CN108474271A - 用于将来自热源的废热转换成机械能的有机朗肯循环以及利用该有机朗肯循环的压缩机装置 - Google Patents

用于将来自热源的废热转换成机械能的有机朗肯循环以及利用该有机朗肯循环的压缩机装置 Download PDF

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Abstract

一种用于将来自含有压缩气体的热源(11)的废热转换成机械能的ORC(有机朗肯循环)，ORC(8)包括含有两相工作流体的闭合回路(14)，回路(14)包括液体泵(15)，用于使回路(14)中的工作流体连续地循环通过与热源(11)热接触的蒸发器(10)、通过用于将工作流体的热能转换成机械能的诸如涡轮机的膨胀器(12)、以及通过与冷却元件(17)热接触的冷凝器(16)，其特征在于，ORC(8)配备有用于确定由膨胀器(12)产生的机械能的装置(21)和调节进入膨胀器(12)的工作流体的蒸汽分率的控制装置(22)，其中控制装置(22)将基于所确定的机械能来调节前述蒸汽分率，使得由膨胀器(12)产生的机械能最大化。

Description

用于将来自热源的废热转换成机械能的有机朗肯循环以及利 用该有机朗肯循环的压缩机装置
本发明涉及用于将来自热源的废热转换成机械能的有机朗肯循环以及利用这种有机朗肯循环以便将其废压缩热转换成机械能的压缩机装置。
对用于WTP(余热发电)的动力循环已有很好地描述，诸如有机朗肯循环(ORC)、卡琳娜(Kalina)循环、三边闪蒸(三边闪蒸)循环等。
此类动力循环被设计成回收例如由压缩机产生的废热并且将所述能量转换成可以用于例如驱动发电机以产生电力的有用的机械能。
具体已知使用ORC(有机朗肯循环)来回收具有相对高温度的热源的废能，例如由压缩机装置产生的压缩气体的热量。
这种已知的有机朗肯循环包括含有两相工作流体的闭环回路，所述回路还包括液体泵，所述液体泵用于使回路中的流体连续地循环通过与热源热接触以使工作流体蒸发的蒸发器、通过例如涡轮机的膨胀器并且最后通过冷凝器，所述膨胀器用于将传送到在蒸发器中产生的气态工作流体的热能转换成有用的机械能，所述冷凝器与例如水或环境空气的冷却介质热接触，以便将气态工作流体转换成可以返回到蒸发器以用于工作流体的下一个工作循环的液体。
在压缩机装置中，有机朗肯循环用于通过使通过压缩产生的热气体与有机朗肯循环的蒸发器接触来冷却这些热气，并且同时使用有机朗肯循环将蒸发器中所回收的热量转换成膨胀器中有用的能量。
压缩机装置中的废热可在相对高的温度下获得，典型地为150℃或更高。同时，冷却需要将热的压缩气体降低到非常低的水平，典型地比蒸发器的入口处的工作流体的温度低10℃以上。
被设计成在诸如冷却水和压缩气体的工作流体的温度水平之间操作的用于WTP的已知动力循环面临性能困境，因为它们需要在两种替代方案之间进行选择。
动力循环使用压缩气体中存在的所有可获得的废热但是经历非常低的循环效率，或者动力循环仅使用热量的一部分并且将仅部分地但是以相对高的效率冷却压缩气体。在最后一种情况下，在动力循环蒸发器之后需要单独的空气冷却器以便实现压缩气体的正确冷却。
已采用已知的动力循环来适用于诸如压缩气体的热源，所述热源具有压缩气体的温度变化的难题，这意味着可获得的废热随时间而变化。
第一种方法是用冷却剂(通常是水)冷却压缩气体，随后用动力循环冷却冷却剂，其进而由环境空气的冷却水进行冷却。这种解决方案由于跨较大温差的热交换而引入了非常大的热力损失，并导致非常低的系统效率。
第二种方法是在变温蒸发的情况下工作，诸如卡琳娜循环和超临界有机朗肯循环。另外，以非共沸流体混合物作为工作流体运行的有机朗肯循环是用于减少由于变温蒸发引起的热力损失的已知方法。这种方法导致技术上复杂并因此系统昂贵。
本发明的一个目的是为上述和其他缺点中的一个或多个缺点提供解决方案。
因此，本发明旨在用于将来自含有压缩气体的热源的废热转换成机械能的有机朗肯循环，所述有机朗肯循环包括含有两相工作流体的闭合回路，所述回路包括液体泵，所述液体泵用于使所述回路中的工作流体连续地循环通过与热源热接触的蒸发器、通过用于将工作流体的热能转换为功的例如涡轮机的膨胀器、并且通过与冷却元件热接触的冷凝器，其中所述有机朗肯循环配备有用于确定由膨胀器产生的机械能的装置以及调节进入膨胀器的工作流体的蒸汽分率的控制装置，其中控制装置将基于所确定的机械能来调节上述蒸汽分率，使得由膨胀器产生的机械能最大化。
通过调节蒸汽分率，进入膨胀器的液体与气态或蒸汽工作流体的比率将被调整。
由膨胀器产生的机械能可以被认为是有机朗肯循环输出功率。
根据本发明的这种有机朗肯循环的优点是，其在膨胀器的入口处使用可变的蒸汽分率以适应压缩气体温度变化，使得与常规有机朗肯循环和三边闪蒸循环相比可以获得更高的效率。
另一个优点是，根据本发明的有机朗肯循环与可变蒸发温度系统(诸如卡琳娜循环、超临界有机朗肯循环和具有非共沸流体混合物的有机朗肯循环)相比不那么复杂且成本较低。
重要的是，应注意，在与压缩气体热接触的蒸发器中，工作流体将被加热到其沸腾温度并且随后至少部分地蒸发工作流体。
换句话说：用于预热的热量与用于蒸发的热量的比率通过仅蒸发工作流体的一部分而增加。
液态工作流体和蒸发或汽化或气态工作流体的这种混合物将进入膨胀器。
通过降低例如泵容量，在蒸发器中蒸发的液态工作流体的量可以增加，例如，更多的热量用于蒸发。
这将减少蒸发器中在吸收热量的工作流体与释放热量的压缩气体之间的平均温差，但同时流体的物理蒸发温度是不变的。
如上所解释的，这将克服用于WTP的已知动力循环所面临的与工作流体与压缩气体之间的温差相关的性能困境。
根据一优选实施例，控制装置将通过改变流过泵的工作流体的流动和/或通过改变通过膨胀器的工作流体的流动来调节进入膨胀器的工作流体的蒸汽分率。
改变通过泵或膨胀器的工作流体的流动意味着泵或膨胀器容量是变化的。
控制装置将根据由膨胀器产生的机械能来调节泵和/或膨胀器容量，并因此调节进入膨胀器的工作流体的蒸汽分率。具体地，控制装置将调节泵和/或膨胀器容量，使得该机械能最大化。
然而，清楚的是，可以设想将许多其他的调节用于改变进入膨胀器的工作流体的蒸汽分率。可以改变进入膨胀器的工作流体的蒸汽分率的任何调节可以用于本发明。
优选地，控制装置将以连续的方式调节进入膨胀器的工作流体的蒸汽分率。
这种调节将允许进入膨胀器的工作流体的蒸汽分率是可变的。
这意味着控制装置将响应于改变操作条件以使得可以在所有操作条件下实现最佳效率，即最大WTP功率输出。
本发明还涉及一种包括用于压缩气体的压缩机元件和用于冷却压缩气体的冷却器的压缩机装置，其中，压缩机装置还包括根据本发明的有机朗肯循环回路，并且其中，上述冷却器集成在热交换器中，所述热交换器还集成有机朗肯循环的蒸发器，用于冷却器与蒸发器之间的热传递。
为了更好地示出本发明的特性，以下，作为没有任何限制性特征的示例，参考附图描述了根据本发明的用于将来自热源的废热转换成机械能的有机朗肯循环以及利用这种有机朗肯循环的压缩机装置的一些优选实施例，其中：
图1示意性地表示根据本发明的利用有机朗肯循环系统的单级压缩机装置；
图2示意性地表示根据本发明的多级压缩机装置；
图3至图4表示根据图2的多级压缩机装置的不同实施例。
图1中所示的压缩机装置1包括具有入口3和出口4并且由马达5驱动用于压缩气流Q的压缩机元件2以及冷却器6，所述冷却器6用于在压缩气体被供应到压缩气体的消耗装置的网7之前冷却压缩气体。
上述气体可以例如是空气或氮气。然而，本发明不限于此。
压缩机装置1还包括根据本发明的有机朗肯循环8，其中上述冷却器6集成在热交换器9中，所述热交换器9还集成有机朗肯循环8的蒸发器10以用于回收用作热源11的压缩气体的废热并且通过有机朗肯循环8的膨胀器12(例如，驱动如图1的示例中所示的发电机13的涡轮机)来将所述热转换成有用的机械能。
有机朗肯循环8包括闭合回路14，所述闭合回路14包含沸点温度低于热源11的温度的两相有机工作流体，即压缩气体，所述工作流体通过液体泵15在如箭头F所指示的方向上在回路14中连续循环。
使工作流体连续地流动通过与热源11热接触的蒸发器10；随后通过膨胀器12并最终通过冷凝器16，之后再次由液体泵15推送以用于回路14中的下一循环。
在该示例中，冷凝器16与冷却回路18的冷却元件17热接触，所述冷却回路18在图1的示例中表示为从水箱19取出以通过泵20循环通过冷凝器16的冷水W的供应。
根据本发明，有机朗肯循环8配备有用于确定由膨胀器12产生的机械能的装置21。
这些装置21可以是例如功率计或功率传感器。
有机朗肯循环8还配备有控制装置22，所述控制装置22可以调节进入膨胀器12的工作流体的蒸汽分率。
根据本发明的有机朗肯循环8的正常操作是控制装置22将基于由装置21所确定的机械能来调节上述蒸汽分率，使得机械能最大化。
在图1的示例中，并且根据本发明的优选特性，控制装置22将通过改变通过泵15的工作流体流动和通过改变通过膨胀器12的工作流体流动来调节进入膨胀器12的工作流体的蒸汽分率。
当然也可能的是，控制装置22将仅调节膨胀器12或泵15。
然而，在这种情况下，控制装置22将通过在两个控制算法之间反复切换来调节进入膨胀器12的工作流体的蒸汽分率。
第一控制算法包括改变通过泵15的工作流体流动，直到由膨胀器12产生的机械能处于局部最大值。
第二控制算法包括改变通过膨胀器12的工作流体流动，直到由膨胀器12产生的机械能处于进一步优化的最大值。
控制装置22将改变通过膨胀器12或泵15的工作流体流动，即改变膨胀器12或泵15的容量，并且同时确定由膨胀器12产生的机械能，即确定有机朗肯循环功率输出，并且将选择所确定的有机朗肯循环功率输出处于最大值的膨胀器12或泵15的容量。
在第一控制算法之后，有机朗肯循环功率输出将仅根据泵15的容量进行优化。这意味着有机朗肯循环功率输出将处于局部最大值。
通过应用第二控制算法，有机朗肯循环功率输出将根据膨胀器12的容量进行优化，以使得可以达到优化的最大值。
通过再次切换到第一控制算法，有机朗肯循环功率输出将根据泵15再次进行优化，使得可以并且将会考虑操作条件的变化。
操作条件的这种变化是：待冷却的压缩气体的温度的变化、压缩气体的流动的变化、环境温度的变化、冷却水流动的变化、冷却水温度的变化或热交换器效率的变化。
通过应用这种调节，控制装置22将以连续的方式调节进入膨胀器12的工作流体的蒸汽分率，使得操作条件的变化可以容易地作用在其上。
以这种方式，可以在所有操作条件下保证最大的有机朗肯循环功率输出。
为了改变通过膨胀器12的工作流体流动，可以有几种选择。
膨胀器12的容量可以通过改变膨胀器12的速度(如本示例中那样)、或通过膨胀器12上的旁路、通过滑阀和/或提升阀、通过改变膨胀器12的扫掠容积或通过改变膨胀器12的注油而改变。
同样为了改变通过泵15的工作流体流动，可以有几种选择。
泵15的容量可以通过改变泵15的速度(如本示例中那样)或通过泵15上的旁路、通过改变泵15的扫掠容积或通过改变泵15的开关频率而改变。
根据本发明的一优选实施例，进入膨胀器12的工作流体的蒸汽分率在10％至99％质量分数之间。当然，还可能的是，进入膨胀器12的工作流体的蒸汽分率可以保持在不同的界限之间，例如在20％至95％的质量分数之间或在40％至90％的质量分数之间。
膨胀器12可以是能够通过两相流体供应(即液态和气态工作流体的混合物)的膨胀而产生机械能的任何种类的膨胀器12。优选地，例如螺杆式膨胀器12或机械气缸或类似物的容积式膨胀器12可以接受液态和气态工作流体的混合物。
压缩机元件2也可以是任何类型的压缩机元件，特别是无油空气压缩机元件2。
同样清楚的是，冷凝器16的冷却可以以除了图1的示例以外的其他方式实现，例如通过借助于风扇或类似物使环境空气在冷凝器16上方吹过的方式实现。
优选地，根据可用热源11的温度，即待冷却的压缩气体的温度，使用其沸点温度低于90℃或甚至低于60℃的工作流体。
合适的有机工作流体的一示例是1,1,1,3,3-五氟丙烷。工作流体可以与合适的润滑剂混合以润滑有机朗肯循环8的移动部件的至少一部分。可替代地，工作流体本身可以充当润滑剂，这意味着选择了具有润滑性质的工作流体。
在图2中，根据本发明的多级压缩机装置1在这种情况下分别用两个压缩机元件(第一级压缩机元件2’和末级压缩机元件2”)表示，所述第一级压缩机元件2’和末级压缩机元件2”经由变速箱23由单个马达5驱动并串联连接，以用于在两个增压级中压缩气体。
压缩机元件2’、2”也可以是任何类型的压缩机元件，特别是无油空气压缩机元件。
装置1设置有中间冷却器6’和后冷却器6”，所述中间冷却器6’用于在由第一级压缩机元件2’压缩的气体被供应到下一元件2”之前冷却该由第一级压缩机元件2’压缩的气体，所述后冷却器6”用于在由末级压缩机元件2”压缩的气体被供应到网7之前冷却该由末级压缩机元件2”压缩的气体。
上述冷却器6’和6”中的每一个冷却器集成在热交换器9’和9”中，所述热交换器9’和9”也整合有机朗肯循环8的蒸发器10的一部分。
在所示的示例中，有机朗肯循环包括串联连接在回路14中的两个蒸发器10’和10”，但是不排除其仅具有一个蒸发器10，所述蒸发器10的一部件10’与中间冷却器6’热接触，而另一部件10”与后冷却器6”热接触。
同样在这种情况下，控制装置22将根据与图1中相同的方法进行调节。
在那种情况下，有与图1的单级压缩机元件中相同的优点。
图3给出根据本发明的多级压缩机装置1的另一示例，其与图4的实施例不同之处在于蒸发器10’和10”并联而不是串联连接，但仍具有相同的优点。
图4示出图3的装置1的替代方案，其另外包括三通阀24，以便将来自泵15的工作流体的流动分成通过蒸发器10’和10”的两路适当的单独流动。
作为使用三通阀24的替代，可以在连接蒸发器10’和10”的并联回路的分支中使用一个或两个限流器或限流器和阀的组合。
本发明绝不限于通过示例描述和在附图中表示的实施例的形式，然而，根据本发明的用于将来自热源的废热转换成机械能的这种有机朗肯循环以及利用这种有机朗肯循环的压缩装置可以在不脱离本发明的范围的情况下以各种形式实现。

Claims (17)

1.一种用于将来自含有压缩气体的热源(11)的废热转换成机械能的ORC(有机朗肯循环)，所述有机朗肯循环(8)包括含有两相工作流体的闭合回路(14)，所述闭合回路(14)包括液体泵(15)，所述液体泵用于使闭合回路(14)中的工作流体连续地循环通过与热源(11)热接触的蒸发器(10)、通过用于将工作流体的热能转换成机械能的诸如涡轮机的膨胀器(12)、以及通过与冷却元件(17)热接触的冷凝器(16)，其特征在于，所述有机朗肯循环(8)配备有用于确定由膨胀器(12)产生的机械能的装置(21)以及调节进入膨胀器(12)的工作流体的蒸汽分率的控制装置(22)，其中，所述控制装置(22)将基于所确定的机械能来调节上述蒸汽分率，使得由膨胀器(12)产生的机械能最大化。
2.根据权利要求1所述的有机朗肯循环，其特征在于，所述控制装置(22)将通过改变通过所述液体泵(15)的工作流体的流动和/或通过改变通过膨胀器(12)的工作流体的流动来调节进入膨胀器(12)的工作流体的蒸汽分率。
3.根据权利要求1或2所述的有机朗肯循环，其特征在于，所述控制装置(22)将以连续的方式调节进入膨胀器(12)的工作流体的蒸汽分率。
4.根据权利要求2或3所述的有机朗肯循环，其特征在于，所述控制装置(22)将通过在两个控制算法之间反复切换来调节进入膨胀器(12)的工作流体的蒸汽分率，其中，第一控制算法包括改变通过所述液体泵(15)的工作流体的流动，直到由膨胀器(12)产生的机械能处于局部最大值，并且第二控制算法包括改变通过膨胀器(12)的工作流体的流动，直到由膨胀器(12)产生的机械能处于进一步优化的最大值。
5.根据前述权利要求2至4中任一项所述的有机朗肯循环，其特征在于，通过膨胀器(12)的工作流体的流动的变化通过膨胀器(12)上的旁路、通过改变膨胀器(12)的速度、通过滑阀和/或提升阀、通过改变膨胀器(12)的扫掠容积或通过改变所述膨胀器(12)的注油来实现。
6.根据前述权利要求2至5中任一项所述的有机朗肯循环，其特征在于，通过所述液体泵(15)的工作流体的流动的变化通过所述液体泵(15)上的旁路、通过改变所述液体泵(15)的速度、通过改变所述液体泵(15)的扫掠容积或通过改变所述液体泵(15)的开关频率来实现。
7.根据前述权利要求中任一项所述的有机朗肯循环，其特征在于，进入膨胀器(12)的工作流体的蒸汽分率在10％至99％质量分数之间。
8.根据前述权利要求中任一项所述的有机朗肯循环，其特征在于，所述膨胀器(12)是适于接受液态和气态工作流体的混合物的任何类型的膨胀器。
9.根据前述权利要求中任一项所述的有机朗肯循环，其特征在于，所述膨胀器(12)是容积式膨胀器(12)或者所述膨胀器(12)是螺杆式膨胀器(12)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的有机朗肯循环，其特征在于，使用包含润滑剂或充当润滑剂的工作流体。
11.根据前述权利要求中任一项所述的有机朗肯循环，其特征在于，使用沸点温度低于90℃、优选地低于60℃的工作流体。
12.一种包括用于压缩气体的压缩机元件(2)以及用于冷却压缩气体的冷却器(6)的压缩机装置，其特征在于，所述压缩机装置(1)包括根据前述权利要求中任一项所述的有机朗肯循环(8)，其中，上述冷却器(6)集成在热交换器(9)中，所述热交换器(9)还集成有所述有机朗肯循环(8)的蒸发器(10)，用于所述冷却器(6)与所述蒸发器(10)之间的热传递。
13.根据权利要求12所述的压缩机装置，其特征在于，所述压缩机装置是多级压缩机装置(1)，所述多级压缩机装置(1)具有串联连接的用于压缩气体的至少两个压缩机元件(2’、2”)以及充当两个压缩机元件(2’、2”)之间的中间冷却器(6’)或充当用于冷却由末级压缩机元件(2”)压缩的所述气体的后冷却器(6”)的至少两个冷却器(6’、6”)，其中，所述压缩机装置(1)包括具有至少一个蒸发器(10)的有机朗肯循环(8)，其中，每个上述冷却器(6’、6”)集成在热交换器(9’、9”)中，所述热交换器(9’、9”)还集成有所述有机朗肯循环(8)的蒸发器(10)的至少一部分。
14.根据权利要求13所述的压缩机装置，其中，所述有机朗肯循环(8)的蒸发器(10)由多个蒸发器或蒸发器部件(10’、10”)组成，每个蒸发器或蒸发器部件与热交换器(9’、9”)中的中间冷却器(2’)或后冷却器(2”)集成在一起，所述有机朗肯循环(8)的所述蒸发器或蒸发器部件(10’、10”)串联或并联地流体连接在有机朗肯循环回路(14)中。
15.根据权利要求14所述的压缩机装置，其特征在于，所述蒸发器或蒸发器部件(10’、10”)并联连接并且设置有用于将来自泵(15)的工作流体的流动分成通过所述蒸发器或蒸发器部件(10’、10”)的单独的流的装置。
16.根据权利要求15所述的压缩机装置，其特征在于，用于将来自泵(15)的工作流体的流动分成通过所述蒸发器或蒸发器部件(10’、10”)的单独的流的装置由三通阀(24)或由限流器和/或阀形成。
17.根据权利要求12至16中任一项所述的压缩机装置，其特征在于，所述压缩机元件(2)或多个压缩机元件(2’、2”)是无油空气压缩机元件。
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