[发明专利]用于通过有机朗肯循环产生能量的设备和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于通过有机朗肯循环产生能量的设备和方法。

已知基于热力学朗肯循环（ORC-有机朗肯循环）的设备，该设备以简单且可靠的方式将热能转换为机械能和/或电能。在这些设备中，优选地使用有机类型（具有高分子量或中等分子量）的工作流体来代替传统的水/蒸汽系统，因为有机流体不仅能够以相对低的温度（通常在100°C与300℃之间）转换热源，而且能够以较高的温度、以更有效的方式转换热源。因此，最近发现ORC转换系统在不同领域中越来越广泛地应用，诸如在地热领域中、在工业能量回收中、在用于从生物质和聚光太阳能发电（CSP）产生能量的设备中、在再汽化器（regasifier）中等。

背景技术

用于通过有机朗肯循环（ORC）转换热能的已知类型的设备通常包括：至少一个热交换器，在高温源与工作流体之间进行热交换以加热、蒸发（并且可能过度加热）工作流体；至少一个涡轮机，被供给从热交换器流出的经汽化的工作流体以根据朗肯循环将存在于工作流体中的热能转换成机械能；至少一个发电机，可操作地连接至涡轮机，其中由涡轮机产生的机械能被转换成电能；至少一个冷凝器，其中，从涡轮机出来的工作流体被冷凝并输送到至少一个泵；工作流体被从泵供给至热交换器。

例如在公开文献US4458493和WO2010/106570中描述了用于高分子量气体和蒸汽膨胀的已知类型的涡轮机。在第US4458493号专利中公开的涡轮机为多级型，其中，第一轴向级接着的是径向的向心级。相反，在文献WO2010/106570中公开的涡轮机为轴向型，并且该涡轮机包括具有用于将工作流体从入口运送至出口的外围螺旋管（volute）的箱体、第一定子和可能的其他定子、绕轴线旋转并且承载第一转子以及可能的其他转子的涡轮机轴。管状元件以悬臂式从箱体延伸并且与涡轮机轴同轴。支承单元位于管状元件与涡轮机轴之间并且除了该轴以外能够从管状元件全部抽出。

更普遍地，当前用于热力学ORC循环的已知膨胀箱体的类型为轴向的一级型和多级型以及为径向的一级型和多级向心型或流入型。

文献WO2011/007366示出了在ORC热力学循环的领域中使用的用于产生能量的涡轮机，其包括在彼此后面轴向地布置的三个径向级。

文献EP2080876示出了涡轮机组（turbomachine），特别是多级式涡轮压缩机，其包括两个涡轮机（其中一个为径向内流式涡轮机）和两个压缩机。

文献US1,488,582示出了设置有一个高压部和一个低压部的涡轮机，在该涡轮机中，流体流逐渐从轴向方向偏离至径向方向。

文献US2010/0122534示出了用于能量回收的封闭式或环状回路系统，其包括径向内流式涡轮机。

发明内容

在该范围内，本申请人感到有必要：

-关于目前在ORC设备中使用的涡轮机，增大在所述涡轮机内部发生的能量转换的效率；

-关于目前在ORC设备中使用的涡轮机，降低结构复杂性和提高涡轮机的可靠性。

更具体地，本申请人感到有必要减小由于工作流体的泄漏和通风引起的损耗以及热耗，以改善在涡轮机中以及更一般地在ORC设备中的能量转换处理和涡轮机的总效率。

本申请人发现上述目标可以在用于通过有机朗肯循环（ORC）产生能量的设备和方法的领域中使用径向离心式或流出式膨胀涡轮机来实现。

更具体地，本发明涉及一种用于通过有机朗肯循环产生能量的设备，该设备包括：具有高分子量的有机工作流体；至少一个热交换器，用于在高温源与工作流体之间进行热交换，以加热和蒸发所述工作流体；至少一个膨胀式涡轮机，被供给从热交换器流出的经汽化的工作流体，以根据朗肯循环将存在于工作流体中的热能转换成机械能；至少一个冷凝器，在该至少一个冷凝器中，从所述至少一个涡轮机流出的工作流体被冷凝并且输送到至少一个泵；然后工作流体被供给至所述至少一个热交换器；所述设备的特征在于膨胀式涡轮机为径向流出类型。

具有高分子量的有机工作流体可以选自包括碳氢化合物、酮、硅氧烷或含氟材料（包括全氟材料）的组，并且通常具有包括在150g/mol与500g/mol之间的分子量。优选地，该有机工作流体为全氟-2-甲基戊烷（具有没有毒性且不易燃的附加优点）、全氟1,3二甲基环己烷、六甲基二硅氧烷或八甲基三硅氧烷。