專利名稱：使用有機郎肯循環的能量回收系統的制作方法
技術領域：
本發明大體上涉及對來自諸如內燃機的原動機的余熱進行能量回收。
背景技術：
眾所周知，內燃機的熱效率非常低。通常，未被提取作為可用機械能的能量被作為余熱排至大氣中。通常，通過發動機的熱廢氣及其冷卻系統排出絕大部分的余熱。
發明內容
本發明教導了一種用于余熱回收的熱力系統，該系統利用了采用單一有機熱傳送工質的有機郎肯循環(ORC)，其經濟地增加了對溫度顯著不同的柴油機余熱流的能量回收。 獨立的高溫和低溫熱交換器(鍋爐)提供了沸騰的高壓和低壓蒸汽流，優選地，將該蒸汽流引導至具有安裝在公共軸上的雙渦輪的集成渦輪發電機。每個渦輪的尺寸都適用于每條蒸汽流的壓力比。優選地，通過公共回流管或液力聯軸節，這兩個渦輪都排放至同一冷凝器， 從而將從渦輪排放的工質回收至該系統。
圖1表示描繪了本發明的示例性實施方式的示意圖；以及圖2表示描繪了本發明的另一示例性實施方式的示意圖。
具體實施例方式圖1表示有機郎肯循環(ORC)系統10的流程圖，其具有單一有機工質，例如 R-M5fa、蒸汽、氟(fluorinol)、甲苯、氨、或任意適合的冷媒。通常，ORC 10包括高溫熱交換器或鍋爐14，與鍋爐14平行設置的低溫熱交換器或鍋爐34，集成渦輪發電機20、以及冷凝器30。低壓泵42將處于相對較低壓力(IlOOkPa)的液化有機工質供應至低溫鍋爐34以及高壓泵40的吸入口。高壓泵40以相對較高的壓力(2000kPa-3000kPa)將有機工質供應至高溫鍋爐14。高溫循環高溫余熱源％將高溫熱輸送介質(諸如內燃柴油機的高溫廢氣)提供至排氣管道12用于流過鍋爐14。通常，取決于發動機負載，經由排氣管道12進入鍋爐14的廢氣在 300C-620C的范圍，并且經由排氣通道13排出鍋爐14的廢氣在100C-140C的范圍。廢氣余熱％加熱從高壓泵40排出的高壓液化有機工質，并且通過管道15使其流過高溫鍋爐14， 從而產生從高壓工質到排出通過管道18的高壓氣體流的相變。通過管道18，將排出高溫鍋爐14的高壓氣體流輸送至集成渦輪20。通常，通過排氣通道13，將由此產生的排出鍋爐 14的冷卻廢氣釋放至大氣或廢氣洗滌器，或者作為EGR(廢氣再循環)返回至進氣歧管。集成渦輪20包括安裝在公共軸沈上的雙渦輪(高壓渦輪22和低壓渦輪24)。該公用軸可以給發電機或任意其他期望的設備27提供動力或對其進行操作。在集成渦輪20 中，來自管道18的高壓氣體流流過高壓渦輪22，從而驅動設備27。高壓渦輪22和低壓渦輪M排放至公共工質通道觀，該通道將廢棄且冷卻的氣體流傳送至冷凝器30。冷凝器30進一步冷卻該廢氣流，從而將這些氣體流冷卻為液相。通過管道33，將該液相流輸送至(例如)處于大約170kPa-300kPa的低壓泵42的吸入側。通過管道50，將冷卻介質流(諸如，冷空氣或水)傳送至冷凝器30，并且使其流過處于(例如) 大約25C-45C的冷凝器30，從而去除流過冷凝器30的流的剩余余熱％。低溫循環再次參見圖1，通過管道33，將排出冷凝器30的經壓縮的有機工質引導至低壓泵 42的吸入口。接著，當作為相對低壓(IlOOkPa)的液相有機工質排出泵42的排出口時，管道35將該液化工質引導至高壓泵40的進入口以及低溫鍋爐34。該工質排出低溫鍋爐34， 并且作為相對低壓的氣體流流入管道38。與以上描述的高溫循環類似，低溫余熱源^將高溫熱輸送介質(諸如經加熱的發動機燃氣或壓縮機提供的“充氣”)提供至通道32，以傳送至低溫鍋爐34。在鍋爐34中，余熱Ql加熱流過鍋爐34的相對低壓的液體流，導致從低壓液體至低壓氣體流的相變，該低壓氣體流流入管道38。因此，低溫鍋爐34也用作中冷，用于在進入發動機燃燒循環之前的發動機充氣。由此產生的冷卻工質(即，充氣)經由通道37排出鍋爐34，并且通常被引導至發動機的進氣歧管。通過管道38，將排出鍋爐34的低壓氣體流引導至集成渦輪20，其中通過低壓渦輪 24使低壓氣體流膨脹。低壓渦輪M也排放至公共工質通道觀，其中來自渦輪22和M的組合排放物流過冷凝器30，并且由此作為冷卻且液化的工質經由管道33排出。本發明的系統和方法還包括控制系統，其適于控制流至以及通過每個熱交換器 14、34的工質的流率。在圖1的示例實施方式中，控制系統包括使用變速泵(諸如，電泵)， 以用于高壓泵40和低壓泵42。此外，控制器50接收表明(例如)從熱交換器排出的工質的排出溫度的信號，確定并且產生適當的控制信號，并且經由線路52適當地向泵40、42之一或這兩者發送控制信號，從而基于(例如)離開熱交換器的蒸汽的目標過熱度值來控制每個泵的速度，并且因此控制對于熱交換器的工質的流率。在圖1的示例性實施方式中，可以在排出管道18、38中設置溫度感應器，用于生成信號并經由傳感線路M將信號發送至控制器50。在圖2所示的可替換實施方式中，控制系統包括設置在各熱交換器的上游側的低壓流量控制閥56和高壓流量控制閥58，用于控制流入相應熱交換器的工質。控制器50接收(例如)表明從熱交換器排出的工質的排出溫度的信號，確定并產生適當的控制信號，并且經由線路60將控制信號恰當地發送至閥56、58之一或這兩者，從而基于(例如)離開熱交換器的蒸汽的目標過熱度值，控制每個閥的位置(即，打開程度)，并且因此控制到熱交換器的工質的流率。在另一個實施方式中，該系統可以包括變速泵和流量控制閥這兩者。通常，在運行期間，對于每個熱交換器的熱輸入通常與另一個成比例。因此，當一個熱交換器具有增加的熱輸入時，另一個熱交換器也會具有增加的熱輸入。在增加熱輸入期間，也需要提高流至每個熱交換器的有機工質的流率，以適應更高的熱輸入，并且保持離開每個熱交換器的蒸汽的目標過熱度。這可以或是通過提高泵40、42之一或這兩者的泵速，或是通過打開相應熱交換器上游的流量控制閥56、58來實現，以允許流至熱交換器的額外流量。當針對一個熱交換器的熱輸入減少時，通常這兩個熱交換器的熱輸入都會減少，并且需要降低有機工質的流率，以防止飽和工質進入透平膨脹機。優選地，調節針對這兩個熱交換器的流率以防止由于溫度過高而導致工作工質的熱擊穿。通過增加流至特定熱交換器的有機工質的流率，可以實現這種調節。此外，需要調節流率以防止飽和工質進入透平膨脹機。通過根據需要來降低對于每個熱交換器的流率，可以實現這種調節。通常，對于低溫熱交換器的熱輸入沒有高到足以引起工質的熱擊穿，并且因此可以很容易地將工質流率降低至零流率，而不會使工作工質降級。這有益于在發動機高載荷運行時，冷卻高溫熱源。以上描述的余熱回收系統可以應用于內燃機，以增加基礎發動機的熱效率。處于明顯不同溫度的余熱流支配了不同的熱交換器/鍋爐溫度(即，不同的壓力)，從而使得來自每個余熱源的能量回收的潛能最大化。如以上討論的，通過將沸騰的蒸汽流引導至膨脹機(優選地，該膨脹機具有雙渦輪，并且優選地，該雙渦輪安裝在公用軸上)，本發明利用處于不同壓力的單一工質而從兩個余熱流提取熱能。采用本文以上公開的雙渦輪組件，利用具有處于不同壓力比的雙渦輪的單一旋轉組件，由于每個渦輪的尺寸都適用于每個氣體流的壓力比，所以能夠經濟性地回收來自溫度范圍較寬的余熱源的熱能。因此，與采用兩個單獨的渦輪相比，本系統和方法成本更低，并且附加損失也更小。雖然以上結合特定實施方式描述了本發明的原理，應該明確理解的是，該描述只是以示例的方式給出，并非用作對本發明范圍的限制，本發明范圍由所附權利要求闡述。
權利要求
1.一種利用單一有機工質從具有不同溫度的雙余熱源回收能量的方法，所述方法包括a)設置第一余熱源；b)設置第二余熱源，所述第二余熱源的溫度低于所述第一余熱源；c)設置第一熱交換器；d)使來自所述第一余熱源的第一熱輸送介質流過所述第一熱交換器；e)設置第一泵，從而將所述有機工質加壓至第一壓力；f)使所述有機工質流過所述第一熱交換器；g)引導來自所述第一熱交換器的所述有機工質通過第一渦輪；h)引導來自所述第一渦輪的所述有機工質通過冷卻冷凝器；i)設置第二泵，設置在所述冷卻冷凝器的下游，從而將所述有機工質加壓至第二壓力， 所述第二壓力大于所述第一壓力；j)設置第二熱交換器；k)使來自所述第二余熱源的第二熱輸送介質流過所述第二熱交換器； 1)使排出所述第二泵的經加壓的所述有機工質流過所述第二熱交換器；以及 m)引導來自所述第二熱交換器的所述有機工質通過第二渦輪。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，所述第二渦輪對相關聯的設備提供動力。
3.根據權利要求1所述的方法，其中，所述第一渦輪和所述第二渦輪安裝在公共軸上。
4.根據權利要求3所述的方法，其中，所述公共軸驅動發電機。
5.根據權利要求1所述的方法，其中，所述第二泵設置在所述第一泵的下游。
6.根據權利要求1所述的方法，其中，所述第一渦輪和所述第二渦輪操作共同的設備。
7.根據權利要求1所述的方法，進一步包括控制對于所述第一熱交換器和所述第二熱交換器中至少一個的有機工質的流率。
8.根據權利要求1所述的方法，進一步包括感應排出所述第一熱交換器和所述第二熱交換器中至少一個的所述有機工質的溫度，并且基于所述溫度控制所述有機工質的流率。
9.一種利用單一有機工質從具有不同溫度的雙余熱源回收能量的系統，所述系統包括a)第一熱交換器，被布置為接收來自第一余熱源的熱輸送介質；b)第一泵，適于將所述有機工質加壓至第一壓力，并且將所述有機工質輸送通過所述第一熱交換器；c)第一渦輪，被設置為接收來自所述第一熱交換器的所述有機工質；d)公共通道，被布置為接收來自所述第一渦輪的所述有機工質；e)冷卻冷凝器，被布置為接收來自所述公共通道的所述有機工質；f)第二泵，設置在所述第一泵的下游，用于將所述有機工質加壓至第二壓力，所述第二壓力大于所述第一壓力；g)第二熱交換器，被布置為接收來自所述第二余熱源的熱輸送介質，并且接收排出所述第二泵的所述有機工質；以及h)第二渦輪，設置為接收來自所述第二熱交換器的所述有機工質。
10.根據權利要求9所述的系統，其中，所述第一渦輪操作設備。
11.根據權利要求9所述的系統，其中，所述第一渦輪和所述第二渦輪安裝在公共軸上。
12.根據權利要求11所述的系統，其中，所述公共軸驅動發電機。
13.根據權利要求9所述的系統，其中，所述第一渦輪和所述第二渦輪操作共同的設備。
14.根據權利要求9所述的系統，進一步包括流量控制系統，從而控制對于所述第一熱交換器和所述第二熱交換器中至少一個的有機工質的流率。
15.根據權利要求14所述的系統，其中，所述第一泵和所述第二泵是變速泵，所述流量控制系統包括控制器，所述控制器適于產生控制信號，從而控制所述第一泵和所述第二泵的速度，以控制所述有機工質的流率。
16.根據權利要求15所述的系統，其中，基于排出所述第一熱交換器和所述第二熱交換器的所述有機工質的溫度，所述控制器產生所述控制信號。
17.根據權利要求14所述的系統，其中，所述流量控制系統包括相應的流量控制閥， 設置在所述第一熱交換器和所述第二熱交換器中每一個的上游；以及控制器，適于產生控制信號，以控制所述流量控制閥的位置，從而控制所述有機工質的流率。
18.根據權利要求17所述的系統，其中，基于排出所述第一熱交換器和所述第二熱交換器中至少一個的所述有機工質的溫度，所述控制器產生所述控制信號。
全文摘要
本發明提供一種使用有機郎肯循環的、用于余熱回收的熱力系統，其采用單一有機熱傳送工質以回收來自具有不同余熱溫度的兩個余熱流的熱能。獨立的高和低溫鍋爐提供了高和低壓蒸汽流，這些蒸汽流被引導至具有安裝在公共軸上的雙渦輪集成渦輪組件。每個渦輪的尺寸都適用于各個氣流的壓力比。
文檔編號F01K27/00GK102472121SQ201080033420
公開日2012年5月23日 申請日期2010年6月23日 優先權日2009年7月23日
發明者蒂莫西·C·恩斯特 申請人:康明斯知識產權有限公司