具体实施方式

结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。本发明的实现并不限于下述实施方式，在本领域技术人员所具备的知识范围内所采用的本发明技术构思下的各种变形、变换、组合和改进均属于本发明的保护范围。

1.整体结构

如图1所示为本实施方式提供的一种朗肯循环系统，该朗肯循环系统包括:加热器1、做功装置2、回热器5、冷却器3和增压装置4依次接通形成的介质回路，循环介质在介质回路内部循环流动，具体地，循环介质的三相点温度低于0℃，循环介质的三相点压力高于标准大气压，循环介质在加热器1中吸收热能后变为超临界流体，之后再流入做功装置2中膨胀做功，从而将热能转化为更便于利用的机械能，经过做功装置2的气态循环介质进入回热器5，对循环介质的余热进行再次利用后进入冷却器3进行降温，将气态的循环介质冷却至略高于循环介质的三相点温度Tgls的温度T1(Tgls<T1<Tgls+20℃)下的饱和液体后，循环介质进入增压装置4进行增压，增压后的液态循环介质进入回热器5中吸收做功装置排气的余热，并重新进入加热器1中进行新的循环，从而循环地将热能转化为机械能。

需要注意的是，在本实施方式中，并未对各个装置或者设备的结构进行限定，例如该做功装置2在一些实施方式中可以为旋转透平，在另一些实施方式中，该做功装置2也可以为具有传动杆的气缸装置，同理，在不违背本发明的技术方案的前提下，对本发明中的装置或设备进行简单的替换，均未超出本发明的保护范围。

另外，本领域技术人员能够理解的是，回热器5在本实施方式中是用于对做功装置2后的余热进行再次利用的装置，即在本实施方式中对于增加了回热器5的朗肯循环的优选方案进行了举例说明，但是，本领域技术人员能够理解的是，本发明提供的朗肯循环系统可以不包括回热器，而直接由加热器1、做功装置2、冷却器3和增压装置4依次连接组成。

在本实施方式中，首先，循环介质的三相点温度低于0℃，能够利用更低温的冷源介质，三相点压力高于标准大气压，使得无需维持冷凝器中的真空，在节省能耗的同时也避免了外部空气漏入循环系统，这样在结合利用优质低温冷源之后，根据卡诺原理，能够大幅提高循环效率。

其次，循环介质在加热装置中达到超临界状态，当循环介质处于超临界状态时，密度较高，其膨胀做功所需的透平级数相对较少，因此在本实施方式中高压透平设备要比现有的蒸汽朗肯循环中的透平结构紧凑很多，更小的透平设备体积意味着更小的厂房面积、更紧凑的循环流程。

最后，超临界状态的循环介质的温度高于气态的循环介质，所以根据卡诺原理，在冷却器3提供的冷源一定的情况下，本发明提供的朗肯循环系统中的循环介质能够达到更高的初温，即本发明中的朗肯循环系统作业效率更高。

其中，较优地，该朗肯循环系统的循环介质为CO2。

在本实施方式中，目前CO2作为循环介质的应用主要在于超临界CO2(S-CO2)布雷顿循环，S-CO2布雷顿循环具有高温热源循环效率高、压缩耗功小、旋转透平设备结构紧凑占地小、腐蚀性小等诸多优势，是燃气轮机排气余热高效发电的潜在选择之一。但在S-CO2布雷顿循环中，冷源温度不得低于CO2临界温度(31.1℃)，该冷源温度限制了S-CO2布雷顿循环系统的作业效率。

进一步地，H2O的三相点为0.01℃、610.75Pa，其冷端温度最低也只能降到0℃以上，而且由于H2O的三相点压力过低(只有不到1kPa)，且循环形式为开式循环，若要将冷却至接近三相点的压强则需要利用真空泵进行抽气做功，增加了额外能耗，对循环效率的提升较为有限。相比之下，CO2循环形式为闭式循环，不需要使用真空泵抽真空，CO2的三相点为-56.6℃、0.52MPa，其冷源温度可以降到更低，而且三相点压力在大气压之上，避免了冷凝器处外部不凝性空气向循环内部的渗漏。这样在结合利用优质低温冷源之后，从热力学角度上来说，能够大幅提高循环效率。

此外，CO2循环介质的腐蚀性相比H2O蒸汽温和很多，可大大减轻对高温部件设备材料的耐蚀要求。

最后，CO2循环介质的比容相比H2O小很多，可大大减少做功设备的尺寸，节约厂房面积。

下面，将对本实施方式提供的朗肯循环的装置进行更详细地说明。

1.加热器1

在本实施方式中，加热器1可以为任意能够对循环介质进行加热的装置，具体地，该加热器1可以为利用外部热源6对循环介质进行加热的换热器，该换热器的一端通入外部热源6，另一端则通入循环介质，从而循环介质通过热交换吸收外部热源6的热量升温并转换相态，以便于后续做功，较优地，该外部热源6可以为太阳能、核能和化石燃料等，进一步地，该外部热源6为燃气机组，从而能够对于燃气机组内燃烧后的高温烟气的余热进行再次利用，节约资源。

2.做功装置2

在本实施方式中，做功装置2可以为能够利用循环介质的膨胀做功将热能转换为机械能的装置，例如，利用气体膨胀推动传动杆往复运动的气缸结构，或者利用气体膨胀旋转做功的旋转透平结构，本实施方式以做功装置2为旋转透平为例进行进一步地说明。

优选地，旋转透平包括第一透平21、第二透平22和第三透平23，第一透平21利用超临界状态循环介质的焓值变化对外做功，第二透平22接收来自第一透平21的超临界状态的循环介质，并利用循环介质从超临界状态到气态的相态转变对外膨胀做功，第三透平23接收来自第二透平22的气态循环介质，并利用气态循环介质的焓值变化对外作功。

在本实施方式中，通过将做功装置2设置为多级透平，从而将加热器1中传输给循环介质的热能通过多级透平充分转换为机械能，提高整体循环系统的作业效率，但本领域技术人员能够理解的是，设置单个或其它数量的透平均可实现循环介质在做功装置2内进行做功的效果，均未超出本发明的保护范围，其中，当多级透平为三级透平时，第一透平21内的循环介质保持在超临界状态，此时循环介质的密度较高，第一透平21的结构可以更加紧凑，循环介质在第二透平22内进一步地进行绝热膨胀后，从超临界状态变为气态后进入第三透平23，在第三透平23中对于循环介质的余热进行进一步地利用，从而增加循环系统整体的作业效率。

3.回热器5

在本实施方式中，回热器5可以为具有冷热两条流路并且对两条流路内介质进行换热的装置，具体地，回热器5的热侧入口可以与做功装置2的介质出口连通，回热器5的热侧出口与冷却器3的热侧入口连通，回热器5的冷侧入口与增压装置4的介质出口连通，回热器5的冷侧出口与所述加热器1连通。

在本实施方式中，做功装置2出口的气态循环介质进入回热器5与冷却压缩后的液态循环介质在回热器5中进行换热，从而气态循环介质在回热器5中被提前冷却后再通入冷却器3进行冷却，而经增压装置4加压后的液态循环介质在进入加热器1之前在回热器5中被提前加热，从而能够对于做功装置2后的循环介质的余热进行利用，降低加热器1与冷却器3所需要提供的能量，从而提高朗肯循环系统的作业效率。

进一步地，如图2所示，回热器5包括高温回热器51和低温回热器52，高温回热器51的热侧入口与做功装置2的介质出口连通，高温回热器51的热侧出口与低温回热器52的热侧入口连通，高温回热器51的冷侧出口与加热器1冷侧入口连通，高温回热器51的冷侧入口与低温回热器的冷侧出口连通，低温回热器52的冷侧入口与所述增压装置4的介质出口连通，朗肯循环系统还包括第一三通阀91、第二三通阀92和压缩机8，第一三通阀91分别与压缩机8出口、低温回热器52的冷侧出口、高温回热器51的冷侧入口连通，第二三通阀92分别与压缩机8入口、低温回热器52的热侧出口、冷却器3的热侧入口连通。

作为一个运行例，如图2所示的朗肯循环系统，循环介质首先进入加热器1的冷侧入口，燃气机组高温排气进入加热器1热侧入口，两流股在换热器中实现热交换，降温后的烟气通过换热器热侧出口排出，升温后的循环介质从换热器冷侧出口流出，继续进入做功装置2中膨胀做功。做功装置2有三个透平，第一透平21出口和第二透平22出口的循环介质重新进入加热器1升温后分别进入第二透平22、第三透平23再次膨胀做功。第三透平23出口的循环介质进入高温回热器51热侧，与高温回热器51冷侧的循环介质换热降温，经过一次降温的循环介质再进入低温回热器52热侧，与低温回热器52冷侧流股换热降温，随后两次降温后的循环介质经过第二三通阀92分为两股：主流股循环介质经冷却器3冷却至液态，进入增压装置4增压后，再进入低温回热器52中回热升温；副流股循环介质直接进入压缩机8增压。接着，两股循环介质通过第一三通阀91汇合成为一条流股，再进入高温回热器51冷侧回热升温，然后进入加热器1中吸热，持续循环过程。

在本实施方式中，进一步地将回热器5设置为高温回热器51和低温回热器52，从而可以对做功装置2流出的工作介质的余热进一步地利用，并且，通过将低温回热器52流出的循环介质进行分流，一部分不经过冷却器3而直接通过压缩机8进行压缩后再与冷却压缩后的液态的循环介质汇总并流向加热装置，从而可以降低朗肯循环系统的冷源损失，进一步提高朗肯循环系统的作业效率。

4.冷却器3

在本实施方式中，冷却器3可以为任意能够对循环介质进行冷却降温的装置，具体地，该冷却器3可以为利用外部冷源7对循环介质进行冷却的换热器，该换热器的一端通入外部冷源，另一端则通入循环介质，从而气态的循环介质通过热交换，自身的热量被外部冷源吸收，循环介质降温至其三相点附近，以便于后续吸热，并且，提高了朗肯循环冷端和热端的温度差，从而提高循环效率。

其中，外部冷源的温度为-162℃-0℃；使用较低温度的冷源可以迅速、充分地使气态的循环介质降温至三相点附近，且冷源温度低有利于提升朗肯循环系统的作业效率；较优地，外部冷源7可以为液化天然气。液化天然气的冷源温度为-162℃左右，有利于提升朗肯循环系统的作业效率，此外，液化天然气在冷却器3中与循环介质进行热交换后可进一步通入燃气机组中作为燃料，产生的高温烟气又可作为外部热源6进行使用，从而实现了对于液化天然气这一优质外部冷源材料的循环利用。

5.增压装置4

在本实施方式中，增压装置4可以为液体增压泵，具体地，增压装置4对冷却器3流出的、温度在循环介质的三相点附近的饱和液态循环介质进行增压。由于循环介质的压力靠近其三相点，从而尽可能地发挥了一次朗肯循环系统中循环介质在做功装置2中膨胀做功所能转换的能量。

其中，较优地，如图3所示，该朗肯循环系统还包括有机介质朗肯循环回路，有机介质朗肯循环回路包括有机介质加热器1a和有机介质冷却器3a，外部热源6流经加热器1后，进入有机介质加热器1a，外部冷源7与冷却器3以及有机介质冷却器3a连通。

进一步地，该有机介质朗肯循环系统也可以包括上述朗肯循环系统中的其它装置，如图3所示，该有机介质朗肯循环还包括有机介质做功装置2a、有机介质增压装置4a和有机介质回热器5a，循环介质在有机介质朗肯循环系统中的流动方式与本发明提供的朗肯循环系统的流动方式一致，在此不做赘述。

在本实施方式中，采用朗肯循环与有机朗肯循环联合的循环形式可以实现更高的循环效率，对于相同的热源，使用本发明的联合循环系统能够实现更多的发电量、提高能量利用率。

另外，在本实施方式中还提供一种应用于上述朗肯循环系统的朗肯循环方法，包括如下步骤：

加热步骤，提供外部热源6和循环介质，利用所述外部热源6对所述循环介质进行加热，使其升温至超临界状态；做功步骤，超临界状态的循环介质对外做功，变为接近循环介质三相点压力的气态；冷却步骤，提供外部冷源7，利用所述外部冷源7对气态的循环介质进行冷却降温，得到低于0℃的接近三相点温度的饱和液态循环介质；压缩步骤，对液态的循环介质进行增压。

本领域技术人员能够理解的是，可以对各个实施方式中的具体技术特征进行适应性地拆分或合并。对具体技术特征的这种拆分或合并并不会导致技术方案偏离本发明的原理，因此，拆分或合并之后的技术方案都将落入本发明的保护范围内。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

至此，已经结合附图所示的多个实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。