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CN102022713A - 直接蒸发器设备和能量回收系统 - Google Patents

直接蒸发器设备和能量回收系统 Download PDF

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CN102022713A
CN102022713A CN2010102935142A CN201010293514A CN102022713A CN 102022713 A CN102022713 A CN 102022713A CN 2010102935142 A CN2010102935142 A CN 2010102935142A CN 201010293514 A CN201010293514 A CN 201010293514A CN 102022713 A CN102022713 A CN 102022713A
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heat
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CN2010102935142A
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M·A·勒哈
S·W·弗罗伊恩德
T·J·弗里
R·奥曼
G·阿斯特
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General Electric Co
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Abstract

本发明涉及一种直接蒸发器设备和能量回收系统。提供了一种用于在有机朗肯循环能量回收系统中使用的直接蒸发器设备，包括：(a)包括热源气体入口和热源气体出口的壳体，该壳体限定从该入口到该出口的热源气体流径；和(b)完全设置在热源流径内的热交换管，该热交换管构造成以便容纳有机朗肯循环工作流体，该热交换管包括工作流体入口和工作流体出口，该热交换管限定三个区：热源气体出口附近的第一区、热源气体入口附近的第二区，以及设置在第一区和第二区之间的第三区，工作流体入口与第一区直接流体连通，且工作流体出口与第三区直接流体连通；其中，第一区与第三区不直接流体连通。还提供了一种有机朗肯循环能量回收系统和能量回收的方法。

Description

直接蒸发器设备和能量回收系统
技术领域
本发明大体涉及有机朗肯(Rankine)循环能量回收系统，且更具体而言涉及直接蒸发器设备和用于采用该直接蒸发器设备来进行能量回收的方法。
背景技术
由大量人类活动产生的所谓的“废热”表示有价值且往往利用不足的资源。废热源包括各种类型的热的燃烧排气，包括烟道气。诸如涡轮的工业涡轮机频繁地产生呈热的气态排气流的形式的大量可回收的废热。
已经部署了有机朗肯循环能量回收系统作为针对小规模和中等规模的燃气涡轮的改型，以从涡轮的热气流中捕获废热，并且将回收到的热量转化成合乎需要的动力输出。在有机朗肯循环中，热量在闭环中被传送到有机流体(典型地称为工作流体)。工作流体通过与废热进行热接触而被加热并且蒸发，且然后膨胀通过功提取装置(例如涡轮)，在此期间，膨胀动能从膨胀的气态工作流体传递到涡轮的运动的构件。由此产生了机械能，例如，该机械能可转化成电能。然后，已将其能含量的一部分传送到涡轮的气态工作流体被冷凝成液态，并且返回到闭环的加热阶段以便于重新使用。在这种有机朗肯循环中使用的工作流体典型地为烃，烃在环境条件下是液体。因而，工作流体在高温处易于降解。例如，在500℃(对来自涡轮排气流的热的热源气体来说典型的温度)处，即使非常稳定的烃也会开始降解。更糟糕的是，在有机朗肯循环能量回收系统中有用的烃工作流体可在远远低于500℃的温度处开始降解。因此，使用有机朗肯循环能量回收系统来从燃气涡轮系统中回收废热面临这样的困境：排气的温度太高，以致于不能与有机朗肯循环能量回收系统的工作流体进行直接的热接触。
为了避免上述问题，通常使用中间热流体系统来将热量从排气传送到有机朗肯循环锅炉。在一个实例中，中间热流体系统是充油式盘管，其在有机朗肯循环锅炉中缓和工作流体的温度。但是，中间热流体系统可代表有机朗肯循环能量回收系统的总成本的很大一部分。另外，中间热流体系统既增加了有机朗肯循环能量回收系统的复杂性，又代表了另外的构件，该另外的构件的存在降低了热能回收的整体效率。
因此，希望有改进的有机朗肯循环系统来解决上述问题中的一个或多个。
发明内容
在一方面，本发明提供了一种用于在有机朗肯循环能量回收系统中使用的直接蒸发器设备，其包括：(a)包括热源气体入口和热源气体出口的壳体，所述壳体限定从所述入口到所述出口的热源气体流径；以及(b)完全设置在所述热源气体流径内的热交换管，所述热交换管构造成以便容纳有机朗肯循环工作流体，所述热交换管包括工作流体入口和工作流体出口，所述热交换管限定三个区：在所述热源气体出口附近的第一区、在所述热源气体入口附近的第二区，以及设置在所述第一区和所述第二区之间的第三区，所述工作流体入口与所述第一区直接流体连通，且所述工作流体出口与所述第三区直接流体连通；其中，所述第一区与所述第三区不直接流体连通。
在另一方面，本发明提供了一种有机朗肯循环能量回收系统，包括：(a)直接蒸发器设备，其包括(i)包括热源气体入口和热源气体出口的壳体，所述壳体限定从所述入口到所述出口的热源气体流径；以及(ii)完全设置在所述热源气体流径内的热交换管，所述热交换管构造成以便容纳有机朗肯循环工作流体，所述热交换管包括工作流体入口和工作流体出口，所述热交换管限定三个区：在所述热源气体出口附近的第一区、在所述热源气体入口附近的第二区，以及设置在所述第一区和所述第二区之间的第三区，所述工作流体入口与所述第一区直接流体连通，且所述工作流体出口与所述第三区直接流体连通；(b)功提取装置；(c)冷凝器；以及(d)泵；其中，直接蒸发器设备、功提取装置、冷凝器和泵构造成以闭环方式操作。
在又一方面，本发明提供了一种能量回收的方法，包括：(a)将具有一定温度的热源气体引入包含液体工作流体的直接蒸发器设备中；(b)将热量从具有温度T1的热源气体传送到工作流体，以产生过热的气态工作流体和具有温度T2的热源气体；(c)使具有温度T3的过热的气态工作流体膨胀通过功提取装置，以产生机械能和具有温度T4的气态工作流体；(d)使气态工作流体冷凝，以提供液态工作流体；以及(e)使液态工作流体返回到直接蒸发器设备；其中，直接蒸发器设备包括(i)包括热源气体入口和热源气体出口的壳体，所述壳体限定从所述入口到所述出口的热源气体流径；以及完全设置在所述热源气体流径内的热交换管，所述热交换管构造成以便容纳工作流体，所述热交换管包括工作流体入口和工作流体出口，所述热交换管限定三个区：在所述热源气体出口附近的第一区、在所述热源气体入口附近的第二区，以及设置在所述第一区和所述第二区之间的第三区，所述工作流体入口与所述第一区直接流体连通，且所述工作流体出口与所述第三区直接流体连通；并且其中，所述第一区与所述第三区不直接流体连通。
附图说明
当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将得到更好的理解，在附图中，同样的标号在所有图中表示同样的部件，其中：
图1是根据本发明的一个实施例的直接蒸发器设备的示意图。
图2是根据本发明的一个实施例的直接蒸发器设备的示意图。
图3是本发明的一个实施例的热性能特性的图解说明。
图4是传统的直接蒸发器设备的热性能特性的图解说明。
图5是根据本发明的一个实施例的有机朗肯循环能量回收系统的示意图。
部件列表
10直接蒸发器设备
12工作流体
14热源
16热源气体
18热交换管
20第一区
22第二区
24第三区
26离开区22的工作流体的升高的温度
28离开区24的工作流体的相对更高的温度
30热源气体的更低的温度
32离开区24的热源气体的升高的温度
34离开热源气体出口的热源气体的更低的温度
36热源气体入口
38热源气体出口
40工作流体入口
42工作流体出口
44壳体
46热源气体流径
48壳体的壁
50嵌在壳体的壁中的热交换管的部分
52工作流体流径
60直接蒸发器设备
70曲线图
72第一区
74第三区
76第二区
78热源气体的温度曲线图
80工作流体的薄膜温度曲线图
82整体温度曲线图
84工作流体流径
88X轴
90Y轴
100曲线图
102第一区
104第二区
106第三区
108热源气体的温度曲线图
110工作流体的薄膜温度曲线图
112整体温度曲线图
114工作流体流径
116X轴
118Y轴
130有机朗肯循环能量回收系统
132热源(用于热发生的排气单元)
144热源气体
146直接蒸发器设备
150工作流体蒸气
156膨胀器
158功提取装置
160工作流体蒸气
162同流换热器
164冷凝器
166泵
172有机朗肯循环
174工作流体
具体实施方式
在以下说明书和伴随其的权利要求书中，将对若干用语进行参照，这些用语应定义为具有以下含义。
单数形式“一个”、“一种”和“该”包括复数个所指对象，除非上下文清楚地另有所指。
“可选的”或“可选地”表示接下来描述的事件或情况可发生或可不发生，而且表示该描述包括事件发生的情况和事件不发生的情况。
还理解到，诸如“顶部”、“底部”、“外部”、“内部”等用语是方便的词语，并且不应理解为限制性用语。另外，无论何时，当说明本发明的特定的特征包括或包含一组中的若干个元件中的至少一个或者它们的组合时，都应理解该特征可单独地或与该组中的任何其它元件结合来包括或包含该组中的任何元件。
如本文中在整个说明书和权利要求书中所使用的那样，可应用近似语来修饰任何数量表示，该数量表示可容许在不引起其所涉及的基本功能的变化的情况下改变。因此，由用语或多个用语(例如“约”)修饰的值不限于指定的精确的值。在一些情况下，近似语可对应于用于测量值的仪器的精度。类似地，“任意(free)”可与某个用语结合起来使用，并且可包括不大的数量或微量，同时仍然认为其不受修饰用语的限制。
如所指出的那样，在一个实施例中，本发明提供了一种用于在有机朗肯循环能量回收系统中使用的直接蒸发器设备，包括(a)包括热源气体入口和热源气体出口的壳体，所述壳体限定从所述入口到所述出口的热源气体流径；以及(b)完全设置在所述热气源流径内的热交换管。热交换管构造成以便容纳有机朗肯循环工作流体，并且热交换管包括工作流体入口和工作流体出口。热交换管由三个区限定：在所述热源气体出口附近的第一区、在所述热源气体入口附近的第二区，以及设置在所述第一区和所述第二区之间的第三区。工作流体入口与所述第一区直接流体连通，且所述工作流体出口与所述第三区直接流体连通。第一区与所述第三区不直接流体连通。
图1是直接蒸发器设备10的示意图。直接蒸发器设备10在图1中显示为联接到热源14上，热源14用作热源气体16的源。该直接蒸发器设备包括壳体44，壳体44包括热源气体入口36和热源气体出口38。壳体限定从所述入口到所述出口的热源气体流径。热交换管18完全设置在热源气体流径46内。如本文所用，用语“完全设置在热源气体流径内”意思是热交换管完全设置在直接蒸发器设备的壳体内，使得在操作期间，工作流体横穿壳体的外壁仅两次：一次是工作流体通过工作流体入口40进入直接蒸发器设备时，而另一次是工作流体通过工作流体出口42离开直接蒸发器设备时。热交换管18构造成以便容纳有机朗肯循环工作流体12。如所指出的那样，在图1所示的实施例中，直接蒸发器设备10显示为联接到热源14上，热源14构造成以便提供热源气体16，热源气体16通过热源气体入口36进入直接蒸发器设备，并且沿着热源气体流径46接触热交换管18，以有利于工作流体12和热源气体16之间的以不会过分加热工作流体12的方式进行的热交换。热交换管包括工作流体入口40和工作流体出口42。热交换管限定三个区：在热源气体出口附近的第一区20、在所述热源气体入口附近的第二区22，以及关于热源气体流径设置在第一区和第二区之间的第三区24。说明区24在区22和区20之间是因为在热源气体入口36处进入直接蒸发器设备的热源气体16首先接触热交换管18的区22，并且必须在接触该热交换管的区20之前接触该热交换管的区24。出于这个论述的目的，区20指的是“第一区”，因为区20与工作流体入口直接流体连通。出于这个论述的目的，区22指的是“第二区”，因为区22与第一区20直接流体连通。出于这个论述的目的，区24指的是“第三区”，因为区24与第二区22直接流体连通。第一区20与所述第三区24不直接流体连通。如本文所用，用语“直接流体连通”意思是直接蒸发器设备的构件之间不存在居间区。因此，工作流体入口40和第一区20之间存在直接流体连通，第一区20和第二区22之间存在直接流体连通，第二区22和第三区24之间存在直接流体连通，且第三区24和工作流体出口42之间存在直接流体连通。
成液态的工作流体通过工作流体入口40进入直接蒸发器设备的第一区20，此处，当工作流体朝向热交换管的区22运动时，该工作流体被预热。因此，第二区22接收来自第一区20的工作流体12的进入流，并且使工作流体12蒸发。如图1所示，第二区22构造成使得通过热源气体入口36进入直接蒸发器设备的、来自热源14的热源气体16接触热交换管的构成区22的那部分，并且在热源气体16和工作流体之间发生足以蒸发工作流体的热交换。各种操作因素(例如工作流体流入直接蒸发器设备中的流率以及热交换管的大小)可用来控制热交换管的各个区内部的工作流体的温度，从而使得可避免工作流体的过热和降解。在一个实施例中，离开区22的蒸发的工作流体的温度26可保持在约150℃至约300℃的范围中的温度处。在一个实施例中，离开第二区22的蒸发的工作流体的温度26为约230℃。
如所指出的那样，热源气体16在热源气体入口36处进入直接蒸发器设备，并且在热源气体入口处是最热的。在一个实施例中，在热源气体入口处进入直接蒸发器设备的热源气体在介于约400℃和约600℃之间的范围中的温度处。在一个备选实施例中，在热源气体入口处进入直接蒸发器设备的热源气体在介于约400℃和约500℃之间的范围中的温度处。在又一个实施例中，在热源气体入口处进入直接蒸发器设备的热源气体在介于约450℃和约500℃之间的范围中的温度处。如所指出的那样，热源气体首先接触区22(有时称为蒸发区)，并且随着热量从热源气体传递到构成区22的热交换管部分而冷却。存在于热源气体流径中的内部结构(例如折流板和流道)(在图1中未显示)从入口引导热源气体流，并且将其引导至与热交换管的区22接触。在与区22接触之后，热源气体被引导至与区24接触。本领域技术人员将理解，与区24进行接触的热源气体比与区22进行接触的热源气体具有更低的温度30。尽管与热交换管的区24进行接触的热源气体的更低的温度30，该热源气体仍包含足以在该热源气体在区24中遇到热交换管时使区24内的工作流体过热的热量。具有温度28的过热的工作流体在工作流体出口42处离开直接蒸发器设备。当热源气体将其热能传递到区24(也称为过热器区)时，该热源气体被进一步冷却。因此，借助于限定了热源气体流径的内部结构来将接触了区24中的热交换管且具有温度32的热源气体引导至与区20(也称为预热器区)接触。
由图1和图2表示的本发明的某些实施例提供的优点中的一个源自：这样的直接蒸发器设备构造-其中热交换管完全设置在直接蒸发器设备壳体的界限内、与热源气体入口和蒸发区的有关部分联接；以及热源气体在操作期间接触蒸发区、过热器区和预热器区的顺序。因此，通过允许热源气体16在进入第三区24之前进入第二区22，过热步骤在热源气体已经将其热量中的许多传递到蒸发区中的工作流体之后发生，而且接触过热器区的热源气体和离开过热器区的过热的工作流体之间的温差相对于其中热源气体与过热器区直接接触的构造的情况降低了。这可起防止过热器区中的热点的作用，在热点处，过热的工作流体可经历重大且有害的降解。因此，消除了由于与来自热源14的温度相对较高的热源气体16接触而引起的工作流体的薄膜的潜在降解。如所指出的那样，这样的构造-其中热交换管完全设置在直接蒸发器设备壳体的界限内。此设计特征时常也称为“完全设置在由壳体限定的热源气体流径内”。将理解到，工作流体(其为烃)是非常易燃的，并且在某些情况下会燃烧而具有爆炸力。因此，本发明提供的直接蒸发器设备相对于已知的直接蒸发器设备提供了另外的设计简化，而且此设计简化可提高包括本发明提供的直接蒸发器设备的有机朗肯循环能量回收系统的整体安全。
回到图1，具有温度32的热源气体离开第三区24，并且被传送到第一区20。在一个实施例中，热源气体的温度32在约375℃至约450℃的范围中。如所指出的那样，第一区20包含成液态的工作流体12。当热量传递通过构成区20的热交换管的那部分时，工作流体的温度升高，并且热源气体的温度进一步降低，从而使得当热源气体被引导到热源气体出口且从热源气体出口中传送出去时，相对于热源气体入口处的热源气体温度、热源气体温度30和热源气体温度32，该热源气体具有愈发更低的温度34。
如所指出的那样，在一个实施例中，工作流体12可为烃。烃的非限制性实例包括环戊烷、n-戊烷、甲基环丁烷、异戊烷、甲基环戊烷丙烷、丁烷、n-己烷和环己烷。在另一个实施例中，工作流体可为两种或更多种烃的混合物。在一个实施例中，工作流体是二元流体，诸如例如环己烷-丙烷、环己烷-丁烷、环戊烷-丁烷或环戊烷-环己烷混合物。在又一个实施例中，工作流体是选自由甲基环丁烷、环戊烷、异戊烷、环己烷和甲基环戊烷(methycyclopentane)组成的组的烃。
在本发明的各实施例中，热源可为任何热源，其可用来产生易于通过热源气体入口引入直接蒸发器设备中的气体流。在一个实施例中，热源是燃气涡轮，来自燃气涡轮的排气可用作热源气体。其它热源包括来自住宅、商业和工业热源(例如家用干衣机、空调单元、制冷单元)的排气，以及在燃料燃烧期间产生的气体流，例如烟道气。在一个实施例中，将地热用作热源。
图2是根据本发明的一个实施例的直接蒸发器设备60的示意图。图2所示的直接蒸发器设备60可联接到热源14(图1)上，热源14用作热源气体16的源。直接蒸发器设备包括壳体44，壳体44包括热源气体入口36和热源气体出口38。热交换管52完全设置在热源气体流径46内。在图2中，热源气体流径46基本是由壳体壁48限定的直接蒸发器设备的整个内部以及未被热交换管52占用的直接蒸发器设备的内部内的空间。热交换管构造成以便容纳有机朗肯循环工作流体12，从而使得在操作期间，工作流体进入和离开壳体仅两次：一次是工作流体通过工作流体入口40进入直接蒸发器设备时，而另一次是工作流体通过工作流体出口42离开直接蒸发器设备时。工作流体沿着由热交换管52限定的工作流体流径行进。在图2所示的实施例中，热交换管52显示为通过将热交换管52的部分50嵌在壳体壁48内而固定在直接蒸发器设备壳体44内。在图2所示的实施例中，嵌在壳体壁内的热交换管的部分50位于热源气体流径的外部，但是保持完全在直接蒸发器设备60的壳体44内。这样，图2所示的热交换管52的构造就满足了热交换管“完全设置在热源气体流径46内”(因为在本文限定了那个用语)的要求。表达这个同样的限制的备选但是等效的一种方式是热交换管52完全设置在直接蒸发器设备60的壳体44内，使得在操作期间，工作流体12横穿壳体44的外壁仅两次：一次是工作流体通过工作流体入口40进入直接蒸发器设备时，而另一次是工作流体通过工作流体出口42离开直接蒸发器设备时。除了热交换管部分50之外，热交换管52位于热源气体流径46内。热交换管52限定三个区：在热源气体出口附近的第一区20(预热器区)、在所述热源气体入口附近的第二区22(蒸发区)，以及设置在第一区和第二区之间的第三区24(过热器区)。第一区20与所述第三区24不直接流体连通。工作流体入口40与所述第一区20直接流体连通。工作流体出口42与所述第三区24直接流体连通。在一个实施例中，热交换管在第一区、第二区和第三区中的各个中包括多个弯曲部。在一个实施例中，热交换管52在第一区、第二区和第三区中的各个中构造成平行的排。在一个实施例中，热交换管的第一区、第二区和第三区中的各个构造成处于至少一排中。
在图2所示的直接蒸发器设备的操作期间，在热源气体入口36处进入的热源气体16首先遇到第二区22。来自热源气体16的热量传递到存在于第二区22中的工作流体12，传递的热量足以蒸发存在于第二区中的工作流体12的至少一部分。比在热源气体入口36处进入直接蒸发器设备的热源气体具有相对更低的温度和热含量的热源气体接下来遇到第三区24，在第三区24中，工作流体被过热，并且过热的工作流体通过工作流体出口42离开直接蒸发器设备。比首先遇到第三区24中的热交换管的热源气体具有相对更低的温度和热含量的热源气体接下来遇到第一区20，在第一区20中，成液态的工作流体在工作流体入口40处进入，并且被预热，同时仍然成液态。沿着热交换管将第一区20中的工作流体引导到第二区22，在第二区22中，工作流体蒸发，并且被供应到第三区24。
图3表示了由在如图2所示的那样构造的直接蒸发器设备上的模拟实验、且使用假定了热源气体16从热源气体入口36到热源气体出口38的线性流动的模型而获得的结果。X轴88表示距热源气体出口38的距离，热源气体出口38定义成在距该热源气体出口38零单位的距离处，并且热源气体入口36定义为距热源气体出口38一个单位的距离。为了由图3示出的模拟研究的目的，给出的温度是针对距热源气体出口38各种距离处的直接蒸发器设备内的理想点的。直接蒸发器设备内的特定的理想点之间的距离在本文中有时被称为“流动长度”。Y轴90显示了随距热源气体出口的距离变化的热源气体的温度78(以摄氏度为单位)，随距热源气体出口的距离变化的热交换管的内壁处的工作流体的温度80(这个温度80在本文中有时被称为“薄膜温度”)，以及随距热源气体出口的距离变化的、热交换管内的工作流体的整体温度82。在图3中示出的实验中，热源气体的温度78在距热源气体出口的最大距离处大于500℃，并且在热量传递到工作流体时，在热源气体出口处(“流动长度”＝0单位)下降到约100℃。热交换管如图2所示的那样构造在直接蒸发器设备内，并且限定三个区：所指示的第一区72、第二区76和第三区74。其中热源气体为其最热状态的第二区76(在本文中有时被称为蒸发区)中的工作流体保持比第三区74(在本文中有时也称为过热器区)中的工作流体更冷。与第一区72(在本文中有时也称为预热器区)接触的工作流体的薄膜温度80在工作流体进入第二区76时从第一区72中的约80℃升高到约244℃，并且在工作流体进入第三区74时升高到约273℃。模拟实验显示出，如图2中那样构造的直接蒸发器设备可在充分低于典型工作流体的阈值分解温度(300℃)的温度条件中操作。工作流体的整体温度82还遵从类似于第三区74中发生的最热的工作流体整体温度的类似的型式。工作流体整体温度82和工作流体薄膜温度80之间的小差距(特别是在第三区74中)指示第三区74中的薄膜温度的较大稳定性，并且将在热交换管内获得的最高温度限于落在充分低于分解阈值温度的期望范围内的温度(尽管热源气体有升高的温度)。
图4是没有采用图2中的流动布置的传统的直接蒸发器设备的第一区、第二区和第三区中的热源气体的温度108、工作流体的薄膜温度110以及工作流体的整体温度112的图解说明100。该实验与图3中执行和示出的那些基本相同，不同的是热交换管构造成使得过热器区(106)在热源气体入口附近，蒸发区(104)在过热器区附近，并且预热器区102在热源气体出口附近。另外，在图3中示出的实验中使用的约定、假设和定义也在图4中示出的实验中使用。X轴(也称为流动长度)标记为绘图元素116。Y轴(以摄氏度为单位的温度)标记为绘图元素118。再次，提醒读者，图解说明100是模拟实验的结果。值得注意的是与热交换管的壁接触的工作流体的温度110在过热器区106内的点处高于约300℃，并且整体的工作流体和热交换管的壁处的工作流体的温度之间的、在第三区106内的温度差距比图3中观察到的对应的差距显著更大。
参看图5，根据本发明的一个实施例示出了有机朗肯循环能量回收系统130。所示有机朗肯循环能量回收系统130包括有机朗肯循环系统172。工作流体174通过有机朗肯循环130循环。有机朗肯循环系统包括联接到热源140(例如热发生系统132(例如发动机)的排气单元)上的直接蒸发器设备146。在一个实例中，发动机的排气单元的温度可在约400℃至500℃的范围中。直接蒸发器设备146如图1所描述的那样构造，并且接收来自热源气体或从热源140中产生的排气144的热量，并且产生工作流体蒸气154。在一个实例中，工作流体蒸气可处于19巴的压力和225℃的温度。工作流体蒸气穿过膨胀器156(在一个实例中，其包括径向型膨胀器)，以驱动功提取装置，例如发电机单元158。在一个实施例中，功提取装置是涡轮。在一个实施例中，膨胀器可为轴向型膨胀器、脉冲型膨胀器或高温螺旋型膨胀器。在一个实施例中，能量回收系统可包括涡轮旁路导管(未显示)。在穿过膨胀器156之后，在相对较低的压力和较低的温度处的第一工作流体蒸气160穿过同流换热器(recuperator)162，同流换热器162可起热交换单元的作用。使用冷凝器164将工作流体蒸气冷凝成液体，然后通过泵166将液体泵送到直接蒸发器设备146。在一个实例中，可以1.4巴的压力和95℃(的温度)将冷凝的工作流体供应到直接蒸发器设备146。直接蒸发器设备、功提取装置、冷凝器和泵构造成以闭环方式操作。然后可重复该循环。
在一个实施例中，提供了一种能量回收的方法。该方法包括(a)将具有一定温度的热源气体引入包含液体工作流体的直接蒸发器设备中；(b)将热量从具有温度T1的热源气体传递到工作流体，以产生过热的气态工作流体和具有温度T2的热源气体；(c)使具有温度T3的过热的气态工作流体膨胀且通过功提取装置，以产生机械能和具有温度T4的气态工作流体；(d)使气态工作流体冷凝，以提供液态工作流体；以及(e)使液态工作流体返回到直接蒸发器设备。在一个实施例中，热源气体具有在从约400℃至约600℃的范围中的温度T1。在另一个实施例中，热源气体具有在从约400℃至约550℃的范围中的温度T1。在一个实施例中，热源气体具有在从约100℃至约250℃的范围中的温度T2。在另一个实施例中，过热的气态工作流体具有在从约200℃至约300℃的范围中的温度T3。在一个实施例中，第一区中的工作流体处于从约20℃至约150℃的范围中的温度。在另一个实施例中，第二区中的工作流体处于从约50℃至约300℃的范围中的温度。在又一个实施例中，第三区中的工作流体处于从约200℃至约300℃的范围中的温度。
本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，而且还使本领域任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何结合的方法。本发明的可授予专利的范围由权利要求书限定，且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这种其它实例具有不异于权利要求书的字面语言的结构元素，或者如果这种其它实例包括与权利要求书的字面语言无实质性差异的等效结构元素，则这种其它实例意图处于权利要求书的范围之内。

Claims (10)

1.一种用于在有机朗肯循环能量回收系统中使用的直接蒸发器设备(10，60，146)，包括：
(a)包括热源气体入口(36)和热源气体出口(38)的壳体(44)，所述壳体(44)限定从所述入口到所述出口的热源气体流径(46)；和
(b)完全设置在所述热源流径内的热交换管(18)，所述热交换管构造成以便容纳有机朗肯循环工作流体，所述热交换管包括工作流体入口(40)和工作流体出口(42)，所述热交换管限定三个区：在所述热源气体出口(38)附近的第一区(20，72，102)、在所述热源气体入口(36)附近的第二区(22，76，104)，以及设置在所述第一区(20，72，102)和所述第二区(22，76，104)之间的第三区(24，74，106)，所述工作流体入口(40)与所述第一区(20，72，102)直接流体连通，且所述工作流体出口(42)与所述第三区(24，74，106)直接流体连通；
其中，所述第一区(20，72，102)与所述第三区(24，74，106)不直接流体连通。
2.根据权利要求1所述的直接蒸发器设备(10，60，146)，其特征在于，所述热交换管(18)在所述第一区(20，72，102)、第二区(22，76，104)和第三区(24，74，106)中的各个中包括多个弯曲部。
3.根据权利要求2所述的直接蒸发器设备(10，60，146)，其特征在于，所述热交换管(18)的所述第一区(20，72，102)、第二区(22，76，104)和第三区(24，74，106)中的各个构造为处于至少一排中。
4.一种有机朗肯循环能量回收系统(130)，包括：
(a)直接蒸发器设备(10，60，146)，包括(i)包括热源气体入口(36)和热源气体出口(38)的壳体(44)，所述壳体(44)限定从所述入口到所述出口的热源气体流径；以及(ii)完全设置在所述热源流径内的热交换管(18)，所述热交换管(18)构造成以便容纳有机朗肯循环工作流体，所述热交换管(18)包括工作流体入口(40)和工作流体出口(42)，所述热交换管(18)限定三个区：在所述热源气体出口(38)附近的第一区(20，72，102)、在所述热源气体入口(36)附近的第二区(22，76，104)，以及设置在所述第一区(20，72，102)和所述第二区(22，76，104)之间的第三区(24，74，106)，所述工作流体入口(40)与所述第一区(20，72，102)直接流体连通，且所述工作流体出口(42)与所述第三区(24，74，106)直接流体连通；
(b)功提取装置(158)；
(c)冷凝器(164)；以及
(d)泵(166)；
其中，所述直接蒸发器设备、功提取装置(158)、冷凝器(164)和泵(166)构造成以闭环方式操作。
5.根据权利要求4所述的能量回收系统，其特征在于，所述能量回收系统进一步包括同流换热器(162)。
6.根据权利要求4所述的能量回收系统，其特征在于，所述功提取装置(158)包括涡轮。
7.根据权利要求6所述的能量回收系统，其特征在于，所述能量回收系统进一步包括涡轮旁路导管。
8.一种能量回收的方法，包括：
(a)将具有一定温度的热源气体(16)引入包含液体工作流体的直接蒸发器设备(10，60，146)中；
(b)将热量从具有温度T1(32)的所述热源气体(16)传递到所述工作流体，以产生过热的气态工作流体(150)和具有温度T2(34)的热源气体；
(c)使具有温度T3(24)的过热的气态工作流体膨胀通过功提取装置(158)，以产生机械能和具有温度T4(28)的气态工作流体；
(d)使所述气态工作流体冷凝，以提供液态工作流体；以及
(e)使所述液态工作流体返回到所述直接蒸发器设备；
其中，所述直接蒸发器设备(10，60，146)包括：(i)包括热源气体入口(36)和热源气体出口(38)的壳体(44)，所述壳体(44)限定从所述入口到所述出口的热源气体流径；以及完全设置在所述热源流径内的热交换管(18)，所述热交换管(18)构造成以便容纳工作流体，所述热交换管(18)包括工作流体入口(40)和工作流体出口(42)，所述热交换管(18)限定三个区：在所述热源气体出口(38)附近的第一区(20，72，102)、在所述热源气体入口(36)附近的第二区(22，76，104)，以及设置在所述第一区(20，72，102)和所述第二区(22，76，104)之间的第三区(24，74，106)，所述工作流体入口(40)与所述第一区(20，72，102)直接流体连通，且所述工作流体出口(42)与所述第三区(24，74，106)直接流体连通；并且其中，所述第一区(20，72，102)与所述第三区(24，74，106)不直接流体连通。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述热源气体具有在从约400℃至约600℃的范围中的温度T1(32)。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述热源气体具有在从约100℃至约250℃的范围中的温度T2(34)。
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