用于通过有机朗肯循环产生能量的设备和方法技术

一种用于通过有机朗肯循环产生能量的设备包括：热交换器（3），用于在高温源与有机工作流体之间进行热交换以加热和蒸发所述工作流体；径向流出型膨胀式涡轮机（4），被供给从热交换器（3）流出的经汽化的工作流体以根据朗肯循环将存在于工作流体中的热能转换为机械能；冷凝器（6），在该冷凝器中，从涡轮机（4）流出的工作流体在被冷凝并且输送至泵（2）并接着供给至热交换器（3）。

Apparatus and method for generating energy through the organic Rankine cycle

A method for generating energy through the organic Rankine cycle device comprises a heat exchanger (3), is used for heat exchange with the heating and evaporation of the working fluid in high temperature between the source and the organic working fluid; radial outflow type expansion turbine (4), is supplied from the heat exchanger (3) heat outflow by working fluid according to the vaporization of the Rankine cycle will exist in the working fluid into mechanical energy; the condenser (6), in the condenser, from the turbine (4) out of the working fluid is condensed in and transported to the pump (2) and then supplied to the heat exchanger (3).

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种。已知基于热力学朗肯循环(0RC-有机朗肯循环)的设备，该设备以简单且可靠的方式将热能转换为机械能和/或电能。在这些设备中，优选地使用有机类型(具有高分子量或中等分子量)的工作流体来代替传统的水/蒸汽系统，因为有机流体不仅能够以相对低的温度(通常在100° C与300°C之间)转换热源，而且能够以较高的温度、以更有效的方式转换热源。因此，最近发现ORC转换系统在不同领域中越来越广泛地应用，诸如在地热领域中、在工业能量回收中、在用于从生物质和聚光太阳能发电(CSP)产生能量的设备中、在再汽化器(regasifier)中等。
技术介绍
用于通过有机朗肯循环(ORC)转换热能的已知类型的设备通常包括:至少一个热交换器，在高温源与工作流体之间进行热交换以加热、蒸发(并且可能过度加热)工作流体；至少一个涡轮机，被供给从热交换器流出的经汽化的工作流体以根据朗肯循环将存在于工作流体中的热能转换成机械能；至少一个发电机，可操作地连接至涡轮机，其中由涡轮机产生的机械能被转换成电能；至少一个冷凝器，其中，从涡轮机出来的工作流体被冷凝并输送到至少一个泵；工作流体被从泵供给至热交换器。例如在公开文献US4458493和W02010/106570中描述了用于高分子量气体和蒸汽膨胀的已知类型的涡轮机。在第US4458493号专利中公开的涡轮机为多级型，其中，第一轴向级接着的是径向的向心级。相反，在文献W02010/106570中公开的涡轮机为轴向型，并且该涡轮机包括具有用于将工作流体从入口运送至出口的外围螺旋管(volute)的箱体、第一定子和可能的其他定子、绕轴线旋转并且承载第一转子以及可能的其他转子的涡轮机轴。管状元件以悬臂式从箱体延伸并且与涡轮机轴同轴。支承单元位于管状元件与涡轮机轴之间并且除了该轴以外能够从管状元件全部抽出。更普遍地，当前用于热力学ORC循环的已知膨胀箱体的类型为轴向的一级型和多级型以及为径向的一级型和多级向心型或流入型。文献W02011/007366示出了在ORC热力学循环的领域中使用的用于产生能量的涡轮机，其包括在彼此后面轴向地布置的三个径向级。文献EP2080876示出了涡轮机组(turbomachine)，特别是多级式涡轮压缩机，其包括两个涡轮机(其中一个为径向内流式涡轮机)和两个压缩机。文献US1，488，582示出了设置有一个高压部和一个低压部的涡轮机，在该涡轮机中，流体流逐渐从轴向方向偏离至径向方向。文献US2010/0122534示出了用于能量回收的封闭式或环状回路系统，其包括径向内流式涡轮机。
技术实现思路
在该范围内，本 申请人:感到有必要:-关于目前在ORC设备中使用的涡轮机，增大在所述涡轮机内部发生的能量转换的效率；-关于目前在ORC设备中使用的涡轮机，降低结构复杂性和提高涡轮机的可靠性。更具体地，本 申请人:感到有必要减小由于工作流体的泄漏和通风引起的损耗以及热耗，以改善在涡轮机中以及更一般地在ORC设备中的能量转换处理和涡轮机的总效率。本 申请人:发现上述目标可以在用于通过有机朗肯循环(ORC)产生能量的设备和方法的领域中使用径向离心式或流出式膨胀涡轮机来实现。更具体地，本专利技术涉及一种用于通过有机朗肯循环产生能量的设备，该设备包括:具有高分子量的有机工作流体；至少一个热交换器，用于在高温源与工作流体之间进行热交换，以加热和蒸发所述工作流体；至少一个膨胀式涡轮机，被供给从热交换器流出的经汽化的工作流体，以根据朗肯循环将存在于工作流体中的热能转换成机械能；至少一个冷凝器，在该至少一个冷凝器中，从所述至少一个涡轮机流出的工作流体被冷凝并且输送到至少一个泵；然后工作流体被供给至所述至少一个热交换器；所述设备的特征在于膨胀式涡轮机为径向流出类型。具有高分子量的有机工作流体可以选自包括碳氢化合物、酮、硅氧烷或含氟材料(包括全氟材料)的组，并且通常具有包括在150g/mol与500g/mol之间的分子量。优选地，该有机工作流体为全氟-2-甲基戊烷(具有没有毒性且不易燃的附加优点)、全氟1，3 二甲基环己烷、六甲基二硅氧烷或八甲基三硅氧烷。在另一方面，本专利技术涉及一种用于通过有机朗肯循环产生能量的方法，该方法包括:i )通过至少一个热交换器供给有机工作流体以在高温源与所述工作流体之间进行热交换，以加热和蒸发所述工作流体；ii)将从热交换器流出的汽化的有机工作流体供给至至少一个膨胀式涡轮机，以根据朗肯循环将存在于工作流体中的热能转换成机械能；iii)将从所述至少一个膨胀式涡轮机流出的有机工作流体供给至至少一个冷凝器，在该至少一个冷凝器处，工作流体被冷凝；iv)将从冷凝器流出的有机工作流体输送至所述至少一个热交换器；所述方法的特征在于，在步骤ii)中，工作流体从膨胀式涡轮机的入口至出口所遵循的路线至少部分为径向流出路线。本 申请人:已经确定径向流出式涡轮机为最适合于所涉及的应用(B卩，最适合于高分子量的工作流体在ORC循环中的膨胀)的机器，这是因为:-ORC循环中的膨胀的特征在于低热焓变化，并且作为本专利技术的目标的径向流出式涡轮机适合于具有低热焓变化的应用，因为该径向流出式涡轮机相对于轴向和/或径向流入式机器执行更少的工作，而圆周速度和反应程度相同；-ORC循环中的膨胀的特征在于由于表征上述循环、适中温度或无论如何不与例如燃气轮机中的温度一样高的温度的低热焓变化所引起的转子的低旋转速度和低圆周速度，并且径向流出式涡轮机非常适用于具有低机械应力和热应力的情况。-因为一般地朗肯循环以及特别是ORC循环的特征在于高体积膨胀率，由于轮径在流动方向增长的事实，因而径向流出式涡轮机优化了机器叶片的高度，尤其是第一级的高度；因此，全部且不堵塞的进入通常几乎是可能的。-由于径向流出式涡轮机的结构形状使得能够在单个盘(disc)上获得若干膨胀级，因此能够减少由于次级流和泄漏引起的损耗并且同时能够达到降低得更多的成本。-此外，为径向流出式配置的膨胀式涡轮机使得在最后膨胀级上扭转叶片是多余的，因此简化了机器结构。根据优选实施例，膨胀式涡轮机包括:固定箱体，具有轴向入口和径向外围出口 ；仅一个转子盘，安装在该箱体中并且绕旋转轴线“X-X”旋转；至少一个第一系列的转子叶片，安装在转子盘的正面上且围绕旋转轴线“X-X”布置；以及至少一个第一系列的定子叶片，安装在箱体上，面向转子盘并且围绕旋转轴线“X-X”布置。优选地，膨胀式涡轮机包括:至少一个第二系列的转子叶片，相对于第一系列的转子叶片布置在径向外部位置处；以及至少一个第二系列的定子叶片，相对于第一系列的定子叶片布置在径向外部位置处。不同于轴向式机器，作为本专利技术的目标的径向流出式涡轮机仅需要一个也用于多级机器的盘，因此，由于通风而提供了较少的损耗并且成本大大降低。由于上述紧密性，能够保持大幅减小的间隙(play)，这导致了泄漏减少，并且因此损耗由于溢出而变得更小。热损耗也是更小。此外，径向离心式涡轮机的叶片不必扭转，并且这总体上涉及对于所述叶片和涡轮机的较低生产成本。根据优选实施例，径向流出式膨胀式涡轮机包括挡板(baffle)，该挡板在轴向入口处固定地安装在箱体上并且适于使轴向流朝向第一系列定子叶片径向偏离。优选地，挡板具有面向流本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于通过有机朗肯循环ORC产生能量的ORC设备，所述设备包括：?至少一个热交换器（3），用于在高温源与有机工作流体之间进行热交换，以加热和蒸发所述工作流体；?至少一个膨胀式涡轮机，被供给从所述热交换器（3）出来的经汽化的工作流体，以根据朗肯循环将存在于所述工作流体中的热能转换为机械能；?至少一个冷凝器（6），在所述至少一个冷凝器中，从至少一个所述涡轮机（4）流出的工作流体被冷凝并且输送到至少一个泵（2）；所述流体接着被供给至所述至少一个热交换器（3）；所述设备的特征在于，所述膨胀式涡轮机（4）为径向流出类型，其中，在所述膨胀式涡轮机（4）的入口（15）与出口（16）之间的路线中，所述工作流体在膨胀时移动离开所述膨胀式涡轮机（4）的旋转轴线（X?X）。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.04.21 IT MI2011A0006841.一种用于通过有机朗肯循环ORC产生能量的ORC设备，所述设备包括: -至少一个热交换器(3)，用于在高温源与有机工作流体之间进行热交换，以加热和蒸发所述工作流体； -至少一个膨胀式涡轮机，被供给从所述热交换器(3)出来的经汽化的工作流体，以根据朗肯循环将存在于所述工作流体中的热能转换为机械能； -至少一个冷凝器(6)，在所述至少一个冷凝器中，从至少一个所述涡轮机(4)流出的工作流体被冷凝并且输送到至少一个泵(2);所述流体接着被供给至所述至少一个热交换器(3); 所述设备的特征在于，所述膨胀式涡轮机(4)为径向流出类型，其中，在所述膨胀式涡轮机(4)的入口(15)与出口(16)之间的路线中，所述工作流体在膨胀时移动离开所述膨胀式涡轮机(4)的旋转轴线(X-X)。2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述膨胀式涡轮机(4)包括单个转子盘。3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述膨胀式涡轮机(4)是多级式涡轮机。4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述膨胀式涡轮机(4)包括:固定箱体(7)，具有轴向入口( 15 )和径向外围出口( 16 );仅一个转子盘(17)，安装在所述箱体(7 )中并且绕旋转轴线(X-X)旋转；至少一个第一系列的转子叶片(22a)，安装在所述转子盘(17)的正面(18)上且围绕所述旋转轴线(X-X)布置；以及至少一个第一系列的定子叶片(24a)，安装在所述箱体(7)上，面向所述转子盘(17)并且围绕所述旋转轴线(X-X)布置。5.根据前述权利要求所述的设备，其中，所述膨胀式涡轮机(4)包括:至少一个第二系列的转子叶片(2 2b，22c)，相对于所述第一系列的转子叶片(22a)布置在径向外部位置处；以及至少一个第二系列的定子叶片(24b，24c)，相对于所述第一系列的定子叶片(24a)布置在径向外部位置处。6.根据权利要求3或4所述的设备，其中，所述膨胀式涡轮机(4)包括挡板(25)，所述挡板(25)在所述轴向入口(15)处固定地安装在所述箱体(7)上并且适于使轴向流体流朝向所述第一...

【专利技术属性】
技术研发人员：克劳迪奥·斯帕达奇尼，达里奥·里齐，亚历山德罗·巴尔巴托，洛伦佐·琴泰梅里，
申请(专利权)人：埃克塞基股份公司，
类型：
国别省市：