[发明专利]从中温热源生成功率

说明书

技术领域

本发明涉及从中温热源生成机械功率。

背景技术

通常使用蒸汽作为工作流体在兰金(Rankine)循环系统中从外部热源(如燃烧产物)回收机械功率。然而，近年来随着将低温热源用于功率回收的兴趣已经增长，已经有寻求替代工作流体和温度低于约200℃的热源的增长趋势。在多数情况下，已经表明如轻质碳氢化合物的有机流体或者常用制冷剂是适当的。这些流体具有唯一性质，并且获得用于从给定热源回收功率的最佳系统的大量技术是基于对最适合流体的选择。

最常使用或者考虑的那些流体为常用制冷剂，比如R124(Chlorotetrafluorethane)、R134a(Tetrafluoroethane)或者R245fa(1，1，1，3，3-Pentafluoropropane)或者轻质碳氢化合物如isoButane、n-Butane、isoPentane和n-Pentane。一些系统并入高度稳定的热流体，比如Dowtherms和Therminols，但是这些流体的很高临界温度引起大量系统设计问题，这导致高成本的解决方案。

然而，存在有已经用于其它过程的形式主要为燃烧产物的许多热源，比如内燃机(IC engine)的废气，其中温度实际上更高，初始值通常范围为200℃-700℃，其中有机工作流体与热稳定问题关联，并且它们的热力性质的有利性更低。遗憾的是，常规蒸汽循环在这些温度也具有严重不足。

俄罗斯专利公开no.RU2050441公开一种通过从作为工业过程产生的废品可获得的蒸汽来回收能量来产生电功率的方法。蒸汽的干度维持于0.6-1的范围中，因此蒸汽较为干燥。可以在双螺旋机器中实现蒸汽膨胀。

发明内容

本发明涉及对从200℃-700℃的温度范围中的外部热源回收功率的优化。本发明基于如下理解：与已知功率生成循环(比如利用水或者有机流体作为工作流体进行操作的兰金循环)相比，使用湿润蒸汽(甚至具有低干度的蒸汽)可以在工作流体凝结于相同或者甚至更低温度时从中温热源(比如温度范围为200℃-700℃的热源)提供更高效率的功率回收。

根据一个方面，本发明提供一种从温度的范围为200℃至700℃的热源生成功率的方法，该方法包括以下步骤：利用来自热源的热加热在锅炉中的水，以生成干度为0.1至0.9(10％至90％)的湿润蒸汽；在正移位膨胀器中膨胀湿润蒸汽以生成功率；在范围为70℃至120℃的温度将膨胀的蒸汽凝结成水；并且使凝结的水返回到锅炉。

这样的系统最适合于从这一中温范围中的热气体(如内燃机废气或者其它热气体流)获得范围为20-500kW的功率输出。

根据又一方面，本发明提供一种用于生成机械功率的装置，该装置包括：热源；蒸汽锅炉，布置成从温度的范围为200℃至700℃的热源接收热，并且由此生成干度为0.1至0.9(10％至90％)的湿润蒸汽；正移位膨胀器，用于膨胀蒸汽并且由此生成更多机械功率；凝结器，尺寸设定成在范围为70℃至120℃的温度将膨胀的蒸汽凝结成水；以及馈送泵，用于使水返回到锅炉。

附图说明

现在将参照以下附图通过例子进一步描述本发明，其中：

图1A和1B分别示出了常规蒸汽兰金循环的循环(按照熵绘制的温度)和系统部件；

图2示出了饱和蒸汽兰金循环；

图3示出了按照过热蒸汽的热传递绘制的锅炉温度；

图4示出了按照饱和蒸汽的热传递绘制的锅炉温度；

图5A和图5B针对回热有机兰金循环(ORC)，对应于图1A和图1B；

图6A和图6B针对湿润蒸汽兰金循环，对应于图1A和图1B；

图7示出了一种用于根据图6A和图6B从内燃机的废气热生成功率的装置；

图8A和图8B示出了湿润蒸汽兰金循环和有机兰金循环的组合；

图9示出了一种用于使用有机兰金循环从废气生成功率的装置；

图10示出了一种用于借助水蒸汽有机兰金循环(ORC)从内燃机的冷却套的热生成功率的装置；