專利名稱：級(jí)聯(lián)閉環(huán)循環(huán)發(fā)電的制作方法
發(fā)明的領(lǐng)域本發(fā)明涉及用于產(chǎn)生能量的裝置以及方法。更具體地，本發(fā)明涉及采用特定設(shè)備和流體的級(jí)聯(lián)閉環(huán)循環(huán)(Cascading Closed LoopCycle)的使用，所述級(jí)聯(lián)閉環(huán)循環(huán)可以與傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合使用，以從傳統(tǒng)發(fā)電過(guò)程中提取有用數(shù)量的附加能量。
發(fā)明的背景用于發(fā)電的主要過(guò)程是燃燒化石燃料來(lái)加熱空氣。然后這種高溫空氣(或熱能)被用于對(duì)鍋爐中的流體發(fā)電介質(zhì)(通常為水)進(jìn)行加熱，以產(chǎn)生氣體(蒸汽)，該氣體(蒸汽)經(jīng)由驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的蒸氣透平膨脹。熱能的計(jì)量是英制熱量單位(British Thermal UnitBTU)。用于以這種方式對(duì)空氣和/或水進(jìn)行加熱以進(jìn)行發(fā)電的其它能源包括來(lái)自核反應(yīng)的熱量；來(lái)自氣體透平之排放的熱量；來(lái)自焚化爐中垃圾或其它易燃材料燃燒的熱量等等。
用于產(chǎn)生動(dòng)力的蒸汽透平系統(tǒng)通常是閉環(huán)系統(tǒng)，其中，加壓的水在鍋爐或換熱器中被蒸發(fā)；在蒸汽輪機(jī)中被膨脹，在此隨著電力的產(chǎn)生壓力水平減?。辉诶淠骰蚶鋮s器中冷凝返回成水；以及用泵加壓并且返回到鍋爐，以重復(fù)該循環(huán)。在這個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)中產(chǎn)生蒸汽的過(guò)程中，存在兩種被浪費(fèi)的能量。首先是由于水到蒸汽轉(zhuǎn)換過(guò)程的固有設(shè)計(jì)和熱力特性而引起的以高溫?zé)煔?通常為熱空氣)形式排出鍋爐的廢熱，其中水到蒸汽轉(zhuǎn)換過(guò)程的固有設(shè)計(jì)和熱力特性阻止使用煙氣中的所有有用熱能(熱量)。其次是汽化潛熱或者在蒸汽冷凝成水的過(guò)程期間消散到大氣中的將水轉(zhuǎn)化為蒸汽所需要的能量。
在廢熱的第一實(shí)例中，鍋爐熱源必須提供熱能(以高溫?zé)煔獾男问?，不僅來(lái)傳送1000BTU/LB以將水轉(zhuǎn)換為蒸汽，而且來(lái)傳送足夠的熱能使以蒸汽過(guò)熱到足夠高的能量水平，以便提供足夠的過(guò)量能量來(lái)驅(qū)動(dòng)蒸汽透平產(chǎn)生動(dòng)力。蒸汽循環(huán)的熱力需求將可用于產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽的溫度差限制到原始熱源溫度和大約400到500°F之間的差異。這導(dǎo)致了在大約400到500°F溫度下排出鍋爐的廢熱煙氣。雖然可以重新獲取煙氣排放中的一部分能量，例如通過(guò)使用它給電廠供熱，使用它預(yù)熱鍋爐給水，或者通過(guò)其它公知的手段，但是所回收的有用能的數(shù)量是有限的。
在廢熱的第二實(shí)例中，從液體狀態(tài)變化到氣體狀態(tài)所需的熱量形式的能量是由液體的熱力特性控制的。流體開始變成蒸汽的壓力和相關(guān)溫度被定義為流體的蒸發(fā)壓力。對(duì)于給定的液體，存在液體變成蒸汽的特定壓力和溫度范圍。在蒸發(fā)壓力下，液體變化成氣體所需的BTU被定為“蒸發(fā)熱”。水的蒸發(fā)熱大約為1000BTU/LB。在水變成蒸汽的蒸發(fā)壓力下，駐留在蒸汽中的能量數(shù)量?jī)H僅是維持蒸發(fā)狀態(tài)所需的數(shù)量，并且被定為“蒸發(fā)潛熱”。在蒸發(fā)壓力點(diǎn)，如果在冷凝器中冷卻蒸汽或者通過(guò)膨脹過(guò)程減少壓力，隨著冷卻介質(zhì)熱量和溫度的增加，蒸汽將通過(guò)排放蒸發(fā)潛熱或者1000BTU/LB到環(huán)境而變化回液體狀態(tài)。同樣地，無(wú)論任何，只有很少一部分有用能可以從僅僅包含蒸發(fā)潛熱的蒸汽中提取出來(lái)，因?yàn)樵撜羝谕钙街信蛎洉r(shí)將立即冷凝，引起巨大的無(wú)效率和可能破壞透平。蒸發(fā)熱量的物理現(xiàn)象在傳統(tǒng)的發(fā)電循環(huán)中引起廢熱，因?yàn)樵谝簯B(tài)水變成有用氣態(tài)之前必須將該數(shù)量的熱量賦予液態(tài)水，但是該熱量不能被提取作為有用能。在將介質(zhì)冷卻回液態(tài)以便它能被用泵加壓到期望壓力時(shí)，該潛熱被排放，而沒(méi)有以有用能的形式被獲取。這樣，通過(guò)冷卻介質(zhì)排放到大氣中的熱量是廢熱，其中冷卻介質(zhì)將水返回到液態(tài)。
隨著燃料成本的升高和能源的耗盡，以更加有效的方式通過(guò)化石燃料的燃燒將熱量轉(zhuǎn)換成有用功和發(fā)電是極其重要的。另外，由化石燃料燃燒產(chǎn)生的污染所引起的對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響要求設(shè)計(jì)電廠，以減少所產(chǎn)生的每單位能量所產(chǎn)生的污染。這些因素產(chǎn)生了如下要求改進(jìn)電廠效率以及從由電廠產(chǎn)生的廢熱、從各種制造過(guò)程中的廢熱、以及從可再生能源中的熱能中回收能量。
各種方法和過(guò)程被用于改進(jìn)將化石燃料轉(zhuǎn)換成可用能量的動(dòng)力系統(tǒng)。這些效率增強(qiáng)的系統(tǒng)包括燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)電廠、熱電廠和廢熱回收系統(tǒng)。通過(guò)使用燃燒熱量來(lái)產(chǎn)生蒸汽，熱電和聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)從燃?xì)廨啓C(jī)廢氣或者其它化石燃料熱源(包括低等級(jí)熱值燃料源)廢熱中產(chǎn)生有用的能量。在使用水作為基本發(fā)電介質(zhì)的系統(tǒng)中，熱源(通常為通過(guò)燃燒化石燃料加熱的煙氣)的溫度必須高的足以蒸發(fā)水以便在換熱器(鍋爐)中產(chǎn)生蒸汽。產(chǎn)生的蒸汽在蒸汽輪機(jī)中膨脹，以便產(chǎn)生動(dòng)力。通常蒸汽鍋爐被限制回收相關(guān)于熱源初始溫度與大約500°F或者更高溫度之間溫差的熱量，因?yàn)檫@是實(shí)現(xiàn)對(duì)水的有效熱能轉(zhuǎn)換以產(chǎn)生蒸汽的所要求的溫度。另外，用于轉(zhuǎn)化能量到蒸汽的可利用熱量受到蒸汽的蒸發(fā)壓力與溫度特性所強(qiáng)加的溫差約束的限制，以及使用具有接近大約500°F的溫度的熱源可以導(dǎo)致無(wú)效率的和最小的蒸汽產(chǎn)量。在常用蒸汽發(fā)電系統(tǒng)中，排出鍋爐的熱源的低溫(約500°F)廢氣可以被用來(lái)使用分開的換熱器來(lái)預(yù)熱鍋爐給水。但是，在排放空氣中僅僅有限數(shù)量的熱量是可回收的，以及由于水的蒸汽壓力和溫度特性，該熱量通常被限制在大約500°F的熱源廢氣排放溫度與大約300°F或者更高的溫差。在這種方式下使用廢熱來(lái)預(yù)熱鍋爐給水增加了系統(tǒng)的總效率，并且在一些情況中可以將效率增加大約10％。
一些熱電和聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)也考慮并入與蒸汽輪機(jī)系統(tǒng)結(jié)合的有機(jī)郎肯循環(huán)(Organic Rankine ClcleORC)，以從正如離開鍋爐的熱源中的低溫排放流中獲取附加的功率輸出。利用郎肯循環(huán)產(chǎn)生有用功率在本領(lǐng)域是眾所周知的。公開了常用的方法，例如美國(guó)專利號(hào)5570579和5664414，將它們通過(guò)參考文件的形式結(jié)合于此。這些現(xiàn)有系統(tǒng)使用常用的ORC介質(zhì)，例如標(biāo)準(zhǔn)戊烷、甲苯、氟化的碳?xì)浠衔镆约捌渌评鋭?。這些常用的ORC介質(zhì)具有壓力和溫度限制，并且不能維持高溫，因?yàn)樗鼈兏髯缘淖匀紲囟群驼舭l(fā)壓力與溫度特性。。例如，現(xiàn)有的利用制冷劑或甲苯的ORC系統(tǒng)被限定與加熱水一起來(lái)操作，因?yàn)镺RC介質(zhì)不能在升高的溫度下吸收能量。其它現(xiàn)有的ORC方法要求ORC介質(zhì)具有接近于大氣壓力的蒸汽壓力才是有效的。其它現(xiàn)有系統(tǒng)被限制為特定的功率輸出范圍，而其它的要求噴射液體ORC介質(zhì)到換熱器中，用于有效操作。這些限制減少了它們的有效性和效率，由此限制了它們使用的環(huán)境，并且限制了可以從它們獲得的有用能輸出。
另外，雖然正如以上所述，大多數(shù)能量使用閉環(huán)系統(tǒng)(例如其中具有不斷再循環(huán)的發(fā)電介質(zhì)(例如水/蒸汽)的系統(tǒng))來(lái)產(chǎn)生，但是也創(chuàng)造了其它的發(fā)電方法，來(lái)利用要求不斷補(bǔ)充發(fā)電介質(zhì)的開環(huán)功率源。例如，在石化廠中或者氣體管道上的輕烴供應(yīng)壓力在發(fā)送到消費(fèi)者之前必須減少的情況下，眾所周知，通過(guò)在膨脹透平中膨脹高壓氣體并且然后減少?zèng)]有能量回收的閥中的氣體壓力來(lái)產(chǎn)生有用功率，其中膨脹透平驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)、泵或者壓縮機(jī)。這種類型技術(shù)的例子提供在美國(guó)專利號(hào)4711093和4677827中，將它們通過(guò)參考文件形式和合并此。這些系統(tǒng)是要求發(fā)電介質(zhì)不斷補(bǔ)充的開環(huán)系統(tǒng)，并且取決于過(guò)程設(shè)計(jì)的壓力水平。
發(fā)明簡(jiǎn)要描述在第一實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種用于產(chǎn)生能量的方法。該方法包括步驟提供一工作流體，增加所述工作流體的壓力，將所述工作流體分成多個(gè)流，包括至少第一流和第二流，將來(lái)自能量源的第一數(shù)量的熱能傳遞到所述第一流，以及隨后將來(lái)自所述第一流的第二數(shù)量的熱能傳遞到所述第二流，從所述第一流中提取第一數(shù)量的有用能，從所述第二流中提取第二數(shù)量的有用能，將第一流與所述第二流結(jié)合；以及將所述第一流和第二流減小到最小壓力，所述最小壓力大約等于或低于所述工作流體在環(huán)境溫度下的蒸發(fā)壓力。
在這個(gè)實(shí)施例中，將所述第二數(shù)量的熱能從所述第一流傳遞到所述第二流的步驟可以包括步驟在將所述第一流與所述第二流結(jié)合的步驟之前，將所述第二數(shù)量的熱能之第一部分從所述第一流傳遞到所述第二流；以及在將所述第一流與所述第二流結(jié)合的步驟之后，將所述第二數(shù)量的熱能之第二部分從所述第一流傳遞到所述第二流。同樣在這個(gè)實(shí)施例中，將所述第二數(shù)量的熱能之第一部分從所述第一流傳遞到所述第二流的步驟是在從所述第一流中提取第一數(shù)量的有用能的步驟之后執(zhí)行的。仍然在這個(gè)實(shí)施例中，所述第一數(shù)量的有用能與所述第二數(shù)量的有用能的總和至少等于所述第一數(shù)量的熱能的大約20％。
在本發(fā)明的這個(gè)以及其它實(shí)施例中，所述工作流體可以選自由丙烷、丙烯、輕烴以及它們的組合物組成的組；所述最小壓力可以是大約25psia到大約300psia；所述環(huán)境溫度可以是大約-50華氏度到大約160華氏度；所述能量源可以選自由化石燃料能、核能、太陽(yáng)能、地?zé)崮?、廢熱、氫以及它們的組合物組成的組。同樣在這個(gè)以及其它實(shí)施例中，所述工作流體可以被用泵加壓到大約300psia到大約1000psia的壓力。
在另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種產(chǎn)生能量的裝置，所述裝置具有多個(gè)流體管道，包括至少第一流體管道、第二流體管道、以及結(jié)合的流體管道，所述多個(gè)流體管道用于容納工作流體；泵，可操作地連接到所述多個(gè)流體管道，并且用于對(duì)所述工作流體加壓；能量源；第一換熱器，可操作地連接到所述第一流體管道，并且用于允許將第一數(shù)量的熱能從所述能量源傳遞到所述第一流體管道中的所述工作流體；第二換熱器，可操作地連接到所述第一流體管道以及所述第二流體管道，并且用于允許將第二數(shù)量的熱能從所述第一流體管道中的所述工作流體傳遞到所述第二流體管道中的所述工作流體，所述第二換熱器相對(duì)于所述第一流體管道位于所述第一換熱器的下游；第一流體膨脹器，可操作地連接到所述第一流體管道，并且用于從所述第一流體管道中的所述工作流體中提取第一數(shù)量的有用能；第二流體膨脹器，可操作地連接到所述第二流體管道，并且用于從所述第二流體管道中的所述工作流體中提取第二數(shù)量的有用能；以及冷卻設(shè)備，可操作地連接到所述多個(gè)流體管道的至少一個(gè)，并且用于將所述工作流體減小到最小壓力，所述最小壓力大約等于或低于所述工作流體在環(huán)境溫度下的蒸發(fā)壓力。所述第一流體管道與所述第二流體管道在結(jié)合點(diǎn)結(jié)合，以形成所述結(jié)合的流體管道。
在這個(gè)第二實(shí)施例中，所述第二換熱器可以包括主第二換熱器，可操作地連接到所述第一流體管道和所述第二流體管道，并且相對(duì)于所述第一流體管道位于所述第一流體膨脹器和所述結(jié)合點(diǎn)之間，以及用于將所述第二數(shù)量的熱能之第一部分從所述第一流體管道中的所述工作流體傳遞到所述第二流體管道中的所述工作流體；以及輔助第二換熱器，可操作地連接到所述第二流體管道和所述結(jié)合的流體管道，并且相對(duì)于所述結(jié)合的流體管道位于所述結(jié)合點(diǎn)和所述泵之間，以及用于將所述第二數(shù)量的熱能之第二部分從所述結(jié)合的流體管道中的所述工作流體傳遞到所述第二流體管道中的所述工作流體。所述第二換熱器相對(duì)于所述第一流體管道位于所述第一流體膨脹器之后。所述第一數(shù)量的有用能與所述第二數(shù)量的有用能的總和至少等于所述第一數(shù)量的熱能的大約20％。
在另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種將熱量轉(zhuǎn)換成有用能的方法，所述方法包括步驟提供液體狀態(tài)的結(jié)合的流體流；對(duì)所述結(jié)合的流體流加壓；將所述結(jié)合的流體流分成主流體流和輔助流體流；應(yīng)用來(lái)自熱源的熱能，以蒸發(fā)所述主流體流；使蒸發(fā)的主流體流膨脹，以產(chǎn)生第一數(shù)量的有用能；傳遞來(lái)自所述蒸發(fā)并且膨脹的主流體流的熱量，以使所述蒸發(fā)的輔助流體流過(guò)熱；使所述蒸發(fā)的輔助流體流膨脹，以產(chǎn)生第二數(shù)量的有用能；將所述蒸發(fā)并且膨脹的主流體流與所述蒸發(fā)并且膨脹的輔助流體流進(jìn)行混合，以形成結(jié)合的流體流；傳遞來(lái)自所述結(jié)合的流體流的熱量，以蒸發(fā)所述輔助流體流；以及將所述結(jié)合的流體流冷凝成液體狀態(tài)。
在這個(gè)實(shí)施例中，傳遞來(lái)自所述結(jié)合的流體流的熱量以蒸發(fā)所述輔助流體流的步驟也可以包括將所述結(jié)合的流體流的壓力維持在所述流體的蒸發(fā)壓力之上的步驟。
在有另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種將熱量轉(zhuǎn)換成有用能的裝置，所述裝置包括結(jié)合的流體管道，用于傳送流體流；泵，可操作地連接到所述結(jié)合的流體管道；流分離器，可操作地連接到所述泵下游的所述結(jié)合的流體管道，所述流分離器還可操作地連接到一主流體管道和一輔助流體管道；第一換熱器，可操作地連接到所述流分離器下游的所述主流體管道，所述第一換熱器還可操作地連接到一熱源；第一膨脹器，可操作地連接到所述第一換熱器下游的所述主流體管道；第二換熱器，可操作地連接到所述第一膨脹器下游的所述主流體管道，所述第二換熱器還可操作地連接所述輔助流體管道上；第三換熱器，可操作地連接到所述流分離器下游的所述輔助流體管道，所述第三換熱器還可操作地連接到所述組合的流體管道；第二膨脹器，可操作地連接到所述第二換熱器下游的所述輔助流體管道；流混合器，可操作地連接到所述結(jié)合的流體管道，連接到所述第二換熱器下游的所述主流體管道，以及連接到所述第二膨脹器下游的所述輔助流體管道；冷卻器，可操作地連接到所述流混合器和所述泵之間的所述結(jié)合的流體管道；所述第三換熱器相對(duì)于所述結(jié)合的流體管道位于所述流混合器和所述冷卻器之間；以及所述第二換熱器相對(duì)于所述輔助流體管道位于所述第三換熱器和所述第二膨脹器之間。
在又另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種用于提高具有能量源和冷卻系統(tǒng)的動(dòng)力系統(tǒng)的效率的方法，所述方法包括步驟將第一數(shù)量的熱能從所述冷卻系統(tǒng)傳遞到級(jí)聯(lián)閉環(huán)循環(huán)系統(tǒng)的第一回路；從所述第一回路中提取第一數(shù)量的有用能；將第二數(shù)量的熱能從所述能量源傳遞到級(jí)聯(lián)閉環(huán)循環(huán)系統(tǒng)的第二回路；以及從所述第二回路中提取第二數(shù)量的有用能。
在這個(gè)實(shí)施例中，所述方法可以包括步驟將第三數(shù)量的熱能從所述第二回路傳遞到級(jí)聯(lián)閉環(huán)循環(huán)系統(tǒng)的第三回路；以及從所述第三回路中提取第三數(shù)量的有用能。同樣在這個(gè)實(shí)施例中，所述動(dòng)力系統(tǒng)可以接收來(lái)自所述能量源的第四數(shù)量的熱能，并且可以產(chǎn)生第四數(shù)量的有用能。所述第一數(shù)量的有用能、所述第二數(shù)量的有用能、所述第三數(shù)量的有用能以及所述第四數(shù)量的有用能的總和至少等于所述第四數(shù)量的熱能的大約30％。
在另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種用于提高具有能量源以及冷卻系統(tǒng)的動(dòng)力系統(tǒng)的效率的方法，所述方法具有步驟提供一工作流體；增加所述工作流體的壓力；將所述工作流體分成多個(gè)流，包括至少一第一流和一第二流；將第一數(shù)量的熱能從所述冷卻系統(tǒng)傳遞到所述第一流；從所述第一流中提取第一數(shù)量的有用能；將第二數(shù)量的熱能從所述能量源傳遞到所述第二流；從所述第二流中提取第二數(shù)量的有用能；以及將所述工作流體冷卻到最小壓力，所述最小壓力大約等于或低于所述工作流體在環(huán)境空氣溫度下的蒸發(fā)壓力。
在這個(gè)實(shí)施例中，所述第二流包括主第二流和輔助第二流；以及將第二數(shù)量的熱能從所述能量源傳遞到所述第二流的步驟可以包括將所述第二數(shù)量的熱能從所述能量源傳遞到所述主第二流；以及將所述第二數(shù)量的熱能的一部分從所述主第二流傳送到所述輔助第二流。同樣在這個(gè)實(shí)施例中，從所述第二流中提取第二數(shù)量的有用能的步驟可以包括從所述主第二流中提取所述第二數(shù)量的有用能的第一部分；以及從所述輔助第二流中提取所述第二數(shù)量的有用能的第二部分。在這個(gè)實(shí)施例中，所述動(dòng)力系統(tǒng)是蒸汽發(fā)電系統(tǒng)。
在又另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種用于產(chǎn)生能量的方法。在該實(shí)施例中，所述方法包括步驟提供第一工作流體；增加所述第一工作流體的壓力；將第一數(shù)量的熱能從一能量源傳遞到所述第一工作流體；從所述第一工作流體中提取第一數(shù)量的有用能；提供第二工作流體；增加所述第二工作流體的壓力；將所述第二工作流體分成多個(gè)流，包括至少一第一流和一第二流；將第二數(shù)量的熱能從所述第一工作流體傳遞到所述第一流；從所述第一流中提取第二數(shù)量的有用能；將第三數(shù)量的熱能從所述能量源傳遞到所述第二流；從所述第二流中提取第三數(shù)量的有用能；以及將所述第二工作流體冷卻到最小壓力，所述最小壓力大約等于或低于所述第二工作流體在環(huán)境空氣溫度下的蒸發(fā)壓力。
在這個(gè)實(shí)施例中，所述第二流可以包括主第二流和輔助第二流；以及將第三數(shù)量的熱能從所述能量源傳遞到所述第二流的步驟可以包括步驟將所述第三數(shù)量的熱能從所述能量源傳遞到所述主第二流；以及將所述第三數(shù)量的熱能的一部分從所述主第二流傳遞到所述輔助第二流。更進(jìn)一步，在這個(gè)實(shí)施例中，從所述第二流中提取第三數(shù)量的有用能的步驟可以包括步驟從所述主第二流中提取所述第三數(shù)量的有用能的第一部分；以及從所述輔助第二流中提取所述第三數(shù)量的有用能的第二部分。在這個(gè)實(shí)施例中，所述第一工作流體可以是水。
在另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種用于提高具有能量源以及冷卻系統(tǒng)的動(dòng)力系統(tǒng)的效率的方法，這個(gè)實(shí)施例的方法包括提供一工作流體；增加所述工作流體的壓力；將所述工作流體分成第一流、第二流以及第三流；將第一數(shù)量的熱能從所述冷卻系統(tǒng)傳遞到所述第一流；從所述第一流中提取第一數(shù)量的有用能；將第二數(shù)量的熱能從所述能量源傳遞到所述第二流；從所述第二流中提取第二數(shù)量的有用能；將第三數(shù)量的熱能從所述第二流傳遞到所述第三流；從所述第三流中提取第三數(shù)量的有用能；以及將所述工作流體冷卻到最小壓力，所述最小壓力大約等于或低于所述工作流在環(huán)境空氣溫度下的蒸發(fā)壓力。
在這個(gè)實(shí)施例中，將第二數(shù)量的熱能從所述能量源傳遞到所述第二流的步驟可以包括將所述第二數(shù)量的熱能之第一部分從所述能量源傳遞到第一換熱器中的所述第二流；以及將所述第二數(shù)量的熱能之第二部分從所述能量源傳送到第二換熱器中的所述第二流。同樣在這個(gè)實(shí)施例中，從所述第一流中提取第一數(shù)量的有用能的步驟可以包括在第一膨脹器中膨脹所述第一流；從所述第二流中提取第二數(shù)量的有用能的步驟可以包括在第二膨脹器中膨脹所述第二流；以及從所述第三流提取第三數(shù)量的有用能的步驟可以包括在第三膨脹器中膨脹所述第三流。在這個(gè)實(shí)施例中，所述動(dòng)力系統(tǒng)是蒸汽發(fā)電系統(tǒng)。
在另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種用于從具有能量源以及冷卻系統(tǒng)的動(dòng)力系統(tǒng)中產(chǎn)生附加能量的裝置，這個(gè)實(shí)施例的裝置具有特征多個(gè)流體管道，包括有至少第一流體管道、第二流體管道以及結(jié)合的流體管道，所述多個(gè)流體管道用于容納工作流體；一個(gè)或多個(gè)泵，可操作地連接到所述多個(gè)流體管道，并且用于對(duì)所述工作流體加壓；第一換熱器，可操作地連接到所述第一流體管道，并且用于允許將第一數(shù)量的熱能從所述冷卻系統(tǒng)傳遞到所述第一流體管道中的所述工作流體；第一流體膨脹器，可操作地連接到所述第一流體管道，并且用于從所述第一流體管道中的所述工作流體中提取第一數(shù)量的有用能；第二換熱器，可操作地連接到所述第二流體管道，并且用于允許將第二數(shù)量的熱能從所述能量源傳遞到所述第二流體管道中的所述工作流體；第二流體膨脹器，可操作地連接到所述第二流體管道，并且用于從所述第二流體管道中的所述工作流體中提取第二數(shù)量的有用能；以及冷卻設(shè)備，可操作地連接到所述多個(gè)流體管道的至少一個(gè)，并且用于將所述工作流體減小到最小壓力，所述最小壓力大約等于或低于所述工作流在環(huán)境溫度下的蒸發(fā)壓力；以及所述第一流體管道與所述第二流體管道在結(jié)合點(diǎn)結(jié)合，以形成所述結(jié)合的流體管道。
在這個(gè)實(shí)施例中，所述多個(gè)流體管道還可以包括第三流體管道，并且所述裝置還可以包括第三換熱器，可操作地連接到所述第二流體管道和所述第三流體管道，并且用于將第三數(shù)量的熱能從所述第二流體管道中的所述工作流體傳遞到所述第三流體管道中的所述工作流體；第三流體膨脹器，可操作地連接到所述第三流體管道，并且用于從所述第三流體管道中的所述工作流體中提取第三數(shù)量的有用能；以及所述第三換熱器相對(duì)于所述第二流體管道位于所述第二流體膨脹器之后。更進(jìn)一步，在這個(gè)實(shí)施例中，所述動(dòng)力系統(tǒng)接收來(lái)自所述能量源的第四數(shù)量的熱能，并且產(chǎn)生第四數(shù)量的有用能，所述第一數(shù)量的有用能、所述第二數(shù)量的有用能、所述第三數(shù)量的有用能以及所述第四數(shù)量的有用能的總和至少等于所述第四數(shù)量的熱能的大約30％。
在又另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種將熱能轉(zhuǎn)換成有用能的裝置。所述裝置包括主動(dòng)力系統(tǒng)以及輔助動(dòng)力系統(tǒng)。主動(dòng)力系統(tǒng)具有能量源；主流體管道，用于容納主工作流體；主流體泵，可操作地連接到所述主流體管道，并且用于對(duì)所述主工作流體加壓；主流體換熱器，可操作地連接到所述主流體管道，并且用于允許將第一數(shù)量的熱能從所述能量源傳遞到所述主流體管道中容納的所述主流體；主流體膨脹器，可操作地連接到所述主流體管道，并且用于從所述主流體管道中的主工作流體中提取第一數(shù)量的有用能。輔助動(dòng)力系統(tǒng)具有輔助流體管道系統(tǒng)，包括第一流體回路、第二流體回路、以及第三流體回路，所述輔助流體管道系統(tǒng)用于容納輔助工作流體；一個(gè)或多個(gè)輔助流體泵，可操作地連接到所述輔助流體管道系統(tǒng)，并且用于對(duì)所述輔助工作流體加壓；第一換熱器，可操作地連接到所述第一流體回路和所述主流體管道，并且相對(duì)于所述主流體管道位于所述主流體膨脹器和所述主流體泵之間，所述第一換熱器用于允許將第二數(shù)量的熱能從所述主工作流體管道中的所述主流體傳遞到所述第一流體回路中的所述輔助工作流體；第一流體膨脹器，可操作地連接到所述第一流體回路，并且用于從所述第一流體回路中的所述輔助工作流中提取第二數(shù)量的有用能；第二換熱器，可操作地連接到所述第二流體回路，并且用于允許將第三數(shù)量的熱能從所述能量源傳送到所述第二流體回路中的所述輔助工作流體；第二流體膨脹器，可操作地連接到所述第二流體回路，并且用于從所述第二流體回路中的所述輔助工作流體中提取第三數(shù)量的有用能；第三換熱器，可操作地連接到所述第二流體回路和所述第三流體回路，并且相對(duì)于所述第二流體回路位于所述第二流體膨脹器之后，所述第三換熱器用于允許將第四數(shù)量的熱能從所述第二流體回路中的所述輔助工作流體傳遞到所述第三流體回路中的所述輔助工作流體；第三流體膨脹器，可操作地連接到所述第三流體回路，并且用于從所述第二流體回路中的所述輔助工作流體中提取第四數(shù)量的有用能；以及冷卻設(shè)備，可操作地連接到所述輔助流體管道系統(tǒng)，并且用于將所述輔助工作流體減小到最小壓力，所述最小壓力大約等于或低于所述輔助工作流體在環(huán)境溫度下的蒸發(fā)壓力。
在這個(gè)實(shí)施例中，所述主工作流體可以是水。同樣在這個(gè)實(shí)施例中，所述第一數(shù)量的有用能、所述第二數(shù)量的有用能、所述第三數(shù)量的有用能以及所述第四數(shù)量的有用能的總和至少等于所述第一數(shù)量的熱能的大約30％。
附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明通過(guò)參考附圖，可以更加容易地理解本發(fā)明，其中附圖被簡(jiǎn)要地描述如下

圖1是本發(fā)明級(jí)聯(lián)閉環(huán)循環(huán)(CCLC)發(fā)電系統(tǒng)之實(shí)施例的示意圖；圖2是圖1的CCLC的功率循環(huán)的莫利爾(Mollier)圖；圖3是常用現(xiàn)有蒸汽發(fā)電系統(tǒng)的示意圖；圖4是本發(fā)明超級(jí)級(jí)聯(lián)閉環(huán)循環(huán)(Super-CCLC)發(fā)電系統(tǒng)之實(shí)施例的示意圖；圖5是圖4的Super-CCLC之蒸汽部分的功率循環(huán)的Mollier圖；以及圖6是圖4的Super-CCLC之CCLC部分的功率循環(huán)的Mollier圖。
優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明隨著能源的耗盡以及由燃燒化石燃料所產(chǎn)生的污染繼續(xù)對(duì)環(huán)境造成破壞，以更有效的方式進(jìn)行發(fā)電已經(jīng)變得極其重要。本發(fā)明的級(jí)聯(lián)閉環(huán)循環(huán)提供了一種閉環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，其可以用做主功率源。利用CCLC，通過(guò)減少在克服發(fā)電介質(zhì)之蒸發(fā)潛熱上的能量損失的數(shù)量以及更可操作地從可利用的熱源中獲取熱量并且將該熱量轉(zhuǎn)換成有用能，來(lái)提供改善的效率。本發(fā)明的超級(jí)級(jí)聯(lián)閉環(huán)循環(huán)(Super-CCLC)提供了一種輔助功率源，它可以與傳統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)相結(jié)合使用，以通過(guò)從在使用蒸汽透平或者其它傳統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)產(chǎn)生功率的過(guò)程中損失的熱量中產(chǎn)生有用能來(lái)增加發(fā)電效率。在Super-CCLC中，改進(jìn)的效率來(lái)自于從發(fā)明背景中所強(qiáng)調(diào)的兩種廢熱源中回收能量。第一種源是離開鍋爐的廢熱的回收，以及第二種源是在冷凝過(guò)程期間所排放的廢熱的回收。
可以表明利用有機(jī)郎肯(Rankine)循環(huán)(ORC)，可以特別好地執(zhí)行熱能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。Super-CCLC系統(tǒng)是一種ORC，它被設(shè)計(jì)用以轉(zhuǎn)換在進(jìn)行蒸汽透平發(fā)電過(guò)程中損失的能量。2002年07月22日提交的美國(guó)專利號(hào)10199257描述了一種利用ORC循環(huán)產(chǎn)生有用功率的方法，該方法使用丙烷、丙烯、或者等效或相似的輕烴介質(zhì)，正如級(jí)聯(lián)閉環(huán)循環(huán)(CCLC)中的介質(zhì)一樣，該專利通過(guò)參考文件的形式結(jié)合于此。正如在此所使用的，術(shù)語(yǔ)“流體”意味著液態(tài)、氣態(tài)和/或蒸汽態(tài)的任何物質(zhì)。通常，在此作為“流體”描述的物質(zhì)在所有時(shí)間將保持液態(tài)、氣態(tài)和/或蒸汽態(tài)，但是應(yīng)該可以理解所述流體在某些情況下可以固化，但是通常在此處描述的發(fā)明的工作期間沒(méi)有固化。本發(fā)明還想出使用多個(gè)集成CCLC系統(tǒng)，以同時(shí)回收離開蒸汽鍋爐(或者其它熱源)的廢熱以及來(lái)自蒸汽冷凝過(guò)程(或類似過(guò)程)的廢熱。
現(xiàn)在，參考附圖，更詳細(xì)地描述本發(fā)明的各種優(yōu)選實(shí)施例。
在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明利用了一個(gè)獨(dú)特的配置和方法，用于操作級(jí)聯(lián)閉環(huán)循環(huán)(CCLC)，以從能量源中提取附加的效率。級(jí)聯(lián)閉環(huán)循環(huán)(CCLC)是一個(gè)隔絕密封的閉環(huán)過(guò)程。正如圖1所示，CCLC 100具有主流體流，其通常被表示為字母A；輔助流體流B；以及結(jié)合的流體流C。結(jié)合的流體流C基本上包括發(fā)電介質(zhì)的全部供給量，其優(yōu)選地包括輕烴物質(zhì)，以及更優(yōu)選地包括丙烯、丙烷或者這些物質(zhì)的組合物。主流體流A和輔助流體流B包括結(jié)合的流體流C的若干部分，它們通過(guò)流分離器104分開。
CCLC 100從高壓泵102處開始，其中高壓泵102將液態(tài)的結(jié)合的流體流C加壓到期望的初始?jí)毫Α?因?yàn)檫@是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，其中該循環(huán)連續(xù)地重復(fù)循環(huán)，所以在技術(shù)上不存在系統(tǒng)“開始”的點(diǎn)，于是選擇該點(diǎn)作為開始點(diǎn)是任意的，只是為了清楚解釋起見做出的。)在該點(diǎn)，結(jié)合的流體流C具有某些物理屬性(壓力、溫度和質(zhì)量流速)，在此被定為狀態(tài)C1。狀態(tài)C1和過(guò)程中各個(gè)點(diǎn)處的流體流的其它狀態(tài)在本發(fā)明的其它地方將作詳細(xì)描述。結(jié)合的流體流C然后被流分離器104分開，以形成具有狀態(tài)A1的主流體流A；以及具有狀態(tài)B1的輔助流體流B。在此描述的各種狀態(tài)是近似狀態(tài)，并且雖然裝置的一部分被設(shè)計(jì)為具由單一的狀態(tài)，但是該狀態(tài)可以具有由于摩擦、局部加熱或者冷卻、流體動(dòng)力等等所引起的在溫度、壓力等上的各種變型。
主流體流A被傳送到主間接換熱器106，在此主流體流A通過(guò)暴露到熱源或者能量源而被蒸發(fā)。熱源或者能量源可以是任何可利用的熱源，例如化石燃料或者氫的燃燒、核反應(yīng)、太陽(yáng)熱、燃料電池、地?zé)崮?、廢熱等等。另外，熱源可以是來(lái)自其它工業(yè)過(guò)程的剩余熱量。這些熱源的非限定性例子是來(lái)自熔爐、化學(xué)處理和精煉系統(tǒng)、烘干系統(tǒng)、磚窯和烤爐、鍋爐、加熱器和爐子、氣體透平等等的熱量。傳送到主流體流之熱量的數(shù)量標(biāo)記為Q106。在圖1中，熱源是通過(guò)燃燒化石燃料所加熱的空氣(煙氣)流，并且通常被表示為字母H。煙氣H以狀態(tài)H1進(jìn)入主間接換熱器106，并且以狀態(tài)H2排出。離開主間接換熱器106的煙氣H可以經(jīng)由煙囪等釋放到大氣中。當(dāng)然，任何類型的熱交換設(shè)備都可以用作本發(fā)明上述描述的主間接換熱器106、或者其它換熱器、冷卻器、冷凝器等等。特定換熱設(shè)備的選擇可以取決于所使用的熱源的類型。例如，在各種實(shí)施例中，熱交換設(shè)備可以是空氣到液體的換熱器、水管鍋爐、爐殼(火管鍋爐)等等。這些設(shè)備的選擇和使用在本領(lǐng)域是眾所周知的。
一旦蒸發(fā)，主流體流A處于狀態(tài)A2。然后，主流體流在主膨脹透平108(優(yōu)選地為渦輪膨脹器)中被膨脹，直到它到達(dá)狀態(tài)A3，由此產(chǎn)生有用能的第一供給量的W108。一旦膨脹，主流體流A被傳送到輔助間接換熱器110，在此主流體流A將熱量增加給輔助流體流B，并且以狀態(tài)A4排出。主流體流與輔助流體流之間的熱量傳遞被標(biāo)記為Q110。最后，主流體流A被排放到蒸汽混和器112，在此它與輔助流體流B相結(jié)合。結(jié)合的主流體流和輔助流體流變成了結(jié)合的流體流C，其處于狀態(tài)C2。
輔助間接換熱器110通過(guò)使用在主流體流A的蒸發(fā)流體離開主膨脹透平機(jī)108之后保留的熱量來(lái)使輔助流體流過(guò)熱。輔助流體流B以狀態(tài)B2進(jìn)入輔助間接換熱器110，并且以狀態(tài)B3離開。具有狀態(tài)B3的輔助流體流B然后被導(dǎo)向第二膨脹透平116，用于產(chǎn)生有用能的第二供給量W116。隨著輔助流體流穿過(guò)輔助膨脹透平機(jī)116，它變化到狀態(tài)B4。然后，輔助流體流B在流混合器112中與主流體流A結(jié)合，以形成結(jié)合的流體流C，正如以上所解釋的。結(jié)合的流體流C然后被導(dǎo)向第三間接換熱器114，在此，結(jié)合的流體流C中的熱量被傳遞到輔助流體流B，使得輔助流體流從狀態(tài)B1變化到狀態(tài)B2狀，以及使得結(jié)合的流體流從狀態(tài)C2變化到狀態(tài)C3。從結(jié)合的流體流轉(zhuǎn)遞到輔助流體流的熱量的數(shù)量被標(biāo)識(shí)為Q114。在離開第三間接換熱器114之后，結(jié)合的流體流C被導(dǎo)向冷凝器118，在此，結(jié)合的流體流C被冷凝成具有狀態(tài)C4的液體。通過(guò)冷凝器118從結(jié)合的流體流C中提取數(shù)量為Q118的熱量，并且該熱量被任何合適的冷卻介質(zhì)所吸收，例如水或者空氣。一旦結(jié)合的流體流C的流體被冷凝成液體狀態(tài)，它被導(dǎo)向高壓泵102，以重新開始循環(huán)。泵101需要一特定數(shù)量的功率P102，以將結(jié)合的流體流加壓到期望狀態(tài)C1。
主膨脹透平108和輔助膨脹透平116可以使用任何速度改變裝置串聯(lián)或者并聯(lián)到能量產(chǎn)生設(shè)備上，以產(chǎn)生機(jī)械或者電能?？商鎿Q地，膨脹透平的一個(gè)或者兩者都可以連接到壓縮機(jī)、泵、發(fā)電機(jī)、或者其它可以用于提供附加有用能或者工的設(shè)備上。而且，圖1中的CCLC可以在基本原理內(nèi)被修改，以包括附加的換熱器、冷凝器、泵、或者膨脹透平。泵、流分離器、換熱器、膨脹透平、渦輪膨脹器、冷凝器以及等效的或者可替換的其它設(shè)備是本領(lǐng)域眾所周知的。而且，用于連接這些設(shè)備的技術(shù)和設(shè)備也是眾所周知的。
現(xiàn)在參考圖2，進(jìn)一步解釋本發(fā)明級(jí)聯(lián)閉環(huán)循環(huán)，其中圖2是用于CCLV發(fā)電循環(huán)的Mollier(例如壓力vs焓)圖。在圖2中，壓力由垂直坐標(biāo)軸250表示，焓(例如每英磅的BTU)由水平坐標(biāo)軸252表示，并且描述了多條等溫線254，以及工作流體的飽和曲線256。優(yōu)選地，在圖2實(shí)施例中的工作流體是丙烷。同樣在圖2中，圖1中的結(jié)合的流體流C被描述為雙線，主流體流A被描述為單線A，以及輔助流體流被描述為虛線B。為了清楚起見，在一些位置上，已經(jīng)將表示流體流的線條分開，以便它們被清楚地相互辨識(shí)。同樣為了清楚起見，在圖2上的每個(gè)點(diǎn)示意性地表示上述參考圖1所描述的一個(gè)或者多個(gè)狀態(tài)(例如狀態(tài)C1、狀態(tài)C2、狀態(tài)A1、狀態(tài)B1等等)的溫度和壓力。為了清楚起見，使用了多個(gè)單點(diǎn)，但是本領(lǐng)域所屬技術(shù)人員將很容易意識(shí)到在實(shí)際情況中，由每個(gè)點(diǎn)表示的各種狀態(tài)可以彼此區(qū)分開。
為了方便討論起見，圖2的CCLC在點(diǎn)201(對(duì)應(yīng)于狀態(tài)A1、B1和C1)開始，在該點(diǎn)處，結(jié)合的流體流C已經(jīng)被高壓泵102加壓，并且被分成分開的流。狀態(tài)C1、A1和B1大致是相同的，不同之處也是由于泵壓損失、摩擦等等所引起的。從點(diǎn)201開始，第一流體流A和第二流體流B沿著分開的路徑前進(jìn)。第一流體流A通過(guò)從主間接換熱器106中的煙氣H中吸收熱量而以大約恒定的壓力加熱到點(diǎn)202(狀態(tài)A2)。第一流體流A然后在主膨脹透平108中基本上沿著等熵線(未顯示)膨脹，直到其到達(dá)點(diǎn)203(狀態(tài)A4)。接著，第一流體流A通過(guò)在主間接換熱器110中將熱量釋放給輔助流體流B來(lái)在大致恒定壓力下被冷卻到點(diǎn)204(狀態(tài)A4)。在這個(gè)點(diǎn)，主流體流A與輔助流體流B混合，再次變?yōu)榻Y(jié)合的流體流C。
第二流體流B同樣在點(diǎn)201開始(表示狀態(tài)B1)，以及通過(guò)第三間接換熱器114從結(jié)合的流體流C吸收熱量來(lái)在大致恒壓下被加熱到點(diǎn)205(狀態(tài)B2)。接著，輔助流體流B通過(guò)在輔助間接換熱器110中從主流體流A吸收熱量而在大致恒壓下被加熱到點(diǎn)206(狀態(tài)B3)。輔助流體流B然后在輔助膨脹透平116中基本上沿著等熵線(未顯示)膨脹，直到其到達(dá)點(diǎn)204(狀態(tài)B4)，在此與主流體流A混合，以形成結(jié)合的流體流C。
一旦結(jié)合，結(jié)合的流體流C通過(guò)在第三間接換熱器114中將熱量釋放給輔助流體流B而在大致恒壓下被冷卻到點(diǎn)207(狀態(tài)C3)，正如以上所強(qiáng)調(diào)的。組合的流體流C然后被冷卻器118更進(jìn)一步冷卻，直到其到達(dá)點(diǎn)208(狀態(tài)C4)。再次，在相對(duì)恒壓下，進(jìn)行從點(diǎn)207到點(diǎn)208的冷卻。在組合的流體流被冷卻到液體狀態(tài)之后，高壓泵102在相對(duì)恒壓下將加壓到點(diǎn)201(狀態(tài)C1)，使得重新開始循環(huán)。
通過(guò)仔細(xì)地選擇和控制所述流體流的各種狀態(tài)，當(dāng)與傳統(tǒng)的蒸汽發(fā)電系統(tǒng)相比較時(shí)，本發(fā)明可以用來(lái)提供極其有效率的發(fā)電。表1提供了用于圖1中標(biāo)識(shí)的各種狀態(tài)之優(yōu)選實(shí)施例的近似值，以及與優(yōu)選實(shí)施例之操作相關(guān)的其它數(shù)據(jù)。表1的工作流是丙烷。雖然表1中以及本說(shuō)明書的其它地方提供的數(shù)據(jù)表示本發(fā)明的某些優(yōu)選實(shí)施例，但是應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)這些值可以進(jìn)行明顯地改變或者修改，用于特定的操作系統(tǒng)或操作需求，而沒(méi)有背離本發(fā)明的范圍和精神。
表1CCLC(圖1)表1中提供的CCLC之實(shí)施例的效率是按照凈功率(W108+W116-P102)除以從熱源進(jìn)入所述系統(tǒng)的熱量的數(shù)量(Q106)來(lái)計(jì)算的。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的效率大大超過(guò)了傳統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)的效率。較大的效率可以被用于增加功率輸出或者減小資源消耗，以及能夠以容易地用于以減小排放(在污染物數(shù)量和由高溫廢氣引起的熱污染上)和增加資源儲(chǔ)備的形式提供明顯的環(huán)境益處。提高的效率的其它益處太多以至于不能完全列舉，但是可以被本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所理解。在優(yōu)選實(shí)施里中，CCLC的效率至少是大約17％，以及更優(yōu)選地，至少大約20％。此外，如在表1中可以看到的，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的效率是接近于22％。這個(gè)效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于通過(guò)相對(duì)成本高的并且復(fù)雜的現(xiàn)有技術(shù)蒸汽發(fā)電系統(tǒng)得到的效率。圖3中提供了這種蒸汽發(fā)電系統(tǒng)的一個(gè)例子。
在圖3的現(xiàn)有技術(shù)蒸汽系統(tǒng)300中，水流體流(通常是由字母S表示)是經(jīng)由系統(tǒng)300進(jìn)行循環(huán)的。泵202將水流體流加壓到狀態(tài)S1。泵202需要一定數(shù)量的功率P202，對(duì)水進(jìn)行加壓，加壓的水然后通過(guò)煙氣220或其它傳統(tǒng)的熱源在間接換熱器204中被加熱并且蒸發(fā)為具有狀態(tài)S2的蒸汽。煙氣220以狀態(tài)H1進(jìn)入間接換熱器，并且以狀態(tài)H2離開，將Q204數(shù)量的熱量給予水流體流S。蒸汽然后被導(dǎo)向到膨脹透平206，在此它膨脹到狀態(tài)S3，由此產(chǎn)生有用能的供應(yīng)量W206。蒸汽在冷凝器208或其它類型的冷卻器中進(jìn)行冷卻，直到其變?yōu)榫哂袪顟B(tài)S4的液體。在這個(gè)冷卻期間，必須從蒸汽中移去Q208數(shù)量的熱量，使得其冷凝為液體。表2顯示了用于圖3現(xiàn)有蒸汽系統(tǒng)300的各種狀態(tài)和其它變量的近似值。
表2蒸汽循環(huán)(圖3)(現(xiàn)有技術(shù))如表2中所顯示的，傳統(tǒng)的蒸汽循環(huán)接收與圖1和2以及表1中描述的CCLC相同的熱量輸入—兩個(gè)系統(tǒng)接收在750F和24.7psia下833300lb/hr的煙氣供給量作為熱源。然而，與對(duì)于CCLC的21.9％的效率相比，傳統(tǒng)的蒸汽循環(huán)的效率((W206-P102)/Q204)為16.0％。這樣，CCLC在傳統(tǒng)的蒸汽系統(tǒng)上提供大約33％的效率增長(zhǎng)。盡管由于液體丙烷或等效的輕烴的微小的可壓縮屬性，CCLC需要附加的加壓能量，但是它提供更高的效率。
本發(fā)明能夠提供這種效率上明顯的增加，部分是因?yàn)樗帽榛蜉p烴而不是水作為工作流體來(lái)操作。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，丙烷具有某些屬性，當(dāng)它用在發(fā)電循環(huán)中時(shí)可提供比水更多的優(yōu)勢(shì)。在任何發(fā)電循環(huán)中，工作流體(通常為水)當(dāng)在液體狀態(tài)時(shí)必須被加壓，加熱使其變?yōu)闅怏w，進(jìn)一步加熱來(lái)傳給氣體更多的能量，使得膨脹(減壓)來(lái)獲得有用能，并且冷卻成流態(tài)以用泵加壓而返回循環(huán)。正如在本說(shuō)明書中所強(qiáng)調(diào)的，將流體從液態(tài)變成氣態(tài)所需要的能量的基本上都損失了，而沒(méi)有轉(zhuǎn)化成有用的能量。有利的是，丙烷具有相對(duì)低的蒸發(fā)潛熱(大約是水的蒸發(fā)潛伏熱的1/7)，所以將流態(tài)丙烷變?yōu)闅鈶B(tài)丙烷需要很少的能量。與傳統(tǒng)的基于蒸汽的電力系統(tǒng)相比，這提供了更多的能量節(jié)省。
本發(fā)明也具有導(dǎo)致獲得相對(duì)高效率的其它特征。例如，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過(guò)將丙烷維持在大約200psia的最小壓力，丙烷實(shí)際上可以使用在高溫發(fā)電系統(tǒng)中。這是丙烷在室溫下冷凝的近似壓力(例如，丙烷的蒸發(fā)壓力)。通過(guò)將最小壓力維持在或低于工作流體的蒸發(fā)壓力，系統(tǒng)在常用氣候條件下操作，而不需要主動(dòng)冷卻(例如，制冷)來(lái)將工作流體冷凝成液態(tài)。實(shí)際上，將最小壓力建立在大約給定環(huán)境溫度下工作流體的蒸發(fā)壓力下就足夠了?？梢栽试S在該壓力上的一些變化，以適應(yīng)環(huán)境溫度之期望的或未預(yù)料到的波動(dòng)，使得最大化系統(tǒng)的總體效率，或者是由于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所可以理解到的其它原因。優(yōu)選地，也可以調(diào)節(jié)丙烷得最大壓力?？梢岳脕?lái)自熱源的可利用能量和將流體加壓到特定壓力所需要的功率來(lái)改變離開泵的丙烷的壓力，以優(yōu)化渦輪膨脹器的膨脹率。在優(yōu)選的實(shí)施例中，丙烷的最大壓力是大約300psia到大約1000psia，盡管根據(jù)情況可以使用其它的壓力。本領(lǐng)域技術(shù)人員都能夠優(yōu)化丙烷壓力，以達(dá)到這個(gè)或其它目的。
通過(guò)丙烷比水具有更低的蒸發(fā)壓力所提供的丙烷的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)屬性在于可以使丙烷過(guò)熱(例如可以回收更多的熱量)，以產(chǎn)生更多額外能量，用于在100°F到1000°F的范圍內(nèi)在渦輪機(jī)中膨脹。的確，丙烷可以在接近正常溫度的溫度下回收可利用的熱量，以便允許使用CCLC來(lái)從低溫?zé)嵩窗l(fā)電。同樣地，本發(fā)明的CCLC可以用來(lái)代替蒸汽系統(tǒng)或者其它高溫系統(tǒng)，或者代替低溫ORC系統(tǒng)。
本發(fā)明的高效率也是部分地通過(guò)獨(dú)特的級(jí)聯(lián)透平配置來(lái)提供的，其中通過(guò)從一個(gè)流體流到下一個(gè)流體的熱源所獲得“級(jí)聯(lián)”能，可以操作連續(xù)的透平。更近一步，部分地通過(guò)獨(dú)特的第三間接換熱器配置對(duì)輔助流體流進(jìn)行預(yù)熱來(lái)提供本發(fā)明的高效率，以提供更多的效率增加。
除了增加的效率之外，與傳統(tǒng)的蒸汽系統(tǒng)相比，CCLV提供了附加的性能優(yōu)勢(shì)。例如，CCLC的效率不會(huì)受到高度和熱源的壓力變化(假設(shè)熱源具有足夠的溫度來(lái)蒸發(fā)丙烷)的不利影響，因?yàn)楣ぷ髁黧w是被密封在自己的環(huán)境中。當(dāng)然，給CCLC提供動(dòng)力的熱源可能受到高度的不利影響，導(dǎo)致功率輸出的相應(yīng)減小—然而，CCLC的效率將基本上保持相同。
另外，隨著環(huán)境溫度的降低，CCLC的功率輸出增加，這是因?yàn)殡S著環(huán)境溫度的降低，冷凝開始的壓力也降低。同樣地，當(dāng)在更冷的環(huán)境下操作時(shí)，可以降低丙烷壓力的下限，同時(shí)將丙烷的其余壓力保持在同樣的水平。一旦這樣做，丙烷的壓力差就增大，并且可以增大渦輪膨脹器的膨脹率，從而利用在該較寬的壓力范圍上額外數(shù)量的可用能。這個(gè)優(yōu)勢(shì)也可以通過(guò)利用比環(huán)境空氣更冷的冷凝介質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，如果使用冷水(例如，40華氏度)作為冷卻介質(zhì)以將丙烷冷凝成液態(tài)，可以修改系統(tǒng)，以在較低背壓下操作渦輪膨脹器，使得利用丙烷在相對(duì)較低的壓力下冷凝的事實(shí)。相反，傳統(tǒng)的蒸汽系統(tǒng)很大程度上不受溫度約束的。這個(gè)特征使得CCLC系統(tǒng)更加適合在較冷的氣候中使用。盡管可以意識(shí)到當(dāng)本發(fā)明在寬的環(huán)境溫度范圍內(nèi)沒(méi)有實(shí)質(zhì)修改而使用時(shí)將是高效的，但是優(yōu)選地，修改丙烷(或者其它介質(zhì))的最小壓力使得近似等于或低于在發(fā)電設(shè)備的特定環(huán)境溫度下的丙烷蒸發(fā)壓力。優(yōu)選地，環(huán)境溫度在-50華氏度到160華氏度之間，并且最小壓力可在25psia到300psia調(diào)節(jié)。當(dāng)然，這些范圍限制并不是限定性的，并且可以容易地對(duì)本發(fā)明進(jìn)行變修改，以具有低于或者高于這些范圍，來(lái)利用系統(tǒng)所期望的特定的操作條件。
本發(fā)明的CCLC還提供其它優(yōu)勢(shì)。例如，本發(fā)明的CCLC系統(tǒng)的建造成本可以等于或者低于傳統(tǒng)的蒸汽發(fā)電系統(tǒng)的建造成本。這是因?yàn)楸榭梢岳孟鄬?duì)便宜的渦輪膨脹器進(jìn)行膨脹，而不是昂貴的蒸汽透平。然而，即使CCLC的構(gòu)造成本高于傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)的構(gòu)造成本，CCLC的較高的效率也使得任何額外的成本都通過(guò)低的操作成本和/或高的功率輸出而被補(bǔ)償?？梢杂糜诒景l(fā)明的常用渦輪膨脹器包括從GE Power System、ABB Alstom、Atlas Copco、Mafi Trench以及GHH-Borsig商業(yè)上可獲得的那些渦輪膨脹器。渦輪膨脹器可以具有任意設(shè)計(jì)，并且在一個(gè)實(shí)施例中，渦輪膨脹器是離心型膨脹器。
CCLC也提供更多維修上的好處。傳統(tǒng)的蒸汽系統(tǒng)需要周期性清洗以及化學(xué)處理，以防止或減少由水中的礦物質(zhì)引起的水垢累積。蒸汽系統(tǒng)也可以運(yùn)轉(zhuǎn)，使得蒸汽獲得相對(duì)于空氣的負(fù)真空，其允許空氣或其它污染物進(jìn)入系統(tǒng)，減小了效率。在常用的蒸汽系統(tǒng)中，水必須抽完以移去污染物，并且定期替換以維護(hù)系統(tǒng)。這導(dǎo)致了珍貴水資源的極大消耗。相反，丙烷CCLC系統(tǒng)可以密封相對(duì)較純的丙烷，需要很少的清洗或維修。更進(jìn)一步，CCLC操作在低于蒸汽系統(tǒng)廢熱排放溫度(例如，狀態(tài)S3的溫度)的廢熱排放溫度(例如，狀態(tài)C3的溫度)下，這允許CCLC通過(guò)例如湖水和河水等自然水資源來(lái)冷卻，同時(shí)將所產(chǎn)生的熱污染最小化。CCLC也可以完全在大氣壓之上進(jìn)行操作，消除了污染物漏進(jìn)系統(tǒng)的可能性，以及消除了消耗水資源來(lái)維持系統(tǒng)的需要。CCLC也可以操作在與傳統(tǒng)的系統(tǒng)相同的氣壓范圍，以及因此可以利用傳統(tǒng)的構(gòu)造技術(shù)以及管道技術(shù)進(jìn)行制造。
在另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明可以與傳統(tǒng)的蒸汽系統(tǒng)以及任何其它熱源結(jié)合進(jìn)行使用。在這個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明包括用于將廢熱轉(zhuǎn)化成可用電力的超級(jí)級(jí)聯(lián)閉環(huán)循環(huán)(Super-CCLC)。在一個(gè)實(shí)施例中，只要這些廢熱資源的溫度高的足以蒸發(fā)丙烷，超級(jí)CCLC系統(tǒng)在級(jí)聯(lián)膨脹透平配置中利用丙烷或等效的輕烴介質(zhì)通過(guò)把來(lái)自鍋爐排放的廢熱以及來(lái)自冷凝處理的廢熱轉(zhuǎn)化成可用的輸出來(lái)發(fā)電。本發(fā)明是由一個(gè)或多個(gè)間接換熱器、膨脹透平、流混合器、冷凝單元、泵、以及與蒸汽鍋爐和蒸汽透平結(jié)合使用的流分離器組成的。如果蒸汽透平是真空設(shè)計(jì)，蒸汽透平優(yōu)選地被修改為作為背壓式蒸汽透平來(lái)操作，背壓控制在大約25psia，同時(shí)真空冷凝系統(tǒng)被修改、去除以及旁路?？梢栽O(shè)置丙烷到蒸汽的轉(zhuǎn)換器來(lái)代替真空冷凝器，使得在蒸汽被冷凝成水時(shí)吸收蒸汽中的蒸發(fā)潛熱。
來(lái)自蒸汽鍋爐的空氣排放被導(dǎo)向氣體到丙烷的換熱器，以及來(lái)自蒸汽透平的排出被導(dǎo)向蒸氣到丙烷的冷凝器。離開蒸汽鍋爐的廢熱使已經(jīng)利用一個(gè)或多個(gè)泵加壓的丙烷蒸發(fā)。來(lái)自蒸汽透平排氣的熱量使已經(jīng)利用一個(gè)或多個(gè)泵加壓的流體丙烷流蒸發(fā)。加壓的流體丙烷流在多個(gè)間接換熱器中蒸發(fā)，以及在多個(gè)渦輪膨脹器中膨脹。利用丙烷到丙烷的換熱器，來(lái)自渦輪膨脹器的排放熱量可以被用于回收附加的熱量。渦輪膨脹器可以被串聯(lián)或者并聯(lián)到多個(gè)發(fā)電設(shè)備，例如發(fā)電機(jī)、泵或者利用任何速度改變裝置的壓縮機(jī)。例如發(fā)電機(jī)的發(fā)電設(shè)備以及用于將它們連接到在渦輪膨脹器、渦輪機(jī)等上的設(shè)備是本技術(shù)領(lǐng)域眾所周知的。
圖4示意性地描述了Super-CCLC系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例。圖4的Super-CCLC系統(tǒng)400包括蒸氣回路，通過(guò)雙線顯示并且通常由字母S表示，以及多回路CCLC系統(tǒng)，通過(guò)單線顯示并且通常由字母A到E表示。盡管圖4的Super-CCLC 400顯示與一個(gè)蒸汽回路一起操作，本發(fā)明的Super-CCLC配置也可以與其它類型的發(fā)電系統(tǒng)以及熱源一起操作。實(shí)際上，Super-CCLC的各種實(shí)施例可以用于從由許多設(shè)備和系統(tǒng)產(chǎn)生的廢熱來(lái)發(fā)電，包括以上描述的那些熱源，或者其它類型的熱源。此外，本發(fā)明的Super-CCLC(或者CCLC)的實(shí)施例可以做成不同的尺寸，以及可以大到足以提供用于公用設(shè)施的充足發(fā)電，或者緊湊的足以用作便攜式發(fā)電機(jī)或者給汽車、卡車、火車、輪船、飛行器等提供動(dòng)力和/或輔助電力。
當(dāng)水泵402將水流S加壓到狀態(tài)S1時(shí)，圖4的蒸汽回路的操作開始。水泵402需要特定量的功率P402來(lái)加壓水流S。加壓的水流S在鍋爐404中由熱源從狀態(tài)S1加熱到狀態(tài)S2，熱源例如為煙氣(通常由字母H表示)，其以狀態(tài)H1進(jìn)入鍋爐，以及以狀態(tài)H2離開鍋爐。由水流吸收的熱量的數(shù)量在此表示為Q404。作為狀態(tài)S2下過(guò)熱蒸汽的水流S然后被導(dǎo)向蒸汽透平406，在此水流S被膨脹到狀態(tài)S3，在該過(guò)程中產(chǎn)生一數(shù)量的有用能W406。水流S然后通過(guò)第一間接換熱器408，在此熱量Q408被傳遞給Super-CCLC系統(tǒng)400之CCLC部分的第一回路流C(正如以下所描述的那樣)。優(yōu)選地，在第一間接換熱器中水流S傳遞出的熱量促使水流S部分地或者全部地從氣態(tài)(狀態(tài)S3)冷凝到狀態(tài)S4的液態(tài)，但是也可以使用很少數(shù)量的熱傳遞?？梢栽诘谝婚g接熱交換器之后提供附加的冷凝器(沒(méi)有示出)，以給水流S提供附加的冷卻，來(lái)更充分地將其冷凝成液體。在這點(diǎn)上，水流S被導(dǎo)向返回到水泵402，以重新開始循環(huán)。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，蒸汽回路可以設(shè)置一旁路系統(tǒng)，該旁路系統(tǒng)允許其如傳統(tǒng)的蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)一樣進(jìn)行操作。這可以所期望的，例如，當(dāng)期望更新、修改、或者維修系統(tǒng)的CCLC部分時(shí)。在這樣的實(shí)施例中，可以設(shè)置一個(gè)或多個(gè)旁路閥門434，以使水流改向通過(guò)冷凝器408′，而不是第一間接換熱器408，以及然后到水泵402，以重新開始循環(huán)。在這樣的實(shí)施例中，冷凝器408′從水中提取熱量Q408′，以使得它處于狀態(tài)S4′。當(dāng)然，可以設(shè)置其它閥門(未顯示)，以完全改變水流S的路徑，正如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所意識(shí)到的。這個(gè)旁路通道也可以用在CCLC啟動(dòng)期間。
Super-CCLC系統(tǒng)400的多回路CCLC部分包括來(lái)源于主結(jié)合流體流A或多個(gè)結(jié)合流體流的三個(gè)回路，在優(yōu)選實(shí)施例中，包括流體流的操作流體是丙烷或者其它輕烴。主結(jié)合流體流A被分成輔助結(jié)合流體流B和第一回路流C。輔助結(jié)合流體流B按次序被分解成第二回路流D和第三回路流E。有用能是從第一、第二以及第三回路流(C、D以及E)中提取的，以及然后它們重新結(jié)合，以再次形成主結(jié)合流體流A，并且重新開始循環(huán)。盡管當(dāng)它們結(jié)合時(shí)優(yōu)選地對(duì)回路流中的流體進(jìn)行混合，但是也意識(shí)到回路流(或本發(fā)明的任何其它實(shí)施例的各種流)可以替代為總是相互隔離的，在那種情況下將需要對(duì)每一個(gè)流體流單獨(dú)的泵?，F(xiàn)在更詳細(xì)的描述第一、第二以及第三回路流產(chǎn)生有用能的過(guò)程。
第一回路流C在狀態(tài)C1開始，在此點(diǎn)它優(yōu)選地為液體。第一回路流C通過(guò)第一高壓泵414被壓縮到狀態(tài)C2。這個(gè)壓縮過(guò)程需要一特定量的工輸入P404。第一回路流C然后被導(dǎo)向第一間接換熱器408，在此它吸收Q408數(shù)量的能量，以及變成狀態(tài)C3為的蒸汽。第一回路流C然后進(jìn)入渦輪膨脹器416，在此它膨脹到狀態(tài)C4。以及驅(qū)動(dòng)渦輪膨脹器416，以產(chǎn)生有用能W416。膨脹的第一回路流C然后在流混合器418中與第二和第三回路流(D和E)混合，以形成主結(jié)合的流體流A，正如以下所述，第二和第三回路流(D和E)每一個(gè)都是在它的各自得循環(huán)結(jié)束。正如從圖4中可以看到的，第一回路流C主要接收來(lái)自流回路S的廢熱Q408的熱量。通常這個(gè)熱量完全損失，而沒(méi)有產(chǎn)生任何有用功，但是通過(guò)超級(jí)CCLC，它部分被轉(zhuǎn)換成有用能，由此提高了為改進(jìn)系統(tǒng)的效率。
在圖4的實(shí)施例中，輔助結(jié)合的流體流B通過(guò)第二高壓泵420從狀態(tài)B1被加壓到狀態(tài)B2。這個(gè)過(guò)程需要一特定量的功輸入P420。在加壓之后，輔助結(jié)合流體流B通過(guò)第二流分離器422被分成第二回路流D和第三回路流E。利用描述的配置，可以使用單個(gè)泵對(duì)第二和第三回路流加壓。在其它實(shí)施例中，第二和第三回路流可以分別被加壓，或者第一、第二以及第三回路流在被分成各自的回路流之前可以通過(guò)單個(gè)或一組泵進(jìn)行加壓，當(dāng)然，也可以使用其它的泵配置。理論上，選擇泵配置，使對(duì)流體加壓所需要的功數(shù)量最小，以及減小整個(gè)系統(tǒng)的成本。泵配置可以基于這些因素如流的期望流率、各種功率泵的加壓效率、以及各種功率泵的成本。泵配置也可能受到各種回路流之期望壓力的影響，具有相同或類似期望壓力的流通過(guò)相同的泵或一組泵被加壓。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將能夠?qū)Ρ景l(fā)明制各種實(shí)施例的執(zhí)行這種優(yōu)化，而不需要非常規(guī)的試驗(yàn)。
第二回路流D在狀態(tài)D1開始，優(yōu)選地為加壓的流體，正如它從流分離器422流出的那樣。如圖4中顯示的，第二回路流D被離開流回路鍋爐404的煙氣H(或者任何其它熱源)加熱。正如先前所描述的，在現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)中，煙氣排氣通常被損失掉了，而沒(méi)有從它得到任何實(shí)質(zhì)的益處。然而，在超級(jí)CCLC中，可以使用一個(gè)或多個(gè)換熱器，以將熱量從煙氣H傳遞到第二回路流D。在圖4的實(shí)施例中，使用了兩個(gè)換熱器，第二回路流D在第二間接換熱器中被預(yù)熱，在此隨著它從煙氣H吸收Q428數(shù)量的熱量它從狀態(tài)D1變?yōu)镈2。這個(gè)熱傳遞將煙氣H從狀態(tài)H3冷卻到狀態(tài)H4。第二回路流D進(jìn)一步被第三間接換熱器中的煙氣H加熱，在此它接收Q430數(shù)量的熱量，以及以狀態(tài)D3離開。這個(gè)熱傳遞將煙氣H從狀態(tài)H2冷卻到狀態(tài)H3。接著，第二回路流D被導(dǎo)向渦輪膨脹器432，在此它膨脹到狀態(tài)D4，由此產(chǎn)生有用能W432.。膨脹的第二回路流D然后穿過(guò)第四間接換熱器424，在此它將熱量傳遞到第三回路流E，以及由此從狀態(tài)D4被冷卻到狀態(tài)D5。最后，第二回路流D在流混合器418中與第一和第三回路流(C和E)混合。
第三回路流E在狀態(tài)E1從流分離器422中流出。第三回路流E通過(guò)第四間接換熱器424，在此它從第二回路流D吸收Q424數(shù)量的熱量。這個(gè)熱交換使第三回路流E蒸發(fā)，將其處于狀態(tài)E2。一旦蒸發(fā)，第三回路流E被導(dǎo)向第三渦輪膨脹器426，在此它膨脹到狀態(tài)E3，由此產(chǎn)生有用能W426。最后，第三回路流E在流混合器418中與第一和第二回路流(C和D)混合。
如圖4中顯示的，第一、第二以及第三回路流(C、D以及E)在它們各自得狀態(tài)(狀態(tài)C4、D5以及E3)處被結(jié)合，以形成主結(jié)合流體流A，其與在狀態(tài)A1相當(dāng)。主結(jié)合流體流A通過(guò)冷卻器410，以將Q410數(shù)量的熱量釋放到任何合適的冷卻介質(zhì)，使得主結(jié)合的流體流A變?yōu)闋顟B(tài)A2。狀態(tài)A2優(yōu)選地為液體狀態(tài)，以易于用泵加壓。在冷卻器410中被冷卻之后，主結(jié)合流體流A在第一流分離器412中被分成輔助結(jié)合流體流B，其處于狀態(tài)B1；以及第一回路流C，其處于狀態(tài)C1。從這里，處理重新開始。正如以前描述的，本發(fā)明可以使用各種不同的泵配置，以及可以使用流分離器的其它配置，以滿足這些不同的泵配置。
一個(gè)或多個(gè)渦輪膨脹器416、426、432以及流透平406可以被串聯(lián)或并聯(lián)到多個(gè)發(fā)電設(shè)備，例如發(fā)電機(jī)，泵或利用任何變速裝置的壓縮機(jī)。例如發(fā)電機(jī)的發(fā)電設(shè)備以及用于將它們連接到渦輪膨脹器、透平等上的設(shè)備在本領(lǐng)域是眾所周知的。
現(xiàn)在參考圖5和6，更詳細(xì)的描述Super-CCLC過(guò)程。圖5和6分別是Super-CCLC的蒸汽和CCLC部分的Mollier圖。在圖5中，壓力由垂直座標(biāo)軸550表示，焓由水平座標(biāo)軸552表示，以及描述了多條等溫線554和水的飽和曲線556。同樣地，在圖6中，壓力由垂直座標(biāo)軸650表示，焓由水平座標(biāo)軸652表示，以及描述了多條等溫線654和丙烷的飽和曲線656。在圖5中，圖4的水流S被描述為線條S。在圖6中，圖4的主結(jié)合流體流A被描述為三重線A，輔助結(jié)合流體流B被描述為雙虛線B，第一回路流被描述為實(shí)線C，第二回路流D被描述為虛線D，以及第三回路流E被描述為折虛線E。為了簡(jiǎn)潔，表示流體流的線已經(jīng)在有些地方分離，以清楚的相互區(qū)別。同樣為了簡(jiǎn)潔，圖5和6上的每一個(gè)點(diǎn)象征性地表示以上通過(guò)參考圖4描述的一個(gè)或多個(gè)狀態(tài)(例如狀態(tài)A1、狀態(tài)A2、等)的溫度和壓力。盡管為了簡(jiǎn)潔而可以在圖中使用單個(gè)點(diǎn)，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將容易地意識(shí)到由每一個(gè)點(diǎn)表示的各種狀態(tài)實(shí)際上是相互隔開的。
為了方便討論起見，圖4的Super-CCLC過(guò)程在點(diǎn)501開始，(相應(yīng)于狀態(tài)A1、B1以及C1)，在此點(diǎn)，水流S已經(jīng)通過(guò)水泵402被加壓到狀態(tài)S1。水流S在接近常壓下通過(guò)吸收來(lái)自鍋爐404中的煙氣H的熱量Q404被加熱到點(diǎn)502(狀態(tài)S2)。從這里，水流S在蒸汽透平406中基本上沿等熵線(未顯示)膨脹到點(diǎn)503(狀態(tài)S3)，以產(chǎn)生有用能W406。水流S然后在相對(duì)恒壓下冷卻到點(diǎn)504(狀態(tài)S4)，在這個(gè)時(shí)間期間，水流從氣態(tài)被冷凝為液態(tài)。在這個(gè)冷卻步驟期間，通過(guò)將熱焓(熱量)從水流S傳遞到系統(tǒng)的CCLC部分之第一回路流，減小了水流S的熱焓，正如圖4所顯示的。一旦冷卻，水泵402在相對(duì)恒壓下將水流加壓到點(diǎn)501(狀態(tài)S1)，以重新開始循環(huán)。圖5中顯示的蒸汽循環(huán)類似于傳統(tǒng)的蒸汽發(fā)電系統(tǒng)的蒸汽循環(huán)，主要不同的是，在從點(diǎn)503冷卻到點(diǎn)504期間從水流S中提取熱量Q408的介質(zhì)。
為了方便討論起見，Super-CCLC的CCLC部分在點(diǎn)601開始，(相應(yīng)于狀態(tài)A2、B1以及C1)，在此主結(jié)合流體流A開始分為輔助結(jié)合流體流B和第一回路流C，并且流體流所有都是液體狀態(tài)。第一高壓泵414在相對(duì)恒壓下將第一回路流C壓縮到點(diǎn)602(狀態(tài)C2)。第一回路流C然后在接近恒壓下通過(guò)吸收來(lái)自第一間接換熱器408的熱量Q408被加熱并且蒸發(fā)到點(diǎn)603(狀態(tài)C3)。一旦蒸發(fā)，第一回路流C在渦輪膨脹器416中沿著等熵線(未顯示)膨脹到點(diǎn)604(狀態(tài)C4)，由此產(chǎn)生有用能W416。從點(diǎn)604，第一回路流C與其它回路流混合，以在點(diǎn)605(狀態(tài)A1)形成主結(jié)合流體流A。
同時(shí)，第二高壓泵420在相對(duì)恒壓下將輔助結(jié)合流體流B壓縮到點(diǎn)606(相應(yīng)于狀態(tài)B2、D1以及E1)。在點(diǎn)606，輔助結(jié)合流體流B分為第二回路流D和第三回路流E，分別在狀態(tài)D1和E1。從這里，第二和第三回路流(D和E)沿著分開的路徑前進(jìn)。第二回路流D首先在接近恒壓下通過(guò)第二間接換熱器428中的煙氣H被加熱到點(diǎn)607(狀態(tài)D2)。第二回路流D然后在接近恒壓下通過(guò)第三間接換熱器430中的煙氣H進(jìn)一步被加熱成點(diǎn)608(狀態(tài)D3)的蒸汽。接著，第二回路流D在第二渦輪膨脹器432中基本上沿等熵線(未顯示)膨脹，直到它到達(dá)點(diǎn)609(狀態(tài)D4)，由此產(chǎn)生有用能W432。正如從圖6可以看到的，在點(diǎn)609，第二回路流D維持較大數(shù)量的內(nèi)能，正如通過(guò)它相對(duì)較高的熱焓值所顯示的。這個(gè)能量在第四間接換熱器中被釋放到第三回路流E，由此在相對(duì)恒壓下將第二回路流D冷卻到點(diǎn)610(狀態(tài)D5)。從這里，第二回路流D與其它回路流混合，以在點(diǎn)605(狀態(tài)A1)形成主結(jié)合的流體流A。
從點(diǎn)606開始，第三回路流E在接近恒壓下通過(guò)第四間接換熱器424中的第二回路流D被加熱，直到第三回路流E到達(dá)點(diǎn)611(狀態(tài)E2)，在此點(diǎn)它是蒸汽。從這里，第三回路流E在第三渦輪膨脹器426中基本上沿等熵線(未顯示)膨脹，以產(chǎn)生有用能W426。第三回路流E在點(diǎn)612(狀態(tài)E3)離開第三渦輪膨脹器426，以及然后與其它回路流混合，以在點(diǎn)605(狀態(tài)A1)形成主結(jié)合的流體流A。
在三個(gè)回路流在點(diǎn)605(狀態(tài)A1)結(jié)合形成主結(jié)合流體流A之后，主流體流在冷卻器410中在相對(duì)常壓下被冷卻，直到在點(diǎn)601(狀態(tài)A2)完全被液化，在此重新開始循環(huán)。
通過(guò)仔細(xì)的選擇以及控制流體流的各種狀態(tài)，本發(fā)明可以用于增加任何傳統(tǒng)的動(dòng)力系統(tǒng)(包括核、蒸汽或其他動(dòng)力系統(tǒng))或它的變型的效率。表3提供了用于圖4-6中表示的各種狀態(tài)的優(yōu)選實(shí)施例的近似值，以及與優(yōu)選實(shí)施例之操作相關(guān)的其它數(shù)據(jù)。這個(gè)實(shí)施例中的工作流體是丙烷。通過(guò)表1中提供的數(shù)據(jù)，這些值可以根據(jù)特定操作環(huán)境或需求或由于其它原因而行實(shí)質(zhì)性地改變，并且任何這種變化都在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
表3超級(jí)CCLC-CCLC(圖4)表3中提供的Super-CCLC的實(shí)施例的效率是以凈功率(W406+W416+W426+W432-P402-P414-P420)除以從熱源(Q404)進(jìn)入蒸汽系統(tǒng)得熱量的量來(lái)計(jì)算的。在優(yōu)選實(shí)施例中，超級(jí)CCLC的效率至少大于25％，以及更優(yōu)選地大約33.5％，如果系統(tǒng)作為常規(guī)的蒸汽發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行操作，其比現(xiàn)有系統(tǒng)的效率增加了大約100％。在有些情況下，將CCLC部分增加到蒸汽系統(tǒng)可以減小由蒸汽透平406產(chǎn)生的功率，但是這種功率損失通過(guò)由渦輪膨脹器416、426以及432產(chǎn)生的功率電力彌補(bǔ)了。同樣，當(dāng)修改或者設(shè)計(jì)蒸汽系統(tǒng)為本發(fā)明的Super-CCLC時(shí)，系統(tǒng)的蒸汽部分優(yōu)選地作為背壓式系統(tǒng)(例如，其中水蒸汽在蒸汽透平的出口具有正壓力)進(jìn)行操作，以及優(yōu)選地在至少25psia的背壓力下進(jìn)行操作。通過(guò)確保有效熱量被傳遞到系統(tǒng)的CCLC部分的第一回路循環(huán)C，以通過(guò)第一渦輪膨脹器提供有效的發(fā)電，這個(gè)背壓有助于提高總效率。
本發(fā)明并不受以上描述的實(shí)施例的限制。本發(fā)明可以在發(fā)明的范圍和精神內(nèi)進(jìn)行修改，以包括附加換熱器、冷凝器、泵、渦輪膨脹器、混合器或流分離器。替換配置及結(jié)構(gòu)也可以用于連接到以及驅(qū)動(dòng)泵、壓縮機(jī)、發(fā)電機(jī)等。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員都會(huì)意識(shí)到，這里描述的各種設(shè)備可以被修改或用等效的設(shè)備替換，或者在數(shù)量上增加或減少，而沒(méi)有背離本發(fā)明的范圍和精神。通過(guò)參考優(yōu)選實(shí)施例提供的數(shù)據(jù)也不是企圖限制本發(fā)明，以及附表中為這些變量提供的值以及它們?cè)诟綀D中所顯示相對(duì)關(guān)系可以由于許多原因而進(jìn)行改變，以適應(yīng)各種操作條件、操作需求、等等，正如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員都能容易地意識(shí)到的。這里描述的優(yōu)選實(shí)施例都是只是示例性的，并且沒(méi)有企圖以任何方式限制本發(fā)明的范圍，本發(fā)明只受以下權(quán)利要求的限制。
權(quán)利要求
1.一種產(chǎn)生能量的方法，所述方法包括提供一工作流體；增加所述工作流體的壓力；將所述工作流體分成多個(gè)流，包括至少第一流和第二流；將來(lái)自能量源的第一數(shù)量的熱能傳遞到所述第一流，以及隨后將來(lái)自所述第一流的第二數(shù)量的熱能傳遞到所述第二流；從所述第一流中提取第一數(shù)量的有用能；從所述第二流中提取第二數(shù)量的有用能；將所述第一流與所述第二流結(jié)合；以及將所述第一流和第二流減小到最小壓力，所述最小壓力大約等于或低于所述工作流體在環(huán)境溫度下的蒸發(fā)壓力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，所述工作流體選自由丙烷、丙烯、輕烴以及它們的組合物組成的組。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，所述最小壓力是大約25psia到大約300psia。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，所述環(huán)境溫度是大約-50華氏度到大約160華氏度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，所述能量源選自由化石燃料能、核能、太陽(yáng)能、地?zé)崮?、廢熱、氫以及它們的組合物組成的組。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，將所述第二數(shù)量的熱能從所述第一流傳遞到所述第二流的步驟包括在將所述第一流與所述第二流結(jié)合的步驟之前，將所述第二數(shù)量的熱能之第一部分從所述第一流傳遞到所述第二流；以及在將所述第一流與所述第二流結(jié)合的步驟之后，將所述第二數(shù)量的熱能之第二部分從所述第一流傳遞到所述第二流。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中，將所述第二數(shù)量的熱能之第一部分從所述第一流傳遞到所述第二流的步驟是在從所述第一流中提取第一數(shù)量的有用能的步驟之后執(zhí)行的。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，所述第一數(shù)量的有用能與所述第二數(shù)量的有用能的總和至少等于所述第一數(shù)量的熱能的大約20％。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，增加所述工作流體的壓力的步驟包括將所述工作流體的壓力增加到大約300psia到大約1000psia。
10.一種產(chǎn)生能量的裝置，所述裝置包括多個(gè)流體管道，包括至少一個(gè)第一流體管道、第二流體管道、以及結(jié)合的流體管道，所述多個(gè)流體管道用于容納工作流體；泵，可操作地連接到所述多個(gè)流體管道，并且用于對(duì)所述工作流體加壓；能量源；第一換熱器，可操作地連接到所述第一流體管道，并且用于允許將第一數(shù)量的熱能從所述能量源傳遞到所述第一流體管道中的所述工作流體；第二換熱器，可操作地連接到所述第一流體管道以及所述第二流體管道，并且用于允許將第二數(shù)量的熱能從所述第一流體管道中的所述工作流體傳遞到所述第二流體管道中的所述工作流體，所述第二換熱器相對(duì)于所述第一流體管道位于所述第一換熱器的下游；第一流體膨脹器，可操作地連接到所述第一流體管道，并且用于從所述第一流體管道中的所述工作流體中提取第一數(shù)量的有用能；第二流體膨脹器，可操作地連接到所述第二流體管道，并且用于從所述第二流體管道中的所述工作流體中提取第二數(shù)量的有用能；冷卻設(shè)備，可操作地連接到所述多個(gè)流體管道的至少一個(gè)，并且用于將所述工作流體減小到最小壓力，所述最小壓力大約等于或低于所述工作流體在環(huán)境溫度下的蒸發(fā)壓力；以及其中，所述第一流體管道與所述第二流體管道在結(jié)合點(diǎn)結(jié)合，以形成所述結(jié)合的流體管道。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的裝置，其中，所述工作流體選自由丙烷、丙烯、輕烴以及它們的組合物組成的組。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的裝置，其中，所述最小壓力是大約25psia到大約300psia。
13.根據(jù)權(quán)利要求10的裝置，其中，所述環(huán)境溫度是大約-50華氏度到大約160華氏度。
14.根據(jù)權(quán)利要求10的裝置，其中，所述能量源選自由化石燃料燃燒爐、核反應(yīng)堆、太陽(yáng)能收集器、地?zé)嵩础U熱源、氫以及它們的組合物組成的組。
15.根據(jù)權(quán)利要求10的裝置，其中，所述第二換熱器包括主第二換熱器，可操作地連接到所述第一流體管道和所述第二流體管道，并且相對(duì)于所述第一流體管道位于所述第一流體膨脹器和所述結(jié)合點(diǎn)之間，以及用于將所述第二數(shù)量的熱能之第一部分從所述第一流體管道中的所述工作流體傳遞到所述第二流體管道中的所述工作流體；以及輔助第二換熱器，可操作地連接到所述第二流體管道和所述結(jié)合的流體管道，并且相對(duì)于所述結(jié)合的流體管道位于所述結(jié)合點(diǎn)和所述泵之間，以及用來(lái)將所述第二數(shù)量的熱能之第二部分從所述結(jié)合的流體管道中的所述工作流體傳遞到所述第二流體管道中的所述工作流體。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的裝置，其中，所述第二換熱器相對(duì)于所述第一流體管道位于所述第一流體膨脹器之后。
17.根據(jù)權(quán)利要求10的裝置，其中，所述第一數(shù)量的有用能與所述第二數(shù)量的有用能的總和至少等于所述第一數(shù)量的熱能的大約20％。
18.根據(jù)權(quán)利要求10的裝置，其中，所述泵用于將所述工作流體加壓到大約300psia到大約1000psia。
19.一種將熱量轉(zhuǎn)換成有用能的方法，所述方法包括提供液體狀態(tài)的結(jié)合的流體流；對(duì)所述結(jié)合的流體流加壓；將所述結(jié)合的流體流分成主流體流和輔助流體流；施加來(lái)自熱源的熱能，以蒸發(fā)所述主流體流；使所述蒸發(fā)的主流體流膨脹，以產(chǎn)生第一數(shù)量的有用能；傳遞來(lái)自所述蒸發(fā)并且膨脹的主流體流的熱量，以使所述蒸發(fā)的輔助流體流過(guò)熱；使所述蒸發(fā)的第二流體流膨脹，以產(chǎn)生第二數(shù)量的有用能；將所述蒸發(fā)并且膨脹的主流體流與所述蒸發(fā)并且膨脹的輔助流體流進(jìn)行混合，以形成結(jié)合的流體流；傳遞來(lái)自所述結(jié)合的流體流的熱量，以蒸發(fā)所述輔助流體流；以及將所述結(jié)合的流體流冷凝成液體狀態(tài)。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中，所述流體選自由丙烷、丙烯、輕烴以及它們的組合物組成的組。
21.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中，傳遞來(lái)自所述結(jié)合的流體流的熱量以蒸發(fā)所述輔助流體流的步驟還包括將所述結(jié)合的流體流的壓力維持在所述流體的所述蒸發(fā)壓力之上。
22.一種將熱量轉(zhuǎn)換成有用能的裝置，所述裝置包括結(jié)合的流體管道，用于傳送流體流；泵，可操作地連接到所述結(jié)合的流體管道；流分離器，可操作地連接到所述泵下游的所述結(jié)合的流體管道，所述流分離器還可操作地連接到一主流體管道和一輔助流體管道；第一換熱器，可操作地連接到所述流分離器下游的所述主流體管道，所述第一換熱器還可操作地連接到一熱源；第一膨脹器，可操作地連接到所述第一換熱器下游的所述主流體管道；第二換熱器，可操作地連接到所述第一膨脹器下游的所述主流體管道，所述第二換熱器還可操作地連接所述輔助流體管道上；第三換熱器，可操作地連接到所述流分離器下游的所述輔助流體管道，所述第三換熱器還可操作地連接到所述結(jié)合的流體管道；第二膨脹器，可操作地連接到所述第二換熱器下游的所述輔助流體管道；流混合器，可操作地連接到所述結(jié)合的流體管道，連接到所述第二換熱器下游的所述主流體管道，以及連接到所述第二膨脹器下游的所述輔助流體管道；冷卻器，可操作地連接到所述流混合器和所述泵之間的所述結(jié)合的流體管道；其中，所述第三換熱器相對(duì)于所述結(jié)合的流體管道位于所述流混合器和所述冷卻器之間；以及其中，所述第二換熱器相對(duì)于所述輔助流體管道位于所述第三換熱器和所述第二膨脹器之間。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的裝置，其中，所述流體流選自由丙烷、丙烯、輕烴以及它們的組合物組成的組。
24.根據(jù)權(quán)利要求22的裝置，其中，所述能量源選自由化石燃料燃燒爐、核反應(yīng)堆、太陽(yáng)能收集器、地?zé)嵩?、廢熱源、氫以及它們的組合物組成的組。
25.一種用于提高具有能量源和冷卻系統(tǒng)的動(dòng)力系統(tǒng)的效率的方法，所述方法包括將第一數(shù)量的熱能從所述冷卻系統(tǒng)傳遞到級(jí)聯(lián)閉環(huán)循環(huán)系統(tǒng)的第一回路；從所述第一回路中提取第一數(shù)量的有用能；將第二數(shù)量的熱能從所述能量源傳遞到級(jí)聯(lián)閉環(huán)循環(huán)系統(tǒng)的第二回路；以及從所述第二回路中提取第二數(shù)量的有用能。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中，所述級(jí)聯(lián)閉環(huán)循環(huán)系統(tǒng)包括一工作流體，所述工作流體選自由丙烷、丙烯、輕烴以及它們的組合物組成的組。
27.根據(jù)權(quán)利要求25的方法，還包括將第三數(shù)量的熱能從所述第二回路傳遞到級(jí)聯(lián)閉環(huán)循環(huán)系統(tǒng)的第三回路；以及從所述第三回路中提取第三數(shù)量的有用能。
28.根據(jù)權(quán)利要求27的方法，其中，所述動(dòng)力系統(tǒng)接收來(lái)自所述能量源的第四數(shù)量的熱能，并且產(chǎn)生第四數(shù)量的有用能，以及其中，所述第一數(shù)量的有用能、所述第二數(shù)量的有用能、所述第三數(shù)量的有用能以及所述第四數(shù)量的有用能的總和至少等于所述第四數(shù)量的熱能的大約30％。
29.一種用于提高具有能量源以及冷卻系統(tǒng)的動(dòng)力系統(tǒng)的效率的方法，所述方法包括提供一工作流體；增加所述工作流體的壓力；將所述工作流體分成多個(gè)流，包括至少一第一流和一第二流；將第一數(shù)量的熱能從所述冷卻系統(tǒng)傳遞到所述第一流；從所述第一流中提取第一數(shù)量的有用能；將第二數(shù)量的熱能從所述能量源傳遞到所述第二流；從所述第二流中提取第二數(shù)量的有用能；以及將所述工作流體冷卻到最小壓力，所述最小壓力大約等于或低于所述工作流體在環(huán)境空氣溫度下的蒸發(fā)壓力。
30.根據(jù)權(quán)利要求29的方法，其中所述第二流包括主第二流和輔助第二流；以及將第二數(shù)量的熱能從所述能量源傳遞到所述第二流的步驟包括將所述第二數(shù)量的熱能從所述能量源傳遞到所述主第二流；以及將所述第二數(shù)量的熱能的一部分從所述主第二流傳遞到所述輔助第二流。
31.根據(jù)權(quán)利要求30的方法，其中，從所述第二流中提取第二數(shù)量的有用能的步驟包括從所述主第二流中提取所述第二數(shù)量的有用能的第一部分；以及從所述輔助第二流中提取所述第二數(shù)量的有用能的第二部分。
32.根據(jù)權(quán)利要求29的方法，其中，所述工作流體選自由丙烷、丙烯、輕烴以及它們的組合物組成的組。
33.根據(jù)權(quán)利要求29的方法，其中，所述最小壓力是大約25psia到大約300psia。
34.根據(jù)權(quán)利要求29的方法，其中，所述環(huán)境溫度是大約-50華氏度到大約160華氏度。
35.根據(jù)權(quán)利要求29的方法，其中，所述能量源選自由化石燃料能、核能、太陽(yáng)能、地?zé)崮?、廢熱、氫以及它們的組合物組成的組。
36.根據(jù)權(quán)利要求29的方法，其中，所述動(dòng)力系統(tǒng)是蒸汽發(fā)電系統(tǒng)。
37.根據(jù)權(quán)利要求29的方法，其中，增加所述工作流體的壓力的步驟包括將所述工作流體的壓力增加到大約300psia到大約1000psia。
38.一種用于產(chǎn)生能量的方法，所述方法包括提供第一工作流體；增加所述第一工作流體的壓力；將第一數(shù)量的熱能從一能量源傳遞到所述第一工作流體；從所述第一工作流體中提取第一數(shù)量的有用能；提供第二工作流體；增加所述第二工作流體的壓力；將所述第二工作流體分成多個(gè)流，包括至少一第一流和一第二流；將第二數(shù)量的熱能從所述第一工作流體傳遞到所述第一流；從所述第一流中提取第二數(shù)量的有用能；將第三數(shù)量的熱能從所述能量源傳遞到所述第二流；從所述第二流中提取第三數(shù)量的有用能；以及將所述第二工作流體冷卻到最小壓力，所述最小壓力大約等于或低于所述第二工作流體在環(huán)境空氣溫度下的蒸發(fā)壓力。
39.根據(jù)權(quán)利要求38的方法，其中所述第二流包括主第二流和輔助第二流；以及將第三數(shù)量的熱能從所述能量源傳遞到所述第二流的步驟包括將所述第三數(shù)量的熱能從所述能量源傳遞到所述主第二流；以及將所述第三數(shù)量的熱能的一部分從所述主第二流傳遞到所述輔助第二流。
40.根據(jù)權(quán)利要求39的方法，其中，從所述第二流中提取第三數(shù)量的有用能的步驟包括從所述主第二流中提取所述第三數(shù)量的有用能的第一部分；以及從所述輔助第二流中提取所述第三數(shù)量的有用能的第二部分。
41.根據(jù)權(quán)利要求38的方法，其中，所述第一工作流體是水。
42.根據(jù)權(quán)利要求38的方法，其中，所述第二工作流體選自由丙烷、丙烯、輕烴以及它們的組合物組成的組。
43.根據(jù)權(quán)利要求38的方法，其中，所述最小壓力是大約25psia到大約300psia。
44.根據(jù)權(quán)利要求38的方法，其中，所述環(huán)境溫度是大約-50華氏度到大約160華氏度。
45.根據(jù)權(quán)利要求38的方法，其中，所述能量源選自由化石燃料能、核能、太陽(yáng)能、地?zé)崮?、廢熱、氫以及它們的組合物組成的組。
46.一種用于提高具有能量源以及冷卻系統(tǒng)的動(dòng)力系統(tǒng)的效率的方法，所述方法包括提供一工作流體；增加所述工作流體的壓力；將所述工作流體分成第一流、第二流以及第三流；將第一數(shù)量的熱能從所述冷卻系統(tǒng)傳遞到所述第一流；從所述第一流中提取第一數(shù)量的有用能；將第二數(shù)量的熱能從所述能量源傳遞到所述第二流；從所述第二流中提取第二數(shù)量的有用能；將第三數(shù)量的熱能從所述第二流傳遞到所述第三流；從所述第三流中提取第三數(shù)量的有用能；以及將所述工作流體冷卻到最小壓力，所述最小壓力大約等于或低于所述工作流在環(huán)境空氣溫度下的蒸發(fā)壓力。
47.根據(jù)權(quán)利要求46的方法，其中，將第二數(shù)量的熱能從所述能量源傳遞到所述第二流的步驟包括將所述第二數(shù)量的熱能之第一部分從所述能量源傳遞到第一換熱器中的所述第二流；以及將所述第二數(shù)量的熱能之第二部分從所述能量源傳送到第二換熱器中的所述第二流。
48.根據(jù)權(quán)利要求46的方法，其中從所述第一流中提取第一數(shù)量的有用能的步驟包括在第一膨脹器中膨脹所述第一流；從所述第二流中提取第二數(shù)量的有用能的步驟包括在第二膨脹器中膨脹所述第二流；以及從所述第三流提取第三數(shù)量的有用能的步驟包括在第三膨脹器中膨脹所述第三流。
49.根據(jù)權(quán)利要求46的方法，其中，所述工作流體選自由丙烷、丙烯、輕烴以及它們的組合物組成的組。
50.根據(jù)權(quán)利要求46的方法，其中，所述最小壓力是大約25psia到大約300psia。
51.根據(jù)權(quán)利要求46的方法，其中，所述環(huán)境溫度是大約-50華氏度到大約160華氏度。
52.根據(jù)權(quán)利要求46的方法，其中，所述能量源選自由化石燃料能、核能、太陽(yáng)能、地?zé)崮?、廢熱、氫以及它們的組合物組成的組。
53.根據(jù)權(quán)利要求46的方法，其中，所述動(dòng)力系統(tǒng)是蒸汽發(fā)電系統(tǒng)。
54.一種用于從具有能量源以及冷卻系統(tǒng)的動(dòng)力系統(tǒng)中產(chǎn)生附加能量的裝置，所述裝置包括多個(gè)流體管道，包括有至少第一流體管道、第二流體管道以及結(jié)合的流體管道，所述多個(gè)流體管道用于容納工作流體；一個(gè)或多個(gè)泵，可操作地連接到所述多個(gè)流體管道，并且用于對(duì)所述工作流體加壓；第一換熱器，可操作地連接到所述第一流體管道，并且用于允許將第一數(shù)量的熱能從所述冷卻系統(tǒng)傳遞到所述第一流體管道中的所述工作流體；第一流體膨脹器，可操作地連接到所述第一流體管道，并且用于從所述第一流體管道中的所述工作流體中提取第一數(shù)量的有用能；第二換熱器，可操作地連接到所述第二流體管道，并且用于允許將第二數(shù)量的熱能從所述能量源傳遞到所述第二流體管道中的所述工作流體；第二流體膨脹器，可操作地連接到所述第二流體管道，并且用于從所述第二流體管道中的所述工作流體中提取第二數(shù)量的有用能；冷卻設(shè)備，可操作地連接到所述多個(gè)流體管道的至少一個(gè)，并且用于將所述工作流體減小到最小壓力，所述最小壓力大約等于或低于所述工作流在環(huán)境溫度下的蒸發(fā)壓力；以及其中，所述第一流體管道與所述第二流體管道在一個(gè)或多個(gè)結(jié)合點(diǎn)結(jié)合，以形成所述結(jié)合的流體管道。
55.根據(jù)權(quán)利要求54的裝置，其中，所述多個(gè)流體管道還包括第三流體管道，并且所述裝置還包括第三換熱器，可操作地連接到所述第二流體管道和所述第三流體管道，并且用于將第三數(shù)量的熱能從所述第二流體管道中的所述工作流體傳遞到所述第三流體管道中的所述工作流體；第三流體膨脹器，可操作地連接到所述第三流體管道，并且用于從所述第三流體管道中的所述工作流體中提取第三數(shù)量的有用能；以及其中，所述第三換熱器相對(duì)于所述第二流體管道位于所述第二流體膨脹器之后。
56.根據(jù)權(quán)利要求54的裝置，其中，所述第二換熱器包括兩個(gè)或多個(gè)換熱器。
57.根據(jù)權(quán)利要求54的裝置，其中，所述工作流體選自由丙烷、丙烯、輕烴以及它們的組合物組成的組。
58.根據(jù)權(quán)利要求54的裝置，其中，所述最小壓力是大約25psia到大約300psia。
59.根據(jù)權(quán)利要求54的裝置，其中，所述環(huán)境溫度是大約-50華氏度到大約160華氏度。
60.根據(jù)權(quán)利要求54的裝置，其中，所述能量源選自由化石燃料燃燒爐、核反應(yīng)堆、太陽(yáng)能收集器、地?zé)嵩?、廢熱源、氫以及它們的組合物組成的組。
61.根據(jù)權(quán)利要求54的裝置，其中，所述動(dòng)力系統(tǒng)接收來(lái)自所述能量源的第四數(shù)量的熱能，并且產(chǎn)生第四數(shù)量的有用能，以及其中，所述第一數(shù)量的有用能、所述第二數(shù)量的有用能、所述第三數(shù)量的有用能以及所述第四數(shù)量的有用能的總和至少等于所述第四數(shù)量的熱能的大約30％。
62.一種將熱能轉(zhuǎn)換成有用能的裝置，所述裝置包括主動(dòng)力系統(tǒng)，包括能量源；主流體管道，用于容納主工作流體；主流體泵，可操作地連接到所述主流體管道，并且用于對(duì)所述主工作流體加壓；主流體換熱器，可操作地連接到所述主流體管道，并且用于允許將第一數(shù)量的熱能從所述能量源傳遞到所述主流體管道中容納的所述主流體；主流體膨脹器，可操作地連接到所述主流體管道，并且用于從所述主流體管道中的所述主工作流體中提取第一數(shù)量的有用能；輔助動(dòng)力系統(tǒng)，包括輔助流體管道系統(tǒng)，包括第一流體回路、第二流體回路、以及第三流體回路，所述輔助流體管道系統(tǒng)用于容納輔助工作流體；一個(gè)或多個(gè)輔助流體泵，可操作地連接到所述輔助流體管道系統(tǒng)，并且用于對(duì)所述輔助工作流體加壓；第一換熱器，可操作地連接到所述第一流體回路和所述主流體管道，并且相對(duì)于所述主流體管道位于所述主流體膨脹器和所述主流體泵之間，所述第一換熱器用于允許將第二數(shù)量的熱能從所述主工作流體管道中的所述主流體傳遞到所述第一流體回路中的所述輔助工作流體；第一流體膨脹器，可操作地連接到所述第一流體回路，并且用于從所述第一流體回路中的所述輔助工作流中提取第二數(shù)量的有用能；第二換熱器，可操作地連接到所述第二流體回路，并且用于允許將第三數(shù)量的熱能從所述能量源傳遞到所述第二流體回路中的所述輔助工作流體；第二流體膨脹器，可操作地連接到所述第二流體回路，并且用于從所述第二流體回路中的所述輔助工作流體中提取第三數(shù)量的有用能；第三換熱器，可操作地連接到所述第二流體回路和所述第三流體回路，并且相對(duì)于所述第二流體回路位于所述第二流體膨脹器之后，所述第三換熱器用于允許將第四數(shù)量的熱能從所述第二流體回路中的所述輔助工作流體傳遞到所述第三流體回路中的所述輔助工作流體；第三流體膨脹器，可操作地連接到所述第三流體回路，并且用于從所述第二流體回路中的所述輔助工作流體中提取第四數(shù)量的有用能；以及冷卻設(shè)備，可操作地連接到所述輔助流體管道系統(tǒng)，并且用于將所述輔助工作流體減小到最小壓力，所述最小壓力大約等于或低于所述輔助工作流體在環(huán)境溫度下的蒸發(fā)壓力。
63.根據(jù)權(quán)利要求62的裝置，其中，所述主工作流體是水。
64.根據(jù)權(quán)利要求62的裝置，其中，所述輔助工作流體選自由丙烷、丙烯、輕烴以及它們的組合物組成的組。
65.根據(jù)權(quán)利要求62的裝置，其中，所述最小壓力是大約25psia到大約300psia。
66.根據(jù)權(quán)利要求62的裝置，其中，所述環(huán)境溫度是大約-50華氏度到大約160華氏度。
67.根據(jù)權(quán)利要求62的裝置，其中，所述能量源選自由化石燃料燃燒爐、核反應(yīng)堆、太陽(yáng)能收集器、地?zé)嵩础U熱源、氫以及它們的組合物組成的組。
68.根據(jù)權(quán)利要求62的裝置，其中，所述第一數(shù)量的有用能、所述第二數(shù)量的有用能、所述第三數(shù)量的有用能以及所述第四數(shù)量的有用能的總和至少等于所述第一數(shù)量的熱能的大約30％。
69.根據(jù)權(quán)利要求62的裝置，其中，所述一個(gè)或多個(gè)輔助流體泵用于將所述輔助工作流體加壓到大約300psia到大約1000psia。
70.一種基于級(jí)聯(lián)閉環(huán)循環(huán)(CCLC)將熱量轉(zhuǎn)換成有用能的方法，所述方法包括以下步驟A)將丙烷的主液體流提供到主間接換熱器，以利用來(lái)源于熱源的熱能來(lái)蒸發(fā)所述丙烷；B)使所述蒸發(fā)丙烷的主流在主膨脹透平中膨脹，以產(chǎn)生有用能；C)將離開所述主膨脹透平的所述主蒸發(fā)丙烷流導(dǎo)向輔助間接換熱器；D)使蒸發(fā)丙烷的輔助流在所述輔助間接換熱器中過(guò)熱；E)使所述過(guò)熱丙烷的輔助流在輔助膨脹透平中膨脹，以產(chǎn)生有用能；F)將離開所述輔助間接換熱器的所述蒸發(fā)丙烷的主流導(dǎo)向流混合器；G)將離開所述輔助膨脹透平的所述蒸發(fā)丙烷的輔助流導(dǎo)向所述流混合器；H)將所述蒸發(fā)丙烷的主流和輔助流在所述流混合器中進(jìn)行結(jié)合；I)將所述蒸發(fā)丙烷的結(jié)合流導(dǎo)向第三間接換熱器，所述第三間接換熱器用于蒸發(fā)所述液體丙烷的輔助流；J)將所述蒸發(fā)丙烷的結(jié)合流導(dǎo)向?qū)⑵淅鋮s成液體的冷凝器；K)將離開所述冷凝器的所述液體丙烷的結(jié)合流導(dǎo)向泵；L)在所述泵中對(duì)所述液體丙烷的結(jié)合流加壓；M)在所述流分離器中將來(lái)自所述泵排放物的所述加壓的液體丙烷的結(jié)合流分離成主丙烷流和輔助丙烷流；N)將所述加壓的液體丙烷的主流導(dǎo)向到對(duì)其進(jìn)行蒸發(fā)的步驟A；以及O)將所述加壓的液體丙烷的輔助流導(dǎo)向到對(duì)其進(jìn)行蒸發(fā)的步驟I。
71.根據(jù)權(quán)利要求70的方法，其中，ORC介質(zhì)是丙烯。
72.根據(jù)權(quán)利要求70的方法，其中，ORC介質(zhì)是輕烴。
73.根據(jù)權(quán)利要求70的方法，其中，ORC介質(zhì)是輕烴的混合物。
74.根據(jù)權(quán)利要求70的方法，其中，控制所述膨脹透平的排放壓力，使得將所述第三間接換熱器的排放壓力維持在所述ORC介質(zhì)的所述蒸發(fā)壓力之上。
全文摘要
描述了級(jí)聯(lián)閉環(huán)循環(huán)(CCLC)(100)以及超級(jí)級(jí)聯(lián)閉環(huán)循環(huán)(Super－CCLC)系統(tǒng)，用于從蒸汽透平系統(tǒng)的廢熱中回收機(jī)械能或電能形式的功率。通過(guò)在多個(gè)間接換熱器(110、114)中蒸發(fā)丙烷或其它輕烴；使蒸發(fā)的丙烷在多個(gè)級(jí)聯(lián)膨脹透平(108、116)中膨脹，以產(chǎn)生有用功率；以及利用冷卻系統(tǒng)冷凝成液體，而來(lái)回收來(lái)自鍋爐(106)以及蒸汽冷凝器(118)的廢熱。液體丙烷然后利用泵(102)被加壓并且被返回到間接換熱器，以在閉合的、封閉的過(guò)程中重復(fù)蒸發(fā)、膨脹、液化以及加壓循環(huán)。
文檔編號(hào)F01K25/08GK1688796SQ03822571
公開日2005年10月26日 申請(qǐng)日期2003年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月22日
發(fā)明者丹尼爾·H·施廷格爾, 法魯克·阿斯拉姆·米安 申請(qǐng)人:丹尼爾·H·施廷格爾, 法魯克·阿斯拉姆·米安