[发明专利]用于回收废热的系统及其方法

说明书

一种基于布雷顿循环的废热回收系统包括加热器，该加热器被配置为使二氧化碳蒸气与热流体成热交换关系而循环，以加热该二氧化碳蒸气。膨胀机联接到该加热器并且被配置为使该二氧化碳蒸气膨胀。压缩机被配置为压缩通过冷却器进给的二氧化碳蒸气，并且换热器适于使该二氧化碳蒸气与从该压缩机到该加热器的该二氧化碳蒸气成热交换关系而从该膨胀机循环到该冷却器，其中该膨胀机和该压缩机是机械联接的容积式机器。

背景技术

本文所公开的实施方案整体涉及用于回收废热的热循环系统的领域，并且更具体地涉及用于回收废热的复合闭环热布雷顿循环系统及其方法。

多种工业以及商业过程和操作产生大量废热。示例性废热源包括来自加热组件、蒸气锅炉、引擎和冷却系统的热量。术语“废热”涵盖通过初级过程放出的通常不被用作能量源的任何残热供应，能量源包括但不限于太阳能或地热。

一些发电系统利用诸如沼气或垃圾填埋气的替代燃料提供了更好的可靠性和离网运行，例如燃气涡轮和内燃机(诸如微型涡轮机和往复式引擎)。内燃机可用于使用燃料(诸如汽油、天然气、沼气、植物油和柴油燃料)来发电。然而，可能会排放大气污染物，诸如氮氧化物、二氧化碳和颗粒。

从内燃机的废热发电而不增加排放的一种方法是施加底层蒸气朗肯循环。朗肯循环通常包括涡轮发电机、蒸发器/锅炉、冷凝器和液体泵。然而，由于较高的成本以及在操作期间需要持续监督，水基蒸气朗肯循环在前述低热(并且因此低电)废热区域中没有吸引力。仅在特定的循环温度和压力范围内，使用蒸气作为工作流体可能是最佳的。这种传统的蒸气朗肯底循环需要在相对低的压力下冷凝，这意味着低压涡轮和冷凝器的体积较大。因此，考虑到低温废热造成的相对小的功率和效率，传统的底层蒸气朗肯循环系统的安装过于庞大和复杂。蒸气冷凝的低压带来了其它复杂性，诸如需要特殊的排气单元来除去从外部泄漏到亚大气压容器中的大气空气。

在有机朗肯循环(ORC)(即，采用了有机流体的朗肯循环)的情况下，性能受到若干因素的限制，诸如在ORC内循环的流体的降解和工作约束、因其化学组成而引起有关工作流体的EHS隐患以及工作流体的热传递约束，从而导致系统成本增加。事实上，采用热传递流体(诸如导热油)的必要性降低了过程的可用焓，增加了装置的复杂性和成本。

对于低功率应用(0.1÷2MW)，期望有一种简单的系统和方法，其能够有效地回收废热并且不受在朗肯循环系统内循环的蒸气工作流体的约束，并且无人操作而无需任何监督。

发明内容

根据本文所讨论的一个或多个实施方案，公开了一种废热回收循环系统及相关方法。示例性热回收循环系统包括布雷顿循环系统，该布雷顿循环系统具有加热器，该加热器被配置为使二氧化碳蒸气与热流体成热交换关系而循环，以加热二氧化碳蒸气。根据示例性实施方案，示例性废热回收系统与热源集成(直接联接)，以允许更高效地回收废热，以便转化成用于发电和/或机械应用(诸如驱动泵或压缩机)的机械功率。热源可包括内燃机、燃气涡轮、地热源、太阳能热源、工业热源和住宅热源。

因此可以获得一种系统，该系统提供：

高效且高性价比的解决方案(由于选择CO2作为工作流体，因此装备较小)，用于将废热转化成机械能，这归功于可以将工作流体与热源直接联接(温差较高并且因此效率较高)，而由于诸如降解和EHS隐患的工作流体特征，这在ORC的情况下不可能实现；

安全且环境友好的解决方案(CO2无EHS隐患)；广泛的操作范围，这是由于循环仅可预测单相流体，因此不受环境条件的影响，因为不需要在所有环境条件下都达到冷凝相，而是在具有两相流体的废热回收朗肯循环中需要冷凝相。

一种不需要冷凝的解决方案，使得较高的环境温度仍适合于冷却，由于冷却器尺寸较小，这是与其它朗肯循环相比的一个主要优点。

不具有冷凝器的另一个优点与系统组件的布置有关，因为既不需要限制和约束，也不需要特殊的辅助设备，诸如热阱、疏水管道坡度、低NPSH泵等。