CN101881192B - 改进的有机朗肯循环系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种改进的有机朗肯循环系统和方法。提供了一种构造成以便将工作流体(14)的温度限制在阈值温度以下的ORC系统(10)。该ORC系统(10)包括构造成以便提供废热流体(18)的热源(16)。该ORC系统(10)还包括联接到热源(16)上的热交换器(20)，其中，热交换器(20)包括多个外部(82)或内部(84)加强特征。外部(82)加强特征构造成以便减小热交换器(20)外部的、工作流体(14)与来自热源(16)的废热流体(18)之间的第一传热系数。内部(84)加强特征构造成以便增大热交换器(20)内部的、工作流体(14)与来自热源(16)的废热流体(18)之间的第二传热系数。
Description
相关申请的交叉引用
本申请涉及以下共同未决的美国专利申请，该申请序号为No.{代理人案号No.233702-1}，名称为“Organic Rankine Cycle System andMethod”(有机朗肯循环系统和方法)，转让给与本申请相同的受让人且与本申请一并提交；该申请的整体通过引用而结合在本文中。
技术领域
本发明大体涉及有机朗肯循环(ORC)系统，且更具体而言涉及用于有机朗肯循环系统的经济的系统和方法。
背景技术
随着能源危机的到来，以及节约和更加有效地使用我们的可用能源的需要，已经使用朗肯循环系统来捕获所谓的“废热”，否则该“废热”会损失到大气中，且这样一来，“废热”就会由于需要多于必要的更多燃料来产生动力而间接地损害环境。
目前排放到环境中的废热的普遍的(废热)源是地热源和来自其它类型的发动机(例如在其排气中释放出大量热的燃气涡轮发动机，以及在其排气中释放出热且释放热来冷却诸如水和润滑剂的液体的往复式发动机)的热。
大体上，已作为对小型和中型燃气涡轮的改型而应用了ORC系统，以从热气流中捕捉合乎需要的动力输出。在这种循环中使用的工作流体通常是处于约大气压力的碳氢化合物。但是，工作流体在超过临界温度(例如但不限于500摄氏度)时可能质量降低。在燃气涡轮系统中，排气的温度可比得上这种高温，并且因此，由于直接暴露于来自排气的热气，存在工作流体质量降低的合理的可能性。
为了避免上述问题，一般使用中间热流体系统来将热从排气传递到有机朗肯循环沸腾器。在一个实例中，流体是油。但是，中间流体热呈现出高达整个ORC的成本的约四分之一。此外，中间流体系统和热交换器需要较高的温差，从而使得大小增加，且降低了整体效率。
因此，合乎需要的是解决上述问题中的一个或多个问题的改进的ORC系统。
发明内容
根据本发明的一个实施例，提供了一种构造成以便将工作流体的温度限制在阈值温度以下的ORC系统。该ORC系统包括构造成以便提供废热流体的热源。该ORC系统还包括联接到热源上的热交换器，其中，热交换器包括多个外部加强特征或内部加强特征。外部加强特征构造成以便减小热交换器外部的、工作流体与来自热源的废热流体之间的第一传热系数。内部加强特征构造成以便增大热交换器内部的、工作流体与来自热源的废热流体之间的第二传热系数。
根据本发明的另一个实施例，提供了一种用于提供将工作流体的温度限制在阈值温度以下的ORC系统的方法。该方法包括提供构造成以便传送废热流体的热源。该方法还包括提供联接到热源上的热交换器，其中，热交换器包括多个外部加强特征或内部加强特征。外部加强特征构造成以便减小热交换器外部的、工作流体与来自热源的废热流体之间的第一传热系数。内部加强特征构造成以便增大热交换器内部的、工作流体与来自热源的废热流体之间的第二传热系数。
根据本发明的另一个实施例，提供了一种构造成以便将工作流体的温度限制在阈值温度以下的ORC系统。该ORC系统包括构造成以便提供废热流体的热源。该ORC系统包括联接到热源上的热交换器。热交换器包括构造成以便接收来自热源的废热流体且使工作流体汽化的蒸发器，蒸发器进一步构造成允许在废热流体和被汽化的工作流体之间进行热交换。热交换器还包括过热器，过热器构造成以便接收来自蒸发器的废热流体-由于热交换，废热流体处于相对较低的温度，且允许与处于最高温度的工作流体接触。热交换器进一步包括预热器，该预热器构造成以便接收来自过热器的废热流体，且允许与成液态的工作流体接触，其中，蒸发器、过热器和预热器包括多个外部加强特征或内部加强特征。外部加强特征构造成以便减小热交换器外部的、工作流体与来自热源的废热流体之间的第一传热系数。内部加强特征构造成以便增大热交换器内部的、工作流体与来自热源的废热流体之间的第二传热系数。
附图说明
当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，在附图中，同样的标号在所有图中表示同样的部件，其中：
图1是根据本发明的一个实施例的、构造成以便将工作流体的温度限制在阈值温度以下的ORC系统的示意图。
图2是在采用了图1中的ORC系统的热交换器内的工作流体的温度的图解说明。
图3是根据本发明的一个实施例的、构造成以便将工作流体的温度限制在阈值温度以下的另一个示例性ORC系统的示意图。
图4是在采用了图3中的ORC系统的热交换器内的工作流体的温度的图形表示。
图5是表示根据本发明的一个实施例的、用于在ORC中将工作流体的温度限制在阈值温度以下的方法中的步骤的流程图。
图6是表示根据本发明的一个实施例的、用于提供ORC系统的方法中的步骤的流程图。
部件列表
10 有机朗肯循环(ORC)系统
14 工作流体
16 热源
18 废热流体
20 热交换器
22 蒸发器
23 温度较低的废热流体
24 过热器
25 温度升高的工作流体
27 温度升高的废热流体
28 预热器
29 工作流体
31 温度相对较低的废流体
50 图解说明
51 X轴
52 温度
53 Y轴
54 薄膜温度
56 总体温度
58 预热器区段
60 蒸发器
62 过热器区段
70 ORC系统
71 工作流体
74 热源
76 废热流体
78 热交换器
82 多个外部加强特征
84 多个内部加强特征
92 预热器
93 翅片
94 蒸发器
96 蒸发器的一部分
98 翅片
102 蒸发器的一部分
104 外部翅片
106 内部翅片
120 示意性图解说明
122 X轴表示热交换器的各种区段
124 预热器
126 蒸发器
128 过热器
130 Y轴以摄氏度表示温度
134 曲线表示来自排气的废热流体的温度
136 排气口处的温度
138 排气口位置
140 表示工作流体的温度的曲线
142 在预热器中的工作流体的入口处的温度
144 稳态温度
146 过热器中的温度
150 阈值温度
170 用于在ORC系统中将工作流体的温度限制在阈值温度以下的方法
172 将废热流体引入热交换器中
174 提供构造成以便传送废热流体的热源
176 提供联接到热源上的热交换器
178 将温度升高的废热流体从过热器进一步传送到预热器中
190 用于提供将工作流体的温度限制在阈值温度以下的有机朗肯循环系统的方法
192 提供构造成以便传送废热流体的热源
194 提供联接到热源上的热交换器
具体实施方式
如在下面详细地论述，本发明的实施例包括有机朗肯循环(ORC)系统和将该系统内的工作流体的温度限制在阈值温度以下的方法。在一个实施例中，该系统和方法提供废热流体，废热流体流入热交换器的各种区段中，以使得在废热流体和工作流体之间能够有最优的热交换，从而避免工作流体的过热。在另一个实施例中，热交换器包括外部加强特征和内部加强特征，以在废热流体和工作流体之间提供最优的热交换。应当注意，这两个实施例还可彼此结合起来使用。如本文所用，术语“阈值温度”指的是在约250摄氏度至约350摄氏度之间的范围中的温度。
转到附图，图1是构造成以便将工作流体14的温度限制在阈值温度以下的有机朗肯循环(ORC)系统10的示意图。系统10包括以例如约400摄氏度至约600摄氏度之间的温度传送废热流体18的热源16。热交换器20联接到热源16上，且构造成以便以不使工作流体14过热的方式有利于工作流体14和废热流体18之间的热交换，将在下面更加详细地论述。热交换器20包括接收工作流体14的进入流且使工作流体14汽化的蒸发器22。蒸发器22接收来自热源16的废热流体18，且促进废热流体18与处于相对较低的温度(例如在约150摄氏度至约300摄氏度之间)的被汽化的工作流体15之间的热交换，且产生包括温度较低的废热流体23和温度升高的工作流体25的蒸发器出口流。在一个实施例中，离开蒸发器22的温度升高的工作流体25的温度为约230摄氏度。在另一个示例性实施例中，废热流体18和工作流体25在蒸发器22中成平行流动构造。术语“平行流动构造”指的是热从热源16的入口传递到蒸发器22的入口，并且类似地从热源16的出口传递到蒸发器22的出口。
来自蒸发器22的蒸发器出口流被传送到过热器24。过热器24进一步加热温度升高的工作流体25，以在热交换器20内产生与蒸发器22和预热器28处的工作流体的温度相比处于相对较高的温度的工作流体29。过热器24促进温度相对较高的工作流体29与温度较低的废热流体23之间的热交换，以产生包括温度升高的废热流体27的过热器出口流。应当注意，与进入过热器24的温度较低的废热流体23相比，直接来自热源16的废流体18处于较高的温度。因此，通过允许废热流体18在进入过热器24之前进入蒸发器22，避免了包含在过热器24内的温度相对较高的工作流体29与也处于相对较高的温度的来自热源16的废流体18接触。因此，消除了工作流体的薄膜由于与来自热源16的温度相对较高的废流体18接触而引起的潜在的质量降低。
温度升高的废热流体27从过热器24离开，且被传送到预热器28。在一个实施例中，离开过热器的温度升高的废热流体27的温度在约375摄氏度至约425摄氏度之间。预热器28包含成液态的温度相对较低的工作流体29，且促进温度相对较低的工作流体29与温度升高的废流体27之间的热交换，从而产生离开热交换器20的温度相对较低的废流体31。在一个实施例中，温度相对较低的工作流体29和温度升高的废流体27在预热器28中成逆流构造。在目前构想的一个实施例中，工作流体14是碳氢化合物。碳氢化合物的非限制性实例包括选自环戊烷、正戊烷、丙烷、丁烷、正己烷和环己烷的组中的至少一个。在另一个实施例中，热源包括燃气涡轮的排气。在又一个实施例中，废热流体处于气态。
图2是采用了图1中的流动布置的热交换器的预热器、蒸发器和过热器区段中的废热流体的温度52、工作流体的薄膜温度54和工作流体的总体温度56的图解说明50。图解说明50是仿真的结果。X轴51将流动长度表示为热交换器的总长度的分数，而Y轴53则以摄氏度表示温度。如图所示，废热流体的温度52从预热器区段58处的最小流动长度处的约100摄氏度增大到过热器62区段处的1单位的流动长度处的约510摄氏度。类似地，与废热流体接触的工作流体的薄膜温度54从预热器58处的约80摄氏度增大到在蒸发器60中在约244摄氏度至约273摄氏度之间变化，且在过热器62处进一步达到约240摄氏度的温度，这远远低于工作流体的阈值温度。工作流体的总体温度56也从预热器中的约71摄氏度增大到在蒸发器中在约233摄氏度和231摄氏度之间变化，且在过热器中进一步达到约240摄氏度的温度。工作流体的总体温度和薄膜温度(特别是在过热器区段中)之间的较窄的差距清楚地表示了过热器中的薄膜温度的较大的稳定性，以及使温度限于了安全极限。
图3是将工作流体71的温度限制在阈值温度以下的ORC系统70的另一个示例性实施例的示意图。热源74将废热流体76引入热交换器78中。热交换器78包括多个外部82和/或内部84加强特征。在所示实施例中，特征包括翅片。外部加强特征构造成以便减小热交换器78外部的、工作流体71与废热流体76之间的第一传热系数。外部加强特征的一个非限制性实例包括翅片。类似地，内部加强特征构造成以便增大热交换器78内部的、工作流体71与废热(流体)76之间的第二传热系数。内部加强特征的非限制性实例包括内部翅片、紊流器或沸腾面。在一个实施例中，热交换器78包括预热器、蒸发器和过热器。
如本文所示，工作流体71以液态的形式进入预热器92。预热器92包括外部的且相对于彼此均匀地隔开相等的长度的翅片93。另外，工作流体71进入蒸发器94。蒸发器94的部分96包括处于比在预热器92处的长度更短的长度且均匀地隔开的外部翅片98。蒸发器的一部分102包括外部翅片104和内部翅片106。外部翅片104的长度比翅片98的长度更短，且典型地均匀地隔开。内部翅片106设置成以便提高工作流体71和废热流体76之间的第一传热系数，同时降低工作流体71的薄膜所经历的蒸发器的壁温度。在一个特定的实施例中，第一传热系数在流体侧上范围介于约3000至约5000W/m2-K之间，且在其中流体是气体的实施例中，第一传热系数在废热流体侧上具有约100W/m2-K的值。翅片的面积在热交换器78的工作流体71在其中易受过热的影响的区段中有所减小。类似地，为了进行补偿，翅片的面积在其中工作流体71不易受过热的影响的区段中有所增大，以减小热交换器78外部的第二传热系数。在一个示例性实施例中，第二传热系数在流体侧上范围介于约20000至约40000W/m2-K之间，且在其中流体是气体的实施例中，第二传热系数在废热流体侧上具有约100W/m2-K的值。此外，过热器108中设置了较少的外部翅片或者没有设置外部翅片，同时可设置内部翅片110。在一个示例性实施例中，在过热器的工作流体侧上，第三传热系数具有约15000W/m2-K的值。
图4是热交换器78(图3)的预热器、蒸发器和过热器中的工作流体的示例性温度的示意性图解说明120。X轴122表示热交换器的各种区段，特别是预热器124(在图4中也称为“eco”)、蒸发器126(在图4中也称为“沸腾器”)和过热器128。Y轴130以摄氏度表示温度。曲线134表示来自排气的废热流体的温度。由参考标号136表示的排气口处的温度越过预热器、蒸发器和在由参考标号138表示的排气口位置处的过热器而陡峭地上升。类似地，曲线140表示工作流体的温度，该温度从在预热器124中的工作流体的入口(由参考标号142表示)开始上升，在蒸发器126中达到稳态144，且在过热器128中进一步略微上升(如由146所示)。应当注意，工作流体的温度在蒸发器和过热器中保持在由水平线150表示的阈值温度以下。
图5是表示用于在ORC系统中将工作流体的温度限制在阈值温度以下的一种示例性方法170的步骤的流程图。方法170包括在步骤172中将废热流体引入热交换器中，其中，热交换器包括蒸发器、过热器和预热器。废热流体在步骤174中被传送到蒸发器中，以促进废热流体与在蒸发器内汽化的、处于升高的温度的工作流体之间的热交换，以便产生包括温度较低的废热流体的蒸发器出口流。在一个特定的实施例中，废热流体在蒸发器中以与工作流体成平行流动构造的方式传送。然后温度较低的废热流体在步骤176中从蒸发器传送到过热器，以促进温度较低的废热流体和包含在过热器中的温度相对较高的工作流体之间的热交换，以及进一步产生包括温度升高的废热流体的过热器出口流。在一个实施例中，以约425摄氏度至约475摄氏度之间的温度传送温度较低的废热流体。温度升高的废热流体在步骤178中从过热器进一步传送到预热器中，以促进与包含在预热器中的成液态的温度相对较低的工作流体的热交换。在又一个实施例中，温度较低的废热流体和温度升高的废热流体以与工作流体成逆流构造的方式分别被传送到过热器和预热器。
图6是表示用于提供将工作流体的温度限制在阈值温度以下的有机朗肯循环系统的方法190中的步骤的流程图。方法190包括在步骤192中提供构造成以便传送废热流体的热源。在步骤194中提供联接到热源上的热交换器。热交换器包括多个外部加强特征或内部加强特征至少其中一种，其中，外部加强特征构造成以便减小热交换器外部的、工作流体与来自热源的废热流体之间的第一传热系数。此外，内部加强特征构造成以便增大热交换器内部的、工作流体与来自热源的废热流体之间的第二传热系数。在一个实施例中，提供热交换器包括提供预热器、蒸发器或过热器中的至少一个。在另一个实施例中，外部加强特征包括翅片。在又一个实施例中，内部加强特征包括翅片、紊流器和沸腾面。
限制工作流体的温度的有机朗肯循环系统和方法的各种实施例提供了避免工作流体的过热和质量降低的非常高效的方式。该系统和方法还消除了对常用的中间流体回路的使用，从而降低了重大的资金成本和复杂性。本技术还允许减小装置的占地面积(footprint)，从而允许用于各种各样的应用中，例如但不限于其中空间非常珍贵的海上油田平台。
当然，将理解的是未必可根据任何特定的实施例来实现以上描述的所有这样的目标或优点。因此，例如，本领域技术人员将认可，可以以这样的方式来实施或执行本文描述的系统和技术：即，实现或优化本文教导的一个优点或一组优点，而不一定实现可能在本文中教导或建议的其它目标或优点。
此外，熟练技术人员将了解来自不同实施例的各种特征的可互换性。例如，对关于一个实施例所描述的、工作流体和废热流体之间的平行流动构造的使用可适于与关于另一个实施例描述的包括外部加强特征和内部加强特征的热交换器一起使用。类似地，本领域普通技术人员可混合和匹配所描述的各种特征以及关于各特征的其它已知等效物，以根据本公开的原理来构造额外的系统和技术。
虽然仅仅在本文中说明和描述了本发明的某些特征，但是本领域技术人员将想到许多修改和变化。因此，将理解的是，所附的权利要求书意图覆盖落在本发明的真实精神内的所有这样的修改和变化。
Claims (10)
1.一种构造成以便将工作流体(14)的温度限制在阈值温度以下的有机朗肯循环系统(10)，所述系统(10)包括：
构造成以便提供废热流体(18)的热源(16)；
联接到所述热源(16)上的热交换器；其中所述热交换器包括预热器、蒸发器、过热器以及多个外部加强特征/或内部加强特征；
所述热交换器外部的所述外部加强特征构造成以便减小所述工作流体(14)与来自所述热源(16)的废热流体(18)之间的第一传热系数，且所述热交换器内部的所述内部加强特征构造成以便增大所述工作流体(14)与来自所述热源(16)的废热流体(18)之间的第二传热系数；
其中所述预热器仅包括所述外部加强特征；所述蒸发器包括所述外部加强特征和所述内部加强特征两者；所述过热器仅包括所述内部加强特征。
2.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述预热器和蒸发器的外部加强特征包括外部翅片，且蒸发器的外部翅片的长度短于预热器的外部翅片的长度。
3.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述外部加强特征包括翅片(93)。
4.根据权利要求2所述的系统(10)，其特征在于，所述蒸发器包括第一部分和第二部分，其中所述蒸发器的所述内部加强特征设置在所述第二部分上，且所述第二部分上的外部翅片的长度短于第一部分上的外部翅片长度。
5.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述热源(16)构造成以便将所述废热流体引入所述预热器(28)或所述蒸发器(22)中。
6.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述阈值温度包括约300摄氏度。
7.一种用于提供将工作流体的温度限制在阈值温度以下的有机朗肯循环系统的方法(190)，所述方法包括：
提供(192)构造成以便传送废热流体的热源；
提供(194)联接到所述热源上的热交换器，其中所述热交换器包括预热器、蒸发器、过热器以及多个外部加强特征/或内部加强特征；所述热交换器外部的所述外部加强特征构造成以便减小所述工作流体与来自热源的所述废热流体之间的第一传热系数，且所述热交换器内部的所述内部加强特征构造成以便增大所述工作流体与来自热源的所述废热流体之间的第二传热系数；其中所述预热器仅包括所述外部加强特征；所述蒸发器包括所述外部加强特征和所述内部加强特征两者；所述过热器仅包括所述内部加强特征。
8.根据权利要求7所述的方法(190)，其特征在于，所述预热器和蒸发器的外部加强特征是外部翅片，将蒸发器的外部翅片的长度设置成短于预热器的外部翅片的长度。
9.根据权利要求7所述的方法(190)，其特征在于，所述外部(82)加强特征包括翅片(93)。
10.根据权利要求7所述的方法(190)，其特征在于，所述蒸发器包括第一部分和第二部分，将所述蒸发器的所述内部加强特征设置在所述第二部分上，且将所述第二部分上的外部翅片的长度设置成短于第一部分上的外部翅片长度。
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