专利名称：从中温热源生成功率的制作方法
技术领域：
本发明涉及从中温热源生成机械功率。
背景技术：
通常使用蒸汽作为工作流体在兰金(Rankine)循环系统中从外部热源(如燃烧产 物)回收机械功率。然而，近年来随着将低温热源用于功率回收的兴趣已经增长，已经有寻 求替代工作流体和温度低于约200°C的热源的增长趋势。在多数情况下，已经表明如轻质碳 氢化合物的有机流体或者常用制冷剂是适当的。这些流体具有唯一性质，并且获得用于从 给定热源回收功率的最佳系统的大量技术是基于对最适合流体的选择。最常使用或者考虑的那些流体为常用制冷剂，比如R124 (Chlorotetrafluorethane)、 R134a (Tetrafluoroethane)或者 R245fa(l, 1，1,3, 3-Pentaf luoropropane)或者轻质碳氢 化合物如isoButane、n-Butane、isoPentane和n-Pentane。一些系统并入高度稳定的热流 体，比如Dowtherms和Therminols，但是这些流体的很高临界温度引起大量系统设计问题， 这导致高成本的解决方案。然而，存在有已经用于其它过程的形式主要为燃烧产物的许多热源，比如内燃机 (IC engine)的废气，其中温度实际上更高，初始值通常范围为200°C-700°C，其中有机工 作流体与热稳定问题关联，并且它们的热力性质的有利性更低。遗憾的是，常规蒸汽循环在 这些温度也具有严重不足。俄罗斯专利公开no. RU2050441公开一种通过从作为工业过程产生的废品可获得 的蒸汽来回收能量来产生电功率的方法。蒸汽的干度维持于0.6-1的范围中，因此蒸汽较 为干燥。可以在双螺旋机器中实现蒸汽膨胀。
发明内容
本发明涉及对从200°C -700°C的温度范围中的外部热源回收功率的优化。本发明 基于如下理解与已知功率生成循环(比如利用水或者有机流体作为工作流体进行操作的 兰金循环)相比，使用湿润蒸汽(甚至具有低干度的蒸汽)可以在工作流体凝结于相同或 者甚至更低温度时从中温热源(比如温度范围为200°C -700°C的热源)提供更高效率的功 率回收。根据一个方面，本发明提供一种从温度的范围为200°C至700°C的热源生成功率 的方法，该方法包括以下步骤利用来自热源的热加热在锅炉中的水，以生成干度为0. 1至 0.9(10%至90% )的湿润蒸汽；在正移位膨胀器中膨胀湿润蒸汽以生成功率；在范围为 70°C至120°C的温度将膨胀的蒸汽凝结成水；并且使凝结的水返回到锅炉。这样的系统最适合于从这一中温范围中的热气体(如内燃机废气或者其它热气 体流)获得范围为20-500kW的功率输出。根据又一方面，本发明提供一种用于生成机械功率的装置，该装置包括热源；蒸 汽锅炉，布置成从温度的范围为200°C至700°C的热源接收热，并且由此生成干度为0. 1至
30. 9(10%至90% )的湿润蒸汽；正移位膨胀器，用于膨胀蒸汽并且由此生成更多机械功率； 凝结器，尺寸设定成在范围为70°C至120°C的温度将膨胀的蒸汽凝结成水；以及馈送泵，用 于使水返回到锅炉。
现在将参照以下附图通过例子进一步描述本发明，其中 图IA和IB分别示出了常规蒸汽兰金循环的循环(按照熵绘制的温度)和系统部件；图2示出了饱和蒸汽兰金循环；Sl示出了按照过热蒸汽的热传递绘制的锅炉温度；Si示出了按照饱和蒸汽的热传递绘制的锅炉温度；图5A和图5B针对回热有机兰金循环(ORC)，对应于图IA和图IB ；图6A和图6B针对湿润蒸汽兰金循环，对应于图IA和图IB ；Sl示出了 一种用于根据图6A和图6B从内燃机的废气热生成功率的装置；图8A和图8B示出了湿润蒸汽兰金循环和有机兰金循环的组合；_示出了一种用于使用有机兰金循环从废气生成功率的装置；ΜΙΟ示出了一种用于借助水蒸汽有机兰金循环(ORC)从内燃机的冷却套的热生 成功率的装置；ail是过热有机兰金循环(ORC)的与图7类似的图；SI2示出了一种用于使用水蒸汽有机兰金循环(ORC)从内燃机的废气和冷却套 生成功率的装置；图13A和图13B示出了用于从不同温度的两个热源生成功率的组合式蒸汽和ORC 系统的替代操作循环；SI^示出了一种用于使用蒸汽循环从废气生成功率并且向也从内燃机的冷却 套接收热的OCR系统供应释放热的装置；并且图14A和图14B是比如在图13的系统中运用的膨胀器的侧视图和端部正视图。在下文描述中只要可能就使用相同参考标号来指代相同部件。
具体实施例方式兰金循环系统在图1中示出了使用蒸汽的基本兰金循环系统。位于温度-熵的图上的点1至6 对应于系统图中的点1至6。基本兰金循环包括仅四个主要单元，即馈送泵(10)、用于加热 和蒸发水的锅炉(11)、用于生成机械功率的膨胀器(12)和耦合到生成机(14)用于释放废 热并且向馈送泵入口返回水的凝结器(13)。热流体在A进入锅炉，并且冷却的流体在B离 开锅炉。通常，当优选在膨胀开始之前在过热器(15)中使流体过热以便避免在膨胀过程期 间的水蒸汽凝结时，膨胀器(12)是涡轮。这之所以重要是因为在涡轮内的蒸汽速率很高， 并且这样形成的任何水滴都撞击在涡轮叶片上而且腐蚀它们，并且也减少了涡轮效率。通过在涡轮叶片前导边缘上使用特殊材料，可以减少叶片腐蚀问题，由此蒸汽可 以如在一些地热系统中那样，在干燥饱和水蒸汽条件下进入涡轮。在图2中示出了这样的 循环，并且这允许在以后的膨胀阶段增加湿度而牺牲一些效率。然而，尚未构造可以在它的
4入口安全地接受湿润流体的涡轮。于是，随着容许过热或者甚至干燥饱和蒸汽供给涡轮入口而存在有问题，该问题 随着热源的初始温度减少而变得更明显。如果将使用所有可回收热，则这是对热源和在锅 炉中的工作流体的温度的匹配。通过参照图3将最佳地理解这一点，该图示出了在热气体 从450°C的初始温度冷却至150°C而加热受压水、蒸发它、然后使它过热时工作流体和热源 的温度在锅炉内如何改变。可见，由于水具有任何已知流体的最大潜热，所以需要蒸汽所接收的最大部分热 来蒸发它，并且这出现于恒定温度。然而气体流温度随着它向蒸汽传热而持续地减少。因 而蒸汽的蒸发温度必须比初始气体流温度低得多，并且在这一情况下，尽管气体流的相对 高初始温度，但蒸汽不能在高出120°C很多的温度蒸发。另外，如果消除过热，则如图4中所 示，蒸发温度仅能提升几度。为了蒸发蒸汽而需要的温度的这一大量下降造成不佳的设备循环效率，这是因为 高循环效率仅仅通过增加蒸发温度来实现。如果增加热气体流的排出温度，则可达到更高蒸发温度。然而提升气体流排出温 度减少了回收热的量。在该情况下，尽管循环效率更高，但净可回收功率输出仍将减少。与此对照，有机流体具有低得多的蒸发加热与馈送加热之比，因此可以容易地达 到高得多的温度，因而给出更佳的循环效率。在图5中示出了这一点的例子，其中使用相同 热源可以在180°C蒸发戊烷。这一般视为针对戊烷的安全上限，以便避免与流体的化学分解 关联的热稳定问题。图5的循环包括馈送泵(10)、锅炉或者馈送加热器(16)、蒸发器(17)、 膨胀器(18)和去过热器-凝结器(19)。可见，在这一情况下，与从饱和水蒸汽开始的蒸汽不同，工作流体随着它膨胀而变 为过热。因此没有与它的使用关联的叶片腐蚀问题。为了在膨胀结束时提高循环效率，可 以通过逆流换热器或者回热器(20)传递低压过热水蒸汽，以回收原本会在凝结器中被释 放的热并且使用它，以在离开馈送泵的受压液体进入锅炉(16)之前对其进行预热。因此， 使用戊烷可达到更高的循环效率。热稳定问题不限于工作流体的体温度，其中在戊烷的情况下可达到高得多的温 度，但是与戊烷接触的锅炉表面的温度在热端将高得更多。在任何破裂出现于将工作流体 与加热源分离的换热器壁中的情况下也有失火或者爆炸的风险。与蒸汽关联的又一问题在于，在水蒸汽功率设备(plant)中需要的将热释放给冷 却水蒸汽或者大气的正常凝结条件下，它具有很低水蒸汽压力。因此，在40°C的凝结温度， 蒸汽的水蒸汽压力仅为0. 074巴。这意味着膨胀蒸汽的密度很低并且需要庞大而昂贵的涡 轮，而且又存在有与在凝结器中维持真空关联的问题。与此对照，在40°C的戊烷具有1. 15 巴的水蒸汽压力。因此它稠密得多，并且因而它所需要的膨胀器将小得多也廉价得多。螺旋膨胀器对于范围为20kW至1丽的相对小功率输出的单元，可以考虑使用正移位机器(如 螺旋膨胀器)作为涡轮的替代。如例如在EP0898455中所示，一种螺旋膨胀器包括啮合螺旋转子对，其包含于围 绕着它们的外壳中。随着它们旋转，在转子与外壳之间逐渐变细的体积改变。如果在转子 的一端容许流体进入这一空间，则它的体积将仅根据旋转方向而增加或者减少直至它最终
5在另一端从转子的相反侧排出。通过转子上随着流体体积而变化的压力，在流体与转子轴之间传送功率。另外，在 这样的机器中的流体速率比在涡轮中少约一个数量级。因此不同于涡轮机中的功率传输模 式，仅相对小部分的回收功率归因于与流体运动关联的动态效果。因此消除流体腐蚀效果， 并且在机器中存在流体与压缩或者膨胀水蒸汽或者气体对它的操作模式或者效率具有很 小影响。在这一基础上，可以在如下循环中使用蒸汽，它在该循环中作为干度通常仅为0. 5 量级的很湿润流体进入，如图6A和图6B中所示，该循环包括馈送泵(10)、锅炉(11)、螺旋 膨胀器(21)和凝结器(13)。然后，可以调节这一值以给出在热源与工作流体之间的最佳匹 配。在这些操作条件之下，很容易达到200°C至240°C的湿润蒸汽温度。高出这一值很多的 温度受外壳和转子的热畸变所限制。蒸汽的正面特征在于，压力在这些更高温度并没有太高，在200°C仅略微高出15 巴，而在约240°C仅仅略微高出30巴。比有机流体的比能(specific energy)高得多的这一蒸汽比能意味着为了将工作 流体加压而需要的馈送泵做功在蒸汽循环中比在有机流体循环中少得多。为了润滑膨胀器的轴承，线路(L)可以从泵的出口分流少量水流并且向轴承供应 这一水流。湿润水流本身将往往润滑转子表面并且减少间隙泄漏。将湿润蒸汽与螺旋膨胀器一起利用所存在的主要问题因此仅在于为了膨胀至低 凝结温度而需要的机器的大尺寸。如以下两个例子将示例的那样，这可以通过提升湿润蒸汽的凝结温度并且优选至 约100°C或者更高来完成。在这一值，蒸汽的这一水蒸汽压力恰高于1巴，并且尽管少于最 常使用的制冷剂和碳氢化合物，工作流体在相同温度仍为可比较的值。提升湿润蒸汽的凝结温度并且优选至约100°C或者更高的一些重要益处包括i)避免与在凝结器中维持真空关联的问题；ii)需要更小螺旋膨胀器与减少的膨胀比一起运用；并且iii)与以更低凝结温度(这些温度需要吸收过多寄生功率的过分大和昂贵的空 气冷却凝结器或者在普遍安装固定内燃机的地区罕为实际和可用的水冷却)进行操作的 功率生成系统相比，使凝结器能够在全球任何地区高效地加以空气冷却。当冷却水可用时或者当环境温度异常低时，可以如下文更详细讨论的那样，通过 向有机兰金循环系统供应来自该过程的释放热来进一步提高该过程的效率。已知在热电联产(CHP)系统中使用内燃机驱动的生成器以便最大化对内燃机生 成的可用能量的使用。在这样的系统中，在锅炉中回收来自内燃机的废气热，以提升将用于 加热目的的热水或者蒸汽。所有CHP系统的一个问题在于，生成的功率与可回收热之比并不总是有利的，并 且在许多情况下而且尤其在夏季，简单地丢弃回收热，因为它没有其它实际用途。本发明一个优选实施例的用于生成机械功率的装置释放温度约为100-120°C的 来自凝结器的热。可以回收保持于约为85-90°C的温度或者为废气的总可用能量的约 85-90%的这一释放热，以加热在外部热水系统中循环的水或者蒸汽。这提供如下CHP系 统，其中不再可用于加热目的的废气的10-15%能量已经用来产生附加功率，由此赋予在生
6成的功率与可用于加热的热之间的更有利比值。在图7中示出了一种用于从由机动车辆的内燃机(23)产生的废气(22)流中的废 热回收功率的装置。机动车辆具有散热器(24)和套冷却回路(25)。锅炉11可以是馈送加 热器-蒸发器。在机动车辆中，以大致相等的比例，按照由引擎形成的机械功率的形式、按照释放 给废气的热和按照释放给冷却套的热，来使用燃料燃烧所释放的能量。尤其是在年度燃料 成本很高的大型长距离运输车辆的情况下，将高度地希望对任何释放热的成本有效回收以 生成附加功率。与在机动车辆中转换低级热关联的主要问题在于为凝结器(13)找到空间，因为为 了获得良好循环效率而需要的低释放温度要求它很大。然而，如果仅使用废气热，并且凝结温 度与引擎套冷却剂的凝结温度近似相同，则空气冷却的凝结器无需大于引擎散热器(24)。通常，冷却剂在约90°C进入并且在约70°C返回到引擎套。因此通过在约80°C凝 结，应当可以将废热回收单元配合到车辆中。下表比较自戊烷废热回收单元(其中工作流体在180°C作为干燥水蒸汽进入膨胀 器并且膨胀的水蒸汽在77°C凝结)的可能情况与来自蒸汽系统(其中湿润蒸汽在200°C以 0. 45的干度进入螺旋膨胀器并且在100°C凝结)的可回收功率。在两种情况下，假设废气在 450°C进入废热锅炉并且在150°C离开它，而且在该过程中，从废气向工作流体传送200kW 的热。假设的所有部件效率在两种情况下相同。
权利要求
一种从温度范围为200℃至700℃的热源(A，22)生成功率的方法，包括以下步骤利用来自所述热源的热对锅炉(11)中的水加热，以生成干度为0.1至0.9(10％至90％)的湿润蒸汽，在正移位蒸汽膨胀器(21)中膨胀所述湿润蒸汽，以生成所述功率，在范围为70℃至120℃的温度将所述膨胀的蒸汽凝结成水，以及使所述凝结的水返回到所述锅炉。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述湿润蒸汽的压力不超过30巴。
3.根据权利要求1或者2所述的方法，其中所述蒸汽膨胀器(21)为双螺旋或者卷型。
4.根据权利要求3所述的方法，其中在至少两级中实现膨胀。
5.根据任一前述权利要求所述的方法，其中通过与在有机兰金循环(31)中操作的受 压有机流体的热交换，来凝结所述膨胀的蒸汽。
6.根据权利要求1至4中的任一权利要求所述的方法，其中通过与加热系统中的流体 的热交换，来凝结所述膨胀的蒸汽，由此提供热电联产系统。
7.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述热源是来自内燃机(23)的废气(22)流。
8.根据引用权利要求5或者6的权利要求7所述的方法，其中向来自凝结所述膨胀的 蒸汽的热添加来自所述引擎的冷却套(25)的热。
9.一种用于生成机械功率的装置，包括 热源(A，22)，蒸汽锅炉(11)，布置成从温度范围为200°C至700°C的所述热源接收热，并且由此生成 干度为0. 1至0. 9 (10%至90% )的湿润蒸汽，正移位蒸汽膨胀器(21)，用于膨胀所述蒸汽并且由此生成更多机械功率， 凝结器(13)，尺寸设定成在70°C至120°C的温度将所述膨胀的蒸汽凝结成水，以及 馈送泵(10)，用于使所述水返回到所述锅炉。
10.根据权利要求9所述的装置，其中所述凝结器(13)为空气冷却的换热器。
11.根据权利要求9所述的装置，其中所述凝结器(13)由用于生成附加功率的有机兰 金循环(31)功率生成器的锅炉形成。
12.根据权利要求9所述的装置，其中所述凝结器(13)由用于加热通过加热系统循环 的流体的加热器形成。
13.根据权利要求11或者12所述的装置，其中内燃机(22)的冷却套(25)被连接成向 所述有机兰金循环功率生成器(31)的所述锅炉递送进一步的热。
14.根据权利要求9至13中的任一权利要求所述的装置，其中水供应(L)从所述泵的 递送侧引向一个或多个所述蒸汽膨胀器(18，21，29)的轴承。
15.根据权利要求9至14中的任一权利要求所述的装置，其中来自内燃机(23)的废气 (22)形成所述热源。
16.根据权利要求15所述的装置，其中提供所述热源的所述内燃机(23)是车辆的内燃 机，并且所述凝结器(13)的尺寸设定成在70°C至120°C凝结所述膨胀的蒸汽。
全文摘要
一种用于从范围为200℃至700℃的中温热源生成功率的方法和关联装置，与按照在相同温度凝结工作流体的兰金循环来操作的系统相比，其具有提高的效率。利用来自热源A(22)的热对锅炉(11)中的水加热，以便生成干度的范围在0.10至0.90(10％至90％干燥)的湿润蒸汽，所述热源可以是废气(22)流。在正位移蒸汽膨胀器(21)(如双螺旋膨胀器)中膨胀湿润蒸汽，以生成功率。在范围为70℃至120℃的温度凝结膨胀的蒸汽，并且使凝结的蒸汽返回到锅炉。可以在有机兰金循环(22)的锅炉中凝结膨胀的蒸汽，以提供附加功率，或者通过与加热系统的加热器的热交换来提供组合的热和循环，由此进一步提高循环效率。
文档编号F01K7/02GK101978139SQ200980109230
公开日2011年2月16日 申请日期2009年2月6日 优先权日2008年2月7日
发明者I·K·史密斯, N·R·斯托希克 申请人:城市大学