[发明专利]利用废热的级联有机兰金循环

说明书

政府利益声明

依据美国能源部和联合技术公司之间的合同No.DE-FC02-00CH11060，美国政府对本发明具有一定的权利。

背景技术

可在最小的环境影响作用下提供低成本能量并且可很容易地被整合在现有的电网或者能被迅速地设置为独立单元的发电系统有助于解决许多领域的紧急能量需求。内燃机例如微型涡轮机或往复式发动机能够利用现有普通燃料例如汽油、天然气以及柴油燃料以25-40％的效率低成本地发电。但是，对于往复式发动机来说，大气排放例如氮氧化物(NO_X)排放和颗粒物排放是个问题。

一种用内燃机的废热发电且不增加排放物输出的方法是应用及底循环。及底循环利用来自这种发动机的废热并将热能转变为电能。兰金循环常常被用作内燃机的及底循环。一种基本的有机兰金循环包括涡轮发电机、预热器/锅炉、冷凝器和液泵。这种循环可在稍高于所选有机工作流体的沸点的温度下吸收废热，且通常在稍低于所选有机工作流体的沸点的温度下将废热排向周围空气或水。对工作流体的选择决定了所述循环的温度范围/热效率特性。

在将低温废热源转换成电能时，使用一种流体的简单ORC系统利用类似于空调/制冷工业中所用的硬件和工作流体，是高效的、节约成本的。所述实例为使用由现有离心式压缩机获得的径流式涡轮机和如制冷剂R245fa的工作流体的ORC系统。

对于更高温度的废热流而言，最具有成本效率的ORC系统仍然在相对较低的工作流体温度下运行，允许继续使用HVAC衍生装置和普通的制冷剂。然而这些系统，尽管非常节约成本，但是并没有充分利用废热流的热力学势。

发明内容

简而言之，根据发明的一个方面，一对有机兰金循环(ORC)系统被组合在一起，并且单个共用换热器既被用作第一ORC系统的冷凝器，又被用作第二ORC系统的蒸发器。

通过本发明的另一方面，选择两个系统的制冷剂从而使得第一、高温系统的冷凝温度为汽化第二、低温系统的制冷剂的可用温度。这样，可以获得更高的效率并且排向大气的废热损失可显著地降低。

根据本发明的另一方面，单个共用换热器被用以降温且冷凝第一ORC系统的工作流体。

通过本发明的另一方面，如果第二换热器被设置在第一ORC系统中，具有用于降低第一ORC系统的工作流体温度的共用换热器，还具有用于冷凝第一ORC系统中的工作流体的第二冷凝器。

通过本发明的另一方面，设有利用废热的预热器对进入共用换热器之前的第二ORC系统中的工作流体进行预热。

在下面的附图中示出了优选的、经过改进的实施例；然而，在不偏离本发明的真实精神和范围的情况下，可以对本发明作出多种其他变型和替代结构。

附图说明

图1是现有技术中的有机兰金循环系统的示意图。

图2是图1所示有机兰金循环系统的TS曲线图。

图3是根据本发明组合在一起的一对有机兰金循环系统的示意图。

图4是图3所示有机兰金循环系统的TS曲线图。

图5是本发明的一个替代实施例。

图6是图5所示有机兰金循环系统的TS曲线图。

图7是本发明的另一个替代实施例。

图8是图7所示有机兰金循环系统的TS曲线图。

具体实施方式

现在参见图1，图中示出了一种常规形式的有机兰金循环系统，所述有机兰金循环系统包括接收来自上述热源的废热的蒸发器/锅炉11。受热工作流体流至涡轮机12，受热工作流体在那里被转换成驱动发电机13的动力。所产生的低温、低压工作流体然后流至冷凝器14，在那里它被转变成液体，该液体随后被泵16泵送回到蒸发器/锅炉11。

在这种典型系统中，常用的工作流体为甲苯。在蒸汽发生器11中，工作流体的温度上升到525左右后流至涡轮机12。在通过涡轮机12后，蒸汽的温度在其被冷凝前下降到大约300，然后被泵送回到蒸发器/锅炉11。