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(lái)完成熱能循環(huán)。更具體地說(shuō)，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)嵩粗械臒崮苻D(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)嵩粗械臒崃哭D(zhuǎn)換為電能的轉(zhuǎn)換效率。
可使用一種工作流體將來(lái)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(guò)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(guò)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(lái)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(chǎng)合，可進(jìn)一步利用多成分工作流體來(lái)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(lái)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(guò)將低沸點(diǎn)成分加熱成氣態(tài)，來(lái)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(guò)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(lái)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(guò)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(guò)程是用來(lái)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(lái)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(lái)使蒸氣工作流過(guò)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(guò)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(kāi)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(guò)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(lái)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(lái)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(lái)轉(zhuǎn)換來(lái)自加熱氣態(tài)工作流，該熱量回收蒸氣發(fā)生器具有分開(kāi)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)嵩春透邷責(zé)嵩淳哂兄丿B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](méi)有重疊的相同溫度區(qū)。
從以下說(shuō)明和所附權(quán)利要求中，或者通過(guò)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(shuō)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(shuō)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(lái)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)施例方式
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(guò)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(lái)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(lái)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(lái)使蒸氣工作流過(guò)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(guò)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(kāi)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(guò)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(lái)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(lái)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(lái)轉(zhuǎn)換來(lái)自加熱氣態(tài)工作流，該熱量回收蒸氣發(fā)生器具有分開(kāi)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)嵩春透邷責(zé)嵩淳哂兄丿B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](méi)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(lái)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(guò)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(lái)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(lái)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43-44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(lái)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(kāi)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(guò)冷液體加熱到過(guò)熱蒸氣，從而從廢熱源(通常為熱的氣體或液體)獲取熱量。過(guò)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(guò)冷液體到過(guò)熱蒸氣。工作流體具有隨溫度變化較小的熱容。換句話說(shuō)，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(lái)說(shuō)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(lái)說(shuō)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(guò)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(guò)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(guò)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(kāi)始。)在所示的實(shí)施例中，工作流體42以與來(lái)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(guò)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(guò)熱由HE-4通過(guò)來(lái)自較高溫度熱源流的加熱來(lái)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(kāi)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(kāi)，形成第一支流61和第二支流62，而不是在換熱器HE-1(見(jiàn)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(guò)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(guò)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?，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(guò)使用換熱器HE-1來(lái)提供優(yōu)化。在沒(méi)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(lái)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(méi)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(méi)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)嵩矗诙獠繜嵩戳?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(guò)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(lái)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(lái)優(yōu)化來(lái)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(lái)預(yù)熱液態(tài)工作流和過(guò)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(lái)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)嵩矗诙獠繜嵩戳?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(lái)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(lái)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(lái)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(lái)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；用多外部熱源流加熱工作流。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，多個(gè)外部熱源流具有不同的溫度。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，兩個(gè)或更多的多個(gè)外部熱源流具有相同的溫度區(qū)。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，對(duì)工作流的加熱包括從兩個(gè)或更多個(gè)外部熱源流獲取熱量。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括將工作流分成第一支流和第二支流。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，至少用第一外部熱源流來(lái)加熱第一支流。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，至少用第二外部熱源流來(lái)加熱第二支流。
8.一種進(jìn)行熱能循環(huán)的方法，包括將來(lái)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；將液態(tài)工作流加熱到始沸點(diǎn)；利用疊合多個(gè)外部熱源流的相同溫度區(qū)而將工作流從始沸點(diǎn)至少加熱到沸騰區(qū)，從而增加沸騰區(qū)的熱容；以及將工作流加熱到沸點(diǎn)以上，從而生成加熱氣態(tài)工作流。
9.如權(quán)利要求8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。
10.如權(quán)利要求8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。
11.如權(quán)利要求10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。
12.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，還包括將液態(tài)工作流分成第一支流和第二支流。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，用第一外部熱源流的重疊的相同溫度區(qū)來(lái)加熱第一支流。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，用第二外部熱源流的重疊的相同溫度區(qū)來(lái)加熱第二支流。
15.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，多個(gè)外部熱源流包括兩個(gè)或更多個(gè)外部熱源流。
16.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，多個(gè)外部熱源流包括兩個(gè)以上外部熱源流。
17.一種進(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；至少用第一外部熱源流來(lái)加熱第一支流；并至少用第二外部熱源流來(lái)加熱第二支流。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，在第一熱量回收蒸氣發(fā)生器中加熱第一支流。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，在第二熱量回收蒸氣發(fā)生器中加熱第二支流。
20.如權(quán)利要求19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。
21.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，第一支流和第二支流在沒(méi)有重新匯合的情況下膨脹。
22.如權(quán)利要求17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。
23.如權(quán)利要求22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。
24.如權(quán)利要求17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。
25.如權(quán)利要求24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。
26.一種進(jìn)行熱能循環(huán)的設(shè)備，包括一膨脹器，該膨脹器連接用來(lái)接納多成分氣態(tài)工作流，且適于將多成分氣態(tài)工作流的能量轉(zhuǎn)換為可用形式并形成預(yù)冷凝流；一冷凝器，該冷凝器適用于冷凝預(yù)冷凝流，從而生成液態(tài)工作流；一泵，該泵被構(gòu)造成用來(lái)對(duì)冷凝流加壓，從而生成工作流；一換熱器，該換熱器被構(gòu)造成用多個(gè)外部熱源來(lái)加熱工作流。
27.如權(quán)利要求26所述的設(shè)備，其特征在于，膨脹器包括一渦輪。
28.如權(quán)利要求27所述的設(shè)備，其特征在于，渦輪包括第一部件和第二部件。
29.如權(quán)利要求26所述的設(shè)備，其特征在于，膨脹器包括第一渦輪和第二渦輪。
30.如權(quán)利要求26所述的設(shè)備，其特征在于，冷凝器包括蒸餾/冷凝子系統(tǒng)。
31.如權(quán)利要求26所述的設(shè)備，其特征在于，換熱器包括多個(gè)換熱器。
32.如權(quán)利要求31所述的設(shè)備，其特征在于，第一換熱器包括節(jié)能預(yù)熱器，該預(yù)熱器將液態(tài)工作流加熱到始沸點(diǎn)附近。
33.如權(quán)利要求32所述的設(shè)備，其特征在于，至少由第二換熱器在沸騰區(qū)加熱工作流。
34.如權(quán)利要求33所述的設(shè)備，其特征在于，至少由第三換熱器來(lái)將工作流過(guò)熱成加熱氣態(tài)工作流。
35.一種進(jìn)行熱能循環(huán)的設(shè)備，包括一膨脹器，該膨脹器連接用來(lái)接納多成分氣態(tài)工作流，且適于將多成分氣態(tài)工作流的能量轉(zhuǎn)換為可用形式并形成預(yù)冷凝流；一冷凝器，該冷凝器適用于冷凝預(yù)冷凝流，從而生成液態(tài)工作流；一泵，該泵被構(gòu)造成用來(lái)對(duì)冷凝流加壓，從而生成工作流；一裝置，該裝置用多個(gè)外部熱源來(lái)向工作流傳熱。
36.如權(quán)利要求35所述的設(shè)備，其特征在于，用于傳熱的裝置包括換熱器。
37.一種進(jìn)行熱能循環(huán)的設(shè)備，包括一膨脹器，該膨脹器適于使多成分氣態(tài)工作流膨脹，將該工作流的能量轉(zhuǎn)換為可用形式并形成預(yù)冷凝流；一冷凝器，該冷凝器將乏氣流轉(zhuǎn)換生成冷凝流；一泵，該泵被構(gòu)造成用來(lái)對(duì)冷凝流加壓，從而生成工作流；一第一換熱器，以用第一外部熱源流加熱工作流；一分流器，以形成第一支流和第二支流，從而形成工作流；一第二換熱器，以用第一外部熱源流加熱第一支流；一第三換熱器，以用第二外部熱源流加熱第二支流；一合流器，以從第一支流和第二支流形成重新匯合的工作流；一第四換熱器，以加熱重新匯合的工作流，從而形成加熱氣態(tài)工作流。
38.一種進(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；用第一外部熱源流加熱工作流；將工作流分開(kāi)以形成第一支流和第二支流；用第一外部熱源流加熱第一支流；用第二外部熱源流加熱第二支流；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，從而形成加熱氣態(tài)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(guò)逆流換熱來(lái)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)F01K25/00GK1806095SQ200480016487
公開(kāi)日2006年7月19日 申請(qǐng)日期2004年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月9日
發(fā)明者M·D·麥洛利, L·羅茲, Y·勒納, R·I·佩勒萊特 申請(qǐng)人:循環(huán)資源公司