[发明专利]高性能ORC发电设备气冷式冷凝器系统

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年7月29日提交的美国实用新型专利申请序列No.13/194,364的优先权，该申请要求2010年7月30日提交的美国临时申请序列No.61/369,489的优先权，这些申请的全部公开内容通过参引的方式并入本文。

技术领域

本公开整体上涉及工业的、平面线圈的、气冷式热交换器系统，并且更具体地，涉及用于有机朗肯循环（ORC）发电设备的气冷式冷凝器系统。

背景技术

热发电设备常规地利用朗肯（Rankine）蒸汽循环以产生电力。尽管多种修改已经在实际应用中使用以用于改进系统的性能，但是图1a中图示的基本郎肯循环100为其中工作流体经历至少四个阶段的封闭热力学循环：在蒸发器102中通过吸收热量104蒸发，在膨胀器106例如涡轮机中膨胀以驱动发电机108以生成电力，在冷凝器热交换器110中热交换以释放热量并且将工作流体从蒸气冷凝为液体，以及泵吸112以将液体的压力从冷凝压力（较低压力）增大到蒸发器压力（较高压力）。朗肯蒸汽循环中的工作流体为水。ORC系统采用与郎肯蒸汽循环相同的原理。这两个系统之间的不同在于通常与低温热源一起使用的ORC系统使用有机工作流体而不是水。工作流体的选择取决于热源属性、工作流体的热力学性质和操作条件。

热量104可以来自于多个来源。在常规的发电设备中，热量104从煤或其他燃料的燃烧供给。可选地，热量可以由核反应产生。最近，热量可以由超热流体例如由从地热库中捕获的蒸汽或卤水供给。

多年来已经制造常规的气冷式热交换器例如气冷式冷凝器以用于在蒸汽发电设备中使用。这种气冷式热交换器通常采用A-形框架风格结构，其中一系列风扇迫使空气向上通过以A形结构安装的两束冷凝器线圈（如图1f中所示）。对于在ORC发电设备中使用的气冷式冷凝器而言，现有技术已经利用平面冷凝器线圈束，其中多个紧密联接的风扇专用于每个冷凝器线圈束，正如图1b、图1c、图1d和图1e中图示的。这些ORC气冷式冷凝器利用单个单元的工厂制造的模块，该模块包括支承单个热交换器线圈束12的框架10和通过增压室16流体连接到线圈束上的一个或多个风扇14。如所示，风扇平台通常被支承在冷凝器线圈束的下方并且使用鼓风气流推动空气通过线圈束。风扇也可以位于热交换线圈束的上方并且以抽风构型将空气抽吸通过线圈束。在鼓风或抽风的任一种构型中，由于框架通常为结构钢，冷凝器线圈包括金属翅片管和加压室通常由重规格钢构造，因此这些单个单元模块很重。设计和制造材料选取为部分地耐受用于这些工厂构建风扇/线圈模块的运输振动力。此外，如图1b中具体所示，一个/多个风扇的直径限制为不大于冷凝器线圈束的宽度，使得冷凝器线圈束和一个/多个风扇可以作为组装单元进行运输。此外，一个/多个风扇设置为紧密地靠近冷凝器线圈束以便最大限度地减小组件的高度和宽度以用于运输，并且风扇堆叠通常为方形边且较短，使得它们提供很小的空气动力效率。另外，每平方英尺的线圈表面面积的空气量（线圈面速度）通常较高，以便最大限度地减小用于冷却所需的线圈表面积并且由此最大限度地减小所需的风扇数目。尽管这些高速度降低成本并且改进所排放的热空气的“排放量”以便减小再循环空气的量，但是这种高速度也施加了较高的风电成本。通常，多个这些基本独立的模块通过较重的I型钢梁结构联接到一起且支承为高于地面以便容许足够的空气流动循环。显著地，如图1d中所示，这导致对很多风扇的需求，特别是由于每个风扇通常紧密联接到其所服务的冷凝器线圈束上。更具体地，图1d图示了现有技术的30个并排的线圈束，每个束在其宽度上仅具有单个风扇而在其长度上具有三个风扇。该具体示例可以具有大约14英尺的束宽度和60英尺的长度，而每个束具有3个风扇。该示例示出了用于大约60英尺*420英尺的总地面尺寸的总共30个束。在任意情况下，这种风扇通常由带18驱动，本领域的技术人员将理解的是，带18需要大量的维护以在不同的操作条件下保持正确的张紧并且必须被定期更换。在抽风构型中，马达20通常利用介于带18与风扇14之间的两个中间轴承安装在线圈的下方。这些轴承为维护费用的另一来源以满足所推荐的润滑时间表。此外，如图1e中图示，其中示出了以20mph通风的现有技术冷却器阵列的模块化排放增压室的正视图，当来自系统的热输出空气被容易地抽回且再循环时，一个/多个风扇经由短的增压室与冷凝器线圈的接近导致效率低下。这种系统减小了线圈的热交换能力，甚至当考虑到在紧密联接设计中通常使用的相当高的面速度（以上提及）时。