專利名稱：低溫聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
該發(fā)明涉及將熱能轉換為機械能和/或電能的方法和系統(tǒng)。
背景技術：
迄今為止，已經(jīng)開發(fā)出了許多用于產(chǎn)生機械能和電能的方法和裝置，然而，它們都具有固有的困難和限制。例如，利用高價化石燃料來發(fā)電的發(fā)電廠排出溫室氣體，而科學家聲稱溫室氣體是全球變暖問題的罪魁禍首。據(jù)預測在接下來的50年內(nèi)這將對我們的環(huán)境造成明顯的負面影響。
由于必須淹沒周圍有人居住的陸地資源，因此利用水壩/水庫來產(chǎn)生水電的工廠也將影響我們的環(huán)境。另外，需要耗用水資源來滿足電力需要。
在蘇聯(lián)發(fā)生的切爾諾貝利事故以及在美國發(fā)生的三英里島事故證明核能在歷史上對周圍地區(qū)內(nèi)的居民非常有害并且是潛在致命的。處理核廢料的有效手段仍未確立。核能還要消耗鈾，由于為了安全原因必須在低壓下操作，因此限制了生產(chǎn)能力。
從現(xiàn)有的致冷和空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)發(fā)出的含氯氟代烴(CFC)已經(jīng)耗盡了我們地球的臭氧層，這被認為是進入我們大氣的有害輻射引起的許多疾病的原因。
此外，與繼續(xù)損害我們星球健康的能量產(chǎn)生和供應相聯(lián)系的越來越多的問題包括由于溫室效應，地球臭氧層的耗盡，核廢料處理引起的負面效應，和許多其它負面效應，包括生命和陸地的損失，這歸因于化石燃料工業(yè)(戰(zhàn)爭，油輪泄漏，海底鉆探，采煤導致的陸地破壞，等等)和建造水壩引起的洪水泛濫。當消耗性能源變得更缺乏時，并且由于發(fā)達國家中舊的發(fā)電和電網(wǎng)系統(tǒng)的必要升級的費用，經(jīng)濟問題也將繼續(xù)增加。
另外，由于中國和印度的工業(yè)發(fā)展步伐繼續(xù)加速，能源消耗和需求增加。專家預測僅中國就將很快比美國消耗更多的石油。專家目前估計我們星球的石油資源將在32年內(nèi)耗盡。
化石燃料燃燒，和當今使用的許多其它當前已知的機械發(fā)動機也存在用于軍事工業(yè)的問題。一個問題是所有這些發(fā)動機都釋放余熱，而該余熱可由紅外熱傳感器探測。
已經(jīng)開發(fā)出了許多其它技術來試圖解決這樣的問題，即找到一種環(huán)保的、安全的和經(jīng)濟的方法來產(chǎn)生電力，實現(xiàn)消耗能量的機械功能(即用于運輸，工業(yè)制造等)和提供致冷，冷卻和空氣調(diào)節(jié)功能。以下是這些技術中的一些及其一些相關益處和不利條件的列表(a)生物量發(fā)電是不同于燃媒和燃油發(fā)電廠的產(chǎn)生電力的另一種方式。但是與化石燃料相同，生物量發(fā)電也將有害其它排放到我們的大氣中，再次負面影響了我們的環(huán)境。
(b)風輪機發(fā)電或許是當今所利用的最佳現(xiàn)有技術，但是生產(chǎn)能力有限，需要相當大的初期投資，占用相當大的陸地，并且從美學觀點來看不能令人滿意。而且它依賴于天氣條件和地理位置。
(c)太陽熱和太陽光發(fā)電由于其依賴天氣條件和陽光的可獲量而受到限制。收集器陣列再次必須占用地產(chǎn)的大量表面積以產(chǎn)生合理的電量。這歸因于這樣的事實，即取決于白天的時間和地理位置，太陽光線在每平米上產(chǎn)生的Btu量有限。這也需要額外的費用和維護成本，其歸因于必須安裝大型熱能或化學能存儲系統(tǒng)，所述系統(tǒng)典型地與它們配合。
(d)氫燃料電池并不將有害氣體排放到我們的大氣中，但是由于氫的極易爆炸性而存在其它危險情況。而且與生物量，風輪機和太陽不同，該選擇需要消耗氫，而完全改變我們的基礎設施以使我們的社會依賴氫是不經(jīng)濟的，因為當今它依賴于化石燃料。本技術需要高昂的能量消耗來使氫液化。
(e)已經(jīng)提出了利用膨脹式發(fā)動機的若干低溫能量系統(tǒng)。例如，在美國專利4,170,116中，公開了一種將熱能轉換為機械能的方法和裝置。在美國專利4,896,515中，公開了熱泵能量恢復方法和用于驅動熱泵中的壓縮機的節(jié)能方法。然而，這兩種技術需要機械馬達驅動壓縮機(一個或多個)和/或泵(一個或多個)，與所述系統(tǒng)在需要外部發(fā)電源用于補充能量輸入的凈軸功輸出中產(chǎn)生的能量相比，其消耗更多的能量，并且所述系統(tǒng)的內(nèi)部潛熱被排放為導致其廢能的外部散熱。在美國專利4,624,109中公開了一種冷凝大氣發(fā)動機。該技術建議將來自大氣的空氣直接注入和/或抽吸到專門設計的真空室中，該真空室保持由膨脹式發(fā)動機附帶的機械真空泵產(chǎn)生的高真空。空氣被等熵聯(lián)合膨脹以促進凝結到固態(tài)的相變，所述相變也被假設補充真空過程并且提供潛熱散熱。在關于為華盛頓大學開發(fā)的Cryocar LN2000提供動力的準等溫膨脹式發(fā)動機和配件的SAE系列#981898和#972649技術文獻中，公開了一種使用液體空氣和易燃燃料的發(fā)動機。在美國專利3,681,609中，公開了一種無污染馬達，該馬達包括作為發(fā)動手段的低溫流體。所有這些技術都具有明顯的問題和局限，例如，Cryocar LN2000將存儲的液態(tài)氮抽吸到開環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由蒸發(fā)器，過熱器和膨脹式發(fā)動機組成以產(chǎn)生驅動車輛和/或為車輛提供動力的軸功。殘余的感熱和潛熱以及所有氮被浪費，因為它被排到大氣中。所以，液態(tài)氮被消耗并且必須被補充。與氫燃料電池技術類似，由于該系統(tǒng)當前被開發(fā)，因此它是不經(jīng)濟的。此外，由于它需要完全改變我們基礎設施以使我們的社會依賴氮，這與當今對化石燃料的依賴性相對，因此其實用性非常有限。此外，這種現(xiàn)有技術需要高昂的能量消耗來使氮液化，所述能量消耗包括化石燃料。
因此，我們提出的低溫聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的若干目標和優(yōu)點在于(a)提供一種閉環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在不將任何有害氣體排放到大氣的情況下產(chǎn)生電力/機械能，同時提供用于其它應用的散熱，并且不要求附加的散熱。
1.提供一種獨立系統(tǒng)，該系統(tǒng)需要使用很小的/有限的土地，并且不要求特殊地理位置和天氣條件。
2.提供一種安全的系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以用惰性的、不爆炸的、無毒的氣體。
(d)提供一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)并不直接和/或間接消耗和耗盡希缺的/不可再生的能源用于其工作并且也將為社會提供不依賴消耗性資源的機會。
(e)在蒸汽壓縮循環(huán)中提供一種自然對流、熱虹吸等溫/發(fā)熱壓縮過程，其僅僅需要自由熱能輸入來獲得必要的功，殘余的感熱和潛熱以及致冷介質可以被再循環(huán)，因為它從蒸汽和/或氣態(tài)被凝結回液態(tài)，從而允許能量保存，并且使社會對現(xiàn)有高昂的消耗性能源基礎設施的依賴性減到最小。
進一步的目標和優(yōu)點是為包含熱能的幾乎所有介質提供了這樣的能力，即為系統(tǒng)提供能量輸入以產(chǎn)生凈功輸出；提供熱能(熱量)到機械能和/或電能的轉換；僅僅使用可再生能量消耗為運輸提供便宜的、環(huán)保的替換形式。該方法和裝置可以應用于卡車，火車，輪船，飛機等；提供電力；提供環(huán)境控制系統(tǒng)，例如空氣調(diào)節(jié)，致冷，低溫技術等。本發(fā)明可以用在低溫應用中以用于液化諸如氮，氫，氦，甲烷等氣體。實驗室和半導體應用，以及醫(yī)療應用(例如人體冷凍等)，其減小了現(xiàn)有系統(tǒng)當前所需的高成本的電力消耗。進一步的應用包括用于發(fā)電廠，其中這種技術可升級為人類可以想象和建造的最大型的多兆瓦發(fā)電廠。特殊地理位置，環(huán)境危害，化石燃料和/或水消耗不是必要的。所需要的只是空氣或其它等效的熱源(一個或多個)。本系統(tǒng)也可以用于為浪費大量熱量的許多工業(yè)設備和計算機服務農(nóng)場提供聯(lián)合發(fā)電，所述熱量浪費在多數(shù)情況下已經(jīng)成為經(jīng)營負擔。使用該主題技術，這些不利條件可以轉化為優(yōu)勢，同時成為產(chǎn)生電力的補充熱源。所公開的技術也可以與現(xiàn)有的可再生能源項目合作，例如太陽，生物量，地熱等，競爭性地增加它們的生產(chǎn)量以遠遠超過現(xiàn)有的化石燃料發(fā)電設備。
象活動電源一樣，(不需要攜帶和補充燃料供應)，該主題技術可以與最近設想的其它新技術結合。例如，這種技術通過減小螺旋槳/旋翼的直徑創(chuàng)造機會來增強代替現(xiàn)有的旋翼飛行器技術，并且仍然能提升與當今較大的螺旋槳/旋翼所能提升的重量相同的重量。這種技術也可以用于提供水的蒸餾/凈化，抽取和備用倉庫。
使用在此公開的低溫聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)和熱源聯(lián)合發(fā)電，其既包括方法也包括裝置，不會有排放物，危險的廢物排放到環(huán)境，不會有洪水淹沒貴重財產(chǎn)，并且不一定需要特殊地理環(huán)境來實現(xiàn)它。該系統(tǒng)不消耗水，不消耗燃料，無存儲，無化學處理，并且不依賴天氣條件。它也可以用于水上、陸上和空中運輸系統(tǒng)。
本發(fā)明的另外目標和優(yōu)點將在以下描述中進行闡述，并且部分地將從所述描述中顯而易見，或者可以通過實施本發(fā)明而被理解。本發(fā)明的目標和優(yōu)點可以通過特別在后附權利要求中指出的裝置、方法和組合而被實現(xiàn)和獲得。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是一種低溫聯(lián)合發(fā)電方法和熱源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，其用于將來自熱源的能量通過低溫或熱源熱傳遞過程轉換為機械能和/或電能，其利用蒸汽壓縮循環(huán)從熱源吸收熱量，并且利用蘭金(Rankine)循環(huán)用于能量傳遞以將熱能轉換為機械能和/或電能。所述兩種循環(huán)優(yōu)選地作為閉環(huán)工作并且補充彼此的循環(huán)。也公開了用于將來自熱源的能量通過低溫或熱源熱傳遞過程轉換為機械能和/或電能的低溫聯(lián)合發(fā)電裝置和熱源聯(lián)合發(fā)電裝置，其包括從熱源吸收熱量的蒸汽壓縮循環(huán)機構，用于能量傳遞以將熱能轉換為機械能和/或電能的蘭金循環(huán)機構，蘭金循環(huán)機構可操作地連接到蒸汽壓縮循環(huán)機構。


包含在說明書中并且構成說明書的一部分的附圖示出了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，并且與以上給出的總體描述和以下給出的優(yōu)選實施例的具體描述一起用于解釋本發(fā)明的原理。
圖1在優(yōu)選實施例中顯示了根據(jù)本發(fā)明的低溫聯(lián)合發(fā)電或熱源系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有蒸汽壓縮循環(huán)和蘭金循環(huán)。
圖1A顯示了根據(jù)本發(fā)明提出的低溫或熱源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的壓力和焓圖表內(nèi)參數(shù)的許多可能范圍的一個例子。
圖2-1和2-2顯示了根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述實施例包括型式被改進的蒸汽壓縮循環(huán)和蘭金循環(huán)，其中液體機械泵被加入蘭金循環(huán)中，無源平行壓縮機過熱器組件，吹風膨脹式發(fā)動機，和吹風散熱設備被結合到蒸汽壓縮循環(huán)中。
圖3-1和3-2顯示了根據(jù)本發(fā)明的任選附加實施例的總覽，所述實施例包括型式被改進的蒸汽壓縮循環(huán)和蘭金循環(huán)，其中液體機械泵被加入蘭金循環(huán)中，無源平行壓縮機過熱器組件，吹風真空擴散注射系統(tǒng)，吹風循環(huán)，和吹風真空散熱設備。
圖4-1和圖4-2顯示了根據(jù)本發(fā)明的任選附加實施例，所述實施例包括帶有流動誘導熱交換器的無源平行體積減小壓縮機子系統(tǒng)。
圖5-1和圖5-2顯示了根據(jù)本發(fā)明的任選附加實施例，所述實施例包括蒸汽壓縮循環(huán)和/或蘭金循環(huán)，其利用現(xiàn)有的機動機械驅動泵，壓縮機和用于流動循環(huán)的吹風機，以及任選的干燥去濕系統(tǒng)(一個或多個)，所述系統(tǒng)可以通過使用任選的太陽能收集器陣列再生。
具體實施例方式
現(xiàn)在具體參考在附圖中示出的本發(fā)明的優(yōu)選實施例。
本發(fā)明的低溫和熱源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)包括裝置和方法，其包括熱交換器(一個或多個)的陣列，流動調(diào)節(jié)設備(一個或多個)，壓縮系統(tǒng)(一個或多個)和膨脹式發(fā)動機，它們被組裝以集成同步熱力和非熱力過程，以用于從地熱(在地球表面之下的自然內(nèi)部熱源)或太陽熱(在地球表面之上的自然熱源)能源提取熱量和用于將該熱能(熱量)轉換成機械能。該系統(tǒng)主要可以用于驅動發(fā)電機以產(chǎn)生電力，但是其它應用包括從該系統(tǒng)產(chǎn)生的凈機械功受益的應用。該系統(tǒng)也具有許多聯(lián)合發(fā)電應用，這些應用可以由于系統(tǒng)的熱提取和熱排放能力而被利用。通過使用兩種循環(huán)，這通過再循環(huán)潛熱而允許例如熱傳遞介質的液化，汽化，以及然后再液化。
該公開的低溫聯(lián)合發(fā)電和熱源系統(tǒng)優(yōu)選地包括兩個子組件，即蒸汽壓縮循環(huán)2和蘭金循環(huán)4。在此公開的方法和裝置允許在系統(tǒng)中所有循環(huán)內(nèi)的受控和可調(diào)整的液體、蒸汽和/或氣體流動。可以使用任何外部熱源，其可以是自然熱源，例如地熱或太陽，或者是人造熱源，由此本方法和裝置將來自熱源的能量轉換為機械能和/或電能。
在優(yōu)選的實施例中，從外部熱源接收熱量的主要方法和手段是蒸汽壓縮循環(huán)2。如這里所公開的，該熱量然后優(yōu)選地被傳遞到蘭金循環(huán)4，在那里熱能被轉換為機械能或電能。這兩種循環(huán)以及用于實現(xiàn)它們的方法和裝置通過硬件和/或軟件手段被配置和操作成互相補充和完善。
蒸汽壓縮循環(huán)可以用許多方式實現(xiàn)，其中描述了優(yōu)選的方法和裝置。通常，蒸汽壓縮循環(huán)從液體接收器開始，其帶有液態(tài)制冷劑，但是也可以帶有氣體或蒸汽形態(tài)的致冷劑，該致冷劑通過計量設備膨脹，以通過在其循環(huán)末端的過冷卻器幫助過冷卻其回路，并且通過蘭金循環(huán)冷凝器從蘭金循環(huán)吸收熱量(從而冷凝蘭金循環(huán))。蒸汽壓縮致冷劑然后穿過壓縮機/過熱器組件，以提高壓力和從外部熱源吸收熱量，然后將熱量傳遞給蘭金循環(huán)，蘭金循環(huán)使蘭金循環(huán)致冷劑過熱并且冷凝蒸汽壓縮循環(huán)致冷劑，然后經(jīng)前述的熱交換器被過冷卻。優(yōu)選地通過用稍微過熱的致冷劑灌注過熱壓縮機，和加入來自外部熱源的熱量實現(xiàn)壓縮，其中固定體積增加致冷劑的溫度和壓力直到它到達理想的水平并且被釋放。在這樣的實施例中，多個蒸汽壓縮過熱器/壓縮機22和60平行地和順序地被配置以使震動最小，從而適應所述過程，其中所述震動由過熱器/壓縮機22和60的分離產(chǎn)生。也可以提供膨脹箱11以減小震動和提供更恒定的流動。
在此也描述了一個實施例，其中提供了吹風器，以在過熱器/壓縮機22和60被排空以完成它們的循環(huán)和將熱量加入到蘭金循環(huán)之后，排空保留在過熱器/壓縮機22和60中的高壓力/溫度的剩余物。為了將該吹風器再引入到系統(tǒng)中，與排放到大氣中相反，吹風氣體通過可以實現(xiàn)機械或電輸出的另一膨脹式發(fā)動機被膨脹，以使入口壓力和壓縮機相匹配。吹風氣體然后可以穿過熱交換器以逐漸將熱量傳遞到蘭金循環(huán)中，從而也匹配正被引入到壓縮機中的其它氣體的溫度。
作為另一選擇，附加的過熱器/壓縮機810，820和830可以設在每個回路中，其中體積相繼減小以增強壓縮。這樣的過熱器/壓縮機可以帶有加熱和冷卻源以引起致冷劑在過熱器/壓縮機之間的流動，以代替先前提到的吹風器；然而，理想的是將吹風器也結合到該配置中。
優(yōu)選地，蘭金循環(huán)4也從液體接收器出發(fā)，泵用于將來自為液體增加壓力的接收器的液體泵送到熱交換器中以從蒸汽壓縮循環(huán)，從其主冷凝器，吹風器和/或其壓縮機吸收熱量，直到蘭金循環(huán)致冷劑達到過熱狀態(tài)，然后在該過熱狀態(tài)它通過膨脹式發(fā)動機膨脹以獲得機械或電輸出，并且通過由蒸汽壓縮循環(huán)冷卻而重新凝結。
在下面具體描述的實施例中，優(yōu)選的液態(tài)致冷劑是氮，然而，如果需要也可以使用其它致冷劑。
在圖1中，顯示了蒸汽壓縮循環(huán)2和用于實現(xiàn)該循環(huán)的手段。如圖1中所示，蒸汽壓縮循環(huán)可以從任選的蒸汽壓縮液體容器接收器10開始，但不局限于此，所述接收器用于保存蒸汽壓縮低溫致冷劑8，該致冷劑可以是任何致冷劑，但是優(yōu)選為液態(tài)氮。然而，致冷劑8可以是其它致冷劑，但是優(yōu)選為低溫致冷劑，或者其它致冷劑，例如甲烷或類似物。致冷劑8在該循環(huán)中可以處于液相，氣相或蒸汽相。容器接收器10通向蒸汽壓縮膨脹閥/計量設備，或減壓閥12，進入任選的蒸汽壓縮過冷卻器14，并進入蘭金冷凝器155，該冷凝器可以是低溫殼體和管熱交換器的子組件，優(yōu)選地其引出到任選的止回閥18，和/或自動隔離閥20，所述隔離閥優(yōu)選地連接到與外部熱源1000導熱接觸的蒸汽壓縮過熱器/壓縮機22。在優(yōu)選的方法中，過熱器/壓縮機22優(yōu)選地引出到與蘭金循環(huán)致冷劑6導熱接觸的蒸汽壓縮冷凝器35，所述致冷劑優(yōu)選地處于液相并且占據(jù)蘭金循環(huán)液體蒸發(fā)器容器7，其中所述液體蒸發(fā)器容器可以是熱交換器的子組件，然后穿過過冷卻器14返回到接收器10中。
在圖1中也示出了蘭金循環(huán)4，和用于實現(xiàn)該循環(huán)的手段，該循環(huán)在任選的蘭金循環(huán)液體蒸發(fā)器/過熱器容器7開始，該容器帶有蘭金循環(huán)致冷介質6，該致冷介質優(yōu)選是低溫的。致冷介質6可以是任何致冷劑，但是優(yōu)選為低溫致冷劑，例如液態(tài)氮，并且與作為低溫和管熱交換器的子組件的蒸汽壓縮冷凝器35導熱接觸。致冷劑6在該循環(huán)中可以處于液相，氣相或蒸汽相。連接到管道和配件的陣列的容器/接收器7通向蘭金循環(huán)膨脹式發(fā)動機150，并且排放到蘭金循環(huán)冷凝器155中，該冷凝器與作為低溫殼體和管/管和管熱的子組件的蒸汽壓縮蒸發(fā)器16導熱接觸。在優(yōu)選的方法中，致冷劑6然后返回到容器7中。
在蒸汽壓縮循環(huán)2的優(yōu)選操作中，來自重力的自然落差可以提供作用于蒸汽壓縮液體容器接收器10內(nèi)的液體上的壓力。當致冷劑被排放/釋放到優(yōu)選垂直布置的真空中的低壓時，該落差壓力可以引起流過蒸汽壓縮膨脹閥/計量設備/減壓閥12。當它穿過其蒸汽壓縮蒸發(fā)器16時，它將同時從任選的蒸汽壓縮過冷卻器14，和/或從蘭金循環(huán)冷凝器155吸收潛熱。在致冷介質8完全被蒸發(fā)并且稍微過熱之后，當介質8經(jīng)過與外部熱源1000導熱接觸的蒸汽壓縮過熱器22時，它可以繼續(xù)從外部熱源吸收感熱。在恒定的和/或減小的體積下被過熱，該熱膨脹過程將同時增加致冷介質的壓力和減小其密度，迫使它上升，代替和傳遞熱量至更密集的原子和/或介質8的分子，直到全部達到接近平衡的溫度和密度。因而，漂浮的、被壓縮的過熱介質8將被引入以經(jīng)過垂直管道28向上流動到位于較高計算高度的蒸汽壓縮冷凝器35中。介質8然后可以繼續(xù)前進以將其潛熱和感熱焓傳導和釋放到蘭金循環(huán)液體蒸發(fā)器過熱器容器7中，直到介質8凝結為液態(tài)。該反向過程再次增加了液態(tài)介質8的密度，并且重力引起通過過冷卻器14向下流回到接收器10中以完成蒸汽壓縮循環(huán)2。因而，由于被描述為閉環(huán)，(但它并不局限于該配置，因為它可以是開環(huán)或許多其它配置)，位移可以導致不能在蒸汽壓縮蒸發(fā)器16，與外部熱源1000導熱接觸的蒸汽壓縮過熱器22，和蒸汽壓縮冷凝器35中產(chǎn)生真空。這可以促使連續(xù)的熱虹吸流經(jīng)過自然對流通過膨脹閥12流回。
在蘭金循環(huán)4的優(yōu)選操作中，介質6在蘭金循環(huán)液體蒸發(fā)器/過熱器容器7中時優(yōu)選地從蒸汽壓縮冷凝器35吸收熱量。當優(yōu)選為液態(tài)氮的介質6從液態(tài)變?yōu)檫^熱蒸汽并且在恒定的和/或減小的體積下被過熱時，該熱過程將同時增加致冷介質的壓力和減小其密度，迫使它上升，代替和傳遞熱量至更密集的原子和/或介質8的分子，直到全部達到接近平衡的溫度和密度。因而，漂浮的、被壓縮的過熱介質8將被引入以向上流動到蘭金循環(huán)膨脹式發(fā)動機150中，在那里當介質6通過發(fā)動機150膨脹時它將其熱能轉換為機械能。殘余的飽和冷蒸汽從發(fā)動機150被排放到位于較低計算高度的蘭金循環(huán)冷凝器155中。當介質6完成其凝結過程時它將其感熱和潛熱釋放到蒸汽壓縮蒸發(fā)器16中，同時重力引起向下流回到容器7中以完成蘭金循環(huán)。因而，由于系統(tǒng)可以是閉環(huán)系統(tǒng)，位移將導致不能在蘭金循環(huán)膨脹式發(fā)動機150，和液體蒸發(fā)器/過熱器容器7的上部產(chǎn)生真空。這促使連續(xù)的熱虹吸流經(jīng)過自然對流通過膨脹式發(fā)動機150流回。
在其它實施例中，在圖2-1，圖2-2，圖3-1圖3-2中顯示的無源平行壓縮機過熱器組件可以通過跟隨止回閥18a增強，該止回閥連接到包括T形接頭19c的無源平行壓縮機過熱器子組件500A，連接到作為冷蒸汽供應的低溫自動隔離閥20a，所述冷蒸汽供應進入蒸汽壓縮過熱器22，經(jīng)高壓調(diào)節(jié)閥27a和高壓調(diào)節(jié)閥27b離開。根據(jù)形成無源平行陣列700的相關可升級設計，子組件500A可以與不定數(shù)量的其它平行壓縮機過熱器子組件500b平行地互連。
在操作中，該實施例可以促進若干平行回路的同時壓縮和過熱。因此，恒定的壓力和溫度總是可以用于供給回路的剩余部分及其相關功能。該方法也防止可以由不連續(xù)的熱傳遞等導致的任何延時和/或震動。
在操作中，通過用稍微過熱但是仍處于冷蒸汽狀態(tài)的介質8灌注過熱器22而實現(xiàn)過熱和/或壓縮。然后熱量從增加介質8的溫度和壓力的外部熱源被加入到與外部熱源1000導熱接觸的過熱器22的固定體積中。該熱量吸收將一直發(fā)生直到達到預定的參數(shù)，然后閥27a釋放介質8。該設計可以促進若干平行回路的同時壓縮和過熱。因而，恒定的壓力和/或溫度總是可以用于供給回路的剩余部分及其相關功能。可以結合膨脹箱(一個或多個)以防止可以由不連續(xù)的熱傳遞，和/或過熱器22的分離等導致的任何延時和/或震動。
如圖2-1和3-1中所示，在優(yōu)選實施例中蘭金循環(huán)可以通過跟隨蘭金循環(huán)液體接收器130增強，該接收器帶有蘭金循環(huán)低溫液體泵135，該泵可以由任何定速、多速和/或變頻馬達驅動(但是外部功率源將不一定用于其能量輸出)，并且該泵向蘭金循環(huán)蒸發(fā)器140中排放。
在操作中該實施例可以促進蘭金循環(huán)中受控的/可調(diào)節(jié)的液體流動，由此直接和/或間接影響和控制整個系統(tǒng)中的介質流動和熱傳遞速度，并且當需要時允許調(diào)節(jié)。
如圖3-1和3-2中所示，蒸汽壓縮循環(huán)可以被改進成包括吹風循環(huán)，該吹風循環(huán)可以通過改進所述優(yōu)選實施例開始，其可以從蒸汽壓縮液體接收器10開始，該接收器連接到真空絕緣T形接頭19a，真空絕緣管道和配件的陣列的一個分支通向蒸汽壓縮膨脹閥12，通過管子21，進入蒸汽壓縮階段1過冷卻器14，經(jīng)管子21離開，進入蒸汽壓縮蒸發(fā)器16，該蒸發(fā)器與蘭金冷凝器155導熱接觸。然后流動引出到與真空絕緣止回閥18a的連接，之后緊跟著T形接頭19b，并且繼續(xù)相同的分支回路，該分支回路通向可以包括另一T形接頭19c的無源平行壓縮機過熱器子組件500A和作為冷蒸汽供應的低溫自動隔離閥20a。極小高壓或未絕緣的T形接頭160a可操作地連接到作為高壓吹風過熱氣體供應的高壓調(diào)節(jié)閥27c，所述氣體供應進入與外部熱源1000導熱接觸的蒸汽壓縮過熱器22，并且經(jīng)高壓調(diào)節(jié)閥27a和高壓調(diào)節(jié)閥27b離開。根據(jù)形成無源平行陣列700的相關可升級設計，子組件500A可以與不定數(shù)量的其它平行壓縮機過熱器子組件500B平行地互連?；ミB陣列700通過極小的或未絕緣的高壓管道和配件28離開，經(jīng)更多的管道28到達蒸汽壓縮預冷凝器30。流動繼續(xù)到達與蘭金循環(huán)蒸發(fā)器140導熱接觸的蒸汽壓縮冷凝器35，通過過冷卻器14返回，通過止回閥18b，并進入接收器10，其中所述冷凝器作為低溫殼體和管/管和管熱交換器的子組件。實際的吹風循環(huán)可以在吹風液體接收器90開始，供應經(jīng)過管子21，吹風低溫液體泵95，其中所述泵可以由任何定速、多速和/或變頻馬達驅動，但是外部功率源將不一定用于其能量輸出，所述供應通過T形接頭19h的一個分支排放到吹風蒸發(fā)器盤管100，該吹風蒸發(fā)器盤管與蒸汽壓縮預冷凝器30導熱接觸，并且作為低溫殼體和管/管和管熱交換器的子組件通過管子28連接到吹風過熱器105。高壓調(diào)節(jié)閥27e連接到無源平行陣列600和700，所述陣列通過吹風混合其它出口110離開，通過T形接頭19k的一個分支到達狹道，進入吹風膨脹式發(fā)動機115，優(yōu)選地向吹風真空冷凝器盤管120中排放。盤管120的蒸汽出口可以經(jīng)管子21由任選的真空擴散噴射器85的真空抽吸側產(chǎn)生。吹風冷凝器與吹風真空蒸發(fā)器55導熱接觸，并作為低溫殼體和管熱交換器的子組件。液體出口125a可以通過多個管子21在T形接頭19e與真空擴散噴射器流體出口125b鄰接，剩余的分支向回通向接收器90。T形接頭19h的另一分支可以通向吹風液體泵旁路調(diào)節(jié)閥97，繼續(xù)通過多個管子21，以終止于蒸汽壓縮液體接收器10的底部中。T形接頭19k的另一分支優(yōu)選地通過吹風真空發(fā)動機旁路閥112繞道，并且在T形接頭191到達發(fā)動機115的排放側。
在圖3-1和3-2中，為了進一步支持吹風循環(huán)的有效操作，可以通過加入吹風真空散熱設備進一步改進蒸汽壓縮循環(huán)，所述散熱設備可以在T形接頭19a的另一分支開始，并且用真空絕緣管道21確定路線，通過吹風階段2過冷卻器50，到達另一真空絕緣T形接頭19d。流動繼續(xù)相同的分支回路，該分支回路通向吹風膨脹閥45，通過過冷卻器50返回，經(jīng)多個管子21，以進入吹風真空蒸發(fā)器55，其中該蒸發(fā)器與吹風冷凝器盤管部分120和125a導熱接觸，并且作為管熱交換器的子組件，引出到可以包括另一T形接頭19f的無源平行壓縮機過熱器組件200A，到達作為冷蒸汽供應的低溫自動隔離閥20f，和極小高壓或未絕緣的T形接頭160f，連接到作為進入吹風真空壓縮機過熱器60的高壓吹風過熱氣體供應的高壓調(diào)節(jié)閥27g。過熱器60的一個出口可以連接到自動三路吹風真空控制閥70，另一出口經(jīng)過高壓調(diào)節(jié)閥27f。根據(jù)形成另一無源平行陣列600的相關可升級設計，200A可以與不定數(shù)量的其它吹風真空平行壓縮機過熱器子組件200B平行地互連?；ミB陣列600可以通過若干通道離開。一個是閥70，該閥的一個分支通過管子21，到達吹風真空低溫泵75，該低溫泵連接到吹風真空壓縮機80的抽吸側，其排放側連接到管子21，該管子可以通過連接到先前未提到的T形接頭19b的分支完成回路。T形接頭19d的另一分支可以經(jīng)過多個管子21，以作為任選的液體輸送吹風真空擴散噴射器85的高壓側終止。
在圖3-1和3-2中可以看到蘭金循環(huán)的另一實施例。蘭金循環(huán)在蘭金循環(huán)液體接收器130開始，供應經(jīng)過管子21，蘭金循環(huán)低溫液體泵135，排放到與蒸汽壓縮冷凝器35導熱接觸的蘭金循環(huán)蒸發(fā)器140中，所述冷凝器通過管子28連接到蘭金循環(huán)過熱器145，和外部熱源，經(jīng)多個管子28離開并且進入蘭金循環(huán)膨脹式發(fā)動機150。通過管子21排放到與蒸汽壓縮蒸發(fā)器16導熱接觸的蘭金循環(huán)冷凝器155中，并且返回到接收器130。
該擴展設計可以促進在整個系統(tǒng)的所有循環(huán)內(nèi)的受控的/可調(diào)整的液體、蒸汽和/或氣體流動。在使用本發(fā)明的其它許多方法中，吹風循環(huán)和吹風真空散熱是一種方法，其可以產(chǎn)生整個系統(tǒng)的任何和所有部分中期望的任何壓力和焓條件。吹風膨脹式發(fā)動機也可以提供額外的凈功輸出。
在圖4-1和4-2中示出了介質8的稍微過熱的冷蒸汽，其離開蒸發(fā)器16，通過T形接頭19m的一個分支進入無源平行體積減小壓縮機子組件800A，該子組件包括的路徑為通過閥20n進入等放熱容器810(與冷卻流動誘導熱交換器840和加熱流動誘導熱交換器850導熱接觸)，通過閥20o進入另一等放熱容器820，該等放熱容器優(yōu)選地與冷卻流動誘導熱交換器842和加熱流動誘導熱交換器853導熱接觸，并且通過閥20p。然后它進入另一等放熱容器830，該等放熱容器優(yōu)選地與冷卻流動誘導熱交換器844和加熱流動誘導熱交換器855導熱接觸，并且通過閥27n，進入T形接頭19n的一個分支，和通過管子28，到達冷凝器35，該冷凝器優(yōu)選地與蘭金循環(huán)液體蒸發(fā)器140導熱接觸。然后它通過管子21，進入過冷卻器14，通過閥12引出到接收器10，并且返回蒸發(fā)器16。根據(jù)形成無源平行體積減小壓縮機陣列900的相關可升級設計，子組件800A可以與不定數(shù)量的其它無源平行體積減小壓縮機子組件800B平行地互連。
如圖4-1和圖4-2中所示，可以通過與順序的等溫和放熱過程相互作用增強優(yōu)選實施例中的蒸汽壓縮循環(huán)，所述順序的等溫和放熱過程被無源平行體積減小壓縮機陣列900用于任何致冷介質的流動誘導，壓縮和/或過熱。該過程可以產(chǎn)生壓力和焓條件的擴大范圍。
在圖5-1和5-2中顯示了任選的實施例，該實施例包括蒸汽壓縮循環(huán)和/或蘭金循環(huán)，其利用機動機械驅動壓縮機170，和用于流動循環(huán)的機動機械驅動吹風機172。圖5-2也包括任選的干燥去濕系統(tǒng)174，其可以通過使用任選的太陽能收集器陣列再生。
從提出的本發(fā)明可以看出，不會有排放物，危險的廢物排放到環(huán)境，不會有洪水淹沒貴重財產(chǎn)，并且不一定需要特殊地理環(huán)境。該系統(tǒng)將不消耗水，不消耗燃料，無存儲，無化學處理，并且不依賴天氣條件。該系統(tǒng)的另外優(yōu)點在于可以是集成的雙循環(huán)閉環(huán)系統(tǒng)，其產(chǎn)生電力/機械能，并且不會將任何氣體排放到大氣中。
可以是一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)并不直接和/或間接消耗和耗盡希缺的/不可再生的能源用于其工作并且也將為社會提供不依賴消耗性資源的機會。
可以在蒸汽壓縮循環(huán)中提供一種自然對流熱虹吸等溫/發(fā)熱壓縮過程，其僅僅需要自由熱能輸入來獲得必要的功。因此在大量的自由熱能被轉換為功之后，殘余的感熱和潛熱以及致冷介質可以被再循環(huán)，因為它從蒸汽和/或氣態(tài)被凝結回液態(tài)。由此保存能量，并且消除社會對現(xiàn)有高昂的消耗性能源基礎設施的依賴性。
一種航空電子提升系統(tǒng)也可以用在另一實施例中。任何一個上述實施例可以利用這里提到的任何一個壓縮機/過熱器子組件，但是并不僅僅局限于在這里描述的方法。任何冷卻空氣的方法可以用于增加圍繞包含諸如氦這樣的漂浮介質的容器的大氣中空氣的密度。由于容器中漂浮介質和容器周圍的空氣之間的密度差值增加，漂浮介質容器的提升能力可以顯著地增加。該技術通過減小螺旋槳和/或旋翼的直徑能夠代替現(xiàn)有的旋翼飛行器。
從以上描述明顯可知，從所提供的公開內(nèi)容可以預見各種各樣的應用、方法和系統(tǒng)。這里描述的裝置和方法可應用在各種應用中，例如外部熱源可以是太陽，地熱，空氣調(diào)節(jié)負荷，研究系統(tǒng)，航空電子系統(tǒng)，至頂循環(huán)，致冷，聯(lián)合發(fā)電，低溫應用，并且另外的優(yōu)點和改進對于本領域的技術人員來說將是顯而易見的。例如，外部熱源吸收可以位于將要暴露在汽車前面的前表面區(qū)域。通過回收來自整個車輛的摩擦產(chǎn)生組件的殘余熱量可以減小該表面區(qū)域。這是一種非?？尚械目赡苄?。所提出的本發(fā)明的系統(tǒng)也可以被改進和結合，從而為該相同的車輛提供動力或驅動它。該構思的改進型式可以應用于卡車，火車，輪船，飛機等?？缮壍陌l(fā)電機，壓縮機等可以與提出的膨脹式發(fā)動機的系統(tǒng)(一個或多個)軸聯(lián)合。此外，該主題技術可以用在低溫應用中以用于液化諸如氮，氫，氦，甲烷，水等這樣的氣體；可以應用于實驗室和半導體應用，和醫(yī)療應用(例如人體冷凍等)。這消除了現(xiàn)有系統(tǒng)當前所需要的高成本的電力消耗。該主題技術也可以與現(xiàn)有的可再生能源項目合作，例如太陽，生物量，地熱等，無限地和競爭性地增加它們的生產(chǎn)量以遠遠超過現(xiàn)有的化石燃料發(fā)電設備的生產(chǎn)量。該新技術也將消除任何熱源和噪聲源，所述熱源和噪聲源可以被敵方和諸如追蹤導彈這樣的防空武器探測。此外，可以包括不同致冷介質的附加至頂循環(huán)和至底循環(huán)也可以與該系統(tǒng)級聯(lián)。所以本發(fā)明在其更廣的方面并不局限于所顯示和所描述的特定細節(jié)，代表性的裝置和示例。因此，在不脫離申請人的總創(chuàng)新觀念的精神和范圍的情況下可以脫離這些細節(jié)。
權利要求
1.一種低溫聯(lián)合發(fā)電方法，其用于將來自熱源的能量通過低溫熱傳遞過程轉換為機械能和/或電能，該方法包括利用蒸汽壓縮循環(huán)從所述熱源吸收熱量；和利用蘭金循環(huán)用于能量傳遞，以用于將熱能轉換為機械能和/或電能。
2.根據(jù)權利要求1的方法，其中所述蘭金循環(huán)包括利用將熱能轉換為機械能和/或電能的手段，所述手段包括將來自所述熱源的大量熱能傳遞到所述蘭金循環(huán)的能量吸收和排放手段，和用于將熱量傳入和傳出所述蒸汽壓縮循環(huán)的再循環(huán)手段。
3.根據(jù)權利要求1的方法，進一步包括利用帶有能量吸收和排放手段的所述蒸汽壓縮循環(huán)，以用于將來自所述熱源的熱能傳遞到所述蘭金循環(huán)和/或用于通過傳輸將能量傳入和傳出所述蘭金循環(huán)。
4.根據(jù)權利要求1的方法，進一步包括在所述蘭金循環(huán)中利用熱傳遞介質。
5.根據(jù)權利要求1的方法，進一步包括在所述蘭金循環(huán)中利用致冷劑。
6.根據(jù)權利要求1的方法，進一步包括在所述蒸汽壓縮循環(huán)中利用熱傳遞介質。
7.根據(jù)權利要求1的方法，進一步包括在所述蒸汽壓縮循環(huán)中利用致冷劑。
8.根據(jù)權利要求4的方法，進一步包括利用重力和自然對流促進的大氣流動來循環(huán)所述熱傳遞介質。
9.根據(jù)權利要求5的方法，進一步包括利用重力和自然對流促進的大氣流動來循環(huán)所述致冷劑。
10.根據(jù)權利要求6的方法，進一步包括利用重力和自然對流促進的大氣流動來循環(huán)所述熱傳遞介質。
11.根據(jù)權利要求7的方法，進一步包括利用重力和自然對流促進的大氣流動來循環(huán)所述致冷劑。
12.根據(jù)權利要求1的方法，進一步包括利用一種手段，該手段通過無源自然等溫和/或放熱過程壓縮和/或過熱熱傳遞介質和/或致冷劑。
13.根據(jù)權利要求1的方法，進一步包括利用一種手段，該手段使用無源平行壓縮機，通過同時和/或平行執(zhí)行無源自然等溫和/或放熱過程的順序方法保持預定的連續(xù)恒定壓力輸出和/或流動。
14.根據(jù)權利要求1的方法，進一步包括利用一種手段，該手段使用吹風循環(huán)擴大壓力和/或流動的范圍和控制。
15.根據(jù)權利要求1的方法，進一步包括利用一種手段，該手段使用吹風真空散熱擴大壓力和/或流動的范圍和控制。
16.根據(jù)權利要求1的方法，進一步包括利用一種手段，該手段使用無源平行體積減小壓縮機擴大壓力和/或流動的范圍和控制。
17.根據(jù)權利要求1的方法，進一步包括利用一種手段，該手段使用航空電子提升手段增加漂浮容器提升能力。
18.根據(jù)權利要求14的方法，進一步包括利用一種手段，該手段通過利用體積減小壓縮機擴大壓力和/或流動的所述范圍和控制。
19.一種低溫聯(lián)合發(fā)電裝置，其用于將來自熱源的能量通過低溫熱傳遞過程轉換為機械能和/或電能，該裝置包括從所述熱源吸收熱量的蒸汽壓縮循環(huán)手段；和用于能量傳遞的蘭金循環(huán)手段，其用于將熱能轉換為機械能和/或電能，所述蘭金循環(huán)手段可操作地連接到所述蒸汽壓縮循環(huán)手段。
20.根據(jù)權利要求19的裝置，其中所述蒸汽壓縮循環(huán)手段包括熱傳遞介質。
21.根據(jù)權利要求19的裝置，其中所述蘭金循環(huán)手段包括熱傳遞介質。
22.根據(jù)權利要求19的裝置，其中所述蒸汽壓縮循環(huán)手段包括致冷劑。
23.根據(jù)權利要求19的裝置，其中所述蘭金循環(huán)手段包括致冷劑。
24.根據(jù)權利要求20的裝置，進一步包括一種手段，該手段用于產(chǎn)生由重力和自然對流促進的熱虹吸流動以循環(huán)所述熱傳遞介質。
25.根據(jù)權利要求22的裝置，進一步包括一種手段，該手段用于產(chǎn)生由重力和自然對流促進的熱虹吸流動以循環(huán)所述致冷劑。
26.根據(jù)權利要求21的裝置，進一步包括一種手段，該手段用于產(chǎn)生由重力和自然對流促進的熱虹吸流動以循環(huán)所述熱傳遞介質。
27.根據(jù)權利要求23的裝置，進一步包括一種手段，該手段用于產(chǎn)生由重力和自然對流促進的熱虹吸流動以循環(huán)所述致冷劑。
28.根據(jù)權利要求19的裝置，進一步包括一種手段，該手段通過無源自然等溫和/或放熱過程壓縮和/或過熱熱傳遞介質和/或致冷劑。
29.根據(jù)權利要求19的裝置，進一步包括一種手段，該手段使用無源平行壓縮機，通過同時和/或平行執(zhí)行無源自然等溫和/或放熱過程的順序方法保持預定的連續(xù)恒定壓力輸出和/或流動。
30.根據(jù)權利要求19的裝置，進一步包括一種手段，該手段使用吹風循環(huán)擴大壓力和/或流動的范圍和控制。
31.根據(jù)權利要求19的裝置，進一步包括一種手段，該手段使用吹風真空散熱擴大壓力和/或流動的范圍和控制。
32.根據(jù)權利要求19的裝置，進一步包括一種手段，該手段使用無源平行體積減小壓縮機擴大壓力和/或流動的范圍和控制。
33.根據(jù)權利要求19的方法，進一步包括一種手段，該手段使用航空電子提升手段增加漂浮容器提升能力。
34.根據(jù)權利要求30的方法，進一步包括一種手段，該手段通過利用體積減小壓縮機擴大壓力和/或流動的所述范圍和控制。
35.根據(jù)權利要求19的裝置，進一步包括機動機械驅動壓縮機和機動機械驅動吹風機，以用于流動循環(huán)。
36.一種熱源聯(lián)合發(fā)電方法，其用于將來自熱源的能量通過熱傳遞過程轉換為機械能和/或電能，該方法包括利用蒸汽壓縮循環(huán)從所述熱源吸收熱量；和利用蘭金循環(huán)用于能量傳遞，以用于將熱能轉換為機械能和/或電能。
37.根據(jù)權利要求36的方法，進一步包括利用一種手段，該手段使用吹風循環(huán)擴大壓力和/或流動的范圍和控制，并且進一步利用一種手段，該手段使用膨脹式發(fā)動機將熱能轉換為機械能和/或電能。
38.根據(jù)權利要求37的方法，進一步包括利用一種手段，該手段使用膨脹式發(fā)動機和吹風散熱將吹風循環(huán)熱傳遞介質重新引入到蒸汽壓縮循環(huán)中以用于將熱能轉換為機械能和/或電能。
39.一種熱源聯(lián)合發(fā)電裝置，其用于將來自熱源的能量通過低溫熱傳遞過程轉換為機械能和/或電能，該裝置包括從所述熱源吸收熱量的蒸汽壓縮循環(huán)手段；和用于能量傳遞的蘭金循環(huán)手段，其用于將熱能轉換為機械能和/或電能，所述蘭金循環(huán)手段可操作地連接到所述蒸汽壓縮循環(huán)手段。
全文摘要
一種低溫和熱源聯(lián)合發(fā)電方法，其用于將來自熱源的能量通過低溫熱傳遞過程轉換為機械能和/或電能，包括，利用蒸汽壓縮循環(huán)(2)從熱源吸收熱量，和利用蘭金循環(huán)(4)用于能量傳遞以將熱能轉換為機械能和/或電能。一種低溫和熱源聯(lián)合發(fā)電裝置，其用于將來自熱源的能量通過低溫熱傳遞過程轉換為機械能和/或電能，包括，從所述熱源吸收熱量的蒸汽壓縮循環(huán)(2)機構，和用于能量傳遞以將熱能轉換為機械能和/或電能的蘭金循環(huán)(4)機構。所述蘭金循環(huán)(4)機構可操作地連接到所述蒸汽壓縮循環(huán)(2)機構。
文檔編號F03G6/00GK1890458SQ200480036286
公開日2007年1月3日 申請日期2004年10月13日 優(yōu)先權日2003年10月14日
發(fā)明者M·A·舍克, G·A·小斯托克, W·W·韋格爾 申請人:布魯厄斯能源公司