[发明专利]用于有机兰金循环系统的直接蒸发器系统和方法

说明书

技术领域

本文中公开的主题的实施例大体上涉及功率生成系统，并且更尤其地涉及有机兰金(Rankine)循环(ORC)系统。

背景技术

兰金循环利用封闭循环中的工作流体，以通过产生通过涡轮膨胀以产生功率的热气体流而从热源或者热储蓄器收集热。膨胀的流在冷凝器中通过将热传递至冷储蓄器而被冷凝，并被再次泵送至加热压力，以完成循环。诸如燃气涡轮或往复式发动机(一次系统)的功率生成系统产生热排气，其或者用于随后的功率产生过程(通过二次系统)或者作为废热散失于环境中。例如，大型发动机的排气可在用于额外功率的产生的废热回收系统中回收，从而改善总系统效率。普通的废热功率生成系统是如图1所示的兰金循环。

功率生成系统100包括也称为锅炉的换热器2、涡轮4、冷凝器6和泵8。穿过该闭环系统，从换热器2开始，例如热烟道气的外部热源10加热换热器2。这使所接收的加压液体介质12变成流向涡轮4的加压蒸汽14。涡轮4接收加压的蒸汽流14，并且当加压蒸汽膨胀时可生成功率16。被涡轮4释放的膨胀的较低压力蒸汽流18进入冷凝器6，所述冷凝器6将膨胀的较低压力蒸汽流18冷凝成较低压力的液体流20。较低压力的液体流20然后进入泵8，所述泵8生成较高压力的液体流22，并保持闭环系统流动。较高压力的液体流12然后被泵送至换热器2，以使该过程继续。

可用于兰金循环的一种工作流体是有机工作流体。这种有机工作流体称为有机兰金循环(ORC)流体。ORC系统已被布置成用于发动机以及用于小型和中型燃气涡轮的改型，以捕获来自热烟道气流的废热。该废热可用于二次功率生成系统，以除仅由产生热烟道气的发动机输送的功率外生成达到额外20%的功率。

现在关于图2描述常用于在亚临界条件下加热流体的常规锅炉2。初始地，加压ORC液体204进入换热器202在预热段206中，预热段206典型地朝在排气导管216内的气体流218的较冷端定位。从预热段206起，ORC流体移入用于蒸发的蒸发器段208。由于在瞬态操作期间，不是所有的ORC流体可被蒸发，所以ORC流体从蒸发器段208离开，并进入将没有蒸发的任何液体分离出的分离鼓210。导管216的多个冲孔(在该示例中是四个)由“X”220示出。蒸汽然后重新进入导管216，以进入换热器202的过热段212用于过热。蒸汽然后在去ORC循环的膨胀阶段途中作为过热的ORC蒸汽214离开。图2示出了简化的ORC加热系统。然而，ORC系统包括在蒸发器段208与过热段212之间的、传统地安置在导管216外的其它元件，所述其它元件未示出。

ORC系统常在工作流体的临界压力以下操作。当流体在压力对温度图上沿着连接三相点(在该处流体可作为液体、蒸汽和固体共存的点)与临界点的曲线上在其临界点以下、但在其三相点以上时，流体可以是气体、液体或者在两者之间进行相变、例如蒸发。在临界点以上、即其中温度和压力均在临界点以上的温度和压力组合处，流体被认为是超临界流体。在图3中示出并且现在描述了这些区域的图示。可利用压力(P)对温度(T)图300描述包括ORC流体的一些介质，以图示介质在各种压力和温度下的某些特性。点A代表三相点。点B代表临界点，对于所述临界点，压力和温度均处于它们相应的Pc和Tc值处，并且超出该点，在液相与气相之间没有明显的区别，即不存在相变。联接A与B的曲线302代表具有其中介质可沸腾的各种温度和压力组合的那些点，其中气相是在曲线302以下的区域304，并且液相是在曲线302以上的区域306。

亚临界区域由在曲线302上的，沿曲线302的下50%的那些点限定。ORC系统通常利用各种类型的换热器设计在亚临界区域中操作。一种这样的换热器是通常被认为是紧凑换热器的板肋片式系统。然而，由于在沸腾期间生成的相对低压的蒸汽在换热器内形成通过窄通道的不切实际的大的压降，所以紧凑换热器通常不用于在ORC系统中加热近临界或超临界区域中的工作流体。为此，板肋片式系统用于亚临界区域。在超临界区域中操作ORC系统可在功率生成系统中生成效率改善。然而，用于这样的区域的交换器建造昂贵。

因此，期望用于为在功率生成系统中利用ORC系统而降低成本和改善效率的系统和方法。

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