專利名稱：從多個(gè)熱源獲取熱量的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用逆流換熱來完成熱能循環(huán)。更具體地說，本發(fā)明涉及利用多成分工 作流體從多個(gè)外部熱源流獲取熱量的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
熱能可有用地轉(zhuǎn)換成機(jī)械能形式，然后轉(zhuǎn)換成電能形式。將低溫和高溫?zé)嵩粗械臒?能轉(zhuǎn)換為電能的方法是能源生產(chǎn)中的一個(gè)重要領(lǐng)域。現(xiàn)在需要提高將低溫?zé)嵩粗械臒崃?轉(zhuǎn)換為電能的轉(zhuǎn)換效率?？墒褂靡环N工作流體將來自一熱源的熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能形式，然后轉(zhuǎn)換成電能形 式，在熱能循環(huán)過程中，該工作流體在以閉合系統(tǒng)中膨脹和再生。該工作流體可包括具 有不同沸點(diǎn)的成分，且在系統(tǒng)中的不同地方可修改該工作流體的組分，以提高能量轉(zhuǎn)換 操作的效率。通常，多成分工作流體包括低沸點(diǎn)成分和較高沸點(diǎn)成分。通過利用低沸點(diǎn)成分和較 高沸點(diǎn)成分的組合，可更有效地利用諸如工業(yè)廢熱之類的外部熱源流來進(jìn)行發(fā)電。在有 兩個(gè)或更多個(gè)熱源可用于發(fā)電的應(yīng)用場合，可進(jìn)一步利用多成分工作流體來提高熱量獲 取和發(fā)電的功效。該兩個(gè)或更多熱源可同來加熱低沸點(diǎn)成分，從而將低沸點(diǎn)成分從液態(tài) 轉(zhuǎn)化為氣態(tài)。通過將低沸點(diǎn)成分加熱成氣態(tài)，來自外部熱源流的熱量被轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，而 動(dòng)能可較容易地轉(zhuǎn)化為可用的能量，比如電能。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明涉及利用多成分工作流體進(jìn)行閉環(huán)熱能循環(huán)，從而通過逆流換熱有效地 從兩個(gè)或更多的外部熱源流獲取熱量的系統(tǒng)和方法。典型的多成分工作流體包括低 沸點(diǎn)成分和較高沸點(diǎn)成分。在使用兩個(gè)或更多個(gè)外部熱源流來加熱多成分工作流體 的地方，可進(jìn)一步優(yōu)化獲得熱量的工藝過程，以提高電能生產(chǎn)。在一個(gè)實(shí)施例中， 獲取熱量的工藝過程是用來將低沸點(diǎn)成分和高沸點(diǎn)成分都轉(zhuǎn)換為氣態(tài)的。在外部熱源流的溫度足以將低沸點(diǎn)成分和較高沸點(diǎn)成分都轉(zhuǎn)換為氣態(tài)的地方， 來自外部熱源流的熱能可以最理想地同時(shí)在高能狀態(tài)和低能狀態(tài)下轉(zhuǎn)換。例如，當(dāng) 外部熱源流處于較低溫度時(shí)，可將低沸點(diǎn)成分轉(zhuǎn)換為氣態(tài)。在外部熱源流為處于較 高溫度的地方，可將較高沸點(diǎn)成分轉(zhuǎn)換為氣態(tài)。在外部熱源流的溫度超出將較高沸 點(diǎn)成分轉(zhuǎn)換為氣態(tài)所需的溫度時(shí)，可利用該外部熱源流來使蒸氣工作流過熱。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，液態(tài)多成分工作流由第一外部熱源流在第一換熱器 處加熱，并隨后由第二外部熱源流在與第一換熱器串聯(lián)的第二換熱器處加熱。在另 一個(gè)實(shí)施例中，液態(tài)多成分工作流由第一外部熱源流在第一換熱器處加熱，并隨后 分成第一支流和第二支流。第一支流由第一外部熱源流在第二換熱器處加熱。第一 支流由第二外部熱源流在第三換熱器處加熱。隨后，第一支流和第二支流重新匯合 成重新匯合的工作流。重新匯合的工作流由第二外部熱源流在第四換熱器處加熱， 從而形成加熱氣化的工作流。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，在被第四換熱器加熱后， 加熱氣化的工作流的膨脹，將加熱氣態(tài)工作流的能量轉(zhuǎn)換為可用的形式。工作流的 膨脹將它變成乏氣流，該乏氣流被送到蒸餾/冷凝子系統(tǒng)，從而將乏氣流轉(zhuǎn)換為冷凝 流。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，第一外部熱源流的溫度與第二外部熱源流的溫度不 同。在一個(gè)實(shí)施例中，第一外部熱源流和第二外部熱源流具有重疊的相同溫度區(qū)。 在一個(gè)實(shí)施例中，在被泵送到較高壓力之后，液態(tài)工作流包括過冷液體。在該實(shí)施 例中，工作流體在第一換熱器中被加熱到始沸點(diǎn)或該點(diǎn)附近。在被分開之后，第一 支流和第二支流被加熱到露點(diǎn)附近。在第一和第二支流重新匯合后，重新匯合的工 作流體被過熱為加熱氣態(tài)工作流。在另一個(gè)實(shí)施例中，利用兩個(gè)以上的熱源來加熱工作流體。例如，在一個(gè)實(shí)施 例中，利用三個(gè)外部熱源流來加熱工作流體。在一個(gè)實(shí)施例中，利用兩個(gè)或更多熱量 回收蒸氣發(fā)生器(HRVG)來轉(zhuǎn)換來自加熱氣態(tài)工作流，該熱量回收蒸氣發(fā)生器具有分開的 膨脹渦輪、或一個(gè)具有第一和第二級(jí)的膨脹渦輪。在另一個(gè)實(shí)施例中，外部熱源流中一 個(gè)是低溫?zé)嵩?，另一個(gè)外部熱源流是較高溫度熱源。在一個(gè)實(shí)施例中，低溫?zé)嵩春透邷?br> 熱源具有重疊的相同溫度區(qū)。在另一個(gè)實(shí)施例中，低溫?zé)嵩春透邷責(zé)嵩礇]有重疊的相同 溫度區(qū)。從以下說明和所附權(quán)利要求中，或者通過下述本發(fā)明的實(shí)踐，可以使本發(fā)明的這些 和其它的目的和特征變得更清楚。


為了進(jìn)一步說明本發(fā)明的上述和其它的優(yōu)點(diǎn)和特征，將結(jié)合附圖所示的具體實(shí)施例 對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更加具體的描述。應(yīng)該知道，這些附圖只是說明本發(fā)明的典型實(shí)施例，因 而不應(yīng)被認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明范圍的限制。將使用附圖來具體和詳細(xì)地描述和解釋本發(fā)明。圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的、從第一外部熱源流和第二外部熱源流獲取 熱量的熱能系統(tǒng)；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的、從第一外部熱源流和第二外部熱源流獲取 熱量的熱能系統(tǒng)，這兩個(gè)熱源流具有重疊的溫度區(qū)；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的、從第一外部熱源流和第二外部熱源流獲取 熱量的熱能系統(tǒng)，這兩個(gè)熱源流串聯(lián)；圖4示出了從第一外部熱源流和第二外部熱源流獲取熱量的熱能系統(tǒng)，這兩個(gè)熱源 流具有重疊的溫度區(qū)，其中第一外部熱源流包括較高的溫度源；圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的、從第一外部熱源流和第二外部熱源流獲取 熱量的熱能系統(tǒng)，第一外部熱源流使用工作流體壓力較高的第一熱量回收蒸氣發(fā)生器， 第二外部熱源流使用工作流體壓力較低的第二熱量回收蒸氣發(fā)生器；圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的、從兩個(gè)以上外部熱源流獲取熱量的熱能系統(tǒng)。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明涉及利用多成分工作流體進(jìn)行閉環(huán)熱能循環(huán)，從而通過逆流換熱有效地 從兩個(gè)或更多的外部熱源流獲取熱量的系統(tǒng)和方法。典型的多成分工作流體包括低 沸點(diǎn)成分和較高沸點(diǎn)成分。在使用兩個(gè)或更多外部熱源流來加熱多成分工作流體的 地方，可優(yōu)化傳熱，將低沸點(diǎn)成分和較高沸點(diǎn)成分都轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，從而使能源轉(zhuǎn)化效率更高。在外部熱源流的溫度足以將低沸點(diǎn)成分和較高沸點(diǎn)成分都轉(zhuǎn)換為氣態(tài)的地方， 來自外部熱源流的熱能可以最理想地同時(shí)在高能狀態(tài)和低能狀態(tài)下轉(zhuǎn)換。例如，當(dāng)
外部熱源流處于較低溫度時(shí)，可將低沸點(diǎn)成分轉(zhuǎn)換為氣態(tài)。在外部熱源流為處于較 高溫度的地方，可將較高沸點(diǎn)成分轉(zhuǎn)換為氣態(tài)。在外部熱源流的溫度超出將較高沸 點(diǎn)成分轉(zhuǎn)換為氣態(tài)所需的溫度時(shí)，可利用該外部熱源流來使蒸氣工作流過熱。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，液態(tài)多成分工作流由第一外部熱源流在第一換熱器 處加熱，并隨后由第二外部熱源流在與第一換熱器串聯(lián)的第二換熱器處加熱。在另 一個(gè)實(shí)施例中，液態(tài)多成分工作流由第一外部熱源流在第一換熱器處加熱，并隨后 分成第一支流和第二支流。第一支流由第一外部熱源流在第二換熱器處加熱。第一 支流由第二外部熱源流在第三換熱器處加熱。隨后，第一支流和第二支流重新匯合 成重新匯合的工作流。重新匯合的工作流由第二外部熱源流在第四換熱器處加熱， 從而形成加熱氣化的工作流。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，在被第四換熱器加熱后， 加熱氣化的工作流的膨脹將它變成乏氣流，該乏氣流被送到蒸餾/冷凝子系統(tǒng)，從而 將乏氣流轉(zhuǎn)換為冷凝流。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，在與第二部分工作流體匯合后， 一部分加熱氣態(tài)工 作流膨脹，將該部分加熱氣態(tài)工作流的能量轉(zhuǎn)換為可用的形式。該加熱氣態(tài)工作流 的膨脹將其轉(zhuǎn)換為乏氣流，該乏氣流被送到蒸餾/冷凝子系統(tǒng)，從而將乏氣流轉(zhuǎn)換為 冷凝流。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，第一外部熱源流的溫度與第二外部熱源流的溫度不 同。在一個(gè)實(shí)施例中，第一外部熱源流和第二外部熱源流具有重疊的相同溫度區(qū)。 在一個(gè)實(shí)施例中，在被泵送到較高壓力之后，液態(tài)工作流包括過冷液體。在該實(shí)施 例中，工作流體在第一換熱器中被加熱到始沸點(diǎn)或該點(diǎn)附近。在被分開之后，第一 支流和第二支流被加熱到露點(diǎn)附近。在第一和第二支流重新匯合后，重新匯合的工 作流體被過熱為加熱氣態(tài)工作流。在另一個(gè)實(shí)施例中，利用兩個(gè)以上的熱源來加熱工作流體。例如，在一個(gè)實(shí)施 例中，利用三個(gè)外部熱源流來加熱工作流體。在一個(gè)實(shí)施例中，利用兩個(gè)或更多熱量 回收蒸氣發(fā)生器(HRVG)來轉(zhuǎn)換來自加熱氣態(tài)工作流，該熱量回收蒸氣發(fā)生器具有分開的 膨脹渦輪、或一個(gè)具有第一和第二級(jí)的膨脹渦輪。在另一個(gè)實(shí)施例中，外部熱源流中一 個(gè)是低溫?zé)嵩矗硪粋€(gè)外部熱源流是較高溫度熱源。在一個(gè)實(shí)施例中，低溫?zé)嵩春透邷?熱源具有重疊的相同溫度區(qū)。在另一個(gè)實(shí)施例中，低溫?zé)嵩春透邷責(zé)嵩礇]有重疊的相同 溫度區(qū)。圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的、從第一外部熱源流和第二外部熱源流獲取
熱量的熱能系統(tǒng)。在所示的實(shí)施例中，乏氣流38在蒸餾/冷凝子系統(tǒng)10中冷凝，形成冷 凝流14。冷凝流14由泵P加壓，形成液態(tài)工作流21。液態(tài)工作流21包括低沸點(diǎn)成分和 較高沸點(diǎn)成分，并設(shè)置成由兩個(gè)或更多的外部熱源流來加熱，以生成加熱氣態(tài)工作流。 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，液態(tài)工作流21仍處于過冷狀態(tài)。可以采用許多不同類型和構(gòu)成的多成分工作流而不會(huì)背離本發(fā)明的范圍和精神實(shí) 質(zhì)。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，該工作流包括氨水混合物。在另一個(gè)實(shí)施例中，可從一組 包括兩種或更多種烴類、兩種或更多種氟里昂、烴類和氟里昂的混合物或其它具有低沸 點(diǎn)成分和較高沸點(diǎn)成分的多成分工作流中選擇。在再一個(gè)實(shí)施例中，多成分工作流為任 意數(shù)量具有良好熱能特性和可溶性的成分的混合物。如同本領(lǐng)域技術(shù)人員所知的那樣， 在本領(lǐng)域中已知有各種類型和構(gòu)造的蒸餾/冷凝子系統(tǒng)可以使用而不會(huì)背離本發(fā)明的范 圍和精神實(shí)質(zhì)。在路徑45-46中的第一外部熱源流43-46在換熱器HE-1中加熱液態(tài)工作流22-42。 對(duì)液態(tài)工作流22-42的加熱使液態(tài)工作流22-42的溫度與路徑45-46中第一外部熱源流的 溫度相稱地增加。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，在點(diǎn)42處工作流的溫度大約為低沸點(diǎn)成分 的始沸點(diǎn)。當(dāng)點(diǎn)42處的工作流溫度低于始沸點(diǎn)時(shí)，該工作流由低沸點(diǎn)成分和高始沸點(diǎn)成 分都處于液態(tài)的液態(tài)工作流所組成。如同本領(lǐng)域技術(shù)人員所知的那樣，可以使用各種不同類型和構(gòu)造的外部熱源流而不 會(huì)背離本發(fā)明的范圍和精神實(shí)質(zhì)。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，至少一個(gè)外部熱源流包括液 體流。在另一個(gè)實(shí)施例中，至少一個(gè)外部熱源流包括氣體流。在再一個(gè)實(shí)施例中，至少 一個(gè)外部熱源流包括液體和氣體混合流。在一個(gè)實(shí)施例中，路徑45-46中的外部熱源流 包括低溫廢熱水。在另一個(gè)實(shí)施例中，換熱器HE-1包括一節(jié)能預(yù)熱器。在點(diǎn)42處的工作流被分成第一支流61和第二支流60。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中， 工作流體以與來自各個(gè)熱源的熱量成比例的比率在支流61和支流60之間分配。在另一 個(gè)實(shí)施例中，第一支流61和第二支流60處于始沸點(diǎn)，且除了流速以外具有基本相同的 參數(shù)。第一外部熱源流從點(diǎn)43流到點(diǎn)44來加熱換熱器HE-2中的第一支流61-65。由于 在換熱器HE-2中發(fā)生的換熱，路徑43-44中第一外部熱源流的溫度高于路徑45-46中第 一外部熱源流的溫度。路徑43-44中第一外部熱源流較高的溫度將第一支流61-65加熱 到比工作流體22-42要高的溫度，工作流體22-42由路徑45-46中第一外部熱源流加熱。 在一個(gè)實(shí)施例中，將第一支流加熱到低沸點(diǎn)成分的沸點(diǎn)以上，而在較高沸點(diǎn)成分的沸點(diǎn) 以下。在該實(shí)施例中，第一支流正在進(jìn)行部分的氣化，并包括蒸氣部分和液體部分。 第二外部熱源流25-26從點(diǎn)53流到點(diǎn)54，在換熱器HE-3中加熱第二支流60-64。 在所示實(shí)施例中，在路徑53-54中的第二外部熱源流與路徑43-44中的第一外部熱源流 具有相同的溫度區(qū)。因此，路徑53-54中的第二外部熱源流的溫度和路徑43-44中的第 一外部熱源流的溫度大致相同。類似地，由于路徑53-54中的第二外部熱源流的溫度和 路徑"-44中的第一外部熱源流相類似的溫度，發(fā)生在換熱器HE-2和HE-3中的換熱也 類似。因此，第二支流60-64的溫度接近第一支流61-65的溫度。第二支流60-64被加熱 到大于工作流體22-42的溫度。在一個(gè)實(shí)施例中，將第二支流加熱到低沸點(diǎn)成分的沸點(diǎn) 以上，但在較高沸點(diǎn)成分的沸點(diǎn)以下。在該實(shí)施例中，第二支流經(jīng)歷了部分氣化，并包 括蒸氣部分和液體部分。第一支流65和第二支流64重新匯合成重新匯合工作流體63。當(dāng)將第一支流65和 第二支流64加熱到低沸點(diǎn)成分的沸點(diǎn)以上，但在較高沸點(diǎn)成分的沸點(diǎn)以下時(shí)，重新匯合 的工作流體部分氣化，并包括蒸氣部分和液體部分。第二外部熱源流在路徑25-52中流 動(dòng)，以在換熱器HE-4中加熱重新匯合的工作流體。由于發(fā)生在HE-4中的換熱，路徑25-52中第二外部熱源流的溫度要高于路徑53-54 中第二外部熱源流的溫度。路徑25-52中第二外部熱源流較高的溫度將重新匯合的工作 流62-30加熱到比重新匯合的工作流63要高的溫度。在一個(gè)實(shí)施例中，將重新匯合的工 作流62-30加熱到低沸點(diǎn)成分的沸點(diǎn)和高沸點(diǎn)成分的沸點(diǎn)以上，以形成加熱氣態(tài)工作流 31。在該實(shí)施例中，加熱氣態(tài)工作流31經(jīng)歷完全氣化，且只包括蒸氣部分。在另一個(gè)實(shí) 施例中，加熱氣態(tài)工作流31不經(jīng)歷完全氣化，并包括蒸氣部分和液體部分。利用第一和第二支流來使第一和第二外部熱源流的相同溫度區(qū)重疊，可有效地傳遞 在工作流體的沸騰區(qū)所需的增加的熱量，這就增加了熱能系統(tǒng)的產(chǎn)能能力，從而與兩個(gè) 熱源在分開的產(chǎn)能系統(tǒng)中分別使用的情況相比可以產(chǎn)生更多的能量。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí) 施例中，換熱器HE-1、換熱器HE-2、換熱器HE-3和換熱器HE-4包括熱量回收蒸氣發(fā) 生器(HRVG)。 HRVG的功能是在高壓下將工作流體從過冷液體加熱到過熱蒸氣，從而從 廢熱源(通常為熱的氣體或液體)獲取熱量。過熱蒸氣進(jìn)入產(chǎn)能渦輪中以將蒸氣轉(zhuǎn)換為有 用的能量。對(duì)于所討論的工作流體類型，所能獲得的焓的范圍包括始沸點(diǎn)以下和露點(diǎn)以上的過 冷液體到過熱蒸氣。工作流體具有隨溫度變化較小的熱容。換句話說，在任何溫度區(qū)內(nèi)， 工作流體由等量的熱量輸入中得到的溫升基本等量，雖然氣態(tài)時(shí)的溫升略大于液體時(shí)。 在始沸點(diǎn)和露點(diǎn)之間為沸騰區(qū)，對(duì)于多成分工作流體來說這跨占了一個(gè)溫度范圍。在該 區(qū)域中，對(duì)于工作流體的單位溫升來說可利用多得多的能量，且其總量可以不同。如同 本領(lǐng)域技術(shù)人員所知的那樣，所使用的工作流體的類型、其加熱程度以及氣化量可以不 同，但并不背離本發(fā)明的范圍和精神實(shí)質(zhì)。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，工作流體的參數(shù)取 決于所使用的外部熱源流的類型和溫度。在另一個(gè)實(shí)施例中，工作流體的參數(shù)取決于 HRVG部件的構(gòu)造和排列。在一個(gè)實(shí)施例中，工作流體為點(diǎn)21處的高壓過冷液體。該流體繼續(xù)流到點(diǎn)22處， 在該處的壓力由于在管系和控制閥處的損失會(huì)略低一些。在該實(shí)施例中，第一外部熱源 流43-46包括低溫?zé)嵩?，第二外部熱源流包括較高溫度外部熱源流。在點(diǎn)22處，液態(tài)工 作流進(jìn)入換熱器HE-1，在該處它被低溫?zé)嵩?5-46的低溫部分加熱，在點(diǎn)42處仍略微 過冷。(只要工作流體42的氣化段足夠小，從而使工作流體可以平穩(wěn)地流過60/61的分叉 點(diǎn)，那么也可能用機(jī)械冷凝使工作流體42略高于始沸點(diǎn)。在另一個(gè)實(shí)施例中，可以使沸 騰只在兩個(gè)熱源流都存在時(shí)開始。)在所示的實(shí)施例中，工作流體42以與來自第一和第二外部熱源流的熱量基本成比 例的比率分成支流60和61。支流60和61處于始沸點(diǎn)，并具有除流速以外的基本相同 的參數(shù)。支流61-65和60-64繼續(xù)流過換熱器HE-2和HE-3，分別從高溫和低溫外部熱 源流吸收熱量，達(dá)到更熱的、較佳地與在點(diǎn)64和65處到流體在點(diǎn)63處重新匯合處相類 似的參數(shù)。點(diǎn)63處的溫度可以在露點(diǎn)以上或以下。對(duì)工作流體的過熱由HE-4通過來自 較高溫度熱源流的加熱來完成，達(dá)到點(diǎn)30處的參數(shù)。一旦加熱氣態(tài)工作流30離開換熱器HE-4，它移動(dòng)到渦輪T處。渦輪T使加熱氣態(tài) 工作流膨脹，從而將加熱氣態(tài)工作流的能量轉(zhuǎn)化為可用的形式。當(dāng)加熱氣態(tài)工作流膨脹 時(shí)，它移到較低的壓力等級(jí)上，為渦輪T提供有用的機(jī)械能以產(chǎn)生電能或其它有用的能 量，并產(chǎn)生乏氣流。隨著循環(huán)的完成，乏氣流移動(dòng)到蒸餾/冷凝子系統(tǒng)，在那里膨脹了的 乏氣流被冷凝為冷凝流，并準(zhǔn)備好由泵P泵送到較高的壓力。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的、從第一外部熱源流43-45和第二外部熱源 流25-26獲取熱量的熱能系統(tǒng)，這兩個(gè)熱源流具有重疊的溫度區(qū)。在所示的實(shí)施例中， 液態(tài)工作流22被分開，形成第一支流61和第二支流62，而不是在換熱器HE-1(見圖1) 中加熱。因此，用換熱器HE-2和換熱器HE-3將液態(tài)工作流22從過冷液體加熱到沸點(diǎn) 以上。第一支流61-65在換熱器HE-2中被加熱。第二支流60-64在換熱器HE-3中被加 熱。第一支流61-65和第二支流60-64在點(diǎn)63處重新匯合成重新匯合的工作流。重新匯 合的工作流在換熱器HE-4中被過熱。 如同本領(lǐng)域技術(shù)人員所知的那樣，可以使用不同結(jié)構(gòu)的閉環(huán)熱能系統(tǒng)而不會(huì)背離本 發(fā)明的范圍和精神實(shí)質(zhì)。使用額外的換熱器可以優(yōu)化系統(tǒng)中的傳熱，從而可使從外部熱 源流獲取的換熱量最大。然而，在提供并不需要的優(yōu)化時(shí)，額外的元件會(huì)增加額外的成 本和系統(tǒng)的復(fù)雜程度。
在外部熱源流的溫度足夠產(chǎn)生工作流體的所需溫度時(shí)，就會(huì)不需要這種優(yōu)化?；蛘撸?當(dāng)工作流體的所需溫度足夠低，從而不需要那種優(yōu)化時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)不需要額外的換熱器。 例如，在一些預(yù)期的熱源中，由于對(duì)廢氣酸露點(diǎn)腐蝕的要求，較高溫度熱源(第二外部熱
源流25-26)的溫度必須比周圍的溫度要高得多。在這樣的系統(tǒng)中，就會(huì)需要通過使用換 熱器HE-1來提供優(yōu)化。在沒有此類限制的地方(如所示實(shí)施例中)，就不需要由于將換熱 器HE-1包括進(jìn)來而產(chǎn)生的額外費(fèi)用。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的、從第一外部熱源流和第二外部熱源流獲取 熱量的熱能系統(tǒng)，這兩個(gè)熱源流沒有重疊的溫度區(qū)。在所示的實(shí)施例中，液態(tài)工作流從 點(diǎn)22移到換熱器HE-1。液態(tài)工作流60-63在換熱器HE-1中由第一外部熱源流43-45加 熱。工作流從點(diǎn)63移動(dòng)到換熱器HE-3。工作流62-30在換熱器HE-3處由第二外部熱源 流25-26加熱。
在所示實(shí)施例中，多成分工作流被加熱，而沒有將多成分工作流分成第一和第二支 流。第一外部熱源流43-45和第二外部熱源流25-26并不共有重疊的相同溫度區(qū)。第一 外部熱源流43-45包括低溫?zé)嵩?，而第二外部熱源?5-26包括較高溫度熱源。所示的 系統(tǒng)可用于點(diǎn)26處的溫度必須為并不比點(diǎn)43的值高許多的地方。在并不需要換熱器 HE-2所要求的優(yōu)化的地方，或使用換熱器HE-2并不經(jīng)濟(jì)的地方，可以使用圖3所示的 兩個(gè)串聯(lián)的換熱器。在第一和第二熱源流相差不大的地方，就會(huì)需要使用兩個(gè)串聯(lián)的換 熱器。
如同本領(lǐng)域技術(shù)人員所知的那樣，可以使用各種類型和構(gòu)造的多個(gè)串聯(lián)換熱器而不 會(huì)背離本發(fā)明的范圍和精神實(shí)質(zhì)。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，可以使用第三個(gè)串聯(lián)的換熱 器。在另一個(gè)實(shí)施例中，可以使用三個(gè)以上的換熱器而不會(huì)背離本發(fā)明的范圍和精神實(shí) 質(zhì)。
如同本領(lǐng)域技術(shù)人員所知的那樣，各種類型和構(gòu)造的換熱器可以用于本發(fā)明的熱能 系統(tǒng)而不會(huì)背離本發(fā)明的范圍和精神實(shí)質(zhì)。例如，在一個(gè)實(shí)施例中， 一個(gè)或多個(gè)多換熱 器包括一鍋爐。在另一個(gè)實(shí)施例中， 一個(gè)或多個(gè)多換熱器包括一蒸發(fā)器。在另一個(gè)實(shí)施 例中， 一個(gè)或多個(gè)多換熱器包括一節(jié)能預(yù)熱器。在另一個(gè)實(shí)施例中，使用另一種類型的
可使熱量從外部熱源流傳到工作流體流的換熱器。在再一個(gè)實(shí)施例中，所使用的換熱器 的類型取決于其在系統(tǒng)中的位置和/或功能。換熱器是將熱量傳到工作流的裝置的一個(gè)例 子。
圖4示出了從第一外部熱源流和第二外部熱源流獲取熱量的熱能系統(tǒng)，這兩個(gè)熱源 流具有重疊的溫度區(qū)，其中第一外部熱源流為較高的溫度源。在該實(shí)施例中，工作流22-40 由路徑45-46中的第一外部熱源流43-46在換熱器HE-1中加熱。工作流40被分成第一 支流61和第二支流60。第一支流61-65由路徑42-44中的第一外部熱源流43-46在換熱 器HE-2中加熱。第二支流60-64由第二外部熱源流25-26在換熱器HE-3中加熱。
在換熱器HE-2和換熱器HE-3中被加熱以后，第一和第二支流重新匯合成重新匯合 的工作流63。重新匯合的工作流63-30在換熱器HE-5中被加熱，從而從路徑63-30中的 第一外部熱源流43-46傳遞熱量。當(dāng)?shù)谝煌獠繜嵩戳?3-46的溫度比點(diǎn)25處的第二外部 熱源流25-26高時(shí)，對(duì)工作流63-30的過熱由第一外部熱源流43-46在路徑43-41中的換 熱器HE-5處完成。在該實(shí)施例中，第二外部熱源流25-26主要是用來添加沸騰器中的熱 量的。
在該實(shí)施例中，即使是在第一外部熱源流為高溫?zé)嵩吹那闆r下，也可利用外部熱源 流重疊的相同溫度區(qū)來優(yōu)化來自第一和第二外部熱源流的熱量。除了提供沸騰器的熱量 以外，第一外部熱源流還用來預(yù)熱液態(tài)工作流和過熱重新匯合的工作流。如同本領(lǐng)域技 術(shù)人員所知的那樣，可以采用以兩股工作流來加熱一個(gè)HRVG中的多成分工作流的不同 類型和構(gòu)造的方法和設(shè)備而不會(huì)背離本發(fā)明的范圍和精神實(shí)質(zhì)。
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的、用第一熱量回收蒸氣發(fā)生器從第一外部熱 源流和用第二熱量回收蒸氣發(fā)生器從第二外部熱源流獲取熱量的熱能系統(tǒng)。在所示實(shí)施 例中，冷凝流14在泵P1處被泵送到較高的壓力，從而形成液態(tài)工作流21。在點(diǎn)29處， 液態(tài)工作流被分成第一支流66和第二支流32。第一支流66-65由第一外部熱源流43-45 在換熱器HE-1中加熱。 一旦第一支流在換熱器HE-1中被加熱后，它被轉(zhuǎn)換成加熱氣態(tài) 工作流65，該工作流被送到中壓渦輪IPT，而不與第二支流重新匯合。第二支流32在泵 P2處被泵送到更高的壓力水平。在被泵送到較更的壓力水平后，工作流22-30由第二熱 源25-26在換熱器HE-3中加熱，并成為加熱氣態(tài)工作流30。加熱氣態(tài)工作流30被送到 高壓渦輪HPT處，在高壓狀態(tài)下膨脹，并與流體流67匯合形成流體流44。在所示實(shí)施 例中，第一外部熱源流43-45包括低溫?zé)嵩?，第二外部熱源?5-26包括較高溫度熱源。 此外，每一股支流在分別的HRVG中被加熱，而不是在一個(gè)HRVG系統(tǒng)中重新匯合。
在該實(shí)施例中，在渦輪HPT進(jìn)口處所需的壓力下，點(diǎn)65處的工作流體參數(shù)含有太 多未氣化液體要輸送。因此，工作流體66-67和相關(guān)的換熱器HE-1被加壓到較低的壓力， 而工作流體22-30和相關(guān)的換熱器HE-3由泵P2加壓到較高的壓力。兩股獨(dú)立的工作流 在膨脹之前并不重新匯合。相反，在適當(dāng)?shù)暮罄m(xù)階段中，低壓工作流65進(jìn)入第二渦輪， 或者是同一渦輪的第二級(jí)部件。所示構(gòu)造具有使用兩個(gè)平行熱源的許多優(yōu)點(diǎn)。
圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的、從兩個(gè)以上外部熱源流獲取熱量的熱能系 統(tǒng)。在所示實(shí)施例中，將圖1和圖5所示系統(tǒng)結(jié)合起來使用。第一熱源25-26和第二熱 源43-46用于與圖1所示相類似的系統(tǒng)中的第一 HRVG。在與圖5所示相類似的低壓第 二 HRVG中的路徑86-87中的熱源HE-6處，第三外部熱源85-88用于加熱路徑68-67中 的第一工作流69-66。如同本領(lǐng)域技術(shù)人員所知的那樣，可以將本發(fā)明不同實(shí)施例的各個(gè) 方面結(jié)合起來而不背離本發(fā)明的范圍和精神實(shí)質(zhì)。
本發(fā)明也可以其它具體的形式來實(shí)施而不背離其精神實(shí)質(zhì)和本質(zhì)特征。在任何方 面，應(yīng)認(rèn)為所述的實(shí)施例只是舉例而非限制。因此，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求來限 定而非上述描述。所有落入權(quán)利要求的含義中以及其等效內(nèi)容范圍內(nèi)的改變都包含在其 范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種進(jìn)行熱能循環(huán)的方法，包括使多成分的氣態(tài)工作流膨脹，將它的能量轉(zhuǎn)換為可用的形式并生成乏氣流；使乏氣流冷凝，生成冷凝流；對(duì)冷凝流加壓并生成工作流；將工作流分離成第一和第二支流；利用多個(gè)熱源流使位于蒸餾/冷凝子系統(tǒng)的外部的第一和第二支流的一部分沸騰，其中，多個(gè)熱源流處于熱能循環(huán)之外；以及使第一和第二支流匯合，以便形成一重新匯合的工作流。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，多個(gè)熱源流具有不同的溫度。
3. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，多個(gè)熱源流占有一相同的溫度區(qū)。
4. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，使第一和第二支流的一部分沸騰包 括從兩個(gè)或兩個(gè)以上的熱源流獲取熱量。
5. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，利用至少第一外部熱源流使第一支 流的一部分沸騰。
6. 如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，利用至少第二外部熱源流使第二支 流的一部分沸騰。
7. —種進(jìn)行熱能循環(huán)的方法，包括-將來自氣態(tài)多成分工作流的能量轉(zhuǎn)換成可用的形式并形成乏氣流； 使乏氣流冷凝，以生成液態(tài)工作流； 利用第一熱源流將液態(tài)工作流加熱到始沸點(diǎn)； 將工作流分離成第一和第二支流；利用第一熱源流和第二熱源流的疊合的相同溫度區(qū)將位于蒸餾/冷凝子系統(tǒng)的外 部的第一和第二支流從始沸點(diǎn)至少加熱到沸騰區(qū)，以使第一支流和第二支流的一部 分沸騰，其中，第一和第二熱源流處于熱能循環(huán)之外；以及將工作流加熱到沸點(diǎn)以上，以便生成加熱氣態(tài)工作流。
8. 如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，使乏氣流冷凝從而生成液態(tài)工作流 包括將乏氣流冷凝以形成冷凝流；以及對(duì)冷凝流加壓以生成液態(tài)工作流。
9. 如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，對(duì)液態(tài)工作流的加熱是在一換熱器中進(jìn)行的。
10. 如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，對(duì)液態(tài)工作流的加熱是在一包括 節(jié)能預(yù)熱器的換熱器中進(jìn)行的。
11. 如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，利用第一熱源流的疊合的相同溫 度區(qū)加熱第一支流。
12. 如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，利用第二熱源流的疊合的相同溫 度區(qū)加熱第二支流。
13. —種進(jìn)行熱能循環(huán)的方法，包括-使多成分的氣態(tài)工作流膨脹，將它的能量轉(zhuǎn)換為可用的形式并生成乏氣流；使乏氣流冷凝并生成冷凝流；對(duì)冷凝流加壓并生成液態(tài)工作流；將液態(tài)工作流分成第一支流和第二支流；利用至少第一熱源流使位于蒸餾/冷凝子系統(tǒng)的外部的第一支流的一部分沸騰；以及利用至少第二熱源流使位于蒸餾/冷凝子系統(tǒng)的外部的第二支流的一部分沸騰， 其中第一和第二熱源流處于熱能循環(huán)之外。
14. 如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，在第一熱量回收蒸氣發(fā)生器中使 第一支流的一部分沸騰。
15. 如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，在第二熱量回收蒸氣發(fā)生器中使 第二支流的一部分沸騰。
16. 如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，第二支流被加壓到大于第一支流 的壓力。
17. 如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，第一支流和第二支流在沒有重新 匯合的情況下膨脹。
18. 如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，第一支流和第二支流在重新匯合 以后膨脹。
19. 如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，第一支流和第二支流在一個(gè)蒸氣 回收發(fā)生器中加熱。
20. 如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，第二支流被分離，生成額外的支 流，第二支流的該額外的支流由第一和第二外部熱源流加熱，且第一支流在第一熱 量回收蒸氣發(fā)生器中用第三外部熱源流加熱。
21. 如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，第一支流在低于第二支流的各支 流的壓力下加熱。
22. —種進(jìn)行熱能循環(huán)的設(shè)備，包括膨脹器，該膨脹器用于使多成分氣態(tài)工作流膨脹，它將多成分氣態(tài)工作流的能量轉(zhuǎn)換為可用形式并生成乏氣流；冷凝器，該冷凝器用于轉(zhuǎn)換乏氣流，以便生成冷凝流； 泵，該泵用于對(duì)冷凝流加壓，從而生成工作流； 第一換熱器，該第一換熱器利用第一熱源流加熱工作流； 分離器，該分離器將工作流分成第一支流和第二支流； 第二換熱器，該第二換熱器利用第一熱源流加熱第一支流；第三換熱器，該第三換熱器利用第二熱源流加熱第二支流，其中第一和第二熱源流處于熱能循環(huán)之外；匯合器，該匯合器將第一支流和第二支流重新匯合成工作流；以及 第四換熱器，該第四換熱器加熱重新匯合的工作流，以便形成被加熱的氣態(tài)工作流。
23. —種進(jìn)行熱能循環(huán)的方法，包括使多成分的氣態(tài)工作流膨脹，將它的能量轉(zhuǎn)換為可用的形式并生成乏氣流；使乏氣流冷凝，生成冷凝流；對(duì)冷凝流加壓并生成工作流；利用第一外部熱源流加熱工作流；將工作流分開以形成第一支流和第二支流；利用第一外部熱源流加熱第一支流；利用第二外部熱源流加熱第二支流，其中第一和第二熱源流處于熱能循環(huán)之外; 將第一支流和第二支流重新匯合形成重新匯合的工作流；以及 加熱重新匯合的工作流，以便形成被加熱的氣態(tài)工作流。
24. —種進(jìn)行熱能循環(huán)的方法，包括使多成分的氣態(tài)工作流膨脹，將它的能量轉(zhuǎn)換為可用的形式并生成乏氣流； 使乏氣流冷凝，生成冷凝流； 對(duì)冷凝流加壓并生成工作流； 利用第一外部熱源流加熱工作流； 將工作流分開以形成第一支流和第二支流； 利用第一外部熱源流加熱第一支流；利用第二外部熱源流加熱第二支流，其中第一和第二熱源流處于熱能循環(huán)之外; 將第一支流和第二支流重新匯合形成重新匯合的工作流。
全文摘要
本發(fā)明涉及以更有效的方式、利用多成分工作流體通過逆流換熱來從兩個(gè)或更多個(gè)外部熱源流獲取熱量，從而完成閉環(huán)熱能循環(huán)的系統(tǒng)和方法。液態(tài)多成分工作流有第一外部熱源流在第一換熱器中加熱，并隨后被分為第一支流和第二支流。第一支流在第二換熱器處由第一工作流在第二外部熱源流處加熱。第二支流由第二工作流在第三換熱器處加熱。隨后，第一支流和第二支流重新匯合成單一工作流。重新匯合的工作流由第二外部熱源流在第四換熱器處加熱。
文檔編號(hào)F01K25/06GK101148999SQ20071016203
公開日2008年3月26日 申請日期2004年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月9日
發(fā)明者L·羅茲, M·D·麥洛利, R·I·佩勒萊特, Y·勒納 申請人:循環(huán)工程公司