CN104583544B - 利用一有机朗肯循环回路产生电能的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明用以执行ORC处理的装置，包括第一循环流程，其中第一工作流体在第一循环流程中被导引，且第一循环流程包括蒸发器，膨胀机，设置在蒸发器的下游，其中膨胀机与用以产生电能的发电机连接，第一冷凝器，设置在膨胀机的下游，以及第一流体能机，设置在第一冷凝器的下游。上述装置还包括第二循环流程，且第二循环流程中的第二工作流体被导引流经第一冷凝器，且在第一冷凝器中被蒸发，其中第二循环流程包括第二流体能机，设置在第一冷凝器的下游，第二冷凝器，设置在第二流体能机的下游，其中第一工作流体可流经第二冷凝器，以及节流阀，设置在第二冷凝器的下游，其中膨胀机没有通过齿轮机构而可以轴杆连接发电机。

Description

利用一有机朗肯循环回路产生电能的装置
技术领域
本发明是关于用以执行一有机朗肯循环(ORC)处理(ORC-process)的装置，包括一第一循环流程(first circular flow)，其中一第一工作流体(first process fluid)在第一循环流程中被导引，且第一循环流程包括一蒸发器，用以蒸发第一工作流体，一膨胀机，设置在蒸发器的下游，用以膨胀被蒸发的第一工作流体，其中膨胀机与用以产生电能的一发电机连接，一第一冷凝器，设置在膨胀机的下游，用以冷凝被膨胀的第一工作流体，以及一第一流体能机(first fluid energy machine)，设置在第一冷凝器的下游，用以增加被冷凝的第一工作流体的压力，及用以输送第一工作流体至设置在第一流体能机的下游的蒸发器。上述流体能机的用语可被理解成描述一机器，其可与工作流体交换机械功(mechanical work)。
背景技术
ORC处理是被长久知悉，可被应用在一热源与一散热器之间的可利用温度梯度(temperature gradient)针对水蒸气驱动式膨胀机属于过小的情况。ORC处理的应用领域包括如生产过程、工业厂房、烟囱、沼气发电厂、以及热发电厂(block heat and powerplants)的废热或余热，上述厂房所产生的余热温度约为摄氏80至250度及更高。现有ORC处理已公开在例如DE 10 2009 049 338 A1或DE 10 2007 035 058 A1。一般而言，膨胀机可驱动一发电机以产生电力，上述电力被使用在工厂或被送入公共电网(public powergrid)。
由于电效率(electrical efficiency)低至10％以下，ORC处理并未享有大规模的扩展，因为实施所需要的投资显然超过可达成的节省。因此，大多数的情况下，可利用的余热没有执行ORC处理就被释放到环境中，理由是在考虑经济和生态的条件下，ORC处理非最理想的，特别在考虑可利用能量的持续管理时，更是大大地需要将余热中的能量做到最好的利用。现有ORC处理仅能够满足这些需求中的一有限部分，即使在考虑可利用能量的持续管理时，上述低效率问题仍为一大缺点。
如开头所述，ORC处理可应用在生产过程、工业厂房、烟囱、沼气发电厂、以及热发电厂，并利用被释放的废热或余热产生电能。在大多数情况下，这些厂房的空间不合于(backfitted)ORC装置，因此ORC装置的小型化设计扮演了重要的角色。在许多情况下，上述厂房的空间不合于现有ORC装置归咎于可利用空间的不足。
发明内容
因此，本发明的一目的在于进一步开发如开头所述的装置，使其效率提高到能够将余热中的能量作为经济上的使用。再者，本发明装置应配合可利用的空间，并具有小型化设计，从而能够被轻易整合至现有的厂房。
在如开头所述的装置还包括一第二循环流程(second circular flow)的情况下，上述目标是可达成的。其中，第二循环流程中的一第二工作流体(second process fluid)被导引流经第一冷凝器，并在第一冷凝器中被蒸发，且第二循环流程包括一第二流体能机(second fluid energy machine)，设置在第一冷凝器的下游，用以压缩被蒸发的第二工作流体，一第二冷凝器，设置在第二流体能机的下游，用以冷凝被蒸发的第二工作流体，其中第一工作流体可流经第二冷凝器，以及一节流阀，设置在第二冷凝器的下游，用以节流被冷凝的第二工作流体，其中膨胀机没有通过齿轮机构，即无齿轮(gearless)，而以一轴杆连接发电机。
在现有技术的ORC处理中，可利用冷却环境的方法由被膨胀的第一工作流体取出(withdrawn)热量，例如利用冷却塔(cooling towers)，但是也需要消耗自身能量，以致取出的热量未被使用就失去。另外，相对高的环境温度，例如处在赤道附近的区域，也会造成实质的负面影响，因为环境温度定义了较低的温度水平，从而造成热源与散热器之间的可利用温度梯度变得较小。因此，在没有利用到余热中的热量的情况下，该余热就消失。
在第一冷凝器中进行的热传递，可冷凝第一工作流体及加热第二工作流体。在第二循环流程中，第二工作流体被输送至第一工作流体会流经的热交换器，此时，热量由第二工作流体取出，并被用以加热第一工作流体。为了达到热传递，第二工作流体需要被压缩，以达到在热交换器中的第一工作流体的压力。为此，会使用到第二流体能机。
膨胀机与发电机间的无齿轮连接方式，可节省齿轮机构所需要的空间，从而使得本发明装置变得非常紧密(compact)且需要小的可利用空间，因此本发明装置可更轻易被整合至现有具有利用废热及余热需求的厂房。除此之外，齿轮机构会造成能量损失，故相较于包括有齿轮机构的装置，无齿轮机构的结构可增加本发明用以执行ORC处理的装置的效率。由于齿轮机构容易磨损，往往会造成干扰，因此无齿轮机构的结构更具有使得本发明装置运行更加可靠的优点。
在一有利的实施例中，轴杆的轴承包括一双滚子轴承结构(tandem rollerbearing configuration)。通常情况下，轴杆被两个彼此相隔一特定距离的轴承所支撑，例如径向轴承，且轴杆需要被轴向地支撑。在未使用齿轮机构连接涡轮机及发电机的情况下，没有办法将涡轮机所提供的转速增加或减少至发电机的最理想转速。在ORC处理中所使用的涡轮机通常是以非常高的转速运行，其中60000rpm并不少见。设在发电机的转子旁边的涡轮机的叶轮也被安装在同一轴杆上，且以简单或由上方悬垂的方式(overhung)被支撑，故导致了轴承一高的机械及热负载。因此，现有ORC装置配备有磁性或空气轴承。磁性轴承的价格昂贵，且进一步会消耗能量，以致降低ORC装置的整体效率。空气轴承具有以气垫(air cushion)支撑轴杆容易相对不稳定的缺点。在气垫失效的情况下，会导致ORC装置遭受无法被调整或需付出极大努力才可恢复的伤害。这些缺点通过双滚子轴承结构可被消除。双滚子轴承结构是一种轴承结构，其中至少一轴承被替换成双重或多重列轴承(doubleor multiple row bearings)，且轴杆是被两个转子轴承单元径向地及轴向地支撑。同时，特别相较于磁性轴承，使用双滚子轴承结构可显著降低初始成本，且不会因能量消耗而导致效率降低，且相较于传统的转子轴承，双滚子轴承结构更能够抵抗新形成的(emerging)热及机械负载，以减少轴承的伤害，从而使得ORC装置的运行更加可靠。再者，双滚子轴承结构具有仅需要小的可利用空间的优点，故有利于涡轮机及发电机的小型化结构。此外，由于双滚子轴承结构不需要更换润滑剂，故可实现一免维护的轴承，进而减少维护成本。
在一优选实施例中，膨胀机可被体现为一涡轮机，并具有连接发电机的一发电机外壳的一涡轮机外壳。将膨胀机体现为一涡轮机的实施例ORC处理操作的一种选择方法。将涡轮机与发电机整合为一物理单元(physical unit)，可减少其需要的空间，从而使得本发明装置变成一非常小型的物理单元，并可被轻易整合至现有的厂房。
优选地，涡轮机包括具有多个第一叶轮叶片的一第一叶轮，其中第一叶轮设置在轴杆上，且发电机的一转子也设置在轴杆上。在ORC处理的操作中，叶轮可转动轴杆，且轴杆在没有进一步插入物理单元的情况下可转动发电机的转子，进而产生电能。优选地，涡轮机及发电机是以发电机能够在其通常预期的转速下最理想地运行的方式作彼此调整。如此一来，可减少物理单元的数量，并减少需要的空间及增加装置的可靠度。
在一优选实施例中，涡轮机包括具有多个第一导轮叶片的一第一导轮及具有多个第一叶轮叶片的一第一叶轮。由于本发明目的是为提供尽可能小型化的装置，故在此之中，一径向式吹涡轮机(blown turbine)是有利的。导轮叶片可使得工作流体最理想地吹动叶轮叶片，以提高效率，进而使得本发明整体装置更有效率地运行。
本发明装置的另一实施例的区别在于，涡轮机包括一第二叶轮及具有多个再循环叶片(recirculation vanes)与多个第二叶轮叶片的一第二导轮。可以想象一流动型态(flow profile)，其中工作流体径向地流入涡轮机，先被第一叶轮的第一导轮叶片改道而流至第一叶轮叶片，接着通过叶轮叶片所定义的通道径向地向内流动。之后，工作流体轴向地流至第二导轮，并在此被设置在上游侧的再循环叶片再次改道而径向地向外流动。在第二导轮的下游侧，工作流体被改道且流至第二叶轮的第二叶轮叶片，进而转动第二叶轮。由此，可实现一两阶段式(two-stage)涡轮机，进而增加本发明装置的效率。当然，不仅两阶段式涡轮机，连三阶段式或多重阶段式涡轮机亦可被实现。
优选地，发电机外壳包括一发电机冷却单元。已经发现的是，发电机外壳的冷却具有多个优点。最重要的优点是，可减少在发电机运行时转子及定子的热应力，从而增加发电机的寿命。另外，可增加发电机的转速以获得更好的效率。再者，磁场强弱是与温度相关，且会随着温度增加而减弱。因此，发电机冷却单元可维持一强大的磁场，从而亦增加发电机的效率或维持效率在一高水平。
优选地，涡轮机外壳也包括一涡轮机冷却单元。在此情况下，涡轮机中组件的热应力也可被减少，从而增加涡轮机的寿命。根据设计，冷却单元可特别地冷却轴承结构，从而造成涡轮机的可靠度具有决定性的改善。
本发明装置的另一实施例的特点在于，一膨胀槽设置在膨胀机的下游，用以膨胀第一工作流体。在ORC处理中，工作流体由膨胀机离开时，是完全地或部分地处在液体状态。如果工作流体在具有相对小直径的第一循环流程的管路中被导引时，一背压(backpressure)可能在膨胀机中产生，而对膨胀机的效率会具有负面影响。膨胀槽提供一膨胀容量，使得其中的背压被减弱且不会退回进入涡轮机，因而膨胀机的效率不会受到不利的影响。
本发明实施例还包括一或多个另循环流程(further circular flows)，其中各自具有被导引的一另工作流体(further process fluid)，且另工作流体被一或多个第一热交换器加热，第一工作流体或多个流体可流经第一热交换器，其中另循环流程包括一另流体能机(further fluid energy machine)，设置在第一热交换器的下游，用以压缩被加热的另工作流体，一第二热交换器，设置在另流体能机的下游，用以将热量由被压缩的另工作流体转移至第一工作流体，其中第一工作流体可流经第二热交换器，以及一另节流阀(further throttle)，设置在第二热交换器的下游，用以节流被冷凝的另工作流体。在第一冷凝器中的第一工作流体的冷凝期间，只有一定的热量可由第一工作流体取出，该热量是被第二工作流体的热力学特性所限制。只要第一工作流体仍可保有一定的热量，其根据不同应用而有所不同，并可显著高于环境的温度水平。这个热量可被用以蒸发第三工作流体(third process fluid)，其中转移到第三工作流体的热量在一合适的位置被加入第一工作流体。需要被考虑的是，释放热量的工作流体必须与接受热量的工作流体至少在相同压力的条件。因此，另流体能机必须在第三工作流体进入第二热交换器之前，压缩第三工作流体，以使其至少达到在第二热交换器中的第一工作流体的压力。由此，ORC处理的效率可被进一步提升。
优选地，第二工作流体或多个另工作流体中的一者可流经发电机冷却单元。在此实施例中，由发电机取出的热量在一合适的位置被加入第一工作流体，故取出的热量不会停在未使用的状态，而仍可在过程中被利用。因此，本发明装置的效率可被进一步增加。
在另一实施例中，本发明装置包括一第一另循环流程(first further circularflow)，其中具有被导引的一第一另工作流体(first further process fluid)，且第一另工作流体流经发电机冷却单元而被加热，其中第一另循环流程包括一另流体能机，设置在发电机冷却单元的下游，用以压缩被加热的第一另工作流体，一第二热交换器，设置在另流体能机的下游，用以将热量由被压缩的第一另工作流体转移至第一工作流体，其中第一工作流体可流经第二热交换器，以及一另节流阀，设置在第二热交换器的下游，用以节流被冷凝的第一另工作流体。
在此实施例中，在发电机的运转过程中所产生的热量，可由发电机取出并被转移至第一工作流体。正如上面所解释的，发电机的效率会随着温度的增加而减少，因此无论如何冷却工作是有意义的。在此实施例中，由发电机取出的热量可被用以预先加热第一工作流体，因此ORC处理可以一较高的效率被运行。
在另一实施例中，本发明装置包括一第一另循环流程，其各自具有被导引的一第一另工作流体，且第一另工作流体流经一传热单元而被加热，其中第一另循环流程包括一另流体能机，设置在传热单元的下游，用以压缩被加热的第一另工作流体，一第二热交换器，设置在另流体能机的下游，用以将热量由被压缩的第一另工作流体转移至第一工作流体，其中第一工作流体可流经第二热交换器，一另节流阀，设置在第二热交换器的下游，用以节流被冷凝的第一另工作流体，以及一第二另循环流程(second further circularflow)，其中具有被导引的一第二另工作流体(second further process fluid)，且第二另工作流体可流经发电机冷却单元及传热单元。
通常来说，第二工作流体及一或多个另工作流体仅在一蒸发器中被蒸发，及仅在一冷凝器中被冷凝，是有利的。然而，如此会导致需要的组件及管路增加，因为没有另外的热交换器可被整合进入个别的循环流程。通常来说，使用多个热交换器，且在相同的循环流程中，以多次方式加入热量至第二工作流体及一或多个另工作流体，是有利的。这是特别正确，对于蒸发所需要的热量是在一热量无法转移的位置由第一工作流体取出的情况。在位在第一热交换器的下游的第二热交换器中，第二工作流体或多个另工作流体中的一者已经至少部分被蒸发或处在一气液混合(gas-liquid-mixture)状态是有危险的。根据发电机冷却单元的设计，可设置小的通道在所使用的工作流体必须流经的位置，虽然蒸气可能阻塞通道，以致流动受阻。此问题是可被解决的，其通过将一另循环流程细分成一第一及一第二另循环流程，如此即有可能使用不同的另工作流体，其是被选择而使得个别的另工作流体仅在液体状态下流经发电机冷却单元。
更佳地，第二工作流体或另工作流体或第一另工作流体可流经涡轮机冷却单元。在此实施例中，由涡轮机取出的热量在一合适的位置被加入第一工作流体，以致取出的热量不会停在未使用的状态，而仍可在过程中被利用。因此，本发明装置的效率可被进一步增加。
在本发明另一开发(development)中，第二工作流体或另工作流体或第一另工作流体可流经膨胀槽冷却单元。在此开发中，膨胀槽冷却时所取出的热量在一合适的位置被加入第一工作流体。因此，本发明装置的效率可被进一步增加。
本发明的另一方面，是关于在一ORC循环处理中使用的一涡轮发电机结构(turbine generator configuration)，包括具有一涡轮机外壳的一涡轮机及具有一发电机外壳的一发电机，其中发电机外壳没有通过齿轮机构而可以一轴杆连接涡轮机外壳。因此，此方面是关于用以执行一ORC循环处理的涡轮发电机结构的使用。此涡轮发电机结构的技术功效及优点可对应到上述装置，特别是关于所需要的安装空间减少以及可靠度增加。
优选地，涡轮发电机结构的轴杆的轴承包括一双滚子轴承结构。此涡轮发电机结构的技术功效及优点可对应到上述装置的对应实施例。
优选地，涡轮机包括具有多个第一叶轮叶片的一第一叶轮，该叶轮被安装在轴杆上，且发电机的一转子也被安装在轴杆上。此涡轮发电机结构的技术功效及优点可对应到上述装置的对应实施例。
在涡轮发电机结构的另一开发中，涡轮机包括具有多个第一导轮叶片的一第一导轮及具有多个第一叶轮叶片的一第一叶轮。此涡轮发电机结构的技术功效及优点可对应到上述装置的对应实施例。
在涡轮发电机结构的另一开发中，发电机外壳包括一发电机冷却单元，及/或涡轮机外壳包括一涡轮机冷却单元。此涡轮发电机结构的技术功效及优点可对应到上述装置的对应实施例。
下文中将列举优选实施例并配合所附的附图对本发明做详细说明。
附图说明
图1为本发明装置的第一实施例；
图2为本发明装置的第二实施例；
图3为本发明装置的第三实施例的上述每一附图为一工作原理图；
图4为本发明一涡轮发电机结构的剖视图；
图5a)为本发明一叶轮的上视图；
图5b)为图5a)中的叶轮沿图5a)中定义的平面的剖视图；
图6a)为本发明一第一导轮的示意图；
图6b)为图6a)中的第一导轮于另一视角的示意图；
图6c)为图6a)及图6b)中的第一导轮于另一视角的示意图；
图7a)为本发明一第二导轮的上视图；
图7b)为图7a)中的第二导轮的侧视图；以及
图7c)为图7a)及图7b)中的第二导轮于另一视角的示意图。
参考符号
10,101至103 装置
11 热源
12 载体媒介
14 蒸发器
16 第一循环流程
18 第一工作流体
20 导管
22 膨胀机(Entspannungs-maschine)
24 涡轮机
25 涡轮机外壳
26 发电机
27 发电机外壳
28 第一冷凝器
29 发电机冷却单元
30 轴杆
34 第一流体能机
36 泵
40 第二循环流程
42 第二工作流体
44 第二流体能机
46 压缩机
47 热交换器
48 第二冷凝器
50 节流阀
52,521,522 另循环流程
53,531,532 另工作流体
54 第一热交换器
55 膨胀槽
56 另流体能机
57 膨胀槽冷却单元
58 第二热交换器
60 第三冷凝器
62 第四冷凝器
64 另节流阀
65 传热单元
66 涡轮机冷却单元
68 冷却剂
70 涡轮发电机结构
72 通道
73 轴承
74 第一叶轮
75 转子
76 双滚子轴承结构(Tandem-Lagerung)
77 第二叶轮
78 第一导轮
79 定子
80 中间件
82 第二导轮
84 第一及第二叶轮叶片
86 再循环叶片
88 第二导轮叶片
90 第一导轮叶片
92 环状空间
具体实施方式
图1是本发明用以执行一ORC处理的装置101的第一实施例示意图。一热源11，例如为一工厂，其所产生的废热通过一合适的载体媒介12被传递至一蒸发器14。蒸发器14为一第一循环流程16的部分。一第一工作流体18在第一循环流程16中被导引。第一工作流体18的流动方向是以箭头表示。使用“上游(upstream)”及“下游(downstream)”的术语是关于个别循环流程中的流体方向。在蒸发器14中，第一工作流体18被来自热源11的热量蒸发。蒸发器14通过合适的导管20连接一膨胀机22。在膨胀机22中，在蒸发器14中被蒸发的第一工作流体18被膨胀。在此图示实施例中，膨胀机22可以一涡轮机24实现，涡轮机24具有一涡轮机外壳25，且膨胀机22没有通过齿轮机构(gearing mechanism)与一发电机26连接。在发电机26中，由涡轮机24所产生的机械能被转换为电能。发电机26包括一发电机外壳27，连接于涡轮机外壳25。
在流经涡轮机24之后，第一工作流体18被导引至一第一冷凝器28，且第一工作流体18在第一冷凝器28中被冷凝。为了达此目的，需通过一第二循环流程40带走第一工作流体18的热量。下文中将进一步说明在第二循环流程40中所输送的一第二工作流体42的箭头方向。
在流经冷凝器28之后，被冷凝的第一工作流体18被导引至一第一流体能机(firstfluid energy machine)34，且第一流体能机34用以输送第一循环流程16中的第一工作流体18及加强第一工作流体18的压力。在此图标范例中，第一流体能机34可以一泵36实现，其尤其适合用以输送第一工作流体18。然后，第一工作流体被导引至蒸发器14，从而结束第一循环流程16。
第二工作流体42会流经第一冷凝器28，并在第一冷凝器28中被第一工作流体18所放出的热量加热或蒸发。接着，被加热或蒸发的第二工作流体42被导引至一第二流体能机(second fluid energy machine)44。在此图示实施例中，第二流体能机44可以一压缩机46实现。一方面，压缩机46用以传导第二循环流程中的第二工作流体42，另一方面，压缩机46用以压缩被加热或蒸发的第二工作流体42。然后，第二工作流体42被输送至一热交换器47，且第一工作流体18也会流经热交换器47。当第二工作流体42在第一冷凝器28中被蒸发时，热交换器47被体现为一第二冷凝器48，且第二工作流体42在第二冷凝器48中被冷凝。在这两种情况下，由第二工作流体42取出的热量被转移至第一工作流体。
在提供的范例中，第二冷凝器48位在蒸发器14的上游，因此第一工作流体18在进入蒸发器14之前已在第二冷凝器48中被预先加热。由此，蒸发第一工作流体所需要的热量可被减少，以致ORC处理也可被应用在一所排出的废热属相对低温的热源11。在流经第二冷凝器48之后，第二工作流体42被导引至一节流阀50而被节流及减压。稍后，第二工作流体42被导引至第一冷凝器28，从而结束第二循环流程40。
装置101还包括一另循环流程(further circular flow)52。在提供的范例中，另循环流程52为一第三循环流程52，且第三循环流程52中的一另工作流体(further processfluid)53为一第三工作流体53，并在此例中被输送至第三循环流程52中的一另流体能机(further fluid energy machine)56。第三工作流体53会流经设置在发电机外壳27中的一发电机冷却单元29，以致热量自发电机26被转移至另工作流体53，从而可冷却发电机26及加热或蒸发第三工作流体53。在发电机冷却单元29的下游，第三工作流体53会流经一第二热交换器58或一第四冷凝器62，且第一工作流体18也会流经第四冷凝器62。此时，热量由第三工作流体53被转移至第一工作流体18，其中另流体能机56可压缩第三工作流体53，使其至少达到第二热交换器58中的第一工作流体18的压力。第二热交换器58设置在第二冷凝器48的下游，且造成热量由第三工作流体53转移至第一工作流体18。若有必要，第三工作流体53接着在一另节流阀(further throttle)64中被调节至一特定压力。由于在第三循环流程52中所进行的热流程(thermal process)，第一工作流体18在到达蒸发器14之前已被预先加热，因此使得蒸发所需要的热量可被进一步减少。因此，本发明装置101的设计使得ORC处理的效率可进一步改善。
图2显示本发明用以实施或执行一ORC处理的装置102的第二实施例。在此实施例中，装置102包括根据图1的第一实施例中的所有组件。然而，装置102还包括具有一膨胀槽冷却单元57的一膨胀槽55，且第一工作流体18会流经膨胀槽55。其中，膨胀槽55设置在涡轮机24的下游，并可避免第一工作流体18的背压退回进入涡轮机24。第一冷凝器28设置在膨胀槽55的下游。此外，一第一热交换器54设置在位在第一冷凝器28下游的第一循环流程16中。第一工作流体18可流经第一热交换器54。
第二工作流体42可流经第一热交换器54及膨胀槽冷却单元57，且第二工作流体42在第二循环流程40中被导引。在第一热交换器54及膨胀槽冷却单元57中由第一工作流体18取出的热量会被转移至在热交换器47中的第一工作流体18。另外，根据可利用的热量及使用的第二工作流体的种类，热交换器47也可被体现为一第二冷凝器48。
在装置102的第二实施例中，一另工作流体531会流经蒸发器28，且另工作流体531在一第一另循环流程521中被循环。为了达此目的，另流体能机56会被使用。一传热单元65设置在第一冷凝器28的下游，且第一另循环流程521会流经传热单元65。在此同时，一第二另工作流体532会流经传热单元65，且第二另工作流体532在一第二另循环流程522中被循环。为了清楚起见，设置在第二另循环流程522中的一独立的供给泵(feed pump)并未被显示。第二另工作流体532也会流经发电机冷却单元29，以致在发电机26的冷却过程中被转移至第二另工作流体532的热量会被转移至传热单元65中的第一另工作流体531。诚如本发明装置101的第一实施例中已陈述，此热量会被转移至第二热交换器58中的第一工作流体18。第二另工作流体532的种类可根据发电机冷却单元29中的流体及温度条件调整。
根据第一工作流体18在离开第一冷凝器之后，其中剩下的热量是否足够大以蒸发使用的第三工作流体53，第一热交换器54可被体现为一第三冷凝器60，其中第一工作流体18在第三冷凝器60中被冷凝，且第一另工作流体531在第三冷凝器60中被加热。对应地，第二热交换器58可因此被体现为一第四冷凝器62，其中第一另工作流体531在第四冷凝器62中被冷凝，且第一工作流体18在第四冷凝器62中被加热。在离开第四冷凝器62之后，第一另工作流体531被导引至一另节流阀64而被节流及减压。
根据第二实施例中的102共包括有四个循环流程。应注意的是，循环流程的数量可进一步增加。此外，应注意的是，蒸发器及冷凝器是用以改变工作流体状态的热交换器的一种特定形式。然而，其也可能不用改变工作流体状态，以致该些蒸发器及冷凝器仅作为热交换器使用。
图3显示本发明装置103的第三实施例。在很大程度上，第三实施例是相同于第二实施例，但是其涡轮机24包括一涡轮机冷却单元66，可冷却涡轮机24。在第三实施例中，一冷却剂会流经涡轮机冷却单元66，而得冷却涡轮机24。然而，该冷却剂并未在第四循环流程40或另循环流程52中被循环，虽然其也可能在第四循环流程40或另循环流程52中被循环。在此图示实施例中，第一另工作流体531会流经膨胀槽55。然而，第二工作流体42也可能流经膨胀槽55的膨胀槽冷却单元57，或者膨胀槽冷却单元57也可能并未被整合至第二循环流程40或另循环流程57中。关于发电机冷却单元29的情况也是如此。
图4中显示一涡轮发电机结构(turbine generator configuration)70，其包括具有涡轮机外壳25的涡轮以及具有发电机外壳27的发电机26。发电机外壳27包括属于发电机冷却单元29的多个通道72，且第二工作流体42、另工作流体53或一冷却剂68可被导引流经通道72而冷却发电机26。涡轮机24与发电机26是以无齿轮的方式(gearlessly)相互连接，其中一第一叶轮74、一第二叶轮77及一转子75被安装在一轴杆30上，且转子75可与发电机26的一定子79相互作用。再者，一第一导轮78及一中间件(interim piece)80被固定于涡轮机外壳25。此外，一第二导轮82被固定于轴杆30。该轴杆是由一包括双滚子轴承结构(tandem roller bearing configuration)76的轴承73所支撑，且双滚子轴承结构76在涡轮机侧(turbine side)包括两个轴承，因此有可能以简单或由上方悬垂的方式(overhung)支撑涡轮机24的叶轮及导轮。
图5a)及图5b)中显示本发明的第一叶轮74，其中第一叶轮74包括总共十三个第一叶轮叶片84。第二叶轮77的设计与第一叶轮74几乎相同，因此图5a)及图5b)也可用以表示第二叶轮77。第一叶轮叶片84的参考符号也适用于第二叶轮叶片。
图6a)至图6c)中显示本发明的第一导轮78，其中第一导轮78包括总共十四个第一导轮叶片90。
图7a)至图7c)中显示本发明的第二导轮82，其中第二导轮82包括如图7a)中虚线所示总共十二个再循环叶片(recirculation vanes)86以及十四个第二导轮叶片88。
在ORC循环处理的操作中，第一工作流体18是被径向地导入涡轮机外壳25，并到达由涡轮机外壳25、中间件80及第一导轮78所形成的一环状空间92(参见图4)。从环状空间92起，第一工作流体18被导引至第一导轮叶片90，且第一导轮叶片90可决定第一工作流体18的路径(path)，使得第一工作流体18以最理想的方式流向第一叶轮叶片84，从而转动第一叶轮74，并进而转动轴杆30及转子75。当流经第一叶轮叶片84时，第一工作流体18会先径向地向内流动，接着稍微地沿轴向流动，使得第一工作流体18可撞击第二导轮82的包括再循环叶片86的一侧。再循环叶片86可导引第一工作流体18径向地向外流动，而第二导轮82的第二导轮叶片88可导引第一工作流体18向内流动，因此第二叶轮77的叶轮叶片84可以最理想的方式被第一工作流体18撞击，从而将第一工作流体18的动能转换为旋转能量，接着转换成电能。通过涡轮机24这两阶段式(two-stage)设计，第一工作流体18的动能相较于单一阶段式(one-step)设计可以更佳的方式利用，从而进一步提高本发明装置103的效率。

Claims (14)

1.一种用以执行有机朗肯循环处理的装置，包括第一循环流程(16)，其中第一工作流体(18)在该第一循环流程(16)中被导引，且该第一循环流程(16)包括
蒸发器(14)，用以蒸发该第一工作流体(18)，
膨胀机(22)，设置在该蒸发器(14)的下游，用以膨胀被蒸发的该第一工作流体(18)，其中该膨胀机(22)与用以产生电能的一发电机(26)连接，
第一冷凝器(28)，设置在该膨胀机(22)的下游，用以冷凝被膨胀的该第一工作流体(18)，以及
第一流体能机(34)，设置在该第一冷凝器(28)的下游，用以增加被冷凝的该第一工作流体(18)的压力，及用以输送该第一工作流体(18)至设置在该第一流体能机(34)的下游的该蒸发器(14)，
该装置还包括一第二循环流程(40)，该第二循环流程(40)中的第二工作流体(42)被导引流经该第一冷凝器(28)，且在该第一冷凝器(28)中被蒸发，其中该第二循环流程(40)包括
第二流体能机(44)，设置在该第一冷凝器(28)的下游，用以压缩被蒸发的该第二工作流体(42)，
第二冷凝器(48)，设置在该第二流体能机(44)的下游，用以冷凝被蒸发的该第二工作流体(42)，其中该第一工作流体(18)流经该第二冷凝器(48)，以及
节流阀(50)，设置在该第二冷凝器(48)的下游，用以节流被冷凝的该第二工作流体(42)，其中
该膨胀机(22)能够无齿轮机构地通过一轴杆(30)连接该发电机(26)，且该轴杆(30)的轴承包括双滚子轴承结构(76)，
其特点在于一或多个另一循环流程(52)中各自具有被导引的另一工作流体(53)，该些另一工作流体(53)被一或多个被该第一工作流体(18)流经的第一热交换器(54)加热，其中该一或多个另一循环流程(52)包括
另一流体能机(56)，设置在该第一热交换器(54)的下游，用以压缩被加热的该些另一工作流体(53)，
第二热交换器(58)，设置在该另一流体能机(56)的下游，用以将热量由被压缩的该些另一工作流体(53)转移至该第一工作流体(18)，其中该第一工作流体(18)流经该第二热交换器(58)，以及
另一节流阀(64)，设置在该第二热交换器(58)的下游，用以节流被冷凝的该些另一工作流体(53)。
2.根据权利要求1所述的装置，其特点在于该膨胀机(22)被体现为一涡轮机(24)，且包括与该发电机(26)的发电机外壳(27)连接的涡轮机外壳(25)。
3.根据权利要求2所述的装置，其特点在于该涡轮机(24)包括多个第一叶轮叶片(84)的第一叶轮(74)，该第一叶轮(74)被安装在该轴杆(30)上，且该发电机(26)的转子(75)也被安装在该轴杆(30)上。
4.根据权利要求3所述的装置，其特点在于该涡轮机(24)包括具有多个第一导轮叶片(90)的第一导轮(78)及具有多个第一叶轮叶片(84)的第一叶轮(74)。
5.根据权利要求4所述的装置，其特点在于该涡轮机(24)包括第二叶轮(77)及具有多个再循环叶片(86)与多个第二叶轮叶片(88)的第二导轮(82)。
6.根据权利要求2所述的装置，其特点在于该发电机外壳(27)包括发电机冷却单元(29)。
7.根据权利要求2所述的装置，其特点在于该涡轮机外壳(25)包括涡轮机冷却单元(66)。
8.根据权利要求1所述的装置，其特点在于一膨胀槽(55)设置于该膨胀机(22)的下游，用以膨胀该第一工作流体(18)。
9.根据权利要求8所述的装置，其特点在于该膨胀槽(55)包括膨胀槽冷却单元(57)。
10.根据权利要求6所述的装置，其特点在于该第二工作流体(42)或该些另一工作流体(53)中的一者流经该发电机冷却单元(29)。
11.根据权利要求6所述的装置，其特点在于第一另一循环流程(521)中各自具有被导引的第一另一工作流体(531)，该第一另一工作流体(531)流经该发电机冷却单元(29)而被加热，其中该第一另循环流程(521)包括
另一流体能机(56)，设置在该发电机冷却单元(29)的下游，用以压缩被加热的该第一另一工作流体(531)，
第二热交换器(58)，设置在该另一流体能机(56)的下游，用以将热量由被压缩的该第一另一工作流体(531)转移至该第一工作流体(18)，其中该第一工作流体(18)流经该第二热交换器(58)，以及
另一节流阀(64)，设置在该第二热交换器(58)的下游，用以节流被冷凝的该第一另一工作流体(531)。
12.根据权利要求6所述的装置，其特点在于第一另一循环流程(521)中各自具有被导引的第一另一工作流体(531)，该第一另一工作流体(531)流经一传热单元(65)而被加热，其中该第一另一循环流程(521)包括
另一流体能机(56)，设置在该传热单元(65)的下游，用以压缩被加热的该第一另一工作流体(531)，
第二热交换器(58)，设置在该另一流体能机(56)的下游，用以将热量由被压缩的该第一另一工作流体(531)转移至该第一工作流体(18)，其中该第一工作流体(18)流经该第二热交换器(58)，
另一节流阀(64)，设置在该第二热交换器(58)的下游，用以节流被冷凝的该第一另一工作流体(531)，以及
第二另一循环流程(522)，其中具有被导引的第二另一工作流体(532)，且该第二另一工作流体(532)流经该发电机冷却单元(29)及该传热单元(65)。
13.根据权利要求7或12所述的装置，其特点在于该第二工作流体(42)或该另一工作流体(53)或该第一另一工作流体(531)流经该涡轮机冷却单元(66)。
14.根据权利要求9或12所述的装置，其特点在于该第二工作流体(42)或该另一工作流体(53)或该第一另一工作流体(531)流经该膨胀槽冷却单元(57)。
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