专利名称：改进的有机朗肯循环系统和方法
技术领域：
本发明大体涉及有机朗肯循环(ORC)系统，且更具体而言涉及用于有机朗肯循环 系统的经济的系统和方法。
背景技术：
随着能源危机的到来，以及节约和更加有效地使用我们的可用能源的需要，已经 使用朗肯循环系统来捕获所谓的“废热”，否则该“废热”会损失到大气中，且这样一来，“废 热”就会由于需要多于必要的更多燃料来产生动力而间接地损害环境。目前排放到环境中的废热的普遍的(废热)源是地热源和来自其它类型的发动机 (例如在其排气中释放出大量热的燃气涡轮发动机，以及在其排气中释放出热且释放热来 冷却诸如水和润滑剂的液体的往复式发动机)的热。大体上，已作为对小型和中型燃气涡轮的改型而应用了 ORC系统，以从热气流中 捕捉合乎需要的动力输出。在这种循环中使用的工作流体通常是处于约大气压力的碳氢化 合物。但是，工作流体在超过临界温度(例如但不限于500摄氏度)时可能质量降低。在 燃气涡轮系统中，排气的温度可比得上这种高温，并且因此，由于直接暴露于来自排气的热 气，存在工作流体质量降低的合理的可能性。为了避免上述问题，一般使用中间热流体系统来将热从排气传递到有机朗肯循环 沸腾器。在一个实例中，流体是油。但是，中间流体热呈现出高达整个ORC的成本的约四分 之一。此外，中间流体系统和热交换器需要较高的温差，从而使得大小增加，且降低了整体 效率。因此，合乎需要的是解决上述问题中的一个或多个问题的改进的ORC系统。
发明内容
根据本发明的一个实施例，提供了一种构造成以便将工作流体的温度限制在阈值 温度以下的ORC系统。该ORC系统包括构造成以便提供废热流体的热源。该ORC系统还包 括联接到热源上的热交换器，其中，热交换器包括多个外部加强特征或内部加强特征。外部 加强特征构造成以便减小热交换器外部的、工作流体与来自热源的废热流体之间的第一传 热系数。内部加强特征构造成以便增大热交换器内部的、工作流体与来自热源的废热流体 之间的第二传热系数。根据本发明的另一个实施例，提供了一种用于提供将工作流体的温度限制在阈值温度以下的ORC系统的方法。该方法包括提供构造成以便传送废热流体的热源。该方法还 包括提供联接到热源上的热交换器，其中，热交换器包括多个外部加强特征或内部加强特 征。外部加强特征构造成以便减小热交换器外部的、工作流体与来自热源的废热流体之间 的第一传热系数。内部加强特征构造成以便增大热交换器内部的、工作流体与来自热源的 废热流体之间的第二传热系数。根据本发明的另一个实施例，提供了一种构造成以便将工作流体的温度限制在阈 值温度以下的ORC系统。该ORC系统包括构造成以便提供废热流体的热源。该ORC系统包 括联接到热源上的热交换器。热交换器包括构造成以便接收来自热源的废热流体且使工作 流体汽化的蒸发器，蒸发器进一步构造成允许在废热流体和被汽化的工作流体之间进行热 交换。热交换器还包括过热器，过热器构造成以便接收来自蒸发器的废热流体-由于热交 换，废热流体处于相对较低的温度，且允许与处于最高温度的工作流体接触。热交换器进一 步包括预热器，该预热器构造成以便接收来自过热器的废热流体，且允许与成液态的工作 流体接触，其中，蒸发器、过热器和预热器包括多个外部加强特征或内部加强特征。外部加 强特征构造成以便减小热交换器外部的、工作流体与来自热源的废热流体之间的第一传热 系数。内部加强特征构造成以便增大热交换器内部的、工作流体与来自热源的废热流体之 间的第二传热系数。
当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得 更好理解，在附图中，同样的标号在所有图中表示同样的部件，其中图1是根据本发明的一个实施例的、构造成以便将工作流体的温度限制在阈值温 度以下的ORC系统的示意图。图2是在采用了图1中的ORC系统的热交换器内的工作流体的温度的图解说明。图3是根据本发明的一个实施例的、构造成以便将工作流体的温度限制在阈值温 度以下的另一个示例性ORC系统的示意图。图4是在采用了图3中的ORC系统的热交换器内的工作流体的温度的图形表示。图5是表示根据本发明的一个实施例的、用于在ORC中将工作流体的温度限制在 阈值温度以下的方法中的步骤的流程图。图6是表示根据本发明的一个实施例的、用于提供ORC系统的方法中的步骤的流 程图。部件列表10有机朗肯循环(ORC)系统14工作流体16 热源18废热流体20热交换器22蒸发器23温度较低的废热流体24过热器
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25温度升高的工作流体27温度升高的废热流体28预热器29工作流体31温度相对较低的废流体50图解说明51 X 轴52 温度53 Y 轴54薄膜温度56总体温度58预热器区段60蒸发器62过热器区段70 ORC 系统71工作流体74 热源76废热流体78热交换器82多个外部加强特征84多个内部加强特征92预热器93 翅片94蒸发器96蒸发器的一部分98 翅片102蒸发器的一部分104外部翅片106内部翅片120示意性图解说明122 X轴表示热交换器的各种区段124预热器126蒸发器128过热器130 Y轴以摄氏度表示温度134曲线表示来自排气的废热流体的温度136排气口处的温度138排气口位置140表示工作流体的温度的曲线
142在预热器中的工作流体的入口处的温度144稳态温度146过热器中的温度150阈值温度170用于在ORC系统中将工作流体的温度限制在阈值温度以下的方法172将废热流体引入热交换器中174提供构造成以便传送废热流体的热源176提供联接到热源上的热交换器178将温度升高的废热流体从过热器进一步传送到预热器中190用于提供将工作流体的温度限制在阈值温度以下的有机朗肯循环系统的方 法192提供构造成以便传送废热流体的热源194提供联接到热源上的热交换器
具体实施例方式如在下面详细地论述，本发明的实施例包括有机朗肯循环(ORC)系统和将该系统 内的工作流体的温度限制在阈值温度以下的方法。在一个实施例中，该系统和方法提供废 热流体，废热流体流入热交换器的各种区段中，以使得在废热流体和工作流体之间能够有 最优的热交换，从而避免工作流体的过热。在另一个实施例中，热交换器包括外部加强特征 和内部加强特征，以在废热流体和工作流体之间提供最优的热交换。应当注意，这两个实施 例还可彼此结合起来使用。如本文所用，术语“阈值温度”指的是在约250摄氏度至约350 摄氏度之间的范围中的温度。转到附图，图1是构造成以便将工作流体14的温度限制在阈值温度以下的有机朗 肯循环(ORC)系统10的示意图。系统10包括以例如约400摄氏度至约600摄氏度之间的 温度传送废热流体18的热源16。热交换器20联接到热源16上，且构造成以便以不使工作 流体14过热的方式有利于工作流体14和废热流体18之间的热交换，将在下面更加详细地 论述。热交换器20包括接收工作流体14的进入流且使工作流体14汽化的蒸发器22。蒸 发器22接收来自热源16的废热流体18，且促进废热流体18与处于相对较低的温度(例 如在约150摄氏度至约300摄氏度之间)的被汽化的工作流体15之间的热交换，且产生包 括温度较低的废热流体23和温度升高的工作流体25的蒸发器出口流。在一个实施例中， 离开蒸发器22的温度升高的工作流体25的温度为约230摄氏度。在另一个示例性实施例 中，废热流体18和工作流体25在蒸发器22中成平行流动构造。术语“平行流动构造”指 的是热从热源16的入口传递到蒸发器22的入口，并且类似地从热源16的出口传递到蒸发 器22的出口。 来自蒸发器22的蒸发器出口流被传送到过热器24。过热器24进一步加热温度升 高的工作流体25，以在热交换器20内产生与蒸发器22和预热器28处的工作流体的温度 相比处于相对较高的温度的工作流体29。过热器24促进温度相对较高的工作流体29与 温度较低的废热流体23之间的热交换，以产生包括温度升高的废热流体27的过热器出口 流。应当注意，与进入过热器24的温度较低的废热流体23相比，直接来自热源16的废流
6体18处于较高的温度。因此，通过允许废热流体18在进入过热器24之前进入蒸发器22， 避免了包含在过热器24内的温度相对较高的工作流体29与也处于相对较高的温度的来自 热源16的废流体18接触。因此，消除了工作流体的薄膜由于与来自热源16的温度相对较 高的废流体18接触而引起的潜在的质量降低。温度升高的废热流体27从过热器24离开，且被传送到预热器28。在一个实施例 中，离开过热器的温度升高的废热流体27的温度在约375摄氏度至约425摄氏度之间。预 热器28包含成液态的温度相对较低的工作流体29，且促进温度相对较低的工作流体29与 温度升高的废流体27之间的热交换，从而产生离开热交换器20的温度相对较低的废流体 31。在一个实施例中，温度相对较低的工作流体29和温度升高的废流体27在预热器28中 成逆流构造。在目前构想的一个实施例中，工作流体14是碳氢化合物。碳氢化合物的非限 制性实例包括选自环戊烷、正戊烷、丙烷、丁烷、正己烷和环己烷的组中的至少一个。在另一 个实施例中，热源包括燃气涡轮的排气。在又一个实施例中，废热流体处于气态。图2是采用了图1中的流动布置的热交换器的预热器、蒸发器和过热器区段中的 废热流体的温度52、工作流体的薄膜温度54和工作流体的总体温度56的图解说明50。图 解说明50是仿真的结果。X轴51将流动长度表示为热交换器的总长度的分数，而Y轴53 则以摄氏度表示温度。如图所示，废热流体的温度52从预热器区段58处的最小流动长度 处的约100摄氏度增大到过热器62区段处的1单位的流动长度处的约510摄氏度。类似 地，与废热流体接触的工作流体的薄膜温度54从预热器58处的约80摄氏度增大到在蒸发 器60中在约244摄氏度至约273摄氏度之间变化，且在过热器62处进一步达到约240摄 氏度的温度，这远远低于工作流体的阈值温度。工作流体的总体温度56也从预热器中的约 71摄氏度增大到在蒸发器中在约233摄氏度和231摄氏度之间变化，且在过热器中进一步 达到约240摄氏度的温度。工作流体的总体温度和薄膜温度(特别是在过热器区段中)之 间的较窄的差距清楚地表示了过热器中的薄膜温度的较大的稳定性，以及使温度限于了安 全极限。图3是将工作流体71的温度限制在阈值温度以下的ORC系统70的另一个示例性 实施例的示意图。热源74将废热流体76引入热交换器78中。热交换器78包括多个外部 82和/或内部84加强特征。在所示实施例中，特征包括翅片。外部加强特征构造成以便减 小热交换器78外部的、工作流体71与废热流体76之间的第一传热系数。外部加强特征的 一个非限制性实例包括翅片。类似地，内部加强特征构造成以便增大热交换器78内部的、 工作流体71与废热(流体)76之间的第二传热系数。内部加强特征的非限制性实例包括 内部翅片、紊流器或沸腾面。在一个实施例中，热交换器78包括预热器、蒸发器和过热器。如本文所示，工作流体71以液态的形式进入预热器92。预热器92包括外部的且 相对于彼此均勻地隔开相等的长度的翅片93。另外，工作流体71进入蒸发器94。蒸发器 94的部分96包括处于比在预热器92处的长度更短的长度且均勻地隔开的外部翅片98。蒸 发器的一部分102包括外部翅片104和内部翅片106。外部翅片104的长度比翅片98的长 度更短，且典型地均勻地隔开。内部翅片106设置成以便提高工作流体71和废热流体76 之间的第一传热系数，同时降低工作流体71的薄膜所经历的蒸发器的壁温度。在一个特定 的实施例中，第一传热系数在流体侧上范围介于约3000至约5000W/m2-K之间，且在其中流 体是气体的实施例中，第一传热系数在废热流体侧上具有约100W/m2-K的值。翅片的面积
7在热交换器78的工作流体71在其中易受过热的影响的区段中有所减小。类似地，为了进 行补偿，翅片的面积在其中工作流体71不易受过热的影响的区段中有所增大，以减小热交 换器78外部的第二传热系数。在一个示例性实施例中，第二传热系数在流体侧上范围介于 约20000至约40000W/m2-K之间，且在其中流体是气体的实施例中，第二传热系数在废热流 体侧上具有约100W/m2-K的值。此外，过热器108中设置了较少的外部翅片或者没有设置 外部翅片，同时可设置内部翅片110。在一个示例性实施例中，在过热器的工作流体侧上，第 三传热系数具有约15000W/m2-K的值。图4是热交换器78 (图3)的预热器、蒸发器和过热器中的工作流体的示例性温度 的示意性图解说明120。X轴122表示热交换器的各种区段，特别是预热器124 (在图4中 也称为“eco”)、蒸发器126(在图4中也称为“沸腾器”)和过热器128。Y轴130以摄氏 度表示温度。曲线134表示来自排气的废热流体的温度。由参考标号136表示的排气口处 的温度越过预热器、蒸发器和在由参考标号138表示的排气口位置处的过热器而陡峭地上 升。类似地，曲线140表示工作流体的温度，该温度从在预热器124中的工作流体的入口 (由参考标号142表示)开始上升，在蒸发器126中达到稳态144，且在过热器128中进一 步略微上升(如由146所示)。应当注意，工作流体的温度在蒸发器和过热器中保持在由水 平线150表示的阈值温度以下。图5是表示用于在ORC系统中将工作流体的温度限制在阈值温度以下的一种示例 性方法170的步骤的流程图。方法170包括在步骤172中将废热流体引入热交换器中，其 中，热交换器包括蒸发器、过热器和预热器。废热流体在步骤174中被传送到蒸发器中，以 促进废热流体与在蒸发器内汽化的、处于升高的温度的工作流体之间的热交换，以便产生 包括温度较低的废热流体的蒸发器出口流。在一个特定的实施例中，废热流体在蒸发器中 以与工作流体成平行流动构造的方式传送。然后温度较低的废热流体在步骤176中从蒸发 器传送到过热器，以促进温度较低的废热流体和包含在过热器中的温度相对较高的工作流 体之间的热交换，以及进一步产生包括温度升高的废热流体的过热器出口流。在一个实施 例中，以约425摄氏度至约475摄氏度之间的温度传送温度较低的废热流体。温度升高的 废热流体在步骤178中从过热器进一步传送到预热器中，以促进与包含在预热器中的成液 态的温度相对较低的工作流体的热交换。在又一个实施例中，温度较低的废热流体和温度 升高的废热流体以与工作流体成逆流构造的方式分别被传送到过热器和预热器。图6是表示用于提供将工作流体的温度限制在阈值温度以下的有机朗肯循环系 统的方法190中的步骤的流程图。方法190包括在步骤192中提供构造成以便传送废热流 体的热源。在步骤194中提供联接到热源上的热交换器。热交换器包括多个外部加强特征 或内部加强特征至少其中一种，其中，外部加强特征构造成以便减小热交换器外部的、工作 流体与来自热源的废热流体之间的第一传热系数。此外，内部加强特征构造成以便增大热 交换器内部的、工作流体与来自热源的废热流体之间的第二传热系数。在一个实施例中，提 供热交换器包括提供预热器、蒸发器或过热器中的至少一个。在另一个实施例中，外部加强 特征包括翅片。在又一个实施例中，内部加强特征包括翅片、紊流器和沸腾面。限制工作流体的温度的有机朗肯循环系统和方法的各种实施例提供了避免工作 流体的过热和质量降低的非常高效的方式。该系统和方法还消除了对常用的中间流体 回路的使用，从而降低了重大的资金成本和复杂性。本技术还允许减小装置的占地面积
8(footprint)，从而允许用于各种各样的应用中，例如但不限于其中空间非常珍贵的海上油
γπλΙΖΖ^ 口。当然，将理解的是未必可根据任何特定的实施例来实现以上描述的所有这样的目 标或优点。因此，例如，本领域技术人员将认可，可以以这样的方式来实施或执行本文描述 的系统和技术即，实现或优化本文教导的一个优点或一组优点，而不一定实现可能在本文 中教导或建议的其它目标或优点。此外，熟练技术人员将了解来自不同实施例的各种特征的可互换性。例如，对关于 一个实施例所描述的、工作流体和废热流体之间的平行流动构造的使用可适于与关于另一 个实施例描述的包括外部加强特征和内部加强特征的热交换器一起使用。类似地，本领域 普通技术人员可混合和匹配所描述的各种特征以及关于各特征的其它已知等效物，以根据 本公开的原理来构造额外的系统和技术。虽然仅仅在本文中说明和描述了本发明的某些特征，但是本领域技术人员将想到 许多修改和变化。因此，将理解的是，所附的权利要求书意图覆盖落在本发明的真实精神内 的所有这样的修改和变化。
权利要求
一种构造成以便将工作流体(14)的温度限制在阈值温度以下的有机朗肯循环系统(10)，所述系统(10)包括构造成以便提供废热流体(18)的热源(16)；联接到所述热源(16)上的热交换器(20)，所述热交换器(20)包括多个外部(82)加强特征或内部(84)加强特征至少其中一种，其中，所述外部(82)加强特征构造成以便减小所述热交换器(20)外部的、所述工作流体(14)与来自所述热源(16)的废热流体(18)之间的第一传热系数，且所述内部(84)加强特征构造成以便增大所述热交换器(20)内部的、所述工作流体(14)与来自所述热源(16)的废热流体(18)之间的第二传热系数。
2.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述热交换器(20)包括预热器 (28)、蒸发器(22)和过热器(24)。
3.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述外部(82)加强特征包括翅片 (93)。
4.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述内部(84)加强特征包括内部翅 片或紊流器或沸腾面。
5.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述热源(16)构造成以便将所述废 热流体引入所述预热器(28)或所述蒸发器(22)中。
6.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述阈值温度包括约300摄氏度。
7.一种用于提供将工作流体的温度限制在阈值温度以下的有机朗肯循环系统的方法 (190)，所述方法包括提供(192)构造成以便传送废热流体的热源；提供(194)联接到所述热源上的热交换器，所述热交换器包括多个外部加强特征或内部加强特征至少其中一种，其中，所述外部加强特征构造成以 便减小所述热交换器外部的、所述工作流体与来自热源的所述废热流体之间的第一传热系 数，且所述内部加强特征构造成以便增大所述热交换器内部的、所述工作流体与来自热源 的所述废热流体之间的第二传热系数。
8.根据权利要求7所述的方法(190)，其特征在于，所述提供(194)热交换器包括提供 预热器、蒸发器或过热器中的至少一个。
9.根据权利要求7所述的方法(190)，其特征在于，所述外部(82)加强特征包括翅片 (93)。
10.根据权利要求7所述的方法(190)，其特征在于，所述内部(84)加强特征包括翅 片、紊流器和沸腾面。
全文摘要
本发明涉及一种改进的有机朗肯循环系统和方法。提供了一种构造成以便将工作流体(14)的温度限制在阈值温度以下的ORC系统(10)。该ORC系统(10)包括构造成以便提供废热流体(18)的热源(16)。该ORC系统(10)还包括联接到热源(16)上的热交换器(20)，其中，热交换器(20)包括多个外部(82)或内部(84)加强特征。外部(82)加强特征构造成以便减小热交换器(20)外部的、工作流体(14)与来自热源(16)的废热流体(18)之间的第一传热系数。内部(84)加强特征构造成以便增大热交换器(20)内部的、工作流体(14)与来自热源(16)的废热流体(18)之间的第二传热系数。
文档编号F01K23/10GK101881192SQ20101017699
公开日2010年11月10日 申请日期2010年5月6日 优先权日2009年5月6日
发明者G·塞希, M·A·勒哈, S·W·弗罗伊恩德 申请人:通用电气公司