致降低ORC装置的整体效率。空气轴承具有以气垫(air cush1n)支撑轴杆容易相对不稳定的缺点。在气垫失效的情况下，会导致ORC装置遭受无法被调整或需付出极大努力才可恢复的伤害。这些缺点通过双滚子轴承结构可被消除。双滚子轴承结构是一种轴承结构，其中至少一轴承被替换成双重或多重列轴承(doubleor multiple row bearings)，且轴杆是被两个转子轴承单元径向地及轴向地支撑。同时，特别相较于磁性轴承，使用双滚子轴承结构可显著降低初始成本，且不会因能量消耗而导致效率降低，且相较于传统的转子轴承，双滚子轴承结构更能够抵抗新形成的(emerging)热及机械负载，以减少轴承的伤害，从而使得ORC装置的运行更加可靠。再者，双滚子轴承结构具有仅需要小的可利用空间的优点，故有利于涡轮机及发电机的小型化结构。此外，由于双滚子轴承结构不需要更换润滑剂，故可实现一免维护的轴承，进而减少维护成本。
[0011]在一优选实施例中，膨胀机可被体现为一涡轮机，并具有连接发电机的一发电机外壳的一涡轮机外壳。将膨胀机体现为一涡轮机的实施例ORC处理操作的一种选择方法。将祸轮机与发电机整合为一物理单元(physical unit)，可减少其需要的空间，从而使得本发明装置变成一非常小型的物理单元，并可被轻易整合至现有的厂房。
[0012]优选地，涡轮机包括具有多个第一叶轮叶片的一第一叶轮，其中第一叶轮设置在轴杆上，且发电机的一转子也设置在轴杆上。在ORC处理的操作中，叶轮可转动轴杆，且轴杆在没有进一步插入物理单元的情况下可转动发电机的转子，进而产生电能。优选地，涡轮机及发电机是以发电机能够在其通常预期的转速下最理想地运行的方式作彼此调整。如此一来，可减少物理单元的数量，并减少需要的空间及增加装置的可靠度。
[0013]在一优选实施例中，涡轮机包括具有多个第一导轮叶片的一第一导轮及具有多个第一叶轮叶片的一第一叶轮。由于本发明目的是为提供尽可能小型化的装置，故在此之中，一径向式吹祸轮机(blown turbine)是有利的。导轮叶片可使得工作流体最理想地吹动叶轮叶片，以提高效率，进而使得本发明整体装置更有效率地运行。
[0014]本发明装置的另一实施例的区别在于，涡轮机包括一第二叶轮及具有多个再循环叶片(recirculat1n vanes)与多个第二叶轮叶片的一第二导轮。可以想象一流动型态(flow profile)，其中工作流体径向地流入祸轮机，先被第一叶轮的第一导轮叶片改道而流至第一叶轮叶片，接着通过叶轮叶片所定义的通道径向地向内流动。之后，工作流体轴向地流至第二导轮，并在此被设置在上游侧的再循环叶片再次改道而径向地向外流动。在第二导轮的下游侧，工作流体被改道且流至第二叶轮的第二叶轮叶片，进而转动第二叶轮。由此，可实现一两阶段式(two-stage)涡轮机，进而增加本发明装置的效率。当然，不仅两阶段式涡轮机，连三阶段式或多重阶段式涡轮机亦可被实现。
[0015]优选地，发电机外壳包括一发电机冷却单元。已经发现的是，发电机外壳的冷却具有多个优点。最重要的优点是，可减少在发电机运行时转子及定子的热应力，从而增加发电机的寿命。另外，可增加发电机的转速以获得更好的效率。再者，磁场强弱是与温度相关，且会随着温度增加而减弱。因此，发电机冷却单元可维持一强大的磁场，从而亦增加发电机的效率或维持效率在一高水平。
[0016]优选地，涡轮机外壳也包括一涡轮机冷却单元。在此情况下，涡轮机中组件的热应力也可被减少，从而增加涡轮机的寿命。根据设计，冷却单元可特别地冷却轴承结构，从而造成涡轮机的可靠度具有决定性的改善。
[0017]本发明装置的另一实施例的特点在于，一膨胀槽设置在膨胀机的下游，用以膨胀第一工作流体。在ORC处理中，工作流体由膨胀机离开时，是完全地或部分地处在液体状态。如果工作流体在具有相对小直径的第一循环流程的管路中被导引时，一背压(backpressure)可能在膨胀机中产生，而对膨胀机的效率会具有负面影响。膨胀槽提供一膨胀容量，使得其中的背压被减弱且不会退回进入涡轮机，因而膨胀机的效率不会受到不利的影响。
[0018]本发明实施例还包括一或多个另循环流程(further