专利名称：用于回收废热的闭合循环系统的制作方法
技术领域：
本文公开的主题实施例大体涉及方法和系统，并且更具体而言，涉及用于使用闭合循环系统来进行废热回收的工艺和技术。
背景技术：
存在许多产生废热的工业和商用工艺。用语“废热”指的是由一次工艺发出的、传统上未被开发成能源的残余热。工业运行中的普遍废热源包括来自空间加热组件、锅炉、发动机和冷却系统的热。及底(bottoming)热循环使用来自热源(诸如发动机排气)的废热，并且将那个热能转化成电。在图1中显示了用作及底循环的典型的有机兰金循环(ORC)。图1包括接收来自热源(例如，燃气涡轮排气)的废热的加热器/锅炉12。经加热的工作流体传送到涡轮14，其中，经加热的工作流体转化成机械功率，以驱动发电机16。所产生的低温和低压工作流体然后传送到冷凝器18，其中，该工作流体转化成液体，然后液体被泵20泵送回到加热器/锅炉12。在这样的系统中，普遍的工作流体是有机流体，诸如η-戊烷。这种循环可接受处于稍微高于有机工作流体的沸点的温度的废热，并且典型地将热释放到处于稍微低于有机工作流体的沸点的温度的环境空气或水。ORC循环的一个缺点在于，大多数有机工作流体都是高度可燃或有害的。需要额外的安全措施来避免任何泄漏，或者避免有机流体与热源直接接触。通常在热源和有机流体之间使用额外的中间传热介质，例如闭合的透热油回路。这会提高系统的成本和复杂性，以及降低效率。而且，有机及底循环的效率在很大程度上取决于对有机流体的选择，这取决于其化学特性而仅允许有特定范围的工作温度。由于流体的化学特性的限制，大多数现有的ORC系统仍然在较低的工作流体温度下运行。对于高温应用，诸如发动机排气的热回收，由于诸如工作流体的热稳定性和自燃温度的问题，对工作流体的选择受到限制。具有一种高效地回收废热且克服上面提到的缺点的简单的系统和方法将是合乎需要的。
发明内容
根据一个不例性实施例，存在一种用于废热回收的闭合循环系统。该闭合循环系统包括:构造成将热从外部热源传递到工作流体的热交换器；流体地连接到热交换器上的膨胀器，其构造成使工作流体膨胀，以及产生机械能；回热器(recuperator),其流体地连接到膨胀器上，并且构造成从工作流体中移除热；冷凝单元，其流体地连接到回热器上，并且构造成使工作流体冷凝；以及泵，其流体地连接到冷凝单元上，并且构造成将冷凝的工作流体泵送回到回热器。工作流体通过第一交换器、膨胀器、回热器、冷凝单元和泵的路径是闭合的。冷凝单元包括:构造成压缩工作流体的多级压缩机；设置在多级压缩机的上游的至少一个冷却机构，其构造成冷却工作流体，以实现预定温度；以及设置在多级压缩机的下游的至少一个冷却机构，其构造成使工作流体冷凝。在多级压缩机的相邻的级之间存在至少一个中间冷却机构，其构造成在相邻的级之间将工作流体冷却到预定温度。根据一个示例性实施例，冷凝单元可为制冷单元。根据又一个示例性实施例，存在一种回收废热的方法，该方法是闭合循环系统的一部分。该方法包括:将热从外部热源传递到工作流体；使经加热的工作流体膨胀，以产生机械能；冷却经膨胀的工作流体；使经冷却的工作流体冷凝，以将工作流体变成液相；泵送冷凝的工作流体；以及借助于从经膨胀的工作流体中传递出热来加热泵送的工作流体。使工作流体冷凝的步骤进一步包括将工作流体冷却到预定温度，压缩工作流体，以及进一步冷却工作流体以使工作流体冷凝。
结合在说明书中且构成说明书的一部分的附图示出了一个或多个实施例，并且与描述共同阐明这些实施例。在图中:
图1是大体已知的闭合循环有机兰金系统的示意 图2是根据示例性实施例的、用于废热回收的闭合循环系统的示意 图3是典型的整体式齿轮传动(integrally geared)多级压缩机的示意 图4示出了根据示例性实施例的、通过用于废热回收的闭合循环系统的工作流体的压力-热函相 图5是根据示例性实施例的、用特定的温度和压力示出的用于废热回收的闭合循环系统的不意 图6是根据示例性实施例的、用于废热回收的、使用制冷单元的闭合循环系统的示意
图7示出了根据示例性实施例的、用于废热回收的闭合循环系统的构件的机械布置；
以及
图8是示出了根据示例性实施例的、用于回收废热的方法的流程图。
具体实施例方式示例性实施例的以下描述参照附图。不同的图中的相同参考标号标识相同或相似的元件。以下详细描述不限制本发明。本发明的范围而是由所附权利要求限定。为了简单，关于具有整体式齿轮传动多级压缩机、多级径向(或轴向)膨胀器和泵的系统的术语和结构来论述以下实施例。但是，接下来待论述的实施例不限于这些系统，而是它们可应用于在闭合循环中使用多级压缩机、膨胀器和泵的其它系统。整个说明书中对“一个实施例”或“实施例”的参照意味着与实施例结合起来描述的特定的特征、结构或特性包括在公开的主题的至少一个实施例中。因而，在整个说明书的各处出现短语“在一个实施例中”或“在实施例中”未必指示同一实施例。另外，特定的特征、结构或特性可按任何适当的方式结合在一个或多个实施例中。根据本文论述的实施例，公开一种废热回收系统。示例性废热回收系统利用热源，以允许有较高效率的废热回收，以产生电。热源可包括内燃机、燃气涡轮、地热、太阳热、工业和民用热源等。参照图2，示出了根据本发明的示例性实施例的用于废热回收的闭合循环系统
10。系统10包括成串行流关系的热交换器25、膨胀器27、回热器29、冷凝单元31和泵39，它们形成闭环。外部热源23与热交换器25成热交换关系。工作流体串行地传送通过热交换器25、膨胀器27、回热器29、冷凝单元31，再次传送到回热器29，并且回到热交换器25。因而，工作流体遵从闭合路径，并且不与外部环境或任何其它流体相互作用。膨胀器27可为多级膨胀器，并且泵39可为多级泵。冷凝单元31包括流体地连接到第一冷却机构33和第二冷却机构37上的多级压缩机35。第一冷却机构33位于多级压缩机的上游，并且第二冷却机构37位于多级压缩机的下游。在一个示例性实施例中，冷却机构33和37可为翅片-管型或壳-管型的热交换器。这种热交换器可将空气或水用作冷却介质。在一个应用中，多级压缩机是整体式齿轮传动压缩机。在若干种油气应用中，整体式齿轮传动压缩机(诸如由意大利的佛罗伦萨的Nuovo Pignone S.p.A生产的SRL压缩机)用于或者低流/高压状况或者高流/低压状况。在图3中示出的此类型的压缩机具有大齿轮66，以及一至四个高速小齿轮68。可将一个或两个叶轮70安装在各个小齿轮轴上，如图3中显示的那样。可在级之间提供中间冷却机构72，以在工作流体从压缩机的一个级传送到压缩机的另一个级时冷却工作流体。在一个示例性实施例中，中间冷却机构72可为翅片-管型或者壳-管型的热交换器。这种热交换器可将空气或水用作冷却介质。整体式齿轮传动压缩机提供在各个级之后具有中间冷却的可能性，这会导致吸收较少的功率和提高整体效率。而且，在各个级之后具有导叶是可行的，从而与传统的单轴多级压缩机相比，提高运行范围。再次参照图2，第一冷却机构33设置在多级压缩机35的上游，并且构造成冷却工作流体。图2中的第一冷却机构33和图3中的中间冷却机构72构造成提高工作流体的密度，并且从而致使压缩的效率提高。第二冷却机构37设置在多级压缩机35的下游，并且构造成冷却工作流体，以使工作流体的相从气体变成液体。在一个示例性实施例中，冷却机构33和37可为翅片-管型或者壳-管型的热交换器。这种热交换器可将空气或水用作冷却介质。工作流体可为CO2或具有高分子密度且能够承受高温的任何另一种不可燃的无毒无腐蚀性流体(诸如氮，或CO2与诸如氦的其它惰性气体的混合物)。在本发明的一个示例性实施例中的用于废热回收的闭合循环系统是跨临界循环。跨临界循环是其中工作流体经历亚临界状态和超临界状态两者的热力学循环。超临界状态指的是当流体的温度和压力两者均在其临界点之上的流体的状态。临界点是流体可作为气体和液体平衡地存在所处的最高的温度和压力。在其超临界状态中，流体显示液体和气体两者的属性。在流体的临界点之下的状态被称为亚临界。在一个示例性实施例中，系统10的工作可描述如下:C02在超临界状态中接收在热交换器25中，其中，CO2接收来自外部热源23的热。经加热的CO2循环到膨胀器27，其中，CO2变冷，并且驱动膨胀器27的轴，以产生机械能。在这个级处，CO2的压力降到临界点之下，并且从而，CO2在膨胀器的出口处处于气相(亚临界状态)。膨胀器27可连接到功率发生单元上，以产生电。膨胀器27也可连接到其它装置(例如，压缩机或泵)上，以提供必要的能量来启动它们。CO2蒸气传送到回热器29，其中，CO2被进一步冷却，并且循环到冷凝单元31。在冷凝单元中，CO2蒸气被第一冷却机构33冷却，并且然后循环到多级压缩机35。多级压缩机35压缩CO2蒸气，从而使CO2蒸气循环到第二冷却机构37。在压缩期间，CO2再次进入超临界状态。可在级之间提供中间冷却机构72，以在CO2从压缩机的一个级传送到压缩机的另一个级时冷却C02。第二冷却机构37冷却CO2，从而将其转化成液相。液态CO2传送到泵39。液态CO2被泵39泵送和循环到回热器29。在泵的出口处，CO2再次进入超临界状态。CO2在回热器29中被加热，回热器29使用来自膨胀器CO2的热。处于超临界状态的CO2循环回到热交换器25，从而完成闭合循环。根据一个示例性实施例，图4显示了关于闭合循环系统10的工作流体(CO2)的P-H图(P指示压力，并且H指示处于某个点的工作流体的热函)。如前面论述的那样，本领域技术人员将理解，图4中显示的热力学转换是理想的，并且意图近似真实系统10中发生的真实转换。但是，这些理想转换是真实系统的特性的良好指示。根据一个示例性实施例，图5显示了在闭合循环系统50中的它们的物理位置处的图4的多个点。可认为废热源23 (诸如发动机排气)处于大约500°C的温度。处于超临界状态的CO2在大约200巴的压力和135°C的温度下进入热交换器25 (由图4中的点9显示)。CO2在热交换器25中被加热，并且达到大约428 °C的温度。因而CO2在大约428 °C的温度和大约200巴的压力下进入膨胀器27 (由图4中的点I显示)，在其中，CO2膨胀，从而旋转膨胀器的轴，以产生机械能。这里，0)2蒸气的压力降低到大约40巴，而温度降低到大约2450C (由点2显示)，从而进入亚临界状态。CO2蒸气然后传送到回热器29，在其中，CO2的温度降低到大约60°C，压力相同(由点3显示)。CO2蒸气然后进入冷凝单元31。CO2蒸气在第一冷却机构33处冷却，从而使其温度降低到30°C (对应于点4)。CO2在30°C和40巴下进入多级压缩机35，在其中，CO2被压缩。置于压缩机的级之间的中间冷却机构在压缩期间进一步冷却CO2,以提高系统的效率(由点5显示)。在压缩机的出口处，CO2气体被压缩到80巴的压力，而其温度上升到52°C (由点6显示)，从而使其进入超临界状态。然后CO2传送第二冷却机构37，在其中，CO2在恒定的压力下冷却到30°C的温度。这里，CO2变成液相。处于液相的CO2在大约30°C的温度和大约80巴的压力下传送到泵39(由点7显示)。处于液相的CO2被泵39泵送以使压力升高到大约200巴和使温度升高到大约50°C (由点8显示)，从而再次进入超临界状态。然后CO2传送到回热器29，在其中，CO2被加热，并且其温度升高到大约135°C，压力相同(由点9显示)。然后处于超临界状态的CO2传送回到热交换器23，从而完成闭合循环。再次参照图4的P-H图，拱顶形曲线指示CO2的蒸气-液体平衡曲线(通常称为“蒸气拱顶”)。CO2的临界点位于拱顶的峰值处。在这个拱顶下面的区域指示气体和液体可平衡地共存的压力和热函点。在蒸气拱顶上面的区域指示CO2的超临界状态，而在临界区下面在拱顶的右侧处的区域则指示CO2的气态。如可在图中看到的那样，本发明的热力学循环部分地在蒸气拱顶上面(超临界)以及部分地在蒸气拱顶下面(亚临界)。注意，图4的点1、6、8和9指示CO2的超临界状态，而点2、3、4和5则对应于CO2的气态。点7接近临界点，在此处，CO2的温度正好在临界温度之下。在这点处，CO2获得密相，尽管密相可为气体，但它基本如液体一样运转。因而，在这个步骤处使用泵来压缩CO2是合乎需要的。诸如运行闭合循环系统，将CO2用作工作流体，在多级压缩机的级之间具有中间冷却，以及使处于超临界状态的CO2通过闭合循环的一部分的新颖的实施例有助于改进整个循环的效率。根据示例性实施例，可结合所有这些特征。图6显示了根据本发明的示例性实施例的、用于废热回收的闭合循环系统80。系统80包括与热交换器25成热交换关系的外部热源23。工作流体传送通过热交换器25、膨胀器27、回热器29、制冷单元45、泵39，再次通过回热器29，并且回到热交换器25，以完成闭合循环。制冷单元45构造成使工作流体冷凝，从而使相从气体变成液体。制冷单元可为独立的电动的氨基工业冷却器单元。这样的商用制冷单元在市场可容易地得到(例如，可从York International获得的工业冷却器单元)。系统80的工作与图2中描述的系统10相同，仅有的差别在于冷凝单元31由制冷单元45代替。热力学循环中的对应的变化由图4的P-H图中的虚线显示。图4中的点4a显示了当制冷单元45用作冷凝单元时泵送阶段的开始。在非常热的环境状况中需要使用制冷单元，在该环境状况中，可能难以使用如前面的实施例中的系统10所描述的冷却机构与多级压缩机来实现冷凝。图7显示了根据本发明的示例性实施例、用于废热回收的闭合循环系统的构件的机械布置。膨胀器27、多级压缩机35和泵39通过整体式齿轮传动系统而连接。所有的涡轮机构件均如显示的那样布置在中心齿轮箱的两侧。这会产生紧凑的布置，从而减小整体式齿轮传动系统的总占地面积。接下来，在图8中描述用于使用闭合循环系统来回收废热的方法。方法包括:步骤112，将热从外部热源传递到工作流体；步骤114，使经加热的工作流体膨胀以产生机械能；步骤116，冷却经膨胀的工作流体；步骤118，使经冷却的工作流体冷凝以使工作流体变成液相；步骤120，泵送冷凝的工作流体；以及步骤122，通过从膨胀的工作流体中传递出热来加热泵送的工作流体。使工作流体冷凝的步骤118包括使工作流体冷却到预定温度从而压缩工作流体，以及进一步冷却工作流体以使其冷凝。公开的示例性实施例提供一种用于废热回收的闭合循环系统和方法。应当理解，这个描述不意于限制本发明。相反，示例性实施例意于覆盖包括在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围中的备选方案、修改和等效方案。另外，在示例性实施例的详细描述中，阐明了许多具体细节，以便提供声明的发明的全面理解。但是，本领域技术人员将理解，可在没有这样的具体细节的情况下实践各种实施例。虽然在实施例以特定的组合描述了目前的示例性实施例的特征和要素，但各个特征或要素可在没有实施例的其它特征和要素的情况下单独使用，或者在有或没有本文公开的其它特征和要素的情况下以多种组合的方式使用。本书面描述使用公开的主题的示例来使本领域任何技术人员能够实践该主题，包括制造和使用任何装置或系统，以及实行任何结合的方法。本主题的可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。这样的其它示例意于处在权利要求的范围之内。
权利要求
1.一种用于废热回收的闭合循环系统，所述系统包括: 热交换器，其构造成将热从外部热源传递到工作流体； 膨胀器，其流体地连接到所述热交换器的出口上，并且构造成使所述工作流体膨胀，以及产生机械能； 回热器，其流体地连接到所述膨胀器的出口上，并且构造成从所述工作流体中移除执.冷凝单元，其流体地连接到所述回热器的出口上，并且构造成使所述工作流体冷凝；以及 泵，其流体地连接到所述冷凝单元的出口上，并且构造成将冷凝的工作流体泵送回到所述回热器， 其中，所述回热器流体地连接到所述热交换器上，使得所述工作流体遵从闭合路径。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述冷凝单元进一步包括: 多级压缩机，其构造成压缩所述工作流体； 冷却机构，其流体地连接到所述多级压缩机上，并且构造成冷却所述工作流体。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述冷却机构进一步包括: 第一冷却机构，其设置在所述多级压缩机的上游，并且构造成冷却所述工作流体，以实现预定温度； 第二冷却机构，其设置在所述多级压缩机的下游，并且构造成使所述工作流体冷却和冷凝。
4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，整体式齿轮传动压缩机在相邻的级之间包括至少一个中间冷却机构。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述冷凝单元构造成使所述工作流体的状态变成超临界状态。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述工作流体的状态变成超临界状态在所述多级压缩机中进行。
7.一种废热回收的方法，所述方法是闭合循环系统的一部分，所述方法包括: 将热从外部热源传递到工作流体； 使经加热的工作流体膨胀，以产生机械能； 冷却经膨胀的工作流体； 使经冷却的工作流体冷凝，以使所述工作流体的相变成液相； 泵送冷凝的工作流体；以及 通过从经膨胀的工作流体中传递出热来加热泵送的工作流体。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，使所述工作流体冷凝的步骤进一步包括: 使所述工作流体冷却到预定温度； 压缩所述工作流体； 进一步冷却所述工作流体，以使所述工作流体冷凝。
9.一种用于废热回收的闭合循环系统，所述系统包括: 热交换器，其构造成将热从外部热源传递到工作流体；膨胀器，其流体地连接到所述热交换器的出口上，并且构造成使所述工作流体膨胀，以及产生机械能； 回热器，其流体地连接到所述膨胀器的出口上，并且构造成从所述工作流体中移除执.制冷单元，其流体地连接到所述回热器的出口上，并且构造成使所述工作流体冷凝；以及 泵，其流体地连接到所述制冷单元的出口上，并且构造成将冷凝的工作流体泵送回到所述回热器， 其中，所述回热器流体地连接到所述热交换器上，使得所述工作流体遵从闭合路径。
10.一种跨临界闭合循环系统，用于废热回收，并且构造成遵从在压力-热函空间中标绘的相曲线，所述系统包括: 热交换器，构造成将热从外部热源传递到工作流体； 膨胀器，其流体地连接到所述热交换器的出口上，并且构造成使所述工作流体膨胀，以及产生机械能； 回热器，其流体地连接到所述膨胀器的出口上，并且构造成从所述工作流体中移除执.冷凝单元，其流体地连接到所述回热器的出口上，并且构造成使所述工作流体冷凝；以及 泵，其流体地连接到所述冷凝单元的 出口上，并且构造成将冷凝的工作流体泵送回到所述回热器， 其中，所述回热器流体地连接到所述热交换器上，使得所述工作流体遵从闭合路径，以及 其中，所述相曲线包括: 第一曲线部分，其位于所述工作流体的临界点上方， 第二曲线部分，其位于所述工作流体的临界点下方，并且位于所述工作流体的蒸气拱顶的右侧处，以及 接近所述工作流体的临界点的至少一个点。
全文摘要
本发明涉及用于回收废热的闭合循环系统。一种用于废热回收的闭合循环系统包括构造成将热从外部热源传递到工作流体的热交换器；流体地连接到热交换器上的膨胀器，其构造成使工作流体膨胀，以及产生机械能；回热器，其流体地连接到膨胀器上，并且构造成从工作流体中移除热；流体地连接到回热器上的冷凝单元，其构造成使工作流体冷凝；以及流体地连接到冷凝单元上的泵，其构造成将工作流体泵送回到回热器。工作流体通过热交换器、膨胀器、回热器、冷凝单元和泵的路径是闭合的。
文档编号F01K27/02GK103161534SQ20121054055
公开日2013年6月19日 申请日期2012年12月14日 优先权日2011年12月14日
发明者R.马武里, B.科萨马纳 申请人:诺沃皮尼奥内有限公司