專(zhuān)利名稱(chēng)：組合的蘭金循環(huán)和蒸氣壓縮循環(huán)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及有機(jī)蘭金循環(huán)系統(tǒng)，更特別地，涉及一種用于其中的經(jīng)濟(jì)和實(shí)用的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
已知的封閉蘭金循環(huán)包括一個(gè)用于蒸發(fā)工作流體的鍋爐或蒸發(fā)器，一個(gè)用來(lái)輸送來(lái)自鍋爐的蒸汽然后用來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)或其他負(fù)載的渦輪機(jī)，一個(gè)用來(lái)對(duì)從渦輪機(jī)中排出的廢氣進(jìn)行壓縮的壓縮機(jī)，以及通過(guò)一種手段，例如泵，來(lái)將壓縮流體循環(huán)至鍋爐。美國(guó)專(zhuān)利3,393,515中即示出和描述了這樣一個(gè)系統(tǒng)。
這樣的蘭金循環(huán)系統(tǒng)一般用來(lái)產(chǎn)生電力，這些電力再提供給配電站或電網(wǎng)用以為城鎮(zhèn)提供居民和商業(yè)用電。此種系統(tǒng)所使用的工作流體通常為水，然后利用蒸汽由渦輪機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。提供給鍋爐的熱源可以是任何形式的礦物燃料，例如燃油、煤、天然氣或核能。該系統(tǒng)中的渦輪機(jī)設(shè)計(jì)用來(lái)在相對(duì)較高的壓力和溫度下操作，其加工和使用費(fèi)用也較為昂貴。
隨著能源危機(jī)的出現(xiàn)，出于節(jié)約和更有效地使用我們可用能源的需要，蘭金循環(huán)系統(tǒng)已被用來(lái)捕獲所謂的“廢熱”，該“廢熱”在過(guò)去是被排放至大氣中的，并且由此，由于其要求有超過(guò)需要的更多的燃料用于電力生產(chǎn)而間接地對(duì)環(huán)境造成了危害。
一種常用的廢熱源可以是垃圾場(chǎng)，其中甲烷氣散發(fā)造成全球氣候變暖。為了阻止甲烷氣進(jìn)入環(huán)境造成全球氣候變暖，，一種方法是通過(guò)所謂“驟燃(flares)”的方式燃燒氣體。雖然甲烷的燃燒產(chǎn)品(CO2和H2O)減少了對(duì)環(huán)境的污染，卻對(duì)所能夠使用的能源造成了巨大的浪費(fèi)。
另外一種用來(lái)有效地利用甲烷氣的方法是在柴油機(jī)中或相對(duì)較小的燃?xì)鉁u輪機(jī)或微型渦輪機(jī)中燃燒甲烷氣體，再依序驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，產(chǎn)生的電力直接應(yīng)用于電力使用設(shè)備或輸送至電網(wǎng)。在柴油機(jī)或微型渦輪機(jī)的使用中，首先必需的是要通過(guò)過(guò)濾或其他手段來(lái)清潔甲烷氣，并且對(duì)于柴油機(jī)，其中還包括必需而重要的維修。并且，無(wú)論使用這些方法的哪一種，都仍然會(huì)有大量的能量通過(guò)廢氣而排放至大氣中。
目前被排放至環(huán)境中的其他可能的廢熱源包括地?zé)嵩春推渌问降陌l(fā)動(dòng)機(jī)排出的熱量，例如在廢氣中排出大量熱的燃?xì)鉁u輪機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和既在其廢氣中排熱又對(duì)例如水或潤(rùn)滑劑的冷卻液體排熱的往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)。
在燃?xì)鉁u輪機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中，慣用的做法是使用一個(gè)空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)來(lái)對(duì)送到燃?xì)鉁u輪的入口處的空氣進(jìn)行冷卻，從而在外部環(huán)境較溫暖的情況下提高其效率。已知可使用燃?xì)鉁u輪機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)中排出的廢氣中的熱量來(lái)對(duì)用于熱水加熱的水進(jìn)行加熱。然而，在外部環(huán)境較熱情況下因?yàn)殡娏Φ男枨蠼?jīng)常會(huì)增加，故對(duì)熱水加熱的需求會(huì)受到限制。
因此，本發(fā)明的目的即是提供一種新的經(jīng)改進(jìn)的封閉蘭金循環(huán)發(fā)電設(shè)備，其能夠更有效地使用廢熱。
本發(fā)明另一個(gè)目的是提供一種蘭金循環(huán)渦輪機(jī)，其在制造和使用時(shí)經(jīng)濟(jì)而有效。
本發(fā)明另一個(gè)目的是提供一種更有效地使用第二廢熱源的技術(shù)手段。
本發(fā)明另一個(gè)目的是提供一個(gè)蘭金循環(huán)系統(tǒng)，其能夠在相對(duì)較低的溫度和壓力下運(yùn)行。
本發(fā)明的另一目的是提供一種更有效地產(chǎn)生和利用燃?xì)鉁u輪機(jī)的能量的方法。
本發(fā)明還有一個(gè)目的是提供一種蘭金循環(huán)系統(tǒng)，其在使用中經(jīng)濟(jì)而實(shí)用。
這些目的和其他特征和優(yōu)點(diǎn)在參考后面的說(shuō)明書(shū)并結(jié)合所附的附圖時(shí)，可被更容易和明顯地看到。

發(fā)明內(nèi)容
簡(jiǎn)要的說(shuō)，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，一離心壓縮機(jī)設(shè)計(jì)成便于壓縮制冷劑以進(jìn)行空氣調(diào)節(jié)，該壓縮機(jī)以逆流關(guān)系使用，以使其在封閉的有機(jī)蘭金循環(huán)(ORC)系統(tǒng)中作為一渦輪機(jī)來(lái)工作。這樣，出于有效利用廢熱的目的，相對(duì)便宜的現(xiàn)有技術(shù)的硬件系統(tǒng)就被有效地用來(lái)滿(mǎn)足有機(jī)蘭金循環(huán)渦輪機(jī)的要求。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，一具有葉片狀散流器的離心壓縮機(jī)以逆流方式使用，以使其被有效地用來(lái)作為一具有流體導(dǎo)向噴嘴的輸出動(dòng)力的渦輪機(jī)使用。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，一具有管狀散流器的離心壓縮機(jī)以逆流方式操作，以使其被作為一渦輪機(jī)使用，其中單獨(dú)管開(kāi)口被作為噴嘴使用。
根據(jù)本發(fā)明的另外一個(gè)方面，壓縮機(jī)/渦輪機(jī)使用一種有機(jī)制冷劑作為工作流體，其中當(dāng)作為壓縮機(jī)工作時(shí)，制冷劑應(yīng)選為其操作壓力在壓縮機(jī)/渦輪機(jī)的運(yùn)行范圍之內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明的另外一個(gè)方面，從燃?xì)鉁u輪機(jī)廢氣中排出的可利用的廢熱被用來(lái)驅(qū)動(dòng)一有機(jī)蘭金循環(huán)渦輪機(jī)，從而產(chǎn)生電力，該電力的一部分被用來(lái)驅(qū)動(dòng)一蒸氣壓縮循環(huán)設(shè)備例如一個(gè)離心冷卻器，以冷卻燃?xì)鉁u輪機(jī)的入口溫度進(jìn)而提高其效率和容量。
根據(jù)本發(fā)明的另外一個(gè)方面，蘭金循環(huán)系統(tǒng)和蒸氣壓縮循環(huán)系統(tǒng)共用一冷凝器。
根據(jù)本發(fā)明的另外一個(gè)方面，蘭金循環(huán)系統(tǒng)的渦輪發(fā)電機(jī)和蒸氣壓縮循環(huán)系統(tǒng)中的壓縮機(jī)共用一主軸，這樣就不需要設(shè)置壓縮馬達(dá)，減少了發(fā)電機(jī)的尺寸并且不需要設(shè)置單獨(dú)的壓縮機(jī)裝置。


在后文描述的附圖中，記載了一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例。但在不違背本發(fā)明的真正精神和范圍內(nèi)可以作出多種修改和變換其結(jié)構(gòu)。
附圖1示出了依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的一個(gè)蒸氣壓縮循環(huán)的示意圖。
附圖2示出了依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的一個(gè)蘭金循環(huán)系統(tǒng)的示意圖。
附圖3示出了依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的一個(gè)離心壓縮機(jī)的截面示意圖。
附圖4示出了依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的一個(gè)壓縮機(jī)/渦輪機(jī)的截面示意圖。
附圖5示出了依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的一個(gè)散流器結(jié)構(gòu)的透視圖。
附圖6示出了依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的噴嘴結(jié)構(gòu)的示意圖。
附圖7A和7B分別是現(xiàn)有技術(shù)和本發(fā)明中的渦輪噴嘴配置的半徑比R2/R1(外部/內(nèi)部)的示意圖。
附圖8示出了依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的用于壓縮機(jī)/渦輪機(jī)的兩種流體的溫度和壓力的關(guān)系的坐標(biāo)圖。
附圖9示出了依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的帶有不同部件的蘭金循環(huán)系統(tǒng)的透視圖。
附圖10示出了依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的空氣調(diào)節(jié)應(yīng)用的示意圖。
附圖11示出了依據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施例的蘭金循環(huán)/蒸氣壓縮聯(lián)合系統(tǒng)的示意圖。
附圖12示出了所述蘭金循環(huán)系統(tǒng)的部分的示意圖。
附圖13示出了依據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的帶有一個(gè)共用冷凝器的聯(lián)合系統(tǒng)的示意圖。
附圖14示出了依據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的帶有一個(gè)共用驅(qū)動(dòng)軸的聯(lián)合系統(tǒng)的示意圖。
具體實(shí)施例方式
參見(jiàn)附圖1，示出了一個(gè)典型的蒸氣壓縮循環(huán)，包括按照流動(dòng)順序的壓縮機(jī)11、冷凝器12、節(jié)流閥13和蒸發(fā)器/冷卻器14。在此循環(huán)中制冷劑例如R-11、R-22或R-134a被驅(qū)使如箭頭所示沿逆時(shí)針?lè)较蛄鲃?dòng)。
由馬達(dá)16驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)11接收來(lái)自蒸發(fā)器/冷卻器14的制冷劑蒸汽，將其壓縮到較高的溫度和壓力，隨后這些相對(duì)較熱的蒸汽被輸送到冷凝器12中，在其中它們通過(guò)與一個(gè)例如空氣或水的冷卻媒體進(jìn)行熱交換來(lái)冷卻并冷凝到液態(tài)。然后該液態(tài)制冷劑從冷凝器流到節(jié)流閥并在其中膨脹為低溫的兩相氣/液態(tài)，最后流到蒸發(fā)器/冷卻器14。蒸發(fā)器流體對(duì)流經(jīng)蒸發(fā)器/冷卻器的空氣或水提供一個(gè)冷卻效果。該低壓蒸汽再流至壓縮機(jī)11，在其中又再開(kāi)始一個(gè)循環(huán)。
根據(jù)空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的尺寸，壓縮機(jī)可以是對(duì)應(yīng)于小系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)螺旋壓縮機(jī)或往復(fù)式壓縮機(jī)，或?qū)?yīng)于較大系統(tǒng)的螺旋壓縮機(jī)或離心壓縮機(jī)。一個(gè)典型的離心壓縮機(jī)包括一個(gè)用于將制冷劑蒸汽加速到高速的葉片，一個(gè)將制冷劑降速到一個(gè)低速并同時(shí)將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為壓能的散流器，一個(gè)用于收集下一步將要流到冷凝器的排放蒸汽的渦卷殼或集流器形式的排氣壓力室。驅(qū)動(dòng)馬達(dá)16典型地是密封于壓縮機(jī)11的另一端的馬達(dá)，通過(guò)一傳遞裝置26操作以旋轉(zhuǎn)一高速軸。
如附圖2所示的典型的蘭金循環(huán)系統(tǒng)也包括一個(gè)蒸發(fā)器/冷卻器17和一個(gè)冷凝器18，它們分別以前述的蒸氣壓縮循環(huán)中相同方式接收熱量和散熱。但是，如將要看到的，該系統(tǒng)內(nèi)流體流動(dòng)方向與蒸氣壓縮循環(huán)的方向相反，并且壓縮器11由渦輪機(jī)19代替，所述渦輪機(jī)由系統(tǒng)內(nèi)的工作流體而非馬達(dá)16驅(qū)動(dòng)，進(jìn)而再驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)21產(chǎn)生電力。
在運(yùn)行過(guò)程中，通常是一個(gè)鍋爐的蒸發(fā)器具有大量熱量輸入，其將工作流體蒸發(fā)，所述工作流體通常是水但也可以是制冷劑，然后蒸汽被輸送到渦輪機(jī)以從那里提供工作流體。在離開(kāi)渦輪機(jī)后，低壓蒸汽流入到冷凝器18，在其中通過(guò)與一個(gè)冷卻介質(zhì)進(jìn)行熱交換被冷凝。該冷凝液體再通過(guò)一個(gè)如圖示的泵22循環(huán)至蒸發(fā)器/鍋爐以完成該循環(huán)。
參見(jiàn)附圖3，示出的一個(gè)典型的離心式壓縮機(jī)包括一個(gè)馬達(dá)24，其可操作地與一個(gè)傳遞裝置26相連接以驅(qū)動(dòng)葉輪27。一個(gè)油泵28通過(guò)傳遞裝置26提供油循環(huán)。在葉輪27的高速轉(zhuǎn)動(dòng)作用下，制冷劑被驅(qū)使通過(guò)入口導(dǎo)向葉片31流入到入口29，再流經(jīng)葉輪27、散流器32最后到達(dá)收集器33，在其中排放蒸汽被收集并輸送到上述的冷凝器。
在附圖4中，附圖3中示出的同一設(shè)備被應(yīng)用以作為一個(gè)徑流式渦輪機(jī)而非離心壓縮機(jī)操作。這樣，工作流體被引入到設(shè)計(jì)作為收集器33的入口壓力室34。然后所述流體徑向地流經(jīng)噴嘴36，該噴嘴具有與離心式壓縮機(jī)中散流器相同的結(jié)構(gòu)。然后該運(yùn)動(dòng)流體沖擊葉輪27以給其一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。之后該葉輪通過(guò)傳遞裝置26作用驅(qū)動(dòng)一個(gè)發(fā)電機(jī)24，該發(fā)電機(jī)具有與離心式壓縮機(jī)中的馬達(dá)相同的結(jié)構(gòu)。在流經(jīng)葉輪27后，該低壓氣體流經(jīng)入口導(dǎo)向葉片31流到出口處開(kāi)口37。在該工作模式中，入口導(dǎo)向葉片31優(yōu)選地移動(dòng)到完全打開(kāi)位置或者可選地，從設(shè)備中完全移除。
在上述討論的離心式壓縮機(jī)應(yīng)用中，散流器32可以是包括葉片式或非葉片式散流器的任何類(lèi)型。一種已知類(lèi)型的葉片式散流器是管狀散流器，其在美國(guó)專(zhuān)利5,145,317中被描述和示出，該專(zhuān)利已被轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人。附圖5中示出了此種散流器38，其周向地環(huán)繞著葉輪27。此處，后掠角葉輪27如所示的順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，同時(shí)高壓制冷劑如箭頭所示沿徑向向外流經(jīng)散流器38。散流器38具有多個(gè)周向設(shè)置的錐形部件或楔39，并且在它們之間具有錐狀流道41。如圖所示，此后該壓縮制冷劑徑向向外地流經(jīng)錐狀流道41。
在該應(yīng)用中，附圖6所示出的離心式壓縮機(jī)被當(dāng)作渦輪機(jī)進(jìn)行操作，葉輪27如圖所示以逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，并且葉輪27是被如箭頭所示徑向向內(nèi)地流經(jīng)錐狀流道41的工作流體所驅(qū)動(dòng)。
這樣，與在一個(gè)離心壓縮機(jī)中的散流器38相同結(jié)構(gòu)的部件在渦輪機(jī)應(yīng)用中被用作噴嘴、或者多個(gè)噴嘴的集合。更進(jìn)一步地，這樣的噴嘴裝置比現(xiàn)有技術(shù)中的噴嘴裝置具有優(yōu)勢(shì)。參見(jiàn)附圖7A和7B來(lái)考慮其相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)噴嘴裝置的不同和優(yōu)勢(shì)。
現(xiàn)在參考附圖7A，一個(gè)現(xiàn)有技術(shù)的噴嘴裝置相對(duì)一個(gè)中心放置的葉輪42示出，所述葉輪接收來(lái)自多個(gè)周向設(shè)置的噴嘴元件43的工作流體。噴嘴43的徑向度由圖示的內(nèi)徑R1和外徑R2限定。從圖中可以看到，單獨(dú)噴嘴元件43因?yàn)槠鋸耐鈴絉2到內(nèi)徑R1的截面積迅速變窄而較短。更進(jìn)一步地，該噴嘴元件在其壓力面44和吸力面46均基本呈彎曲狀，這樣就使氣體沿箭頭所示的方向流轉(zhuǎn)。
上述噴嘴設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于使整個(gè)設(shè)備的尺寸相對(duì)較小。即使不是只考慮該因素，該因素也要被首先考慮，渦輪機(jī)應(yīng)用中的噴嘴設(shè)計(jì)采用此種設(shè)計(jì)。但是此種設(shè)計(jì)也有一些缺點(diǎn)。例如，由于噴嘴轉(zhuǎn)向損失和非均勻的出口流向?qū)е聡娮煨式档?。這些損失被認(rèn)為是較小的并且相對(duì)于機(jī)器尺寸的減小帶來(lái)的益處是值得的。當(dāng)然，由于高轉(zhuǎn)向率和快速減速率會(huì)導(dǎo)致流體分離，此種類(lèi)型的噴嘴被認(rèn)為不能被倒置并使流體逆向通過(guò)而作為散流器使用。
現(xiàn)在參見(jiàn)附圖7B，在示出的本發(fā)明的噴嘴裝置中，葉輪42周向地被多個(gè)噴嘴元件47環(huán)繞?？梢钥吹剿鰢娮煸话闶情L(zhǎng)、窄和直的。壓力面48和吸力面49均呈直線以提供一個(gè)相對(duì)長(zhǎng)和相對(duì)慢的匯聚流動(dòng)通道51。它們包括一個(gè)在通道51邊界內(nèi)優(yōu)選小于9度的錐角％，并且，如將要看到的，這些短劃線示出的錐體的中心線是直的。因?yàn)檫@些較長(zhǎng)的噴嘴元件47，比率R2/R1大于1.25，優(yōu)選為在1.4范圍內(nèi)。
因?yàn)橛休^大的比率R2/R1，導(dǎo)致機(jī)器整體尺寸相對(duì)附圖7A示出的傳統(tǒng)噴嘴裝置有適度的增加(即15％范圍內(nèi))。更進(jìn)一步地，因?yàn)橥ǖ?1相對(duì)較長(zhǎng)。摩擦損失會(huì)大于附圖7A中示出的傳統(tǒng)噴嘴。但是此種設(shè)計(jì)也有一些運(yùn)行上的優(yōu)點(diǎn)。例如，因?yàn)闆](méi)有了轉(zhuǎn)向損失或非均勻出口流向，即使考慮到前述提到的摩擦損失，噴嘴效率相對(duì)于傳動(dòng)噴嘴裝置仍有一個(gè)顯著的提高。這個(gè)效率的提高在2％范圍內(nèi)。更進(jìn)一步地，因?yàn)榇朔N設(shè)計(jì)基于一個(gè)散流器設(shè)計(jì)作出，所以其可在相反流向中作為一個(gè)散流器來(lái)使用，這樣就使同樣的硬件可以用來(lái)達(dá)到前述和在下面將要詳細(xì)描述的作為渦輪機(jī)和壓縮機(jī)使用的雙重目的。
如果同樣的設(shè)備既要用于一個(gè)有機(jī)蘭金循環(huán)的渦輪機(jī)中又要用于一個(gè)離心壓縮機(jī)中，申請(qǐng)人已經(jīng)意識(shí)到必須使用不同的制冷劑。也就是，如果已知的離心壓縮機(jī)制冷劑R-134a用于有機(jī)蘭金循環(huán)渦輪機(jī)中，會(huì)造成超壓。也就是說(shuō)，在離心壓縮機(jī)中使用R-134a作為制冷劑，壓力范圍會(huì)在50-180psi范圍內(nèi)，而如果該相同的制冷劑按照本發(fā)明的建議應(yīng)用于渦輪機(jī)中，壓力會(huì)提高到大約500psi，這已經(jīng)超過(guò)了壓縮機(jī)的最高設(shè)計(jì)壓力?；诖嗽颍暾?qǐng)人必需找到另外一種用于渦輪機(jī)的制冷劑。申請(qǐng)人因此找到了一種制冷劑即R-245fa，當(dāng)其被應(yīng)用于渦輪機(jī)中時(shí)，其將會(huì)在如附圖8表中示出的40-180psi的壓力范圍內(nèi)運(yùn)作。這個(gè)范圍對(duì)于離心壓縮機(jī)應(yīng)用中的硬件設(shè)計(jì)也是可被接受的。更進(jìn)一步地，使用R-245fa的渦輪機(jī)系統(tǒng)的溫度范圍在100-200EF內(nèi)，其對(duì)于為在40-110EF溫度范圍內(nèi)離心壓縮機(jī)運(yùn)行所設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是可被接受的。在附圖8中可以看到針對(duì)R-134a設(shè)計(jì)的空氣調(diào)節(jié)設(shè)備當(dāng)使用R-245fa時(shí)可以用在有機(jī)蘭金循環(huán)發(fā)電應(yīng)用中。更進(jìn)一步地，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)同樣的設(shè)備由于現(xiàn)有的壓縮機(jī)的額外的安全余量，其可以在更高的溫度和壓力范圍內(nèi)(例如附圖8中短劃線示出的270E和300psia)安全和有效率地被使用。
已經(jīng)討論過(guò)本發(fā)明的渦輪機(jī)部，我們現(xiàn)在考慮與渦輪機(jī)一起使用的相關(guān)系統(tǒng)部件。參考附圖9，前面討論過(guò)的作為ORC式渦輪機(jī)/發(fā)電機(jī)的渦輪機(jī)用52表示，如前所述，可將如商用的Carrier 19XR2式離心壓縮機(jī)逆向操作。該系統(tǒng)的鍋爐或蒸發(fā)器部用53表示，其用來(lái)提供相對(duì)高溫高壓R-245fa制冷劑蒸汽給渦輪機(jī)/發(fā)電機(jī)52。依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，這樣的鍋爐/蒸發(fā)器的需要可以由來(lái)自Carrier Limited Korea的商品名為16JB的商用蒸汽發(fā)生器滿(mǎn)足。
鍋爐/蒸發(fā)器53的能量源以54表示，其可以是任何形式的在正常情況下?lián)p失在大氣中的廢熱。例如，它可以是例如Capstone C60的一個(gè)小型燃?xì)鉁u輪機(jī)，這是通常已知的一種微型渦輪機(jī)，其熱量來(lái)源于微型渦輪機(jī)的排氣中。其也可以是例如Pratt & Whitney FT8固定式燃?xì)鉁u輪機(jī)的大型燃?xì)鉁u輪機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)。還有其他的可利用廢熱來(lái)自例如大型往復(fù)式柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)燃機(jī)，該內(nèi)燃機(jī)用來(lái)驅(qū)動(dòng)大型發(fā)電機(jī)，在此過(guò)程中產(chǎn)生大量的熱量并通過(guò)在散熱器和/或潤(rùn)滑系統(tǒng)中循環(huán)的廢氣和冷卻流體的方式散發(fā)掉。進(jìn)一步地，能量可以源自在渦輪增壓器的中間冷卻器中使用的熱交換器，在其中進(jìn)來(lái)的壓縮燃?xì)獗焕鋮s以獲得更高效率和更大容量。
最后，供給鍋爐的熱能可以來(lái)自地?zé)峄蚶紵膹U氣。在這些例子中，燃燒的氣體可直接應(yīng)用于鍋爐以產(chǎn)生制冷劑蒸汽或通過(guò)首先采用這些資源氣體驅(qū)動(dòng)一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)，再依序發(fā)出如前所述的可利用的熱量來(lái)間接的應(yīng)用。
在制冷劑蒸汽通過(guò)渦輪機(jī)52后，該蒸汽輸送到冷凝器56以將該蒸汽冷凝回液態(tài)，然后其再通過(guò)泵57泵送至鍋爐/蒸發(fā)器53。冷凝器56可以是任何已知類(lèi)型的形式。其中一種被發(fā)現(xiàn)合適的是來(lái)自Carrier Corporation的型號(hào)為09DK094的商用空氣冷卻冷凝器。一種適用的泵57被發(fā)現(xiàn)是商用的SundyneP2CZS。
現(xiàn)在參見(jiàn)附圖10，示出了現(xiàn)有技術(shù)中用于冷卻一個(gè)燃?xì)鉁u輪機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的入口處空氣以提高效率的離心冷卻器。也就是，該系統(tǒng)以傳統(tǒng)的方式運(yùn)行將制冷劑連續(xù)地由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)11傳送至冷凝器12、一個(gè)節(jié)流閥13和蒸發(fā)器冷卻器14。待冷卻的空氣沒(méi)有被循環(huán)至建筑以被冷卻，而是被輸送到燃?xì)鉁u輪機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的入口以扭轉(zhuǎn)輸出動(dòng)力?；趦蓚€(gè)原因發(fā)生這個(gè)現(xiàn)象。首先，通過(guò)入口氣體的較低入口溫度提高了熱循環(huán)的效率。其次，因?yàn)槿肟诳諝獾妮^低溫度提高了它的密度，還由于燃?xì)鉁u輪壓縮機(jī)與一個(gè)流體裝置相接，故通過(guò)壓縮機(jī)的質(zhì)量流速得以提高。由于此種方式使用空氣調(diào)節(jié)裝置引起的輸出功率的提高大于用于操作該空氣調(diào)節(jié)裝置所需的功率，所以此種應(yīng)用可以是經(jīng)濟(jì)可行的。當(dāng)系統(tǒng)與一個(gè)依據(jù)本發(fā)明的蘭金循環(huán)系統(tǒng)聯(lián)合使用時(shí)會(huì)更可行。這些將會(huì)參照附圖11進(jìn)行說(shuō)明。
與上面所述的系統(tǒng)相一致，用箭頭58表示的環(huán)境空氣進(jìn)入空氣調(diào)節(jié)裝置59，然后冷卻空氣進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)61，其中入口空氣用箭頭62表示。燃?xì)鉁u輪機(jī)產(chǎn)生的電力沿著虛線63輸送到電網(wǎng)64。從燃?xì)廨啓C(jī)61排出的廢氣，通常溫度約為700EF，一般被排入到大氣中。依據(jù)本發(fā)明，如附圖11和附圖12中所示廢氣沿著線66驅(qū)動(dòng)有機(jī)蘭金循環(huán)系統(tǒng)64中的渦輪機(jī)19。渦輪機(jī)19依序驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)21，然后電力分別通過(guò)虛線68和69被輸送到空氣調(diào)節(jié)裝置59和電網(wǎng)64。從燃?xì)鉁u輪機(jī)61的廢氣中由ORC系統(tǒng)65產(chǎn)生的電力估計(jì)是執(zhí)行燃?xì)鉁u輪入口處冷卻時(shí)操作空氣調(diào)節(jié)裝置59所需功的4-6倍(依據(jù)燃?xì)鉁u輪廢氣的溫度和質(zhì)量流速而定)。這樣，額外的電力能沿線69被電網(wǎng)64輸送。
現(xiàn)在參見(jiàn)附圖13，其示出了附圖10中的空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)和附圖12中的蘭金循環(huán)系統(tǒng)的一個(gè)聯(lián)合系統(tǒng)。但是，與分別設(shè)置獨(dú)立的冷凝器12和18不同，設(shè)置一個(gè)共用的冷凝器71以在這兩個(gè)系統(tǒng)中的任一個(gè)中均執(zhí)行冷凝功能。在此聯(lián)合系統(tǒng)中，顯然從壓縮機(jī)11和渦輪機(jī)19輸送到冷凝器71的必須是相同媒質(zhì)。制冷劑R-245a已被發(fā)現(xiàn)是適于此目的的。這樣，如附圖13所示上面描述的蘭金循環(huán)系統(tǒng)將制冷劑在系統(tǒng)中循環(huán)輸送，其中散流器反向放置作為噴嘴使用，并用R-245a作為制冷劑，制冷劑在鍋爐中由燃?xì)廨啓C(jī)廢氣中的熱量加熱到225EF的溫度。在流經(jīng)渦輪機(jī)19后，該制冷劑的溫度在到達(dá)冷凝器71前將會(huì)減少到140EF，在此后制冷劑在到達(dá)鍋爐中加熱前為大約100EF的溫度。
蒸氣壓縮循環(huán)與前所述的使用R-134a作為制冷劑的高壓系統(tǒng)不同。這里，有必要使用一個(gè)采用R-245a制冷劑的相對(duì)低壓的系統(tǒng)。出于此目的的一個(gè)合適的蒸氣壓縮系統(tǒng)可以是基于采用例如R-11、R-123、R-114的低壓冷卻器設(shè)計(jì)。在這樣的使用R-245a的蒸氣壓縮系統(tǒng)中，當(dāng)其流經(jīng)循環(huán)時(shí)制冷劑的溫度如附圖13所示。這樣，從冷凝器71出來(lái)的冷凝過(guò)的制冷劑大約在100EF，在流過(guò)節(jié)流閥13后為40EF的蒸汽/液混合物，其中約85％為液態(tài)，15％為氣態(tài)。在流經(jīng)蒸發(fā)器14后，制冷劑仍然是40EF但已完全是蒸汽態(tài)被輸送到壓縮機(jī)11。輸送到冷凝器71的制冷劑的溫度將會(huì)大約在125EF。
在這樣的聯(lián)合系統(tǒng)中，冷凝器71需要有比附圖12中所示的用于蘭金循環(huán)系統(tǒng)自身的冷凝器18略大的尺寸。但是，這種由于尺寸略微增大的缺點(diǎn)被其帶來(lái)的造價(jià)和空間所帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)所抵消，這些優(yōu)點(diǎn)源于省掉了本來(lái)被蒸氣壓縮循環(huán)所需要的冷凝器12。
省掉了一個(gè)冷凝器，如附圖14所示一個(gè)聯(lián)合系統(tǒng)可更進(jìn)一步地省掉壓縮機(jī)11的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)16。進(jìn)一步地，渦輪機(jī)19通過(guò)一個(gè)軸72驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)21，其中軸72是一根延伸到發(fā)電機(jī)21另一端驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)11的共用軸。該軸可以用于渦輪機(jī)和發(fā)電機(jī)之間或者發(fā)電機(jī)和壓縮機(jī)之間。但是，如果部件選擇恰當(dāng)，一個(gè)直接驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)是可行的。例如，一個(gè)400KWel的微型渦輪機(jī)將產(chǎn)出720KWth的廢熱，該廢熱被本發(fā)明的有機(jī)蘭金循環(huán)捕捉，產(chǎn)生附加的80KWel凈能。需要用來(lái)冷卻進(jìn)入400KWel微型渦輪機(jī)的環(huán)境空氣的冷卻量為20噸(＝70KWth)，其需要一個(gè)帶有一個(gè)15KWel馬達(dá)的壓縮機(jī)。較大的前置/流體渦輪機(jī)和較小的前置/流體壓縮機(jī)的比轉(zhuǎn)速補(bǔ)償允許了在一個(gè)共用軸上運(yùn)行的同一個(gè)空間。
雖然本發(fā)明根據(jù)如附圖所示的優(yōu)選和可選的實(shí)施例特別地進(jìn)行了描述和展示，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)理解到在不脫離權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)可以作出不同細(xì)節(jié)上的變化。
權(quán)利要求
1.一種蘭金循環(huán)渦輪發(fā)電系統(tǒng)和空氣調(diào)節(jié)裝置的組合，其包括蘭金循環(huán)系統(tǒng)，包括鍋爐，用于驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的渦輪機(jī)，冷凝器和泵，其中所述鍋爐被燃?xì)鉁u輪機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣加熱；和蒸氣壓縮系統(tǒng)，包括蒸發(fā)器，馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)，一個(gè)冷凝器和一個(gè)節(jié)流閥，其中所述蒸發(fā)器適于對(duì)流入所述燃?xì)鉁u輪機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的入口處空氣進(jìn)行冷卻。
2.如權(quán)利要求1所述的組合，其中，所述壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)接收的電力完全來(lái)自渦輪發(fā)電機(jī)。
3.如權(quán)利要求1所述的組合，其中，所述蘭金循環(huán)系統(tǒng)中的所述冷凝器與所述蒸氣壓縮系統(tǒng)中的所述冷凝器共用冷凝器。
4.如權(quán)利要求3所述的組合，其中，用于蘭金循環(huán)系統(tǒng)和蒸氣壓縮系統(tǒng)的共用制冷劑是有機(jī)制冷劑。
5.如權(quán)利要求4所述的組合，其中，所述制冷劑為R-245a。
6.如權(quán)利要求1所述的組合，其中，所述渦輪發(fā)電機(jī)和所述壓縮機(jī)馬達(dá)包括一單個(gè)元件，其帶有一使得所述渦輪機(jī)和所述壓縮機(jī)互連的共用軸。
7.如權(quán)利要求1所述的組合，其中，所述空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)是冷卻器。
8.一種發(fā)電方法，包括如下步驟操縱一燃?xì)鉁u輪機(jī)以便驅(qū)動(dòng)一發(fā)電機(jī)，所述燃?xì)鉁u輪機(jī)具有一用以接收入口處空氣的入口和一用以排放廢氣的出口；操縱一蘭金循環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括鍋爐、用來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的渦輪機(jī)、冷凝器、和泵，其中，所述鍋爐被泵送的燃?xì)鉁u輪廢氣所加熱；操縱一空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括蒸發(fā)器、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)、冷凝器、和膨脹裝置，其中，所述蒸發(fā)器用于冷卻所述燃?xì)鉁u輪機(jī)入口空氣。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，還包括下列步驟所述馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)接收來(lái)自所述渦輪發(fā)電機(jī)的電力。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，包括下列步驟使用來(lái)自所述渦輪機(jī)出口和所述壓縮機(jī)出口的制冷劑并將其輸送到單個(gè)共用的冷凝器。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述制冷劑是有機(jī)制冷劑。
12.如權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述制冷劑是R-245a。
13.如權(quán)利要求8所述的方法，還更進(jìn)一步地包括下列步驟用來(lái)自所述渦輪發(fā)電機(jī)的軸來(lái)驅(qū)動(dòng)所述壓縮機(jī)。
14.如權(quán)利要求8所述的方法，還更進(jìn)一步地包括下列步驟借助一發(fā)電的所述燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)將電力輸送到電網(wǎng)以便進(jìn)行下一步配電。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，還更進(jìn)一步地包括下列步驟傳輸電能。
16.一種發(fā)電方法，包括下面步驟加熱一鍋爐以產(chǎn)生高壓蒸汽；將所述高壓蒸汽施加到一渦輪機(jī)，該渦輪機(jī)在將所述高壓蒸汽轉(zhuǎn)化為低壓蒸汽的同時(shí)，相應(yīng)地驅(qū)動(dòng)一發(fā)電機(jī)以產(chǎn)生電力；使所述低壓蒸汽流至一冷凝器，在其中低壓蒸汽被冷凝至液體；將所述液體的至少一部分泵送至所述鍋爐；將所述液體的一部分輸送至一膨脹閥，在其中液體閃發(fā)為液/汽混合物，然后輸送所述混合物到一蒸發(fā)器以將其轉(zhuǎn)換為蒸汽；輸送所述蒸汽到一壓縮機(jī)以將其壓縮為高壓蒸汽；和輸送所述高壓蒸汽到所述雙共用冷凝器。
全文摘要
有機(jī)蘭金循環(huán)系統(tǒng)與蒸氣壓縮循環(huán)系統(tǒng)的組合，其中有機(jī)蘭金循環(huán)中的渦輪發(fā)電機(jī)產(chǎn)生使得制冷劑壓縮機(jī)的馬達(dá)工作所必需的電力。在一個(gè)實(shí)施例中，蒸氣壓縮循環(huán)利用一蒸發(fā)器來(lái)冷卻進(jìn)入燃?xì)鉁u輪機(jī)入口的空氣，有機(jī)蘭金循環(huán)用于接收來(lái)自燃?xì)鉁u輪廢氣中的熱量并對(duì)其鍋爐進(jìn)行加熱，一共用的冷凝器既用于有機(jī)蘭金循環(huán)也用于蒸氣壓縮循環(huán)，并且具有共用的制冷劑R－245a在兩個(gè)系統(tǒng)中循環(huán)。在另一個(gè)實(shí)施例中，由發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的渦輪機(jī)具有連接到壓縮機(jī)的共用軸，這樣就不必單獨(dú)設(shè)置馬達(dá)來(lái)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)。
文檔編號(hào)F25B27/00GK101072935SQ200580031895
公開(kāi)日2007年11月14日 申請(qǐng)日期2005年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月22日
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