CN108474272B - 将热源废热转换成机械能的orc及采用orc的冷却系统 - Google Patents

Abstract

将热源(11)热量转换成机械能的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)包括液泵(15)以使工作流体在回路(14)中相继循环通过与热源(11)热接触的蒸发器(10)、将工作流体热能转换成机械能的膨胀器(12)、与冷却元件(17)热接触的冷凝器(16)，特征在于，膨胀器(12)位于蒸发器(10)上方；蒸发器(10)流体出口(22)通过所谓举升塔(24)连到膨胀器(12)流体入口(23)，举升塔(24)充满液态工作流体和工作流体气泡混合物，混合物供应到膨胀器(12)；举升塔(24)至少部分在与膨胀器(12)入口(23)同高度处或上方延伸，以使举升塔(24)供应的液态工作流体能重力自流到膨胀器(12)。

Description

将热源废热转换成机械能的ORC及采用ORC的冷却系统

技术领域

本发明涉及用于将来自热源的废热转换成机械能的ORC，并且涉及利用这种ORC来冷却废热源的冷却系统。

背景技术

用于WTP(废热发电)的热力循环已众所周知，诸如ORC循环、卡琳娜(Kalina)循环、三角动态(Trilateral Flash)循环等。

这些热力循环设计成从热源回收废热，并且将热能转换成可以用于例如驱动发电机发电的有用机械能。

特别是，已知使用ORC(有机朗肯循环)来回收相对低温热源的废热能，例如由压缩机装置产生的压缩气体的热量、或包含在废气、烟气、蒸汽、热水等中的热量。

这种已知的ORC包括含有两相工作流体的闭环回路，闭环回路还包括液泵，用于使工作流体在回路中相继地循环通过：蒸发器，其与热源热接触以使工作流体蒸发；膨胀器(例如涡轮机)，其用于将传递到蒸发器中所产生气态工作流体的热能转换成有用机械能；最后是冷凝器，其与冷却介质(例如水或环境空气)热接触，以便将气态工作流体转换成可以返回到蒸发器的液体以用于工作流体下一个工作循环。

在产生热气的装置中，ORC用于通过使热气与ORC的蒸发器接触来冷却热气，并且同时使用ORC在膨胀器中将蒸发器中所回收的热量转换成有用能量。

现有ORC的缺点是：蒸发器的尺寸必须相对较大，以便在蒸发器中的工作流体与热源(尤其是例如90℃或甚至60℃的低温热源)之间具有足够的热传递接触，与蒸发器中待蒸发的工作流体液态组成部分之间的接触表面仅为蒸发器总接触表面的一小部分，因为蒸发器仅在底部处包含液体而在其顶部包含工作流体的蒸汽。

另一个缺点是：在液泵或膨胀器故障的情况下，工作流体在ORC中的循环自动中止，因为蒸发器需要位于膨胀器上方以便使工作流体的液态组成部分从蒸发器重力自流到膨胀器，尤其是当优选为两相流体提供到膨胀器入口时。

当工作流体在ORC中停止循环时，丧失了ORC冷却热气的冷却功能，从而导致潜在的危险情况，因此采用未冷却热气的下游装置或下游用户可能由于过热而受损害。

本申请人的未公开比利时专利申请2014/0654提供了在ORC液泵故障情况下的解决方案，该解决方案是引入了不是ORC系统组成部分并且因此可以在ORC系统故障情况下确保冷却压缩气体的辅助冷却器。

缺点是必须提供辅助冷却器。

发明内容

本发明的目的是为一个或多个上述和其他缺点提供解决方案。

因此，本发明涉及一种用于将来自热源的废热转换成机械能的ORC，ORC包括含有两相工作流体的闭合回路，闭合回路包括液泵，用于使工作流体在闭合回路中相继地循环通过配置用来与热源处于热接触的蒸发器、用于将工作流体的热能转换成功的膨胀器、以及与冷却元件热接触的冷凝器；膨胀器位于蒸发器上方，并且蒸发器的流体出口通过所谓的举升塔连接到膨胀器的入口，举升塔充满液态工作流体和工作流体气泡的混合物，混合物供应到膨胀器；并且，举升塔至少部分地在与膨胀器入口相同的高度处或上方延伸，以使得由举升塔供应的液态工作流体能够通过重力自流到膨胀器。

通过确保举升塔充满液态和气态工作流体的混合物，对于将要通过重力供应到膨胀器入口并进一步供应到冷凝器入口下游的两相工作流体产生了泵送效应，冷凝器优选地主要位于与膨胀器相同的高度处或更低的高度处，并且蒸发器优选地主要位于与冷凝器相同的高度处或更低的高度处，以使得由膨胀器供应的液态工作流体能够通过重力自流到冷凝器并从冷凝器进一步下降到蒸发器。举升塔的泵送效应的优点是：在液泵或膨胀器堵塞的情况下，工作流体仍继续在ORC回路中自主循环，并且ORC开始起到热管或热虹吸管的作用。

与这种自循环效应相关的优点是：即使在ORC用于冷却热源时在液泵或膨胀器堵塞的不幸情况下，ORC也继续其冷却功能，从而在冷却很关键时不必提供除ORC以外的单独冷却装置。

根据优选实施例，冷凝器的流体入口的最低部分位于比膨胀器的旋转作用部分的最低部分低的位置。

在本文中，“膨胀器的旋转作用部分”是指膨胀器在工作中与流体膨胀过程直接相关的那些回转部分，诸如在螺杆膨胀器情况下的螺旋转子、在涡轮机情况下的叶轮、在涡旋式膨胀器情况下的涡旋件、在活塞膨胀器情况下的活塞等。然而，“膨胀器的旋转作用部分”排除了与膨胀过程不相关的非作用部分，诸如轴承、发生器等。

以类似的方式，优选的是，蒸发器的流体入口的最低部分位于比冷凝器的流体出口的最低部分低的位置。

ORC优选地设置有把液泵的入口和出口桥接起来的旁路，该旁路包括具有控制器的阀门，控制器用于在ORC的正常操作条件期间保持阀门关闭并且在液泵由于故障或其他原因不能工作的情况下打开阀门。

优点是：该旁路可以超驰有可能阻碍工作流体重力自流并因此也阻碍ORC冷却效果的故障液泵的流动阻力。

类似地，ORC优选地设置有把膨胀器的入口和出口桥接起来的旁路，该旁路包括具有控制器的阀门，控制器用于在ORC的正常操作条件期间保持阀门关闭并且在膨胀器由于故障或其他原因不能工作的情况下打开阀门。

本发明的另一个方面在于：ORC设计成使得在至少一些操作条件下蒸发器完全充满沸腾的工作流体，并且举升塔充满液态工作流体和工作流体气泡的混合物，混合物供应到膨胀器。

根据本发明的ORC的优点是：蒸发器充满沸腾的液态工作流体，从而使液态工作流体与热源之间的接触表面达到最大，并且使与热源之间的热传递达到最大，并且使从热源回收的将由膨胀器转换成机械能的热量达到最大。

在ORC用于冷却压缩机装置的压缩气体的情况下，这也意味着使ORC的冷却功能达到最大。

对与蒸发器接触的压缩气体的有效冷却相关的优点是：不需要额外的冷却，并且在设计中可以选择较小的蒸发器。

举升塔保证了蒸发器内表面始终由液体覆盖，举升塔中的液体倾向于回流入蒸发器中以排出因工作流体沸腾而在蒸发器中产生的气泡。

本发明还涉及用于冷却废热源的冷却系统，冷却系统包括根据本发明的ORC，ORC作为用于冷却热源的唯一方式，而不需要任何额外的外部冷却，在膨胀器和/或液泵不工作条件下也同样如此。

附图说明

为了更好地示出本发明的特点，以下参考附图以非限制性示例描述了根据本发明用于将来自热源的废热转换成机械能的ORC以及采用这种ORC的压缩机装置的一些优选实施例，其中：

图1示意性地表示采用本发明ORC系统的单级压缩机装置；

图2以更写实的方式表示图1的ORC；并且

图3表示图1的压缩机装置的替代实施例。

具体实施方式

图1所示的冷却系统1是用于冷却例如由压缩机装置产生的压缩气体的冷却系统，压缩机装置包括具有入口3和出口4的压缩机元件2，压缩机元件2连接到马达5以驱动压缩机元件2压缩气流Q。此外，冷却系统1包括设置在压缩机元件2下游的冷却器6，用于在压缩气体供应到压缩气体用户网7之前冷却压缩气体。

冷却装置1包括根据本发明的ORC 8，其中，上述冷却器6集成在换热器9中，换热器9进一步集成了ORC 8的蒸发器10以回收用作热源11的压缩气体的废热，配置用来通过ORC8的膨胀器12(例如，驱动如图1示例中所示发电机13的涡轮机)来将废热转换成有用的机械能。

ORC包括闭合回路14，闭合回路14包含沸点温度低于热源11温度的两相有机工作流体，通过液泵15使工作流体在如箭头F所示方向上在回路14中连续循环。

使工作流体相继地流过与热源11热接触的蒸发器10，随后流过膨胀器12并最终流过冷凝器16，之后再次由液泵15发动以用于回路14中的下一个循环。

冷凝器16是换热器9’的一部分，其中，冷凝器16与冷却回路18的冷却元件17热接触，冷却回路18在图1示例中表示为通过泵20从水箱19取出供应的冷水W使其循环通过冷凝器16。

根据本发明，冷凝器16实际中位于低于膨胀器12的位置，而蒸发器10实际中位于低于冷凝器16的位置，以使得由举升塔24供应的液态工作流体可通过重力自流流到膨胀器12、再从膨胀器12下降到冷凝器16、并从冷凝器16下降到蒸发器10。

术语“低于”不是要求冷凝器/蒸发器的所有部分都位于较低的位置，而是指冷凝器/蒸发器的主要部分位于较低的高度。该术语应当在需要产生工作流体的液态组成部分的重力自流的语境下理解。

优选地，如图2中示意性示出的那样，至少冷凝器16的流体入口的最低部分实际中位于低于膨胀器12的旋转作用部分12”的最低部分12’的位置，而蒸发器10的流体入口的最低部分实际中位于低于冷凝器16的流体出口的最低部分的位置，蒸发器10的流体出口22通过所谓的举升塔24连接到膨胀器12的流体入口23。

根据本发明的ORC 8设计成使得：在正常操作条件下，蒸发器10完全充满沸腾的工作流体，并且举升塔在其整个高度上充满液态工作流体和工作流体气泡的混合物，混合物经举升塔24的弯曲部24’供应到膨胀器12的流体入口23，弯曲部24’至少部分地在膨胀器12的流体入口23的最低部分上方延伸。

“充满沸腾的液态工作流体”是指：沸腾产生的气泡不积聚在蒸发器10的顶部处，以使得蒸发器10中的工作流体不是如已知ORC中那样分离成液态组成部分和积聚在液态组成部分顶部空间中的气态组成部分。

根据本发明的ORC 8的正常操作是：使工作流体在蒸发器10中通过压缩气体的热量而沸腾，而同时压缩气体则被冷却。

液泵15设计成确保将比可通过压缩气体热量而蒸发的工作流体多的工作流体泵送到蒸发器10，以确保蒸发器完全充满沸腾液体，以便最大程度地回收来自压缩气体的热量。

如图2中示意性表示的那样，在举升塔24中的是来自工作流体的气泡和液态工作流体的混合物，混合物被输送供应到膨胀器12的入口23，因此膨胀器12必须从能够处理这种两相混合物的膨胀器类型中选择。

弯曲部24’应当位于与膨胀器流体入口23相同的高度处或在比流体入口23高的高度处，以使得来自举升塔24的带气泡的液体将流过弯曲部24’并且通过重力下降流过膨胀器12并下降到冷凝器16，将其从冷凝器16经由把冷凝器16和蒸发器10连接起来的回路14的导管25再次供应到蒸发器10。

蒸发器10中产生的气泡倾向于在举升塔24中以及在导管25中都上升，但是经由举升塔24将是最小阻力的路径。

这样，通过举升塔24产生了自循环效果，这有助于使工作流体在回路14中循环。

即使当液泵15或膨胀器12堵塞时，ORC也能继续使工作流体借助于重力在回路14中循环，从而给蒸发器10中的压缩气体提供充分冷却以避免发生危险状况，直到液泵15或膨胀器12修复为止。

应理解的是，根据本发明的ORC 8也可以用于除冷却压缩气体之外的其他应用，诸如冷却烟气、蒸汽等。

冷凝器16的冷却可以以除图1示例之外的其他方式实现，例如借助于风机等向冷凝器16吹送环境空气。

膨胀器12可以是能够通过使供应的两相流体膨胀而产生机械能的任何种类膨胀器，优选为可以接受液态和气态工作流体的混合物的容积式膨胀器(例如螺杆式膨胀器)或机械式气缸等。

优选地，取决于可用热源11的温度，使用沸点温度低于90℃或甚至低于60℃的工作流体。

合适的有机工作流体示例是1,1,1,3,3-五氟丙烷。有机流体可以与合适润滑剂混合，以用于润滑ORC的至少一部分运动部件。

总而言之，举升塔24应该设计成具有适当的尺寸以适应以下效果：

-确保蒸发器表面始终与液体接触；

-在蒸发器与膨胀器入口之间创建理想的压力差；

-在膨胀器与冷凝器之间创建合适的高度差；

-在冷凝器与液泵之间允许合适的高度差；

-确保当膨胀器和/或液泵不能工作时WTP系统作为热管/热虹吸管工作。

必须理解的是，在评估ORC领域中的现有技术文件时，ORC示意图中构成部件的相对位置不是必定对应于这些构成部件的相对实际位置。

在图3中示出根据本发明的冷却装置的替代实施例，与图1实施例的不同之处在于：ORC回路设置有把液泵15的入口27和出口28桥接起来的旁路26。

旁路26包括连接到控制器30的阀门29，控制器30用于在ORC8的正常操作条件期间保持阀门29关闭并且在液泵15由于故障或其他原因而不能工作的情况下打开阀门29。因此，控制器30通过电线束32联接到传感器31，以便感测液泵15是否不能工作。

类似地，图3的ORC设置有旁路33，旁路33把膨胀器12的入口23和出口21桥接起来，并且旁路33包括经由电线束32连接到控制器30的阀门34，控制器30用于在ORC 8的正常操作条件期间保持阀门34关闭并且在来自膨胀器12上的传感器35的输入信号显示膨胀器12不能工作的情况下打开阀门34。

控制器30可以根据液泵15和膨胀器12中哪一个不能工作来仅打开旁通阀29、34中的一个，或者可以同时打开两个阀门29和34。

旁路34分支到膨胀器12入口侧ORC回路14的位置36优选地需要位于比冷凝器16高的高度处。

但是，本发明不限于通过示例描述并且在附图中表示的实施例形式，根据本发明的用于将来自热源的废热转换成机械能的ORC以及采用这种ORC的压缩机装置可以在不脱离本发明范围的情况下以各种形式实现。

Claims (21)

1.一种用于将用作热源(11)的压缩气体的热量转换成机械能的ORC，即有机朗肯循环，ORC(8)包括包含有两相工作流体的闭合回路(14)，闭合回路(14)包括液泵(15)，用于使工作流体在闭合回路(14)中相继地循环通过配置用来与热源(11)热接触的蒸发器(10)、用于将工作流体的热能转换成机械能的膨胀器(12)、以及与冷却元件(17)热接触的冷凝器(16)，其特征在于，膨胀器(12)位于蒸发器(10)的上方；并且蒸发器(10)的流体出口(22)通过所谓的举升塔(24)连接到膨胀器(12)的流体入口(23)，举升塔(24)充满液态工作流体和工作流体气泡的混合物，混合物供应到膨胀器(12)；并且举升塔(24)至少部分地在与膨胀器(12)的流体入口(23)相同高度处或上方延伸，以使得由举升塔(24)供应的液态工作流体能够通过重力自流到膨胀器(12)。

2.根据权利要求1所述的ORC，其特征在于，冷凝器(16)主要位于与膨胀器(12)相同的高度处或比膨胀器(12)低的高度处，以使得由膨胀器(12)供应的液态工作流体能够通过重力自流到冷凝器(16)。

3.根据权利要求2所述的ORC，其特征在于，冷凝器(16)的流体入口的最低部分位于比膨胀器(12)的旋转作用部分的最低部分低的位置。

4.根据前述权利要求中任一项所述的ORC，其特征在于，蒸发器(10)主要位于与冷凝器(16)相同的高度处或比冷凝器(16)低的高度处，以使得由冷凝器(16)供应的液态工作流体能够通过重力自流到蒸发器(10)。

5.根据权利要求4所述的ORC，其特征在于，蒸发器(10)的流体入口的最低部分位于比冷凝器(16)的流体出口的最低部分低的位置。

6.根据权利要求1所述的ORC，其特征在于，ORC(8)设计为使得在至少一些操作条件下蒸发器(10)完全充满沸腾的工作流体；并且，举升塔(24)充满液态工作流体和工作流体气泡的混合物，混合物供应到膨胀器(12)。

7.根据权利要求6所述的ORC，其特征在于，液泵(15)的能力选择成使得液泵(15)泵送比在蒸发器(10)中可蒸发的液体更多的液体。

8.根据权利要求1所述的ORC，其特征在于，ORC(8)设计为使得在膨胀器(12)和/或液泵(15)由于故障或其他原因不能工作的情况下，ORC(8)作为由对工作流体的热重力效果驱动的自循环回路来工作。

9.根据权利要求1所述的ORC，其特征在于，ORC闭合回路(14)设置有把液泵(15)的入口(27)和出口(28)桥接起来的旁路(26)，其包括具有控制器的阀门(29)，控制器用于在ORC(8)的正常操作条件期间保持阀门(29)关闭并且在液泵(15)由于故障或其他原因不能工作的情况下打开阀门(29)。

10.根据权利要求1所述的ORC，其特征在于，ORC闭合回路(14)设置有把膨胀器(12)的流体入口(23)和流体出口(21)桥接起来的旁路(33)，其包括具有控制器(30)的阀门(34)，控制器(30)用于在ORC(8)的正常操作条件期间保持阀门(34)关闭并且在膨胀器(12)由于故障或其他原因不能工作的情况下打开阀门(34)。

11.根据权利要求9所述的ORC，其特征在于，阀门(29)的控制器在液泵(15)故障的情况下打开阀门(29)。

12.根据权利要求10所述的ORC，其特征在于，阀门(34)的控制器在膨胀器(12)故障的情况下打开阀门(34)。

13.根据权利要求10所述的ORC，其特征在于，ORC闭合回路(14)还设置有把液泵(15)的入口(27)和出口(28)桥接起来的旁路(26)，其包括具有控制器的阀门(29)，控制器用于在ORC(8)的正常操作条件期间保持阀门(29)关闭并且在液泵(15)由于故障或其他原因不能工作的情况下打开阀门(29)，把液泵(15)的入口(27)和出口(28)桥接起来的旁路(26)中的阀门(29)的控制器和把膨胀器(12)的流体入口(23)和流体出口(21)桥接起来的旁路(33)中的阀门(34)的控制器在膨胀器(12)和液泵(15)故障的情况下同时打开两阀门。

14.根据权利要求1所述的ORC，其特征在于，膨胀器(12)是适于接受液态和气态工作流体混合物的任何类型膨胀器。

15.根据权利要求1所述的ORC，其特征在于，膨胀器(12)是容积式膨胀器(12)。

16.根据权利要求1所述的ORC，其特征在于，膨胀器(12)是螺杆膨胀器(12)。

17.根据权利要求1所述的ORC，其特征在于，使用包括润滑剂或充当润滑剂的工作流体。

18.根据权利要求1所述的ORC，其特征在于，使用沸点温度低于90℃的工作流体。

19.根据权利要求18所述的ORC，其特征在于，使用沸点温度低于60℃的工作流体。

20.根据权利要求10所述的ORC，其特征在于，把膨胀器的流体入口和流体出口桥接起来的旁路(33)分支到膨胀器(12)入口侧ORC闭合回路(14)的位置(36)位于比冷凝器(16)高的高度处。

21.一种用于冷却来自压缩气体的废热源的冷却系统，其特征在于，冷却系统包括根据前述权利要求中任一项所述的ORC，ORC作为用于冷却废热源的唯一方式，不需要任何额外的外部冷却，在膨胀器(12)不工作条件下和/或液泵(15)不工作条件下也同样如此。

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