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用于 蒸发有机工作介质的方法和装置

阅读：839发布：2021-06-23

专利汇可以提供用于蒸发有机工作介质的方法和装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提出一种装置，其包括：热交换器 (1)，其用于将供热介质的热量转移至不同于所述供热介质的工作介质；第一供给器件，其被设计为将具有第一温度的供热介质流从热源供给热交换器；以及第二供给器件，其被设计为将通过所述热交换器的供热介质和/或具有低于第一温度的第二温度的另外的介质传输给具有第一温度的供热介质流。，下面是用于蒸发有机工作介质的方法和装置专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种装置，包括：
热交换器(1)，其用于将供热介质的热量转移至不同于所述供热介质的工作介质；
第一供给器件，其适用于将来自热源的具有第一温度的所述供热介质流供给所述热交换器(1)；
第二供给器件，其适用于至少部分地将通过所述热交换器(1)后的所述供热介质和/或具有低于所述第一温度的第二温度的另外的介质供给具有所述第一温度的所述供热介质流；和
器件，其适用于在将所述另外的介质供给自所述热源供给到所述热交换器(1)的所述供热介质流之前，将通过所述热交换器(1)后的所述供热介质和/或所述另外的介质加热或者冷却至第二温度。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一供给器件包括真空器件和/或第二供给器件包括风扇(9)或者真空器件。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述第二供给器件适用于将通过所述热交换器(1)后的所述供热介质和/或另外的介质至供给具有第一温度的供热介质流，以使得遍及所述流的周围分布地将所述另外的介质供给到所述具有第一温度的供热介质流。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述第一供给器件包括用于引导具有第一温度的所述供热介质的第一导管，并且所述第二供给器件包括用于引导通过所述热交换器(1)后的供热介质和/或另外的介质的第二导管，其中，该装置包括混合件或者混合段，其被设计为将在所述第一导管中的具有第一温度的供热介质与在所述第二导管中的通过所述热交换器(1)后的供热介质和/或另外的介质的流体的连接。
5.根据权利要求3所述的装置，其中，所述混合件或混合段包括所述第一导管的具有形成于所述第一导管壳体内的孔(22)的一部分(21)，以及所述第二导管的围绕所述第一导管的所述部分(21)的一部分(23)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述工作介质是有机物，所述装置是有机物朗肯循环装置，其进一步包括特别是涡轮机的膨胀机(3)，发电机(4)和用于将在所述蒸发机(1)中蒸发的所述工作介质供给所述涡轮机的器件。
7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其进一步包括涡轮机(3)、发电机(4)和冷凝机(5)，其中，所述冷凝机(5)适用于将通过所述涡轮机(3)的膨胀的工作介质从气态冷凝为液态。
8.一种装置，包括：
热交换器(1)，其用于将供热介质的热量转移至不同于所述供热介质的工作介质，工作介质区别于供热介质；
第一供给器件，其适用于将具有第一温度的供热介质流从热源供给所述热交换器(1)；
和
第二供给器件，其适用于将具有低于所述第一温度的第二温度的另外的介质供给具有所述第一温度的所述供热介质流。
9.一种蒸汽发电设备，包括根据前述权利要求中任一项所述的装置。
10.一种用于在热电设备中蒸发工作介质的方法，包括步骤：
将液态的所述工作介质供给蒸发器(1)；
将具有第一温度的不同于所述工作介质的供热介质自热源供给所述蒸发器(1)，使通过所述蒸发器(1)后具有比所述第一温度低的第二温度的所述供热介质的至少一部分再循环，和/或将另外的介质供给从热源供给所述蒸发器(1)的所述供热介质流中；
和
将通过所述蒸发器(1)后的所述供热介质冷却或加热至所述第二温度，和/或在将另外的介质供给从所述热源供给到所述蒸发器(1)的所述供热介质流之前，将所述另外的介质冷却或加热至所述第二温度。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，使通过所述蒸发器(1)后的所述供热介质至少一部分再循环的和/或供应另外的介质的步骤通过风扇(9)和/或真空器件来实现。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其中，通过所述蒸发器(1)的所述供热介质的至少一部分和/或另外的介质与所述供热介质流混合，所述供热介质流具有第一温度并且以遍及此流周围分布的方式从所述热源供给到所述蒸发器(1)。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的方法，其中，所述工作介质是有机物或包括有机物，且所述供热介质是废气或者包括废气。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的方法，进一步包括：
将在所述蒸发器(1)中蒸发的所述工作介质供给用于使所蒸发的工作介质膨胀的涡轮机(3)；
将已蒸发、膨胀的工作介质供给用于使所述已蒸发、膨胀的工作介质液化的冷凝器(5)；
将液化的工作介质供给所述蒸发器(1)。
15.一种用于在热电设备中蒸发工作介质的方法，包括步骤：
将液态的所述工作介质供给蒸发器(1)；
将具有第一温度的不同于所述工作介质的供热介质自热源供给所述蒸发器(1)，以及将具有比所述第一温度低的第二温度的另外的介质供给从所述热源供给到所述蒸发器(1)的供热介质流。

说明书全文

用于蒸发有机工作介质的方法和装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于直接蒸发有机工作介质的装置，用于通过使用有机介质从热源生成电能。

背景技术

[0002] 借助于用于通过使用有机介质(例如，具有低蒸发温度的有机介质)来生成电能的有机物朗肯循环(ORC)方法的诸如蒸汽涡轮机的膨胀机的运行，在现有技术中是熟知的，所述有机介质与作为工作介质的水相比在相同温度下通常具有较高的蒸发压力。ORC设备构建了朗肯循环的实现，在朗肯循环中电能主要通过例如工作介质的绝热和等压条件的改变而获取。机械能通过工作介质的蒸发、膨胀和随后的冷凝生成，并且转换成电能。基本上，通过供给泵使得工作介质具有操作压力，并且将由余热的燃烧或者流动所提供的热量形式的能量供给到在热交换器中的工作介质。通过压力管从蒸发器流向ORC涡轮机的工作介质在ORC涡轮机中膨胀至较低的压力。而后，所膨胀的工作介质蒸汽流经冷凝器，在冷凝器中，汽化的工作介质和冷却介质之间发生热交换。然后，通过供给泵将经冷凝的工作介质反馈至循环中的蒸发器。

[0003] 然而与水相比，有机介质具有明显较低的分解温度，该分解温度也就是，介质的分子键断裂的温度，其导致工作介质的毁坏并且导致工作介质分解为腐蚀性和有毒的反应产物。即使新鲜蒸汽的温度低于介质的分解温度，介质的分解温度能够在其不充分流过的位置被显著地超出，这可能首先发生在暴露于蒸汽的热交换器的区域。此外，供应泵故障需要中断通过热交换器的流动，从而使工作介质直接暴露于用于蒸发而使用的热源的温度。

[0004] 为了避免工作介质被加热到超过分解温度的温度，在ORC设备中使用传统的中间循环，其中热量通过中间循环从用于蒸发的热介质(废气)传输至蒸发器。典型地，导热油被用于该中间循环，该导热油的温度稳定性高于工作介质的温度稳定性。依靠导热油的单相热转移允许通过热交换器的更加均匀的流动，工作介质在该热交换器中蒸发。然而该方案具有以下缺陷。首先，导热油是典型的易燃物。因此为避免导热油的氧化，导热油循环必须具有初级氮气压力，这使得设备在技术上复杂化且和昂贵。另外，导热油由于高热负荷而易于老化，且必须定期更换。这导致了设备的停机时间，且导致成本增加。此外，由于导热油的高粘度，传输油的循环泵的电气性能极为重要。而且，与不需要中间循环的工作介质的直接蒸发相比，导热油的使用导致可转移的热量显著减少，从而，导致所获得的电力显著减少。

[0005] 因此，本发明的目的是提供一种克服了上述缺点并且特别地能够确保工作介质的温度低于分解温度的改进的ORC方法。一般来说，其目的是对热交换器的温度进行控制，以使得能够避免超温。

发明内容

[0006] 上述目的通过这样一种装置来实现，此装置包括：

[0007] 热交换器，其用于将供热介质的热量转移至不同于所述供热介质的工作介质；

[0008] 第一供给器件，其适用于将来自热源的具有第一温度的供热介质流供给热交换器；和

[0009] 第二供给器件，其适用于至少部分地将通过热交换器后的供热介质和/或另外的介质(每个都具有低于第一温度的第二温度)供给具有第一温度的供热介质流。

[0010] 特别地，热交换器可以以工作介质在其中蒸发的蒸发器的形式提供。根据本发明，当将供热介质供给热交换器/蒸发器时，其温度不只是由热源提供，而大体上是由已通过热交换器的供热介质的和/或进入到供给热交换器的供热介质流中的另外的介质的再循环所控制。与现有技术相比，此温度控制使得给热交换器的供应更均匀，并且能够避免热交换器的超温。如上所述，作为已通过热交换器的供热介质的再循环的替代或者除已通过热交换器的供热介质再循环外，另外的介质可以被加入到具有第二温度的供热介质流中。特别地，该另外的介质可以是从装置外部供给的环境空气。

[0011] 特别地，供热介质可以是例如作为热源的矿物燃料燃烧产生的热废气。特别地，工作介质可以是有机物。上述热交换器可以是诸如烟管式锅炉或者水管式锅炉的壳体-管式热交换器，或者板式热交换器，其中工作介质被带进锅炉壳体中，废气在管中被引导通过锅炉壳体。从而，在示例中，上述装置是蒸汽发电设备的一部分，特别是有机物朗肯循环(ORC)设备的一部分。ORC设备进一步包括诸如涡轮机的膨胀机、发电机和用于将在蒸发器中蒸发的工作介质供给到涡轮机的器件。膨胀蒸发的工作介质能够通过输送部件(例如导管)从涡轮机供给到用于冷凝工作介质的冷凝器，并且能够在循环过程中通过供给泵将在此液化的工作介质供回至热交换器。

[0012] 根据本发明，通过将供热介质的温度相应地控制为低于处于热交换器的工作介质的分解温度，能够可靠地避免有机工作介质的分解。

[0013] 根据进一步的进展，第二供给器件包括风扇或者真空器件，以使通过热交换器后的冷却的供热介质和/或进入到供给热交换器的流中的另外的介质再循环。风扇是用于再循环的便宜又有效的部件。可替代地或者另外地，第一供给器件可以包括真空器件，以用于吸收第二供给器件外部的介质。

[0014] 根据另进一步的进展，第二供给器件适用于将通过热交换器后的供热介质和/或另外的介质供给具有第一温度的供热介质流，以至于遍及所述流的周围分布地将所述另外的介质供给到所述具有第一温度的供热介质流。这允许例如直接来自热源的热废气和冷却废气的组分的均匀混合，废气在通过蒸发器后进行再循环，避免了热气股(hot gas strands)的形成。

[0015] 在本发明装置的上述示例中，第一供给器件可以包括用于引导具有第一温度的供热介质的第一导管，并且第二供给器件可以包括用于引导通过热交换器后的供热介质和/或另外的介质的第二导管，其中，该装置包括混合件或者混合段，其被设计为将在第一导管中的具有第一温度的供热介质与在第二导管中的通过热交换器后的供热介质和/或另外的介质的流体的连接。该混合件或混合段可以是第一导管的具有形成于所述第一导管壳体内的孔的一部分，并且是第二导管的围绕第一导管的所述部分的一部分(还可见以下的详细说明)。

[0016] 此外，本发明还提供蒸汽发电设备，其包括依照根据本发明的上述示例装置中之一的装置。另外的介质可以是提供自蒸汽发电设备外部或内部的环境空气。

[0017] 上述目的还可通过一种用于在热电设备中蒸发工作介质的方法来实现，此方法包括以下步骤：

[0018] 将液态的工作介质供给蒸发器；

[0019] 将具有第一温度的不同于工作介质的供热介质从热源供给蒸发器，和[0020] 使通过蒸发器后具有比第一温度低的第二温度的供热介质的至少一部分再循环，和/或将另外的介质(例如环境空气)供给自热源供给到蒸发器的供热介质流。

[0021] 使通过蒸发器后的供热介质的至少一部分再循环的，和供给例如环境空气的另外的介质的步骤，能够通过风扇和/或真空器件来实现。通过蒸发器后的供热介质的至少一部分能够与供热介质流混合，所述供热介质流具有第一温度并且以遍及此流周围分布的方式从热源供给到蒸发器。也能够将另外的介质完全供给从热源供给到蒸发器的供热介质流周围。工作介质可以是有机物或包含有机物，并且供热介质可以是废气或者包括废气。

[0022] 在所有用于根据本发明的方法和根据本发明的装置的上述示例中，可以获得更大的灵活性，以用于通过加热或者冷却供热介质来调节流入热交换器时的供热介质的混合温度，如需要，能够用于调节流出热交换器后的供热介质的混合温度。从而，所述方法的上述进一步的进展允许在供热介质通过蒸发器之后和在将供热介质供给从热源供给到蒸发器的供热介质流之前，将所述供热介质加热或者冷却至第二温度。也可以在将例如外部空气的另外的介质供给自热源供给到蒸发器的供热介质流之前，对所述另外的介质进行加热或者冷却。

[0023] 在上述示例中，此方法可以进一步包括以下步骤：将在蒸发器中蒸发的工作介质供给用于使所蒸发的工作介质膨胀的膨胀机的步骤；将已蒸发、膨胀的工作介质供给用于使已蒸发、膨胀的工作介质液化的冷凝器的步骤；以及将液化的工作介质供给蒸发器的步骤。

[0024] 下面通过附图对本发明的另外的特征和示例性实施例以及优点进行详细描述。应该注意到，保护范围不限于此实施方式。还应该注意到，以下描述的部分特征或者全部特征还可以以不同的方式彼此结合。

附图说明

[0025] 图1表示不具有中间循环(左侧)和具有中间循环(右侧)的传统ORC设备的示意图。

[0026] 图2表示根据本发明的ORC设备的一个示例的示意图。

[0027] 图3示出了通过直接蒸发的传统蒸发方法(左侧)和根据本发明的使用再次循环的冷却废气的方法(右侧)的TQ图解。

[0028] 图4示出了用于使热废气和经冷却的再循环的废气混合的混合件的示图。

具体实施方式

[0029] 图1示出了基于直接蒸发(左侧)和包括中间循环(右侧)的传统ORC设备。如图1左侧部分的左侧箭头所示，作为热交换器的蒸发器1被供给来自于例如通过在燃料燃烧中产生的废气的热源(未示出)的热量。在蒸发器1中，热量被供给由供给泵2所供给的工作介质。例如工作介质通过热交换器下游的闪蒸而完全蒸发或者蒸发。工作介质蒸汽通过压力管被引导至涡轮机3。在涡轮机中，工作介质蒸汽膨胀，并且涡轮机3驱动发电机4获取电能(图1中的右侧箭头所示)。所膨胀的工作介质蒸汽在冷凝器5中冷凝，并且液化后的工作介质由供给泵供回至蒸发器1。

[0030] 如图1右侧部分所示，如果使用中间循环6，则由废气至工作介质的热量转移不是在蒸发器中直接实现的，而是通过中间循环6的介质(例如导热油)实现的。中间循环6包括热交换器7，废气在热交换器7将热量转移至中间循环6的介质。泵8将中间循环6的介质供给热交换器7。中间循环6的介质从热交换器7流向蒸发器1，从而导致供给涡轮机3的工作介质的蒸发。

[0031] 图2示出了本发明的示例性实施方式。与图1所示的现有技术相关的已描述的元件以相同的附图标记表示。与现有技术相比，用于蒸发工作介质的介质(例如废气)在供给蒸发器1后，部分地再循环至ORC设备。从而，在将部分冷却废气10供给蒸发器1后，部分冷却废气10例如通过(再循环的)风扇9与来自于热源的热废气流混合。

[0032] ORC设备本身例如可以是地热设备或者太阳热能设备，或者包括作为热源的矿物燃料的燃烧。任何用于传统ORC设备的诸如R245fa的“干介质”，诸如乙醇的“湿介质”或者诸如R134a的“等熵介质”，都可以用作工作介质。还可以使用硅基上的诸如GL160的合成工作介质。

[0033] 因此根据上述描述，所示出的实施方式不涉及由系统故障(例如供给泵5的故障)，或者由通过蒸发器的供热介质(废气)的不均匀流引发超温导致的工作介质损毁的风险。

[0034] 这不是本发明实施方式的仅有的优点。图3示出了利用直接蒸发的传统蒸发方法(左侧)和根据基于再循环的冷却废气的本发明方法的温度/可转移热量(TQ)图解的比较。与向蒸发器1直接供热废气相比，当冷却废气通过蒸发器1后，至少部分冷却废气用于再循环时，蒸发器1处的热传输介质的入口温度会下降。然而，冷却曲线的斜率下降，不如仅由废气温度的降低所引起的斜率下降明显，是由于此影响由较大质量流进行了部分补偿。

[0035] 再循环的冷却废气的在传统方法中完全损失的余热可再次获得，以用于在蒸发器1中的热量转移。在图3右侧的图示中，其以阴影条标注。废气和工作介质的TQ曲线的最接近的夹点(pinch point)位于预热器的端部，该预热器典型地连接于蒸发器1的上游，或者可以被视为蒸发器1的一部分。从而，如果夹点温度ΔTPinch(散热的(相对热)质量流和吸热的(相对冷)质量流之间的温差-在这种情况下，是废气和工作介质的TQ曲线的最接近点处的差别)保持不变，则蒸发器1中可转移的热量不会减少。

[0036] 与传统方法相比，流入蒸发器1时的混合废气的温度和流出蒸发器1时的废气的温度之间的温度梯度比较小。然而，当每单位时间内较多质量流流经蒸发器1时，热转移系数U增加，使得理论上同样的废气输出量不需要蒸发器的表面A的显著扩大。然而实际上，为避免排气回压的显著增加，会调节该表面。蒸发器1的每单位时间可转移的热流量取决于U·A·ΔTM，ΔTM是指平均对数驱动温差。用于再循环质量流的典型比率是在废气质量流的10％至60％范围内，以用于废气流入热交换器时混合300℃至200℃的温度。

[0037] 根据本发明，由于废气入口温度较低，因此再循环废气的额外的热量导致可转移热量减少的影响呈下降趋势。

[0038] 在最简单的情况下，从热源供给蒸发器1的热废气和通过蒸发器1后的冷却废气的混合，可以通过Y管段实现。然而，在由此实现的混合物中，热股可以在混合气体中出现，导致蒸发器1的不均匀供给。基本上，可以使用根据现有技术的传统气体混合器。

[0039] 如果通过蒸发器1后的冷却废气以遍及热废气流周围分布的方式供给热废气流，则可以获取更好的混合。例如，混合物可以通过混合件来实现，如图4所示，所述混合件包括：第一导管的一部分21，其用于引导热废气流、具有形成于第一导管的壳体内的孔22；和第二导管的一部分23，其用于引导再循环的废气，其中，第二导管的部分23围绕第一导管的部分21，并且第二导管的部分23通过垫圈24密封在第一导管的该部分外面而与第一导管的该部分进行密封。被风扇增压的再循环废气通过第一导管的壳体部分内的孔22而被压入其中，以使得该再循环废气与热废气均匀混合。

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