CN114729577A - 基于组合的焦耳-布雷顿和朗肯循环的、使用直接联接的往复机器工作的设施 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种废热回收循环系统和相关方法，其中布雷顿循环系统与朗肯循环系统结合操作。所述布雷顿循环系统具有加热器，所述加热器被配置为使流体(即惰性气体)与加热源(诸如不同系统的废气)成热交换关系而循环，以便通过加热所述惰性气体从此类不同系统中回收废热。所述朗肯循环系统具有热交换器，所述热交换器被配置为使第二流体循环与所述布雷顿循环系统的所述惰性气体成热交换关系而循环，以便加热所述第二流体，同时冷却所述惰性气体。所述第二流体可选自沸点温度低于来自所述布雷顿循环系统中的膨胀单元/组的所述惰性气体的温度的流体。

Description

基于组合的焦耳-布雷顿和朗肯循环的、使用直接联接的往复 机器工作的设施
描述
技术领域
本公开涉及基于组合的焦耳-布雷顿和朗肯循环的、使用直接联接的往复机器工作改进的热力设施。本文公开的实施方案具体地涉及基于组合的焦耳-布雷顿和朗肯循环的改进的热力系统，该热力系统被优化以具有相对于现有系统减小的尺寸并且易于与外部机械负载装置联接。
背景技术
热力系统(其中工作流体在闭合回路中处理并且最终经历热力变换(包括液态与蒸气或气态之间的相变))通常用于将热量转换成有用的功，并且具体地将热量转换成机械功和/或电能。方便地，这些系统可用于回收不同过程的废气的废热。
根据意大利专利申请第102018000006187号，公开了作为废热回收循环系统的热力系统和相关方法，其中该示例性热回收循环系统包括具有加热器的布雷顿循环系统，该加热器被配置为使气态二氧化碳与加热流体成热交换关系而循环，以加热二氧化碳。根据示例，公开了一种示例性废热回收系统，该系统与热源集成(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。该热源可包括但不限于内燃机、燃气涡轮、地热源、太阳能热源、火炬和/或其它工业热源和住宅热源。
在意大利专利申请第102018000006187号中公开的系统允许实现高效率和成本效益的解决方案(由于选择CO2作为工作流体而导致的小型设备)，以将废热转换为机械能，这是归因于将工作流体与热源直接联接(具有更高的温差并因此有更高的效率)的可能性；安全且环境友好的解决方案(CO2无EHS隐患)。
因此，在下文提出了用于回收热力系统的剩余热量的改进的系统和方法。
发明内容
已经发现，热力系统的剩余热量，即由系统最终与系统未利用的热源的一部分一起排放的热量仍然足够高，并且可使用朗肯循环有效地转换成机械能。
因此，在一个方面，本文公开的主题涉及废热回收循环系统和相关方法，其中布雷顿循环系统与朗肯循环系统组合操作。所述布雷顿循环系统具有加热器，所述加热器被配置为使流体(即诸如二氧化碳的惰性气体)与加热源(诸如不同系统的废气)成热交换关系而循环，以便通过将所述惰性气体加热到所述惰性气体的初始温度与所述加热流体的初始温度之间的中间温度来回收来自此类不同系统的废热。所述朗肯循环系统具有热交换器，所述热交换器被配置为使第二流体与所述布雷顿循环系统的所述惰性气体成热交换关系而循环，以便加热所述第二流体，同时冷却所述惰性气体。所述第二流体可选自沸点温度低于来自所述布雷顿循环系统中的膨胀单元/组的所述惰性气体的温度的流体，并且可以是有机流体或制冷剂流体、蒸汽、氨气、丙烷或其它合适的流体。
因此，本文所公开的主题涉及一种新的废热回收循环系统和所述系统的相关操作方法，其中通过将所述布雷顿循环系统的往复压缩单元/组和往复膨胀单元/组连同所述朗肯循环系统的所述往复膨胀单元/组连接在同一曲柄轴上来获得组合的布雷顿和朗肯循环系统。此配置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。
附图说明
当结合附图考虑时，通过参考以下详细描述，将容易地获得对本发明所公开的实施方案及其许多伴随的优点的更全面的理解，这同样变得更好理解，其中：
图1示出已知的理想布雷顿循环的T-S图；
图2示出了已知的布雷顿引擎；
图3示出了使用CO2作为工作流体的已知修改的实际布雷顿循环的T-S图；
图4示出了使用异戊烷作为工作流体的已知理想循环和真实朗肯循环的T-S图；
图5示出了具有再生器的已知朗肯引擎；
图6示出了与真实朗肯循环(其中第一设备组被配置为使用二氧化碳作为工作流体)组合的新的改进的真实布雷顿循环(其中第二设备单元/组被配置为使用1，1，1，3，3-五氟丙烷(R245FA)作为工作流体)的T-S图；
图7示出了通过将使用二氧化碳作为工作流体的布雷顿循环与使用1，1，1，3，3-五氟丙烷(R245FA)作为工作流体的郎肯循环组合来回收废热的新的改进的系统的第一示意图；
图8示出了图7的系统的操作过程的流程图；并且
图9示出了通过将布雷顿循环(其中第一设备组被配置为使用二氧化碳作为工作流体)与郎肯循环(其中第二设备组被配置为使用1，1，1，3，3-五氟丙烷(R245FA)作为工作流体)组合来回收废热的新的改进系统的第二示意图。
具体实施方式
根据一个方面，本发明主题涉及一种基于组合的布雷顿和朗肯循环的废热回收系统，其中该布雷顿循环包括加热器，该加热器被配置为使惰性气体(诸如二氧化碳)与废热源以热交换关系而循环以加热惰性气体，其中该热交换器被配置为通过与布雷顿循环系统的工作流体交换热量来蒸发朗肯循环系统的工作流体，并且其中该朗肯循环系统的膨胀单元/组与布雷顿循环系统的膨胀单元/组和压缩单元/组机械联接。废热源可包括内燃机、燃气涡轮、地热源、太阳能热源、工业热源和住宅热源等。布雷顿循环系统的膨胀单元/组和压缩单元/组和朗肯循环的膨胀单元/组是连接到公共轴的往复机器，该公共轴与诸如发电机等外部装置直接联接。
现在参考附图，理想的布雷顿循环包括两个等熵过程和两个等压过程，如图1中所描绘的T-S图所示。等压过程涉及过程流体的加热和冷却，而等熵过程涉及过程流体的膨胀和压缩。
参考图2(图2示出已知例示的布雷顿引擎)，过程流体由压缩机C使用压缩功率Lc而从点1至点2等熵地压缩，由加热器H提供热量Qin而从点2至点3等压地加热，由膨胀机E产生膨胀功率Le而从点3至点4等熵地膨胀，由冷却器Q交换热量Qout而从点4至点1等压地冷却。
随着压缩机和膨胀机的机械联接，机械能够产生的净功率为Ln＝Le-Lc。效率η是净功率Ln与热量Qin之间的比率，并且可示出为：
Figure BDA0003664051450000041
其中T1和T2分别是压缩之前和之后的温度，β是压缩比p2/p1＝p3/p4，
Figure BDA0003664051450000042
Figure BDA0003664051450000043
其中k是过程流体在恒定压力Cp与恒定体积Cv下的比热之间的比率。
净功率Ln可表示为β与T1、T3的函数，如下：
Figure BDA0003664051450000044
求导，可以示出当T2＝T4时，获得最大净功率。
考虑到这种背景，并且现在转向新废热回收系统的实施方案，已经认识到，与其它惰性气体(如N2、He、Ne、Ar、Xe)的压力和温度的范围相比，作为处理流体的二氧化碳具有非常好的净功率/压缩功率比Ln/Lc(0.716)，但不良的效率η(0.28)。例如，氮具有0.37的理想效率，但不良的Ln/Lc(0.343)。氦具有甚至更高的理想效率(0.47)，但不良的Ln/Lc(0.109)。这意味着，为了产生1MW的净功率，对于CO2，需要1.4MW的压缩功率(在理想条件下)，而对于氮，需要2.9MW的压缩功率，并且对于氦，需要9.2MW的压缩功率。在整个说明书中对“惰性气体”的参考意味着结合实施方案描述的特定气体在所公开的系统的操作条件下是惰性的。
在现实条件下，压缩功增加而膨胀功减少，因此，对于低Ln/Lc值，净功率可变成压缩功的极低百分比，甚至为负值。因此，在本文的实施方案中，优选地使用能够提高效率的布置结构来选择二氧化碳作为处理流体。
此外，使用二氧化碳作为工作流体还具有便宜、不易燃、无腐蚀性、无毒并且能够承受高循环温度(例如，高于400℃)的优点。二氧化碳也可超临界地加热到高温而无化学分解的风险。
由于效率是净功率和处理流体与热源交换的热量之间的比率，因此在一种布置结构中，通过在压缩机输送的二氧化碳到达加热器之前预加热二氧化碳来减少此类热量，从而提高效率。这可有利地通过使用存在于从膨胀机排出的流体中的部分热量来实现，即，通过使用所谓的再生器来实现，如下文将解释的。
在另一种布置结构中，通过使用级间冷却来降低压缩功率，从而提高效率。
在图3的T-S图中示出这两种布置结构(它们明显可彼此独立地存在)的组合的效果。
再生由几乎与下等压线和上等压线重合的两部分曲线反映，这两部分分别为关于再生器热交换器的热侧从点4r到4′r，以及关于再生器热交换器的冷侧从2r到2′r，其中第二点在比第一点更低的压力水平上以说明换热器压降，而级间压缩机冷却由点1’r到1”r的曲线表示，该曲线从点1’r到1”r跨越中部等压线。此处描绘了真实循环，其中图1的等熵曲线被倾斜(多熵)曲线替代，以考虑到在真实膨胀和压缩中，总是会由这些过程的不可逆性生成一些熵。
参考图4，理想的郎肯循环包括两个等熵过程和两个等压过程，如所描绘的T-S图所示。等压过程涉及过程流体的加热(包括蒸发)和冷却(包括冷凝)，而等熵过程涉及过程流体的膨胀和压缩。
参考示出了示例性的朗肯引擎的图5，过程流体由泵P使用压缩功率Lc而从点5至点6等熵地压缩，由第一加热器(“再生器”，R)从点6至点6’等熵地加热，并由第二加热器(“蒸发器”，Ev)提供热量Qin而从点6’至点7进一步等压地加热、蒸发和过加热，由膨胀机E产生膨胀功率Le而从点7至点8等熵地膨胀，在“再生器”R的热侧从点8至点8’等压地冷却，并由交换热量Qout的第二冷却器“冷凝器”Q从点8’至点5进一步冷却、冷凝并过冷却。
在任何真实循环中，不可逆性的存在降低了循环效率。这些不可逆性主要发生：
在膨胀期间：仅将可从压差回收的能量的一部分转换为有用的功；另一部分被转换为热量并且丢失；膨胀机的等熵效率通过与等熵膨胀进行比较来限定；
在热交换器中：工作流体采用长且曲折的路径，该路径确保良好的热交换，但引起降低可从循环回收的功率量的压降；同样地，热源/水槽与工作流体之间的温度差产生损失(exergy destruction)并降低循环性能。
仍然参考图4，还描绘了实际循环，其中等熵曲线被倾斜(多熵)曲线替换，以考虑在真实膨胀和压缩中，始终生成一些熵热。
新实施方案的具体描述
现在参考图6，示出了根据本发明的示例性实施方案的使用二氧化碳作为工作流体的真实布雷顿循环的T-S图，该真实布雷顿循环与使用1，1，1，3，3-五氟丙烷(R245FA)作为工作流体的真实朗肯循环组合。用作朗肯循环中的工作流体的有机流体可以是与操作条件和生态问题相容的任何有机流体，但也可以是蒸汽、氨气、丙烷或任何其它合适的流体。例如，可使用2，3，3，3-四氟丙烯(或R1234yf)(相对于R245FA具有较低GWP和ODP)作为1，1，1，3，3-五氟丙烷(R245FA)的替代物。
R245FA的再生由几乎与下等压线和上等压线重合的两部分曲线反映，这两部分分别为关于再生器热交换器的热侧从点8r到8′r，以及关于再生器热交换器的冷侧从6r到6′r，其中第二点在比第一点更低的压力水平上以说明换热器压降，而通过冷却CO2来蒸发R245FA由点4”r到点6’r的水平虚线表示。另外，图6示出了由泵从点5到点6压缩R245FA，由再生器从点6到点6′加热，并且由蒸发器从点6’到点7进一步加热、蒸发和过加热，从点7到点8膨胀，在“再生器”的热侧从点8到点8’冷却，并且由交换Qout的第二冷却器“冷凝器”从点8’到点5进一步冷却、冷凝和过冷却。
来到图7，示出了根据本发明一个示例性实施方案的新废热回收系统。该系统被配置为包括布雷顿循环系统的废热回收系统的实施方式，具有若干关键和明显的区别。一个区别是使用往复容积式机器。另一个区别是加入了朗肯循环系统。该朗肯循环系统具有热交换器，该热交换器被配置为使工作流体以与布雷顿循环系统的惰性气体成热交换关系而循环。又另一个区别是，朗肯循环系统的往复膨胀单元/组与布雷顿循环系统的往复容积式机器沿单个公共轴机械联接。
参考图7，加热器16联接到热源，例如热生成系统(例如，引擎)的排气装置。在操作中，加热器16接收来自加热流体HF(例如，从热源产生的废气)的热量，该加热流体加热穿过与加热器联接的管束的惰性气体G。在第一示例性实施方案中，从加热器16排出的惰性气体G可以是处于约400℃的第一温度和约260巴的第一压力的二氧化碳。根据第二示例性实施方案，压力可以是105巴，温度可以在360℃至420℃的范围内变化。离开加热器16，热二氧化碳G流到并且彻底穿过往复膨胀单元/组18以使二氧化碳G膨胀。随着加压的热二氧化碳G膨胀，它转动被配为驱动生成电力的第一发电机26的轴。随着膨胀，二氧化碳G还冷却，并且随着其膨胀而减压。因此，在上述第一示例性实施方案中，二氧化碳G可在约230℃的第二较低温度和约40巴的第二较低压力下从往复膨胀单元/组18排出；同时在上述第二示例性实施方案中，较高压力为105巴时，此较低压力可以是30巴，温度为200℃。
就往复膨胀单元/组18的结构而言，在一个实施方案中，往复膨胀单元/组18具有多个连续布置的往复膨胀单元/组级。作为说明而非限制，图7中所示的实施方案包括两个串联布置的往复膨胀单元/组级(标记为181、182)，其中往复膨胀单元/组181、182各自具有一个往复膨胀单元/组。
仍处于第二温度和压力的冷却的减压二氧化碳G通过热交换器36(下文描述)从单个往复膨胀单元/组18或最后一个往复膨胀单元/组182流入并通过低压LP冷却器20。LP冷却器20被配置为将二氧化碳G进一步冷却到约40至50℃的第三温度(低于第一温度或第二温度，单独地或组合地)(此值是环境条件和冷却介质可用性/选择(空气/水，AW)的函数)。二氧化碳G从LP冷却器20排出并且流入并通过往复压缩单元/组22，该往复压缩单元/组用来将二氧化碳G压缩并且加热到基本上更高的第四温度以及使其到第四压力。附带地，第四压力可与上述第一压力大约相同或略高于上述第一压力，以说明管道和加热器16压降。因此，仅举例来说，在上述第一实施方案中，从往复压缩单元/组22排出的两次加热的二氧化碳G处在约110℃的第四温度和约260巴的第四压力，而在上述第二实施方案中，这些温度和压力值分别为约108℃和105巴。这些值仅以举例的方式给出，不应被视为限制本文所公开的主题的范围。
现在将进一步描述往复压缩单元/组22。在一个实施方案中，往复压缩单元/组22可以是多级往复压缩单元/组，其中中间冷却器设置在多级往复压缩单元/组的每个级之间。该系统可包括多个串联布置的往复压缩单元/组级，每个往复压缩单元/组级包括一个或多个往复压缩单元/组。在一些实施方案中，每个往复压缩单元/组级包括单个往复压缩单元/组。图7中所示的实施方案包括两个串联布置的往复压缩单元/组级(标记为221、222)，每个压缩单元/组级级包括一个往复压缩单元/组。
在图7的图解示意图中，两个往复压缩单元/组级221、222成对。每对相对布置的往复压缩单元/组级对由公共轴驱动。同一轴也连接到往复膨胀单元/组18。
回到系统的操作循环，二氧化碳在1r处(在上述第三压力和第三温度下)进入第一往复压缩单元/组级221，并且在1′r处离开第一往复压缩单元/组级221。流动路径13可从往复压缩单元/组级221的出口侧延伸到往复压缩单元/组级222的入口侧。沿着流动路径13设置有级间换热器或冷却器15。级间冷却器在下文将被指示为级间换热器15。因此，流过流体路径13的(现在)压缩的二氧化碳G也流经级间换热器15并且被冷却流体AW例如空气冷却，该冷却流体在级间换热器15中流动，该级间换热器在一个示例中可以是空气冷冻换热器。如果在单个级中实现压缩，则可能不存在级间热交换器15。
冷却的二氧化碳G现在进入第二往复压缩单元/组222，并且最终在2r处排出往复压缩单元/组级222。
在一个实施方案中，参考图7，该系统包括换热器17(也称为再生器)，该换热器被配置为使冷却的、膨胀的、压力较低的二氧化碳G的全部或一部分从膨胀机18循环到LP冷却器20，使得相对于从往复压缩单元/组22排出并且流到加热器16的二氧化碳G发生热交换关系，以允许将二氧化碳G预加热到高达160℃或以上，然后再重新进给到加热器并且开始新的循环。
应注意，在冷却的减压二氧化碳G从单个往复膨胀单元/组18或最后一个往复膨胀单元/组182流出时，根据上述第一示例性实施方案，其仍然是在约230℃的第二温度和约40巴的压力(或根据上述第二示例性实施方案，较高压力为105巴，处于200℃的温度和30巴的压力)并且必须冷却到约40至50℃(该值是环境条件和冷却介质可用性/选择(空气/水，AW)的函数)。为了实现此结果，使用低压的LP冷却器20。冷却器20的使用涉及系统效率的损失，这是由于需要机械能来操作冷却器20本身(如果选择空气冷却器热交换器，则需要压降和风扇吸收)，并且由于对于所有循环需要将热能释放到环境，使得热释放温度最高、热力循环效率最低。与布雷顿循环系统组合的上述朗肯循环系统的功能允许更高的废热回收率，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。
具体地，仍然参考图7，蒸发器36从惰性气体G(如上所述可以是二氧化碳)接收热量，惰性气体G从再生器17循环到布雷顿循环的冷却器20，加热、蒸发和过加热通过蒸发器36的工作流体，即有机流体，诸如1，1，1，3，3-五氟丙烷(R245FA)。布雷顿循环的再生器17、冷却器20和蒸发器36可能无法同时存在。
在一个具体实施方案中，从蒸发器36排出的有机流体蒸气OF可处于约150℃的第一温度和约32.5巴的第一压力。离开蒸发器36，热有机流体蒸气OF流到并通过往复膨胀单元/组38以使其自身膨胀。随着加压的热有机流体蒸气膨胀，它转动被配置为与布雷顿循环的往复膨胀单元/组18和往复压缩单元/组22的同一轴联接的轴。具体地，根据本发明的实施方案，往复膨胀单元/组38转动布雷顿循环的往复膨胀单元/组18和往复压缩单元/组22的同一轴，即直接联接到同一发电机26。在膨胀时，有机流体蒸气也冷却并减压。因此，在第一特定实施方案中，有机流体蒸气可在约71℃的第二较低温度和约3.6巴的第二较低压力下从往复膨胀单元/组38排出，而在第二特定实施方案中，较低温度为约71℃并且较低压力为约3.1巴，为冷凝条件的压力和温度函数，并且然后是环境温度的函数。
就往复膨胀单元/组38的结构而言，在一个实施方案中，往复膨胀单元/组38具有多个连续布置的膨胀单元/组级。每个膨胀单元/组级可具有一个或多个往复膨胀单元/组或由一个或多个往复膨胀单元/组形成。在其它实施方案中，每个膨胀单元/组级可包括单个往复膨胀单元/组。以说明而非限制的方式，图7所示的实施方案包括两个串联布置的膨胀单元/组级(标记为381、382)，其中膨胀单元/组级381、382各自具有一个膨胀单元/组。
仍处于第二温度和压力的冷却的减压有机流体从单个膨胀单元/组38或最后一个膨胀单元/组382流入并且通过再生器37的热侧，然后进入冷凝器40。冷凝器40被配置为将有机流体OF进一步冷却并冷凝到约40至50℃的第三温度(低于第一温度或第二温度，单独地或组合地)(此值是环境条件和冷却介质可用性/选择(空气/水，AW)的函数)。冷凝有机流体从冷凝器40排出并流入和通过泵42，该泵对有机流体OF加压并将其驱动到蒸发器36。
在一个实施方案中，朗肯循环包括热交换器37(也称为再生器)，该热交换器被配置为使全部或一部分冷却的、膨胀的低压有机流体蒸气OF从膨胀单元/组38循环到冷凝器40，使得相对于从泵42排出并流入蒸发器36的有机流体发生热交换关系，以允许根据上述第一示例性实施方案(其中冷凝在约50℃和约3.6巴发生)将有机流体OF预加热至高达62℃，根据第二示例性实施方案(其中冷凝在约40℃和3.1巴发生)预加热至高达52℃，然后再重新进给到蒸发器36并且开始新的循环。
图8示出了图7的系统的操作循环的流程图，该流程图括以下步骤：
■经由布雷顿循环系统的加热器使惰性气体与加热流体成热交换关系而循环50，以加热惰性气体，以及经由朗肯循环系统的蒸发器循环流体，以冷却惰性气体；布雷顿循环系统包括联接到加热器的膨胀单元/组以及压缩单元/组，朗肯循环系统包括膨胀单元/组；布雷顿循环系统的压缩单元/组和膨胀单元/组与朗肯循环系统的膨胀单元/组是机械联接的往复机器；
■经由布雷顿循环系统的膨胀单元/组使惰性气体膨胀51；
■经由蒸发器循环52来自布雷顿循环系统的膨胀单元/组的惰性气体；
■经由布雷顿循环系统的冷却器循环53来自蒸发器的惰性气体；
■经由压缩单元/组压缩54通过冷却器进给的惰性气体；
■将惰性气体从压缩单元/组循环55到加热器；
■经由朗肯循环系统的膨胀单元/组使来自蒸发器的流体蒸气膨胀56：
■经由朗肯循环系统的冷凝器循环57来自膨胀单元/组的流体蒸气；以及
■经由泵将流体液体从冷凝器循环58到蒸发器。
在系统的示例性实施方案中，再次参考图7，两个膨胀单元/组级381、382成对。每对相对布置的膨胀单元/组级对由公共轴驱动。在一个实施方案中，齿轮箱将各个轴连接到布雷顿循环的压缩单元/组22和膨胀单元/组18。
朗肯循环的往复容积式膨胀单元/组和使用二氧化碳作为工作流体的布雷顿循环的往复容积式膨胀单元/组和往复容积式压缩单元/组可以任何已知的方式机械连接，例如也包括磁性联接器。
在系统的一个实施方案中，朗肯循环的膨胀单元/组38是往复膨胀单元/组，布雷顿循环的压缩单元/组22和膨胀单元/组18也是往复压缩单元/组和往复膨胀单元/组，并且所有这些往复机器联接到公共轴。此配置是很重要的，因为工作流体(CO2和有机流体)在示例性操作压力和温度范围内的密度非常不同，结果机器应当以工作流体的非常不同的体积量工作，并且因此，在不使用往复机器的情况下，机器以非常不同的旋转速度工作。实际上，CO2与R245FA的体积流量之间的比率在入口处为0.55，在出口处为1.6，压力比为6.5，并且范围分别为8.5和10.5。这将驱使本领域技术人员将不同的机器联接在同一轴上。最终，将必须考虑使用齿轮装置，这种解决方案是不期望的，因为它对系统引入了机械复杂性。不同的是，通过使用往复机器，可通过改变孔，从而改变机器的位移，以及改变腔间隙来以工作流体的不同体积流量进行操作，而在对使用齿轮装置没有任何需要。
根据朗肯循环的往复膨胀单元/组38与布雷顿循环的往复压缩单元/组22和往复膨胀单元/组18均联接至公共轴的示例性实施方案的另外的优点是，不需要使用齿轮装置来将公共轴与发电机26联接。实际上，往复机器的使用使得可通过简单地作用于极性对的数目来匹配网络频率(50或60Hz)。
另外，使用往复机器允许以约1000转/分钟的旋转速度操作公共轴，其优点是与大多数装置(包括发电机26)直接联接，并且更有利地是与变频调速发电机或过程辅助装置直接联接是可能的。与变频调速(VFD)发电机的联接是优选的，因为这种装置的可调范围更大，从而允许更好地匹配热源的可能热变化。另外，VFD发电机还可用作机械驱动配置中的系统和/或辅助装置的起动引擎。
本文的实施方案还涉及一种系统，该系统用于通过使用二氧化碳作为工作流体的布雷顿循环与使用1，1，1，3，3-五氟丙烷(R245FA)作为工作流体的朗肯循环组合来回收废热，其中CO2布雷顿引擎包括级间。
在压缩单元/组气缸中，当活塞运行时，在压缩冲程期间，即，当吸入阀和排放阀都关闭时(无论使用哪种阀门)，压力增加。
在双作用压缩单元/组气缸中，随着活塞的运行，一端(例如，头端)的压力上升，而相对端的压力降低。根据下式，压力在相反的冲程反向：P·Vn＝const。根据式
Figure BDA0003664051450000121
温度随压力增加。
因此，限制气缸中的温度上升，并且因此限制比体积和体积流量的对应增加，将减少压缩功(与VdP的积分成比例)，从而提高循环的总体效率。
为了实现对气缸中的温度上升和比体积的对应增加的限制，可将液体(例如，水的混合物)的喷雾直接注入气缸的有效作用侧，以便减少压缩功。
在系统的示例性实施方案中，可将液体的喷雾(例如水的混合物)直接注入气缸的有效作用侧，以便减少紧邻气缸上游的压缩功。
液体的压力应高于实际气体压力，以便胜过阻力并且有助于雾化，而待喷洒液体的温度应为环境条件所允许的最低温度。注入的液体流量使得一旦气化，其分压始终低于其对应于预期气体温度(即，冷却之后的气体温度)的蒸气压力，以防止对气缸部件(例如，压缩单元/组阀)具有危险的任何痕量的液滴。在从压缩气缸排出之后，所注入的液体被掺入混合物中，直到它在级间冷却器和最终冷却器中被冷却和冷凝。然后所注入的液体被泵压缩并且重新注入，从而在闭环中工作。
与系统的总体功率增加相比，液体泵的功率消耗可忽略不计。
由于与CO2混合的混合物中的液体蒸气摩尔分数随混合物温度而增加并且随混合物压力而降低，因此在较低的压力和较高的温度下，液体喷雾注入更为有效。因此，随着压缩级的增加，应仔细评估施加液体喷雾注入的情况。
在系统的T-s图中，在压缩级期间的液体注入是不改变理想绝热压缩功的等焓过程，但是由于体积流量降低和多熵效率增加，真实压缩功减小；整个循环面积以及总体效率增加。级间冷却器的热负荷保持不变，并且因交换器入口处的较低混合物温度而引起的较低EMTD通过因混合物中的冷凝H2O而引起的增加的总体热传递系数进行补偿。
即使水注入在较低的CO2压力下更加有效，也可在所有压缩级应用水注入。
图9示出了通过将使用二氧化碳作为工作流体的布雷顿循环与使用1，1，1，3，3-五氟丙烷(R245FA)作为工作流体的郎肯循环组合来回收废热的新系统的进一步实施方案的示意图。系统包括在压缩气缸内部或上游通过液体(例如，水或其混合物)注入进行的级间冷却，如图9所示。根据此实施方案，集成式分离机转鼓23、24被置于级间换热器或冷却器15、20的下游，以分离和收集冷凝的液体，然后再将其在泵25中进行压缩，随后再次注入到压缩单元/组级221、222中。
本文的实施方案还涉及一种用于通过布雷顿循环与朗肯循环组合使用往复机器来回收废热的系统，其中布雷顿循环系统的往复压缩单元/组22和往复膨胀单元/组18根据串联配置布置。
在系统的示例性实施方案中，根据串联配置，布雷顿循环系统的往复压缩单元/组22和往复式膨胀单元/组18均包括一个或多个相应的气缸，往复压缩单元/组22的气缸和往复膨胀单元/组18的气缸通过公共杆连接，该公共杆进而联接到公共轴，该公共轴连接到发电机26或任何其它装置，使得在公共轴自身上关闭力平衡；这允许在轴上的气体负载减小，因此轴可以更小和更轻，以及减小曲轴箱的尺寸，从而导致摩擦损失较少和节省制造和安装成本。
此外，根据该实施方案，来自气缸的泄漏受到来自腔室的差分压力的限制，并且除了由迷宫式密封件包含之外，由于泄漏直接落在连接的气缸中，所以可将其回收，从而允许完全密封的布置以防止任何泄漏到达外部。

Claims (21)

1.一种废热回收系统，所述废热回收系统包括布雷顿循环系统和朗肯循环系统：
所述布雷顿循环系统包括：
加热器(16)，所述加热器被配置为使惰性气体与加热流体成热交换关系而循环以加热所述惰性气体；
第一膨胀单元/组(18)，所述第一膨胀单元/组联接到所述加热器(16)并且被配置为使所述惰性气体膨胀；
热交换器(36)，所述热交换器被配置为通过蒸发所述朗肯循环系统的工作流体来冷却来自所述第一膨胀单元/组(18)的所述惰性气体；
冷却器(20)，所述冷却器被配置为进一步冷却来自所述热交换器(36)的所述惰性气体；以及
压缩单元/组(22)，所述压缩单元/组被配置为压缩通过所述冷却器(20)进给的所述惰性气体；
其中所述第一膨胀单元/组(18)和所述压缩单元/组(22)是机械联接的往复机器；以及
所述朗肯循环系统包括：
第二膨胀单元/组(38)，所述第二膨胀单元/组联接到所述热交换器(36)并且被配置为使所述工作流体蒸气膨胀；
冷凝器(40)；以及
泵(42)，所述泵被配置为压缩通过所述冷凝器(40)进给的所述工作流体；
其中所述第二膨胀单元/组(38)是与所述布雷顿循环系统的所述第一膨胀单元/组(18)和所述压缩单元/组(22)机械联接的往复机器，其中所述布雷顿循环系统的所述第一膨胀单元/组(18′)和所述压缩单元/组(22)与所述朗肯循环系统的所述第二膨胀单元/组(38)连接至公共轴。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述公共轴与外部装置直接联接。
3.根据前述权利要求所述的系统，其中所述外部装置是发电机(26)。
4.根据前述权利要求所述的系统，其中所述外部装置是变频调速发电机。
5.根据前述权利要求所述的系统，其中所述变频调速发电机用作机械驱动配置中的所述系统和/或辅助装置的起动引擎。
6.根据前述权利要求中一项或多项所述的系统，其中所述公共轴以约1000转/分钟旋转。
7.根据前述权利要求中一项或多项所述的系统，其中所述布雷顿循环系统的所述往复压缩单元/组22和所述往复膨胀单元/组18根据串联配置布置。
8.根据前述权利要求中的一项或多项所述的系统，其中所述压缩单元/组为包括多个串联布置的压缩单元/组级(221，222)的多级压缩单元/组，其中在顺序布置的压缩单元/组级对之间布置有相应的级间换热器(15，20)，其中所述级间换热器(15，20)被配置为从连续压缩单元/组级循环的压缩的惰性气体中除去热量。
9.根据前述权利要求所述的系统，其中所述级间换热器(15，20)为液体冷却式。
10.根据前述权利要求所述的系统，所述系统包括分离机转鼓(23，24)，所述分离机转鼓置于所述级间换热器(15，20)的下游并且适于分离和收集冷凝的冷却液体；泵(25)，所述泵适于压缩来自所述分离机转鼓(23，24)的所述冷却液体并且在所述压缩单元/组级(221，222)中注入所述压缩的液体。
11.根据权利要求9至10中的一项或多项所述的系统，其中所述液体为水或水基混合物。
12.根据前述权利要求中一项或多项所述的系统，其中提供热交换器(17)以使从所述第一膨胀单元/组(18)到所述冷却器(20)的所述惰性气体与从所述压缩单元/组(22)到所述加热器(16)的所述惰性气体成热交换关系而循环。
13.根据前述权利要求中一项或多项所述的系统，其中提供热交换器(37)以使从所述第二膨胀单元/组(38)到所述冷凝器(40)的所述流体蒸气与从所述泵(42)到所述热交换器(36)的所述流体成热交换关系而循环。
14.根据前述权利要求中一项或多项所述的系统，其中用作所述布雷顿循环系统中的工作流体的所述惰性气体是二氧化碳。
15.根据前述权利要求中一项或多项所述的系统，其中用作所述朗肯循环系统中的所述工作流体的所述流体选自有机流体、制冷剂流体、水、氨气、丙烷或其它合适的流体。
16.根据前述权利要求所述的系统，其中用作所述朗肯循环系统中的所述工作流体的所述有机流体选自1，1，1，3，3-五氟丙烷(R245FA)和2，3，3，3-四氟丙烯(或R1234yf)。
17.根据前述权利要求中的一项或多项所述的系统，其中所述加热器被配置为与废热源联接，所述废热源包括例如内燃机、燃气涡轮、地热源、太阳能热源、工业热源和住宅热源等。
18.根据前述权利要求中的一项或多项所述的系统，其中所述加热器是被进给燃料以实现气体引擎的燃烧器。
19.根据前述权利要求中一项或多项所述的系统，其中被配置为压缩所述朗肯循环系统的所述流体所述泵(42)与所述布雷顿循环系统的所述第一膨胀单元/组(18)和所述压缩单元/组(22)和所述朗肯循环系统的所述第二膨胀单元/组(38)机械联接。
20.一种操作废热回收系统的方法，所述废热回收系统包括根据权利要求1所述的布雷顿循环系统和朗肯循环系统，所述方法包括：
■经由布雷顿循环系统的加热器使惰性气体与加热流体成热交换关系而循环(50)，以加热所述惰性气体；以及经由朗肯循环系统的蒸发器循环流体，以冷却所述惰性气体；
■经由联接到所述布雷顿循环系统的所述加热器的膨胀单元/组，使所述惰性气体膨胀(51)；
■经由所述朗肯循环系统的所述流体的所述冷凝器来循环(52)来自所述膨胀单元/组的所述惰性气体；
■经由所述布雷顿循环系统的冷却器循环(53)来自所述流体蒸发器的所述惰性气体；
■经由所述布雷顿循环系统的压缩单元/组来压缩(54)通过所述冷却器进给的所述惰性气体；
■将所述惰性气体从所述压缩单元/组循环(55)到所述加热器；
■经由所述朗肯循环系统的膨胀单元/组使来自所述蒸发器的所述流体蒸气膨胀(56)；
■经由所述朗肯循环系统的冷凝器来循环(57)来自所述膨胀单元/组的所述流体蒸气；以及
■经由泵将所述流体液体从所述冷凝器循环(58)到所述流体的所述蒸发器。
21.根据权利要求20中所述的方法，其中所述压缩步骤包括在级间冷却之后压缩在连续压缩单元/组级中循环的二氧化碳以降低压缩功率。
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