专利名称：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(0RC)系统，且更具体地讲，涉及经济型系统和用 于该系统的方法。
背景技术：
随着能源危机的到来，以及节约和更有效地使用我们的可用能量的需求，已使用 朗肯循环系统来捕获所谓的"废热"，否则该废热会丧失到大气中，且这样一来，就由于需 要超过必需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 0RC系统，以便从废热气 流中捕获合乎需要的动力输出。这种循环中使用的工作流体通常是大约处于大气压的碳氢 化合物。然而，在超过临界温度-诸如但不限于500摄氏度时，工作流体可能会质量降低。 在燃气涡轮系统中，排气的温度可与这样的高温比较，且因此，由于直接暴露于来自排气的 废热气体而存在工作流体质量降低的合理的可能性。为了避免前述问题，通常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，流体为油。然而，该中间热流体系统表现出了整个0RC的成本的高 达大约四分之一。此外，中间热流体系统和热交换器要求较高的温度差，从而导致大小增大 且总体效率降低。因此，期望的是一种改进的0RC系统，以便解决上述问题中的一个或者多个问题。
发明内容
根据本发明的一个实施例，提供了一种构造成将工作流体的温度限制在阈值温度 以下的0RC系统。该0RC系统包括构造成以便传送废热流体的热源。该0RC系统还包括联 接到热源上的热交换器。热交换器包括构造成以便从热源接收废热流体并且使工作流体汽 化的蒸发器，其中，该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，且产生包括温度较低的废热流体的蒸发器出口流。热交换器还包括构造成以便接 收来自蒸发器的温度较低的废热流体的过热器，并且进一步构造成允许在温度较低的废热 流体和包含在过热器中的温度相对较高的工作流体之间进行热交换，且进一步产生包括温度升高的废热流体的过热器出口流。热交换器还包括预热器，该预热器构造成以便接收来 自过热器的温度升高的废热流体且允许与包含在预热器中的处于液态的温度相对较低的 工作流体进行热交换。根据本发明的另一个实施例，提供了一种用于在0RC中将工作流体的温度限制在 阈值温度以下的方法。该方法包括将废热流体引入热交换器，其中，该热交换器包括蒸发 器、过热器和预热器。该方法还包括将废热流体传送到蒸发器中，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。该方法还包括将来自蒸发器的温度较低的废热流体传送到过热器，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，且进 一步产生包括温度升高的废热流体的过热器出口流。该方法还包括将温度升高的废热流体 从过热器传送到预热器，以促进与包含在预热器中的处于液态的温度相对较低的工作流体 之间的热交换。
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，方面和优点将得到 更好的理解，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0RC系统的示意图。图2是采用图1的0RC系统的热交换器内的工作流体的温度的图解。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0RC系统的示意图。图4是采用图3中的0RC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0RC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0RC系统的方法中的步骤的流 程图。部件列表10有机朗肯循环(0RC)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 0RC 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122 X轴表示热交换器的各个区段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排气出口处的温度138排气出口位置140表示工作流体的温度的曲线142预热器中的工作流体入口处的温度144稳定状态温度146过热器中的温度150阈值温度
170用于在0RC系统中将工作流体的温度限制在阈值温度以下的方法172将废热流体引入到热交换器中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
具体实施例方式如以下详细论述的，本发明的实施例包括将系统内的工作流体的温度限制在阈值 温度以下的有机朗肯循环(0RC)系统和方法。在一个实施例中，该系统和方法提供流入热 交换器的各个区段中的废热流体，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，以便提供废热流体和工作流体之间的最优的热交换。应该注意，也可彼此相结合来采 用两个实施例。如本文所用，用语‘阈值温度’指大约250到大约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(0RC)系统10的示意图。系统10包括传送处于例如大约400到大约600摄氏度之 间的温度的废热流体18的热源16。热交换器20联接到热源16上，且构造成以不会使工作 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，将在下文更加详细地 论述。热交换器20包括接收工作流体14的进入流并且使该工作流体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，并且促进废热流体18和处于相对较低温度(例 如介于大约150摄氏度至大约300摄氏度之间)的被汽化的工作流体15之间的热交换，并 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的温度大约为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。用语‘平行流 动构造’指热量从热源16的入口传递到蒸发器22的入口，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，以便在热交换器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 和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 流体18处于较高温度。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中的温度相对较高的工作流体29与来自热源16的、同样处于相对 较高温度的废流体18的接触。因此，消除了由于与来自热源16的温度相对较高的废流体 18之间的接触而引起的工作流体的薄膜的潜在质量降低。
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的温度介于大约375至大约425摄氏度之间。预 热器28包含处于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 中呈逆流构造。在当前所构思的实施例中，工作流体14是碳氢化合物。碳氢化合物的非限 制实例包括选自环戊烷，n-戊烷，丙烷，丁烷，n-己烷和环己烷的组中的至少一种。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以及工作流体的总体温度56的图解50。图解50 是仿真的结果。X轴51表示作为热交换器的总长度的函数的流动长度，而Y轴53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大约100 摄氏度升高到过热器62区段处的1单位的流动长度处的大约510摄氏度。类似地，与废热 流体相接触的工作流体的薄膜温度54从预热器58处的大约80摄氏度升高到蒸发器60中 的在大约244摄氏度至大约273摄氏度之间变化，且进一步在过热器62处达到大约240摄 氏度的温度，其远低于工作流体的阈值温度。工作流体的总体温度56也从预热器中的大约 71摄氏度升高到蒸发器中的在大约233摄氏度与231摄氏度之间变化，且在过热器中进一 步达到大约240摄氏度的温度。工作流体的总体温度和薄膜温度之间的较窄的差距(特别 是在过热器区段中)，清楚地表示了过热器中的薄膜温度的较大的稳定性以及将温度限制 于安全限值。图3是将工作流体71的温度限制到阈值温度以下的0RC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引入到热交换器78中。热交换器78包括多个外 部82和/或内部84加强特征。在所示的实施例中，该特征包括翅片。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和废热流体76之间的第一传热系数。外部加 强特征的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和废热(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
o如本文所示，工作流体71以液态进入预热器92。预热器92包括在外部且相对于 彼此以相等的长度均勻地间隔开的翅片93。此外，工作流体71进入蒸发器94。蒸发器94 的一部分96包括在外部、处于比预热器92处的长度更短的长度且均勻地间隔开的翅片98。 该蒸发器的一部分102包括外部翅片104和内部翅片106。外部翅片104处于比翅片98的 长度更短的长度，且典型地均勻地隔开。内部翅片106设置成以便增大工作流体71和废热 流体76之间的第一传热系数，同时减小工作流体71的薄膜所经历的蒸发器的壁温度。在 一个特定实施例中，第一传热系数在流体侧上范围介于大约3000至大约5000W/m2-K之间， 且在其中流体为气体的实施例中，在废热流体的一侧上具有大约100W/m2-K的值。在其中 工作流体71容易过热的热交换器78的区段中减小翅片的面积。类似地，为了补偿，在其中 工作流体71不容易过热的区段中增大翅片的面积，以便减小热交换器78外部的第二传热 系数。在一个示例性实施例中，第二传导系数在流体侧上范围在大约20000到大约40000W/
8m2-K之间，且在其中流体是气体的实施例中在废热流体的一侧上具有大约100W/m2-K的值。 此外，很少或没有外部翅片设置在过热器108中，而可设有内部翅片110。在一个示例性实 施例中，在过热器的工作流体侧上，第三传热系数具有大约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120。X轴122表示热交换器的各个区段，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表示的排气出口处的温 度越过预热器、蒸发器和由参考标号138表示的排气出口位置处的过热器急剧地增加。类 似地，曲线140表示工作流体的温度，该温度从预热器124中的由参考标号142表示的工作 流体的入口开始增加，在蒸发器126中达到稳定状态144，且在过热器128中进一步略微增 加，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所 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示例性方 法170中的步骤的流程图。该方法170包括在步骤172中将废热流体引入到热交换器中，其 中，热交换器包括蒸发器、过热器和预热器。在步骤174中，将废热流体传送到蒸发器中，以 促进废热流体和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。在一个特定实施例中，在蒸发器中以与工作流体成 平行流动构造的方式传送废热流体。然后，在步骤176中，将温度较低的废热流体从蒸发器 传送到过热器，以促进温度较低的废热流体与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，且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， 温度较低的废热流体以介于大约425至大约475摄氏度之间的温度传送。在步骤178中， 进一步将温度升高的废热流体从过热器传送到预热器中，以便促进与包含在预热器中的处 于液态的温度相对较低的工作流体之间的热交换。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 流体和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提高热 交换器内部的、工作流体和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、蒸发器或者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 流体过热和质量降低的非常高效的手段。该系统和方法还消除了对通常所使用的中间流体 循环的使用，从而降低了显著的资金成本和复杂度。该技术还允许降低设备的基底面积，从 而允许在许多种应用中使用，诸如但不限于其中空间非常珍贵的海上钻油平台。当然，将理解的是，不一定所有以上所述的这样的目的或优点都可根据任何特定 的实施例实现。因此，例如，本领域技术人员将认识到，本文所描述的系统和技术可以这样 的方式来实施或者执行即实现或者优化本文所教导的一个优点或者优点组，而不一定实现可能在本文中所教导或者建议的另外的目标或者优点。此外，熟练技术人员将认识到来自不同的实施例的各种特征的可互换性。例如，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用于与关于 另一个实施例所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及匹配所描述的各种特征，以及各特征的其它已知的等效物， 以便根据本公开的原理构造另外的系统和技术。虽然本文中仅示出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 修改和改变。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实质精神内的所 有这样的修改和改变。
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)，所述有机朗肯循环系统(10)包括构造成以便传送废热流体(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)包括蒸发器(22)，该蒸发器(22)构造成以便接收来自所述热源(16)的废热流体(18)且使所述工作流体(14)汽化，所述蒸发器(22)进一步构造成以便促进所述废热流体(18)与处于升高的温度的所述被汽化的工作流体(25)之间的热交换，且进一步产生包括温度较低的废热流体的蒸发器出口流；过热器(24)，该过热器(24)构造成以便接收来自所述蒸发器(22)的温度较低的废热流体(23)，所述过热器(24)进一步构造成允许所述温度较低的废热流体(23)与包含在所述过热器(24)中的温度相对较高的工作流体(25)之间进行热交换，且进一步产生包括温度升高的废热流体(27)的过热器出口流；以及预热器(28)，所述预热器(28)构造成以便接收来自所述过热器(24)的温度升高的废热流体(27)，且允许与包含在所述预热器(28)中的处于液态的温度相对较低的工作流体进行热交换。
2.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，引入到所述蒸发器(22)中的所述废 热流体(18)的温度包括大约450到大约600摄氏度之间的范围。
3.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，离开所述蒸发器(22)的温度较低的 废热流体(23)的温度包括大约425到大约475摄氏度之间的范围。
4.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，离开所述蒸发器(22)的工作流体 (14)的温度包括大约230摄氏度。
5.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，离开所述过热器(24)的温度升高的 废热流体(23)的温度包括大约375到大约425摄氏度之间的范围。
6.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述预热器(28)构造成以便加热处 于液态的工作流体。
7.一种用于在有机朗肯循环中将工作流体的温度限制在阈值温度以下的方法(170)， 包括将废热流体引导(172)到热交换器中，所述热交换器包括蒸发器，过热器和预热器；将所述废热流体传送(174)到所述蒸发器，以便促进所述废热流体与在所述蒸发器内 汽化的处于升高的温度的工作流体之间的热交换，以产生包括温度较低的废热流体的蒸发 器出口流；将所述温度较低的废热流体从所述蒸发器传送(176)到过热器，以便促进温度较低的 废热流体与包含在所述过热器中的温度相对较高的工作流体之间的热交换，且进一步产生 包括温度升高的废热流体的过热器出口流；以及将所述温度升高的废热流体从所述过热器传送(178)到预热器，以便促进与包含在所 述预热器中的处于液态的温度相对较低的工作流体的热交换。
8.根据权利要求7所述的方法(170)，其特征在于，所述的将废热流体传送(174)到所 述蒸发器中包括以与所述蒸发器中的工作流体成平行流动的方式传送所述废热流体。
9.根据权利要求7所述的方法(170)，其特征在于，所述传送(176)包括以介于大约425到大约475摄氏度之间的温度将温度较低的废热流体从所述蒸发器传送到所述过热器中。
10.根据权利要求7所述的方法(170)，其特征在于，所述传送(178)包括以介于大约 375至大约425摄氏度之间的温度将温度升高的废热流体从所述过热器传送到所述预热器中。
全文摘要
本发明涉及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的温度限制在阈值温度以下的ORC系统。ORC系统包括构造成以便传送废热流体的热源。ORC系统还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汽化工作流体的蒸发器。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温度较低的废热流体，且进一步构造成允许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进行热交换，且产生包括温度升高的废热流体的过热器出口流。热交换器还包括预热器，预热器构造成以便接收来自过热器的温度升高的废热流体且允许与包含在预热器中的成液态的温度相对较低的工作流体进行热交换。
文档编号F01K23/10GK101881193SQ20101017701
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