[发明专利]用于利用废热产生电力的方法和设备

说明书

发明背景

1.技术领域

本发明大体涉及用于利用来自动力装置的废热产生电力的方法 和设备，并且特别涉及那些利用有机兰金循环(Rankine cycle)的方 法和设备。

2.背景信息

海洋和陆基动力装置可产生温度范围为350至1850华氏度() 的废气产物。在多数应用中，废气产物排放到外界，而散失了热能。 然而，在一些情况下，热能被进一步利用。例如，来自工业燃气轮 机(IGT)的废气的热能已经用作驱动兰金循环系统的能源。

兰金循环系统可包括连接到发电机上的涡轮机、冷凝器、泵和 蒸气发生器上。蒸气发生器受热源(如地热能源)的控制。来自热 源的能量传递到经过蒸气发生器的流体。赋予能量的流体随后向涡 轮机提供动力。在离开涡轮机后，流体流经冷凝器并随后泵送回到 蒸气发生器中。在陆基应用中，冷凝器典型地包括多个气流热交换 器，气流热交换器将热能从水中转移到外界空气中。

在二十世纪七十年代和八十年代，美国海军研究了一种兰金循 环系统的海洋应用，称为兰金循环能量回收(RACER)系统。RACER 系统采用高压蒸气作为工作介质并且连接到驱动系统上，以便增大 驱动马力。由于连接到驱动系统上，RACER不能用来向任何附件提 供动力；也就是说，如果驱动系统没有运行，则RACER系统也是如 此。RACER系统从未充分地执行，并且该方案因与在海洋应用中使 用高压蒸气的相关难题而取消。

所需要的是一种能在海洋环境中使用的且用于利用来自动力装 置的废热产生电力的方法和设备，以及一种克服了与现有技术系统 相关的难题的方法和设备。

发明概述

根据本发明，提供了一种用于在船舶上产生电力的方法和设备。 该方法包括步骤：(a)提供兰金循环装置，该装置包括蒸发器、涡 轮发电机、冷凝器和制冷剂进给泵中的每一种中的至少一个，涡轮 发电机包括同发电机相连接的涡轮机；(b)在船舶的动力装置的排 气管道内设置一个或多个蒸发器；(c)运行动力装置；和(d)选择 性地泵送制冷剂经过兰金循环装置，其中离开蒸发器的制冷剂向涡 轮机提供动力，涡轮机又向发电机提供动力，以便产生电能。

本方法和设备提供了重要的优点。例如，燃烧其动力装置内液 体矿物燃料的船舶的航程典型地受到其所能携带的燃料储备的制 约。在多数现代船舶中，一部分燃料储备用来运行产生电能的发电 装置。因此，驱动需求和电能需求都动用了燃料储备。本方法和设 备通过利用船舶动力装置产生的废热而不是矿物燃料来发电，降低 了燃料储备的要求。因此，船舶能够携带较少燃料而具有相同的航 程，或者携带相同量的燃料而具有较大的航程。此外，较少的燃料 等同于较轻的重量，而较轻的重量能提高船舶速度。

如果考虑将被要求用于产生电能的矿物燃料的量，该电能可由 本发明通过废热产生，则很明显的是，本发明提供了几个其它的优 点。例如，利用船舶现有的主要动力装置或辅助动力装置来产生“N” 单位电功率所需的燃料重量远远超过能通过废热产生相同的“N”单 位电功率的现有ORC装置的重量。此外，液体燃料的消耗改变了船 舶的浮力特性。现有ORC装置的重量保持恒定，从而方便了船舶的 浮力控制。

对于那些利用放置在冷凝器内的回热式热交换器的实施方式， 本发明向设置在相对紧凑单元内的ORC装置提供了增加效率的额外 益处。

本发明的又一个优点，起因于自船舶动力装置的废气中排除的 热能。废气的质量流量是体积流量和废气密度的函数。本方法和设 备使得废气较大地冷却并因此增大废气密度。从而，充分地降低了 质量流量，并且充分地减少了船舶动力装置排气管道的要求尺寸。

根据对本发明附图所示的最佳实施方式的具体介绍，将会清楚 本发明的这些以及其它目的、特点和优点。

附图简要说明

图1是本发明ORC装置的实施例的图解透视图，该ORC装置 具有单个涡轮发电机。

图2是本发明ORC装置的实施例的图解透视图，该ORC装置 具有一对涡轮发电机。

图3是本发明ORC装置的实施例的图解透视图，该ORC装置 具有三个涡轮发电机和单个冷凝器。

图4是本发明ORC装置的实施例的图解透视图，该ORC装置 具有三个涡轮发电机和一对冷凝器。

图5是冷凝器的剖视平面视图。