專利名稱：級聯有機蘭金循環系統的制作方法
技術領域：
本公開總體上涉及有機蘭金循環(ORC)系統，并且更具體地涉及級聯有機蘭金循環。
背景技術：
有機蘭金循環是以有機流體制冷劑代替水/水蒸氣作為工作流體的蒸氣動力循環。該工作流體在“蒸發器/鍋爐”中由廢熱源或低品質熱源來加熱。流體以液體作為開始而以蒸氣作為結束。高壓制冷劑蒸氣在渦輪機中膨脹以產生電力。從渦輪機排出的低壓蒸氣冷凝，然后被送回到泵以重新啟動該循環。用于發電的簡單蘭金循環遵循如下工藝順序:I)絕熱壓力(adiabaticpressure)通過泵上升；2)在預熱器、蒸發器和過熱器中的等壓加熱(isobaric heataddition) ;3)在潤輪機中絕熱膨脹(adiabatic expansion);以及4)在冷凝器中的等壓放熱(isobaric heat rejection),但其它循環改動也是可能的,諸如添加蒸氣到液體回流換熱器(recuperator)等。有機蘭金循環中主要的熱力不可逆性是由蒸發器中廢熱流的溫度和沸騰的制冷劑的溫度之間的較大溫差引起的。廢熱流溫度越高，該不可逆性變得越大。一種用來減少該損耗的方式是將兩個熱力循環級聯在一起，其中在較高溫度下運行的循環將熱排放到在較低溫度下運行的循環。
發明內容
根據本公開的示例性方面的一種級聯有機蘭金循環系統包括底循環(bottomingcycle),底循環通過冷凝器/蒸發器與頂循環(topping cycle)熱連通,其中底循環工作流體首先蒸發然后過熱，而頂循環工作流體首先降低過熱然后冷凝，使得飽和冷凝期間出現的來自頂循環流體的總熱傳遞的百分比等于或小于飽和蒸發期間出現的到達底循環流體的總熱傳遞的百分比。根據本公開的示例性方面的操作級聯有機蘭金循環系統的方法，其中底循環與頂循環熱連通，其包括保持頂循環中的流體的百分比飽和度小于底循環中的流體的40%飽和度。
從公開的非限制性實施方式的以下詳細說明中，各種特征對于本領域技術人員將變得顯而易見。本詳細說明的附圖可簡要描述如下:
圖1為具有頂循環和底循環的級聯有機蘭金循環的示意 圖2為用于底循環的TS 圖3為用于頂循環的TS圖；以及
圖4為使頂流體(娃氧燒MM)降低過熱(de-superheating)然后冷凝并使底流體 (R245fa)蒸發然后過熱的逆流式熱交換器中的溫度分布線圖。
具體實施例方式圖1示意性地圖示了級聯有機蘭金循環系統20。級聯有機蘭金循環系統20包括至少兩個蘭金循環，其中相對較熱的頂循環22與相對較冷的底循環24相級聯。在所公開的非限制性實施方式中，頂循環22使用硅氧烷MM作為工作流體，而底循環24使用R245fa。然而，應當認識到的是，可另外地使用另外的循環和其它工作流體。頂循環22總體上包括由工作流體驅動的電力產生渦輪機26，以便驅動產生電力的發電機28。制冷劑泵30增加了來自于冷凝器/蒸發器32的工作流體的壓力。從頂循環22傳遞熱至底循環24的熱交換器組在本文中被稱為“冷凝器/蒸發器” 32，但應當理解的是，熱交換器組還可包括在頂循環22中的工作流體的降低過熱(desuperheat)和過冷(subcooling),以及在底循環24中的工作流體的預熱和過熱。諸如鍋爐等蒸發器34接收來自例如油回路36的大量的熱輸入，以使硅氧烷MM工作流體氣化，其中硅氧烷MM工作流體的蒸氣被傳送通過至渦輪機26以提供動力。在離開渦輪機26后，相對較低壓力的工作流體蒸氣傳送至冷凝器/蒸發器32，并且通過與底循環24的熱交換關系而冷凝，使得冷凝器/蒸發器32在頂循環22中作為冷凝器運行而在底循環24中作為蒸發器運行。在所公開的非限制性實施方式中，渦輪機26為徑向向心渦輪機(radial inflowturbine)，徑向向心渦輪機使頂循環工作流體蒸氣膨脹直到較低的壓力，并且通過從該膨脹過程得到的功來發電。蒸氣仍被過熱，以便在冷凝器/蒸發器32中使用蒸氣的熱勢(heatpotential)。實際上，冷凝器/蒸發器32使工作流體降低過熱并且最終冷凝工作流體使其恢復到液體用于通過泵30傳輸。然后由泵30將經冷凝的工作流體環行至蒸發器34以完成頂循環22。底循環24總體上包括電力產生渦輪機36，電力產生渦輪機36由底循環中的工作流體來驅動，并且繼而驅動產生電力的發電機38。制冷劑泵40增加來自于回流換熱器40的工作流體的壓力。底循環工作流體經由水冷式冷凝器44與諸如水回路42等冷卻系統熱連通。依據所提出的循環的性質，使進入和離開渦輪機36的蒸氣高度過熱。在渦輪機出口處的過熱蒸氣的能勢(energy potential)沒有被浪費,而是被輸送到回流換熱器46中。回流換熱器46將來自低壓熱蒸氣的熱從渦輪機出口傳遞至在泵出口處的高壓液體。
回流換熱器46使用這種過熱來預熱泵40下游的液態工作流體。即是說，如果將循環驅動至高的渦輪機入口過熱，則渦輪機出口過熱將會是高的。由于回流換熱器46為內部熱交換器，因此可獲取該熱的可用性以保持循環效率。當使頂循環22的低壓側降低過熱時，重要的是將其回流換熱至實現較高過熱處的底循環24中。工作流體與其壓力的匹配促進了該相互作用。回流換熱器46僅在底循環24中。由于沒有回流換熱頂循環22，頂循環22的廢熱由冷凝器/蒸發器32獲取。兩種循環都是高度過熱的，但避免了熱交換器收縮(pinch)使熱傳遞溫差最小化并且使過程的不可逆性最小化。圖2示出了用于底循環24的TS圖。冷凝器/蒸發器32從回流換熱器46接收幾乎飽和的液體(接近于沸騰的溫度)。冷凝器/蒸發器32使制冷劑沸騰，然后將其從狀態6加熱至I。狀態I的情況是高度過熱的。來自渦輪機36的出口狀態——狀態2——也是高度過熱的。回流換熱器46使用該熱(狀態2至3)來加熱高壓工作流體(狀態5至6)。回流換熱器46的尺寸影響狀態6。例如，較小的回流換熱器46導致較少被傳遞的熱，且因此導致在6處較冷的更過冷的狀態，這導致需要來自冷凝器/蒸發器32的更多熱傳遞，并且導致在預熱和蒸發機制中該熱的百分比較大。圖3示出了用于頂循環22的TS圖。頂循環渦輪機26的出口狀態是高度過熱的，但沒有使用回流換熱器。作為替代，由于底循環高壓工作流體是過熱的，故將低壓工作流體蒸氣降低過熱。用于頂循環22的諸如硅氧烷等重分子的選擇導致高度成角的飽和圓頂(dome)。結果，渦輪機26的入口狀態僅是略微過熱的。圖4代表理想化的逆流式熱交換器。X軸線是每一種流體的標準化焓變，而I軸線是溫度。X軸線基于第一 熱力學定律，其用于熱交換器可以寫成:
權利要求
1.一種級聯有機蘭金循環系統，其包括: 頂循環；以及 通過冷凝器/蒸發器與所述頂循環熱連通的底循環，其中底循環工作流體首先蒸發然后過熱，而頂循環工作流體首先降低過熱然后冷凝，使得飽和冷凝期間出現的來自所述頂循環流體的總熱傳遞的百分比等于或小于飽和蒸發期間出現的到達所述底循環流體的總熱傳遞的百分比。
2.根據權利要求1所述的系統，其中，用于所述頂循環的所述工作流體是硅氧烷MM。
3.根據權利要求1所述的系統，其中，用于所述底循環的所述工作流體是R245fa。
4.根據權利要求1所述的系統，其中，所述底循環包括回流換熱器。
5.根據權利要求1所述的系統，其中，在所述冷凝器/蒸發器中的所述底循環流體和所述頂循環流體二者均是飽和的，超過所述總熱傳遞的大約40%。
6.根據權利要求1所述的系統，所述系統還包括通過蒸發器與所述頂循環熱連通的熱油回路。
7.根據權利要求1所述的系統，所述系統還包括通過冷凝器與所述底循環熱連通的冷卻回路。
8.一種操作級聯有機蘭金循環系統的方法，其中底循環與頂循環熱連通，其包括: 保持在所述頂循環中的工作流體的百分比飽和度小于在所述底循環中的工作流體的百分比飽和度。
9.根據權利要求8所述的方法，所述方法還包括: 使用硅氧烷MM作為所述頂循環中的工作流體；以及 使用R245fa作為所述底循環中的工作流體。
10.根據權利要求8所述的方法，所述方法還包括: 使用冷凝器/蒸發器作為所述底循環與所述頂循環之間的熱接口。
11.根據權利要求8所述的方法，所述方法還包括: 操作冷凝器/蒸發器作為用于所述頂循環的冷凝器并且作為用于所述底循環的蒸發器。
12.根據權利要求8所述的方法，其中，在標準化焓圖中從右往左流動的所述頂循環中的工作流體的“拐點”位于從左往右流動的所述底循環的工作流體的“拐點”的左邊。
13.根據權利要求8所述的方法，其中，所述頂循環中的工作流體小于在所述底循環中的工作流體的40%飽和度。
全文摘要
本發明涉及一種級聯有機蘭金循環系統，其包括底循環工作流體和頂循環工作流體，底循環工作流體首先蒸發然后過熱，而頂循環工作流體首先降低過熱然后冷凝，使得飽和冷凝期間出現的來自頂循環流體的總熱傳遞的百分比等于或小于飽和蒸發期間出現的到達底循環流體的總熱傳遞的百分比。
文檔編號F01K23/08GK103174475SQ20121056139
公開日2013年6月26日 申請日期2012年12月21日 優先權日2011年12月22日
發明者F.J.科斯維爾, B.P.比德曼, L.張 申請人:聯合工藝公司