CN1840868B - 用稠密流体膨胀器将低级热源转化为动力的工艺 - Google Patents

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Abstract

提出了用于将热转化为动力的工艺，其中为使循环更适用于低级热，工作流体在与热源进行热交换后基本保持液态，并且用稠密流体膨胀器代替传统蒸汽膨胀器随后使液体工作流体做功膨胀。

Description

用稠密流体膨胀器将低级热源转化为动力的工艺
技术领域
本发明涉及一种用于将热转化为动力的工艺，更具体地涉及一种用稠密流体膨胀器将低级热源转化为动力的工艺。
背景技术
热可通过如下众所周知的Rankine循环转化为动力：
步骤1：将液体工作流体(working fluid)泵压至升高的压力；
步骤2：将得到的升高压力的液体工作流体通过与热源的间接热交换加热，其中所述加热导致：
(a)使工作流体沸腾；以及
(b)优选使蒸发过热至足够的程度，从而确保工作流体在步骤3做功膨胀(work expansion)步骤中基本保持蒸汽状态；
步骤3：在涡轮膨胀器中做功膨胀(这里限定为熵基本不变)得到的已加热工作流体；
步骤4：将做功膨胀的工作流体通过与冷却水热交换凝结，从而为新循环的步骤1至3准备工作流体。
在一个方案中(此后的超临界方案，如超临界蒸汽循环)，液体工作流体在步骤1中被泵压至超临界压力(即超过液体临界压力的压力)，并且在步骤2中被加热至超临界温度(即超过液体临界温度的温度)。
在另一个方案中，步骤3膨胀做功步骤的热力学效率通过使用多阶段膨胀器增加，其中工作流体在阶段之间被热源再加热。
在另一个方案中，在用更高级热源使工作流体沸腾之前，将工作流体用低级(low grade)热源预热(见如US 3950949和US 4182127)。
本发明与传统Rankine循环的应用有很大区别。尤其是，不要求热源具有足够高的温度或“高级(high grade)”来使步骤2中的工作流体沸腾/过热(或在超临界循环中加热工作流体至超临界温度)，而是在步骤3中利用稠密流体膨胀器(dense fluid expander)。
在这种方式下，允许工作流体在步骤2结束时为液体(或至少大部分为液体，因为稠密流体膨胀器可耐受入口中有一些蒸汽)，从而导致在步骤3结束时膨胀器排放含有蒸汽部分和液体部分(通常更大)。相应地，本发明适用于相对低的温度(通常100℃或更低)，或“低级”热源(经常被称为“废热”)，其不能在步骤2中使工作流体沸腾/过热(或在超临界循环中加热用于加热的工作流体至超临界温度)。或至少不能提供这样数量的热，而仍然允许，如步骤4所要求的，不用除普通冷却水外的任何致冷将膨胀的工作流体凝结。
除了其对低级热的应用，本发明还避免了与采用沸腾液体来补偿热有关的热力学损失。(见如EP 1389672，其采用沸腾液体来补偿压缩的低级热。)特别地，由于液体(或至少单组分液体)在恒定温度沸腾，相关的热交换器在热和冷流间具有很大温差(即非常不“严密”的冷却曲线)，这是本发明避免的。(尽管Rankine循环的超临界方案也避免了这种与采用沸腾液体来补偿热有关的热力学损失，如果流体的临界温度低于低级热源的温度，在冷却水温度下凝结的液体与流体的临界温度更接近，从而泵的功与膨胀器的功相比对循环的效率来说就太高了。)
当然，有本领域实践者可充分理解，相对传统蒸汽做功膨胀，存在与本发明中气体做功膨胀有关的热力学(和机械复杂性)损失。但是，近来稠密流体膨胀器的进步以及一直在增长的能源费用都可证明本发明使用稠密流体膨胀器将低级热源转化为动力是有效的。这些低级热的例子包括压缩机排放物、地热源(如温泉)和太阳能收集器的热量。
迄今为止，两相稠密流体膨胀器的应用已经被限制于致冷循环，其中，在工作流体做功膨胀之前，将工作流体冷却(如，当流体做功膨胀时，利用致冷效应)。例如，US 5564290教导了在空气分离厂中使用两相稠密流体膨胀器。US 6763680教导了在两相稠密流体膨胀器中膨胀液体天然气。两相稠密流体膨胀器已经作为节流(Joule-Thompson)阀的替代品被提议用于标准蒸汽压缩制冷循环。
发明内容
本发明是将热转化为功力的工艺，其中为了使该工艺更适用于低级热，工作流体在与热源进行热交换后基本保持为液态，并且用稠密流体膨胀器替代传统蒸汽膨胀器来随后使液体工作流体做功膨胀。
具体地，本发明涉及一种将热源转化为动力的方法，它包括：
步骤1：将液体工作流体泵压至升高的压力；
步骤2：将所得的升高压力的液体工作流体通过与热源的间接热交换加热，其中在步骤2结束时，所述工作流体保持为液态；
步骤3：在稠密流体膨胀器中使得到的已加热工作流体做功膨胀，从而产生低压液体、低压气体和所述动力；以及
步骤4：通过与冷却流体间接热交换将步骤3得到的低压气体凝结，并且将得到的凝结低压气体与步骤3的低压液体再结合，从而为步骤1至3的新循环准备工作流体。
附图说明
图1是本发明一个实施方式的示意图。
图2是本发明另一实施方式的示意图。
图3是本发明另一实施方式的示意图。
图4是本发明另一实施方式的示意图。
具体实施方式
本发明是将热源转化为动力的工艺，包括：
步骤1：将液体工作流体泵压至升高的压力；
步骤2：将得到的升高压力的液体工作流体通过与热源的间接热交换来加热，其中在步骤2结束时，工作流体基本保持为液态；
步骤3：在稠密流体膨胀器中使得到的已加热工作流体做功膨胀，从而产生低压液体、低压气体和所述动力；以及
步骤4：通过与冷却流体间接热交换将步骤3得到的低压气体凝结，并且将得到的凝结低压气体与步骤3的低压液体再结合，从而为步骤1至3的新循环准备工作流体。
如这里用到的，术语液体原本是指亚临界的液体(即同时在临界压力和临界温度以下的液体)。相应地，在本发明的一个实施方式中，在整个循环内液体是亚临界液体。
但是，“超临界液体”(这里定义为在超临界压力但在亚临界温度下的流体)的使用也在本发明的范围内。相应地，本发明的另一实施方式中(此后的部分超临界实施方式)，将液体工作流体在步骤1泵压至超临界压力并且在步骤2中加热到低于其超临界温度的温度。(将这个部分超临界实施方式与在背景部分讨论的具有Rankine循环的超临界方案形成对照，其中将步骤1的超临界压力工作流体在步骤2中加热到高于其超临界温度的温度相对)。
在本发明的另一实施方式中，热源温度低于200F。
在本发明的另一实施方式中，热源是包括压缩机排放物的低级热源。
在本发明的另一实施方式中，步骤4中使用的冷却流体包括冷却水。
在本发明的另一实施方式中，工作流体包括氨。
在本发明的另一实施方式中，工作流体包括混合在一起的至少两种组分。
提到图1中描述的本发明的实施方式，气流110在压缩机112中被压缩，得到的热流114在热回收交换器116中被冷却，并作为流118从交换器中流出。液体工作流体120在116中通过与流114的间接热交换被加热。得到的基本上为液体的流122在两相稠密流体膨胀器124中膨胀，从而生产含有一些蒸汽的，大部分为液体的流126。流126在凝结器130中被完全凝结。得到的液体131在泵132中被泵压，从而产生流120。压缩机112可以是单段的或多段的，具有或不具有中间冷却器(绝热压缩)。动力回收系统可在一开始出现，或作为改进设备加入。
图2与图1的实施方式相似(相应的流和设备用同样的数字标识)，除了热是从多段压缩机回收之外。尤其是压缩、冷却的气体流118现在在压缩机212中第二次被压缩。所得的热的流214在116中被冷却并作为流218流出交换器。多个热交换器可代替单个交换器116使用，其中工作流体分布在交换器之间。
图3与图1的实施方式相似(相应的流和设备用同样的数字标识)，除了126的蒸汽部分，其现在处于中间压力，在相分离器326中被分离，从而产生蒸汽流327和液体流324。蒸汽流327在116中被重新加热并在蒸汽膨胀器330中膨胀，从而生成额外的动力并制造流332。液体流334在附加的稠密流体膨胀器336中膨胀，从而产生更多动力来制造流两相流338。将流332和338结合，从而产生在凝结器130中完全凝结的流340。
图4与图1的实施方式相似(相应的流和设备用同样的数字标识)，除了流122的蒸汽部分，其在相分离器426中被分离后，在蒸汽膨胀器430中膨胀，从而产生额外的动力并制造流432。液体部分434在稠密流体膨胀器436中膨胀，产生更多的动力来制造流两相流438。将流432和438结合产生流440，其在凝结器130中被完全凝结。
图3和4所示的构造比图1所示的构造可回收稍微更多的动力，并且还可帮助克服在稠密流体膨胀器的排放口允许有多少蒸汽的机械限制。现有的在入口允许两相混合物的膨胀器设计可允许去除相分离器426以及额外蒸汽膨胀器430。
以下基于图1的例子是用来阐述本发明的效率的。将速率为10001b mole/hr(28960 1b/hr)的干燥空气在单段压缩机中在70F，从14.7psia压缩至26.46psia(压缩比为1.8)。压缩机的绝热效率为85％，而制动马力为311.2。现在为183.8F的压缩空气，进入热回收交换器，被液氨冷却到78.6F。液氨在628.6psia和72.1F以390.81b mole/hr(5953.01b/hr)，的速率进入热回收交换器，并且通过与上述空气流进行间接热交换被加热到179.7F。在热交换器中的冷却曲线是严密的，其对数平均温度差为3.3F。
然后将热的液氨在稠密流体膨胀器中膨胀至128.7psia。其现在处于70°F并含有基于摩尔数25.3％的蒸汽。膨胀器的绝热效率为75％；制动马力为24.0。部分闪蒸的低压氨在凝结器中被冷却水完全凝结(冷却水或其它冷却剂的温度决定了膨胀器的出口压力)，被泵压至628.6psia，并进入热回收交换器来完成循环。泵的绝热效率是85％；制动马力是5.5。
回收的净动力等于膨胀器产生的动力减去泵消耗的动力。其为18.5HP或压缩的最初动力的5.9％。设备压降的影响(在本例中忽略不计)预计不会大幅改变这个数字。

Claims (10)

1.一种将热源转化为动力的方法，它包括：
步骤1：将液体工作流体泵压至升高的压力；
步骤2：将所得的升高压力的液体工作流体通过与热源的间接热交换加热，其中在步骤2结束时，所述工作流体保持为液态；
步骤3：在稠密流体膨胀器中使得到的已加热工作流体做功膨胀，从而产生低压液体、低压气体和所述动力；以及
步骤4：通过与冷却流体间接热交换将步骤3得到的低压气体凝结，并且将得到的凝结低压气体与步骤3的低压液体再结合，从而为步骤1至3的新循环准备工作流体。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在整个循环中液体是亚临界液体。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，液体工作流体在步骤1被泵压至超临界压力，并且在步骤2加热至低于其超临界温度的温度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，热源处于低于200F的温度。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，热源是包括压缩机排放物的低级热源。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4使用的冷却流体包括冷却水。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，工作流体包括氨。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，工作流体包括混合在一起的至少两种组分。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3包括：
a)使步骤2的已加热工作流体在第一稠密流体膨胀器中做功膨胀至中等压力，从而产生中等低压的液体、中等低压的气体和一部分所述动力；
b)将中等低压的液体从中等低压的液体分离；
c)将中等低压的蒸汽通过与热源的间接热交换加热；并
d)进一步使中等低压的蒸汽在蒸汽膨胀器中做功膨胀，从而产生所述动力的第二部分以及在步骤4中凝结的低压蒸汽；以及
e)进一步使中等低压的液体在第二稠密流体膨胀器中膨胀，从而产生所述动力的第三部分以及与步骤4中的凝结低压蒸汽再结合的低压液体。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，一部分工作流体在步骤2被蒸发，并且分别地在蒸汽膨胀器中做功膨胀，从而产生所述动力的一部分。
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