具有三級膨脹的容積式能量回收系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】具有三級膨脹的容積式能量回收系統(tǒng)
[0001]相關(guān)申請
[0002]1.本申請在2014年I月28日作為PCT國際專利申請?zhí)峤?，要求?013年I月28日提交的美國專利申請序列號61/757，533的優(yōu)先權(quán)，要求在2013年4月10日提交的美國專利申請序列號61/810，579的優(yōu)先權(quán)，并且要求在2013年4月25日提交的美國專利申請序列號61/816，143的優(yōu)先權(quán)。各申請61/757，533,61/810, 579和61/816，143的全部內(nèi)容通過引用合并在此。
[0003]政府許可權(quán)利
[0004]2.本發(fā)明根據(jù)由美國能源部的能源效率和可再生能源辦公室出資的國家能源技術(shù)實驗室授予的合同號N0.DE-EE0005650在政府資助下完成。政府對本發(fā)明擁有一定權(quán)利。
技術(shù)領(lǐng)域
[0005]3.本發(fā)明涉及一種用于在朗肯循環(huán)(Rankine cycle)中產(chǎn)生動力的容積式流體膨脹器。
【背景技術(shù)】
[0006]4.朗肯循環(huán)是一種將熱能轉(zhuǎn)化為機械功的發(fā)電循環(huán)。朗肯循環(huán)通常用于熱發(fā)動機中，并且通過使工作物質(zhì)從較高溫度狀態(tài)轉(zhuǎn)到較低溫度狀態(tài)來完成上述轉(zhuǎn)化。經(jīng)典的朗肯循環(huán)是基于蒸汽機的操作的基本熱力學(xué)過程。
[0007]5.在朗肯循環(huán)中，熱“源”產(chǎn)生熱能，該熱能使工作物質(zhì)達到較高溫度狀態(tài)。工作物質(zhì)在發(fā)動機的“工作體”中做功，同時將熱量傳遞到較冷的“散熱器(sink) ”直到工作物質(zhì)達到較低的溫度狀態(tài)。在此過程中，通過利用工作物質(zhì)的特性，一些熱能被轉(zhuǎn)化為功。熱量在外面被供給到閉合回路中的工作物質(zhì)，其中，所述工作物質(zhì)是具有非零熱容的流體，其可以是氣體或液體，例如水。朗肯循環(huán)的效率通常被工作流體所限制。
[0008]6.朗肯循環(huán)通常采用單獨的子系統(tǒng)，如冷凝器、流體栗、諸如沸騰器的換熱器、以及膨脹器式渦輪機。所述栗常常用于加壓從冷凝器中接收的作為液體而不是氣體的工作流體。通常，所有的能量在栗送工作流體通過完整循環(huán)的過程中損失，沸騰器中的工作流體的大部分汽化能也是如此。能量因此在循環(huán)中損失，主要因為在渦輪機中可以發(fā)生的冷凝被限制在約10%以使渦輪葉片的侵蝕最小化，而該循環(huán)拒絕汽化能通過冷凝器。另一方面，與在壓縮機內(nèi)壓縮作為氣體的流體相比，栗送作為液體的工作流體通過該循環(huán)需要輸送流體所需的能量的相對較小份額。
[0009]7.經(jīng)典的朗肯循環(huán)的一個變型是有機朗肯循環(huán)(ORC)，其命名是由于使用有機高分子質(zhì)量流體，并具有比水-汽的相變更低的溫度下發(fā)生的液-汽相變或沸點。這樣，作為經(jīng)典的朗肯循環(huán)中的水和蒸汽的替代，在ORC中的工作流體可以是溶劑，例如正戊烷(n-pentane)或甲苯。ORC工作流體允許從較低溫度源的朗肯循環(huán)熱量回收，如從生物質(zhì)燃燒、工業(yè)廢熱、地?zé)帷⑻柍氐?。低溫?zé)崃咳缓罂杀晦D(zhuǎn)化為有用功，該有用功繼而可被轉(zhuǎn)化為電力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]8.一般而言，本發(fā)明涉及一種具有三級膨脹系統(tǒng)的容積式能量回收系統(tǒng)。在一種可行的構(gòu)型中且通過非限制性示例，本發(fā)明涉及一種經(jīng)由閉環(huán)朗肯循環(huán)來產(chǎn)生機械功的方法，該方法包括:將工作流體至少加熱到部分蒸氣狀態(tài)；通過在工作流體從第一膨脹級通過時使工作流體膨脹而在第一膨脹級中產(chǎn)生有用功；通過在工作流體從第二膨脹級通過時使工作流體膨脹來在第二膨脹級中產(chǎn)生有用功；通過在工作流體從第三膨脹級通過時使工作流體膨脹來在第三膨脹級中產(chǎn)生有用功；以及使工作流體冷凝至液體狀態(tài)。9.本發(fā)明的另一方面涉及一種用來經(jīng)由閉環(huán)朗肯循環(huán)來產(chǎn)生機械功的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括:動力設(shè)備，該動力設(shè)備產(chǎn)生熱流并具有供熱流離開的熱量出口 ；構(gòu)造成從熱流向工作流體流傳熱的換熱裝置；構(gòu)造成接收來自第一換熱器的工作流體流的第一容積式流體膨脹級；構(gòu)造成接收來自第一容積式流體膨脹級的工作流體流的第二容積式流體膨脹級；以及構(gòu)造成接收來自第二容積式流體膨脹級的工作流體流的第三容積式流體膨脹級。第一、第二和第三容積式流體膨脹級構(gòu)造成從工作流體流產(chǎn)生機械功。
【附圖說明】
[0011]10.圖1是根據(jù)本發(fā)明的原理的采用使用三級膨脹系統(tǒng)的朗肯循環(huán)的第一示例性系統(tǒng)的不意圖。
[0012]11.圖2是根據(jù)本發(fā)明的原理的采用使用三級膨脹系統(tǒng)的朗肯循環(huán)的第二示例性系統(tǒng)的不意圖。
[0013]12.圖3是根據(jù)本發(fā)明的原理的采用使用三級膨脹系統(tǒng)的朗肯循環(huán)的第三示例性系統(tǒng)的不意圖。
[0014]13.圖4是具有三級膨脹系統(tǒng)的朗肯循環(huán)中的一個示例性方法的流程圖。14.圖5是具有三級膨脹系統(tǒng)的朗肯循環(huán)中的另一示例性方法的流程圖。15.圖6是具有三級膨脹系統(tǒng)的朗肯循環(huán)中的又一示例性方法的流程圖。16.圖7是具有作為根據(jù)本發(fā)明的原理的方面的示例的特征的容積式流體膨脹器的一個示例的側(cè)視透視圖。
[0015]17.圖8是圖7所示的容積式流體膨脹器的截面?zhèn)纫曂敢晥D。
[0016]18.圖9是具有作為根據(jù)本發(fā)明的原理的方面的示例的特征的容積式流體膨脹器的一個示例的截面?zhèn)纫晥D。
[0017]19.圖10是圖9所示的容積式流體膨脹器的示意性透視頂視圖。
[0018]20.圖11是示出了圖7和9所示的容積式流體膨脹器的轉(zhuǎn)子的幾何參數(shù)的示意圖。
[0019]21.圖12是示出了圖7和9所示的容積式流體膨脹器的轉(zhuǎn)子的示意圖。
[0020]22.圖13是示出圖1-6所示的系統(tǒng)所采用的朗肯循環(huán)的圖表。
【具體實施方式】
[0021]23.將參考附圖詳細描述各種實施例，其中在全部多個視圖中同樣的附圖標記表示同樣的零件和組件。對各種實施例的論述并不限制本發(fā)明的范圍。此外，在本說明書中描述的任何示例并非旨在是限制性的，而是僅描述所附權(quán)利要求的很多可能實施方式中的一些實施方式。
[0022]24.參照附圖，示出了這樣的系統(tǒng):其中具有雙交錯轉(zhuǎn)子的多個容積式流體膨脹級20從來自動力源(文中還被稱為動力裝置)的廢熱提取否則將被浪費的能量。如下所述，轉(zhuǎn)子可構(gòu)造成直的或扭轉(zhuǎn)的。容積式流體膨脹級20在文中還可被稱為膨脹器、膨脹裝置或容積式能量回收裝置。能量回收系統(tǒng)可通過將構(gòu)件與直接或間接將能量傳送回到動力裝置的容積式流體膨脹級的輸出部聯(lián)接而形成。
[0023]25.具有三級膨脹系統(tǒng)的容積式能暈回收系統(tǒng)
[0024]26.圖1是根據(jù)本發(fā)明的原理的采用使用三級膨脹系統(tǒng)的朗肯循環(huán)的系統(tǒng)100的示意圖。在本例中，系統(tǒng)100在利用朗肯循環(huán)來產(chǎn)生機械功時采用工作流體12作為用于閉環(huán)循環(huán)的工作物質(zhì)。工作流體12可屬于適合朗肯循環(huán)的任何類型。在一些示例中，工作流體是乙醇、正戊烷或甲苯。在本文獻中，將工作流體12表示為不同附圖標記，例如13、14、17、22、23、16、27、28、30和32，以表示流體12的不同相、溫度和/或壓力。
[0025]27.在一些示例中，系統(tǒng)100包括:發(fā)動機52 ;多個換熱器18-1、18-2、18-3和18-4(統(tǒng)一表示為18);三級膨脹系統(tǒng)，其具有多個膨脹級20-1、20-2和20_3(統(tǒng)一表示為20);冷凝器25 ;和流體栗16。
[0026]28.發(fā)動機52可以是依靠化學(xué)燃料如柴油或汽油的燃燒來運轉(zhuǎn)并產(chǎn)生大量熱和排氣的內(nèi)燃發(fā)動機。在一些示例中，發(fā)動機52可包括增壓器或渦輪增壓器102以使用強制增壓進氣。
[0027]29.多個換熱器18構(gòu)造成向/從經(jīng)過其中的工作流體12傳熱。
[0028]30.膨脹級20構(gòu)造成接收工作流體12并產(chǎn)生機械功。在運行中，隨著工作流體12從膨脹級20通過，流體12的溫度和壓力下降。一般而言，膨脹級20依賴于流體12的壓力來使輸出軸旋轉(zhuǎn)，由此形成機械能。機械能能以多種方式被使用或儲存。例如，由膨脹級20形成的轉(zhuǎn)矩可由發(fā)動機52使用。各膨脹級20可使所提取的能量經(jīng)由裝置20的輸出軸38返回發(fā)動機52 (圖3-6)。在其它示例中，機械能可被蓄積在負載儲存裝置中以便今后按需釋放。機械能還可被用于與系統(tǒng)100相關(guān)的發(fā)電機或由發(fā)動機52使用的液壓栗。因此，容積式流體膨脹級20操作以提高發(fā)動機52的總效率，以形成有用功，并使流體12再循環(huán)。下文參考圖3-6更詳細地論述膨脹級20的示例。
[0029]