廢熱回收的系統(tǒng)和方法
【專利說明】
[0001 ] 相關(guān)申請
[0002] 本案是2013年5月30日提交的具有申請?zhí)?3/905897,13/905923和13/905811的美 國專利申請中的每一個的繼續(xù)申請，它們中的每一個都通過引用而全部并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明涉及用于從消耗燃料的人類活動中產(chǎn)生的廢熱回收能量的系統(tǒng)和方法。具 體而言，本發(fā)明涉及從利用不足的諸如燃?xì)鉁u輪排出氣體的廢熱源回收熱能。
【背景技術(shù)】
[0004] 人類焚燒燃料的活動在幾世紀(jì)以來已經(jīng)是人類文明發(fā)展及其延續(xù)的中心特征。然 而，燃料可轉(zhuǎn)換成能量的效率仍是長期存在的問題；因為燃料焚燒時產(chǎn)生的大部分能量不 可做有用功且作為廢能量失去，例如廢熱。
[0005] 蘭金(Rankine)和其它熱回收循環(huán)已經(jīng)創(chuàng)造性地用于回收存在于由燃料的燃燒產(chǎn) 生的廢熱中的能量的至少一些，且迄今已經(jīng)實現(xiàn)了較大的發(fā)展。盡管過去已取得成果，但需 要進一步加強的蘭金循環(huán)廢熱回收系統(tǒng)和方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 在一個實施例中，本發(fā)明提供了一種蘭金循環(huán)系統(tǒng)，包括：（a)包括第一工作流體 流的第一閉環(huán)熱能回收循環(huán)；（b)包括第二工作流體流的第二閉環(huán)熱能回收循環(huán)；（c)第一 換熱器，其配置成將熱量從第一工作流體流傳遞至第二工作流體流；（d)第二換熱器，其配 置成將熱量從第二工作流體流傳遞至第一工作流體流;其中第一閉環(huán)熱能回收循環(huán)還包 括：（i)加熱器，其配置成將熱量從第一含有廢熱的流傳遞至第一工作流體流，以產(chǎn)生汽化 的第一工作流體流和第二含有廢熱的流；（ii)第一膨脹器，其配置成接收汽化的第一工作 流體流并由此產(chǎn)生機械能和膨脹的第一工作流體流；（iii)第一冷凝器，其配置成冷卻熱耗 盡的第一工作流體流并由此產(chǎn)生冷凝的第一工作流體流；以及（iv)栗，其配置成加壓冷凝 的第一工作流體流;其中第二閉環(huán)熱能回收循環(huán)還包括：（v)第二膨脹器，其配置成使汽化 的第二工作流體流膨脹并由此產(chǎn)生機械能和膨脹的第二工作流體流；（vi)第二冷凝器，其 配置成冷卻熱耗盡的第二工作流體流并由此產(chǎn)生冷凝的第二工作流體流；以及(vii)栗，其 配置成加壓冷凝的第二工作流體流;其中第一換熱器配置成產(chǎn)生汽化的第二工作流體流和 熱耗盡的第一工作流體；以及其中第二換熱器配置成產(chǎn)生熱增強的第一工作流體流和熱耗 盡的第二工作流體流。
[0007] 在備選的實施例中，本發(fā)明提供了一種蘭金循環(huán)系統(tǒng)，包括：（a)包括第一工作流 體流的第一閉環(huán)熱能回收循環(huán)；（b)包括第二工作流體流的第二閉環(huán)熱能回收循環(huán)；（C)第 一換熱器，其配置成將熱量從第一工作流體流傳遞至第二工作流體流；（d)第二換熱器，其 配置成將熱量從第二工作流體流傳遞至第一工作流體流;其中第一閉環(huán)熱能回收循環(huán)還包 括：（i)加熱器，其配置成將熱量從第一含有廢熱的流傳遞至第一工作流體流，以產(chǎn)生汽化 的第一工作流體流和第二含有廢熱的流；（ii)第一膨脹器，其配置成接收汽化的第一工作 流體流并由此產(chǎn)生機械能和膨脹的第一工作流體流；（iii)第一冷凝器，其配置成冷卻熱耗 盡的第一工作流體流并由此產(chǎn)生冷凝的第一工作流體流；以及（iv)栗，其配置成加壓冷凝 的第一工作流體流;其中第二閉環(huán)熱能回收循環(huán)還包括：（v)第二膨脹器，其配置成使汽化 的第二工作流體流膨脹并由此產(chǎn)生機械能和膨脹的第二工作流體流；（vi)第二冷凝器，其 配置成冷卻熱耗盡的第二工作流體流并由此產(chǎn)生冷凝的第二工作流體流；（vii)栗，其配置 成加壓冷凝的第二工作流體流；（viii)第二工作流體流分流器，其配置成將膨脹的第二工 作流體流分成膨脹的第二工作流體流的第一部分和膨脹的第二工作流體流的第二部分；以 及(ix)第二工作流體流合流器，其配置成將熱耗盡的第二工作流體流的第一部分與熱耗盡 的第二工作流體流的第二部分組合;其中第一換熱器配置成產(chǎn)生汽化的第二工作流體流、 熱耗盡的第一工作流體和熱耗盡的第二工作流體流的第一部分；以及其中第二換熱器配置 成產(chǎn)生熱增強的第一工作流體流和熱耗盡的第二工作流體流的第二部分。
[0008] 在備選的實施例中，本發(fā)明提供了一種蘭金循環(huán)系統(tǒng)，包括：（a)包括第一工作流 體流的第一閉環(huán)熱能回收循環(huán)；（b)包括第二工作流體流的第二閉環(huán)熱能回收循環(huán)；（C)第 一換熱器，其配置成將熱量從第一工作流體流傳遞至第二工作流體流；（d)第二換熱器，其 配置成將熱量從第二工作流體流傳遞至第一工作流體流;其中第一閉環(huán)熱能回收循環(huán)還包 括：（i)加熱器，其配置成將熱量從第一含有廢熱的流傳遞至第一工作流體流，以產(chǎn)生汽化 的第一工作流體流和第二含有廢熱的流；（ii)第一膨脹器，其配置成接收汽化的第一工作 流體流并由此產(chǎn)生機械能和膨脹的第一工作流體流；（iii)第一冷凝器，其配置成冷卻熱耗 盡的第一工作流體流并由此產(chǎn)生冷凝的第一工作流體流；以及（iv)栗，其配置成加壓冷凝 的第一工作流體流；（V)至少一個工作流體流分流器，其配置成將冷凝的第一工作流體流分 成第一部分和第二部分；（vi)第二加熱器，其配置成將熱量從第二含有廢熱的流傳遞至第 一工作流體流的第一部分，以產(chǎn)生第一工作流體流的熱增強的第一部分和第三含有廢熱的 流；以及(vii)至少一個工作流體流合流器，其配置成將第一工作流體的兩個熱增強的流組 合;其中第二閉環(huán)熱能回收循環(huán)還包括第二膨脹器，其配置成使汽化的第二工作流 體流膨脹并由此產(chǎn)生機械能和膨脹的第二工作流體流；（ix)第二冷凝器，其配置成冷卻熱 耗盡的第二工作流體流并由此產(chǎn)生冷凝的第二工作流體流；以及(X)栗，其配置成加壓冷凝 的第二工作流體流;其中第一換熱器配置成產(chǎn)生汽化的第二工作流體流和熱耗盡的第一工 作流體；以及其中第二換熱器配置成產(chǎn)生熱增強的第一工作流體流的第二部分和熱耗盡的 第二工作流體流。
[0009] 在又一個實施例中，本發(fā)明提供了一種使用蘭金循環(huán)系統(tǒng)回收熱能的方法，包括： (a)將熱量從第一含有廢熱的流傳遞至被包含在第一閉環(huán)熱能回收循環(huán)內(nèi)的第一工作流體 流，以由此產(chǎn)生汽化的第一工作流體流和第二含有廢熱的流；（b)使汽化的第一工作流體流 膨脹以由此產(chǎn)生機械能和膨脹的第一工作流體流；（c)將熱量從膨脹的第一汽化的工作流 體流傳遞至被包含在第二閉環(huán)熱能回收循環(huán)內(nèi)的第二工作流體流，以由此產(chǎn)生汽化的第二 工作流體流和熱耗盡的第一工作流體流；（d)使汽化的第二工作流體流膨脹，以由此產(chǎn)生機 械能和膨脹的第二工作流體流；以及(e)將熱量從膨脹的第二工作流體流傳遞至冷凝的第 一工作流體流，以由此產(chǎn)生熱增強的第一工作流體流和第二熱耗盡的第二工作流體流。
【附圖說明】
[0010]當(dāng)參照附圖閱讀以下詳細(xì)描述時，本發(fā)明的各種特征、方面和優(yōu)點將變得更好理 解，其中相似的標(biāo)號可表示附圖各處相似的部分。除非另外指出，則本文提供的附圖意圖示 出本發(fā)明的關(guān)鍵創(chuàng)造性特征。這些關(guān)鍵創(chuàng)造性特征被認(rèn)作適用于包括本發(fā)明的一個或更多 個實施例的多種系統(tǒng)中。因此，附圖不意圖包括實施本發(fā)明所需的本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員 已知的所有常規(guī)特征。
[0011]圖1表不本發(fā)明的第一實施例；
[0012]圖2表示本發(fā)明的第二實施例；
[0013]圖3表示本發(fā)明的第三實施例；
[0014]圖4表示本發(fā)明的第四實施例；
[0015]圖5表示本發(fā)明的第五實施例；
[0016]圖6表示本發(fā)明的第六實施例；
[0017]圖7表示本發(fā)明的第七實施例；
[0018]圖8表示本發(fā)明的第八實施例；
[0019] 圖9表示本發(fā)明的第九實施例；
[0020] 圖10表示在以本發(fā)明為基礎(chǔ)的研究中使用的實驗室蘭金循環(huán)系統(tǒng)；以及
[0021] 圖11表示比較示例1的備選構(gòu)造的蘭金循環(huán)系統(tǒng)。
【具體實施方式】
[0022] 在以下說明書和隨后的權(quán)利要求中，將提到一定數(shù)目的用語，這些用語應(yīng)限定為 具有以下意義。
[0023] 單數(shù)形式的〃一〃、〃一個〃和〃這個〃包括多個指示物，除非上下文另外明確地規(guī)定。
[0024] 如本文在說明書和權(quán)利要求各處使用的近似語言可用于改變?nèi)魏味康谋硎?，?不導(dǎo)致其涉及的基本功能的變化的情況下其可容許改變。因此，由一個或更多個諸如〃大 約〃和〃大致〃這樣的用語修飾的值不限于指定的精確值。在至少一些情況中，近似語言可對 應(yīng)于用于測量值的儀器的精度。這里以及說明書和權(quán)利要求各處，范圍限制可組合和/或互 換，這樣的范圍被認(rèn)為且包括其中包含的所有子范圍，除非上下文或語言另外指出。
[0025] 如本文使用的短語〃構(gòu)造成〃描述了實現(xiàn)特定結(jié)果所需的蘭金循環(huán)系統(tǒng)的兩個或 更多個構(gòu)件的物理布置。因此，短語〃構(gòu)造成〃可與短語〃布置成使得〃互換使用，且擁有本領(lǐng) 域普通技術(shù)且閱讀了本公開內(nèi)容的技術(shù)人員將認(rèn)識到旨在基于所述結(jié)果的性質(zhì)的蘭金循 環(huán)系統(tǒng)構(gòu)件的各種布置。關(guān)于蘭金循環(huán)系統(tǒng)的工作流體的短語〃構(gòu)造成容納〃意思是蘭金循 環(huán)系統(tǒng)由在操作期間組合時可安全地包含工作流體的構(gòu)件構(gòu)成。
[0026] 如本文所述，在一個實施例中，本發(fā)明提供了一種可用于從廢熱源(例如，來自燃 氣渦輪的載熱排出氣流）回收能量的蘭金循環(huán)系統(tǒng)。蘭金循環(huán)系統(tǒng)將存在于廢熱源中的熱 能的至少一部分轉(zhuǎn)換成可在各種方式下使用的機械能。例如，由廢熱產(chǎn)生的機械能可用于 驅(qū)動發(fā)電機、交流發(fā)電機或能夠?qū)C械能轉(zhuǎn)換成電能的其它適合的裝置。在一個或更多個 實施例中，由本發(fā)明提供的蘭金循環(huán)系統(tǒng)包括構(gòu)造成將由蘭金循環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)換 成