廢熱回收的系統(tǒng)及方法
【專利說明】廢熱回收的系統(tǒng)及方法
[0001] 背景 本發(fā)明涉及用于從消耗燃料的人類活動(dòng)中產(chǎn)生的廢熱回收能量的系統(tǒng)及方法。具體而 言，本發(fā)明涉及從利用不足的廢熱源（諸如燃?xì)鉁u輪排出氣體）回收熱能。
[0002] 人類焚燒燃料的活動(dòng)在幾世紀(jì)W來已經(jīng)是人類文明發(fā)展及其延續(xù)的中屯、特征。然 而，燃料可轉(zhuǎn)換成能量的效率仍是長(zhǎng)期存在的問題；因?yàn)槿剂戏贌龝r(shí)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。
[0003] 蘭金化ankine)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(shí)現(xiàn)了較大的發(fā)展。盡管過去已取得成果，但 需要進(jìn)一步加強(qiáng)的蘭金循環(huán)廢熱回收系統(tǒng)和方法。
[0004] 盤述 在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種蘭金循環(huán)系統(tǒng)，包括；(a)加熱器，其構(gòu)造成使熱 從第一含有廢熱的流傳遞至第一工作流體流W產(chǎn)生第一汽化工作流體流和第二含有廢熱 的流；化）第一膨脹器，其構(gòu)造成接收第一汽化工作流體流W由此產(chǎn)生機(jī)械能和膨脹的第 一汽化工作流體流；（C)第一換熱器，其構(gòu)造成使熱從膨脹的第一汽化工作流體流、第二含 有廢熱的流和膨脹的第二汽化工作流體流的第一部分傳遞至第一冷凝工作流體流W由此 產(chǎn)生第二汽化工作流體流；（d)第二膨脹器，其構(gòu)造成接收第二汽化工作流體流W由此產(chǎn) 生機(jī)械能和膨脹的第二汽化工作流體流；W及（e)第二換熱器，其構(gòu)造成使熱從膨脹的第 二汽化工作流體流的第二部分傳遞至第二冷凝工作流體流，W由此產(chǎn)生具有大于第二冷凝 工作流體流的烙的工作流體流。
[0005] 在備選實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種蘭金循環(huán)系統(tǒng)，包括；(a)加熱器，其構(gòu)造成 使熱從第一含有廢熱的流傳遞至第一工作流體流W產(chǎn)生第一汽化工作流體流和第二含有 廢熱的流；化）第一膨脹器，其構(gòu)造成接收第一汽化工作流體流W由此產(chǎn)生機(jī)械能和膨脹 的第一汽化工作流體流；（C)第一換熱器，其構(gòu)造成使熱從膨脹的第一汽化工作流體流、第 二含有廢熱的流和膨脹的第二汽化工作流體流的第一部分傳遞至第一冷凝工作流體流W 由此產(chǎn)生第二汽化工作流體流、熱耗盡的含有廢熱的流和第一熱耗盡的工作流體流；（d) 第二膨脹器，其構(gòu)造成接收第二汽化工作流體流且由此產(chǎn)生機(jī)械能和膨脹的第二汽化工作 流體流；(e)第二換熱器，其構(gòu)造成使熱從膨脹的第二汽化工作流體流的第二部分傳遞至 第二冷凝工作流體流，W由此產(chǎn)生具有大于第二冷凝工作流體流的烙的工作流體流已經(jīng)第 二熱耗盡的工作流體流；江）工作流體流組合器，其構(gòu)造成使第一熱耗盡的工作流體流與 第二熱耗盡的工作流體流組合W由此產(chǎn)生合并的熱耗盡的工作流體流；（g)冷凝器，其構(gòu) 造成接收合并的熱耗盡的工作流體流且由此產(chǎn)生第一合并的冷凝工作流體流；化）工作流 體累，其構(gòu)造成加壓第一合并的工作流體流且由此產(chǎn)生第二合并的冷凝工作流體流；W及 (i)至少一個(gè)工作流體流分流器，其構(gòu)造成將第二合并的冷凝工作流體流分成至少兩個(gè)冷 凝工作流體流。
[0006]在另一個(gè)實(shí)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，其包 括；(a)使熱從第一含有廢熱的流傳遞至第一工作流體流W由此產(chǎn)生第一汽化工作流體流 和第二含有廢熱的流；(b)使第一汽化工作流體流膨脹w由此產(chǎn)生機(jī)械能和膨脹的第一汽 化工作流體流；(C)使熱從膨脹的第一汽化工作流體流、第二含有廢熱的流和膨脹的第二 汽化工作流體流的第一部分傳遞至第一冷凝工作流體流W由此產(chǎn)生第二汽化工作流體流、 熱耗盡的第二含有廢熱的流和第一熱耗盡的工作流體流；(d)使第二汽化工作流體流膨脹 W由此產(chǎn)生機(jī)械能和膨脹的第二汽化工作流體流；W及（e)使熱從膨脹的第二汽化工作流 體流的第二部分傳遞至第二冷凝工作流體流，W由此產(chǎn)生具有大于第二冷凝工作流體流的 烙的工作流體流W及第二熱耗盡的工作流體流。
[0007] 附圖概巧 當(dāng)參照附圖閱讀W下詳細(xì)描述時(shí)，本發(fā)明的各種特征、方面和化點(diǎn)將變得更好理解，其 中相似的標(biāo)號(hào)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。該些關(guān)鍵創(chuàng)造性特征被認(rèn)作適用于包括本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施 例的多種系統(tǒng)中。因此，附圖不意圖包括實(shí)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。
[0008] 圖1表不本發(fā)明的第一實(shí)施例； 圖2表示本發(fā)明的第二實(shí)施例； 圖3表示本發(fā)明的第王實(shí)施例； 圖4表示本發(fā)明的第四實(shí)施例； 圖5表示本發(fā)明的第五實(shí)施例； 圖6表示本發(fā)明的第六實(shí)施例；W及 圖7表示備選構(gòu)造的蘭金循環(huán)系統(tǒng)。
[OOOW詳細(xì)描化 在W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，該些用語應(yīng)限定為具有W下意義。
[0010] 單數(shù)形式的"一"、"一個(gè)"和"該個(gè)"包括多個(gè)指示物，除非上下文另外明確地 規(guī)定。
[0011] "可選"或"可選地"意思是隨后描述的事件或情形可發(fā)生或可不發(fā)生，且該描述 包括事件發(fā)生的情形和其不發(fā)生的情形。
[0012] 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康谋硎荆?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(gè)或多個(gè)諸如"大約" 和"大致"該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(duì) 應(yīng)于用于測(cè)量值的儀器的精度。該里W及說明書和權(quán)利要求各處，范圍限制可組合和/或 互換，該樣的范圍被認(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。
[0013] 如本文使用的短語"構(gòu)造成"描述了實(shí)現(xiàn)特定結(jié)果所需的蘭金循環(huán)系統(tǒng)的兩個(gè)或 多個(gè)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(shí)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(shí)可安全地包含工作流體的構(gòu)件構(gòu)成。
[0014] 如本文所述，在一個(gè)實(shí)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(jī)械能。例如，由廢熱產(chǎn)生的機(jī)械能可用于 驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)、交流發(fā)電機(jī)或能夠?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的其它適合的裝置。在一個(gè)或多個(gè)實(shí) 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(jī)械能轉(zhuǎn)換成 電能的多個(gè)裝置，例如，包括兩個(gè)或多個(gè)發(fā)電機(jī)的蘭金循環(huán)系統(tǒng)，或包括發(fā)電機(jī)和交流發(fā)電 機(jī)的蘭金循環(huán)系統(tǒng)。在備選實(shí)施例中，由本發(fā)明提供的蘭金循環(huán)系統(tǒng)將工作流體中包含的 潛能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，且使用產(chǎn)生的機(jī)械能的至少一部分對(duì)系統(tǒng)的構(gòu)件（例如，用于加壓工 作流體的累）提供動(dòng)為。
[0015] 在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，由本發(fā)明提供的蘭金循環(huán)系統(tǒng)包括加熱器，其構(gòu)造成將 熱從第一含有廢熱的流傳遞至第一工作流體流W產(chǎn)生第一汽化工作流體流和第二含有廢 熱的流。含有廢熱的流可為任何含有廢熱的氣體、液體、流化固體或可從其回收熱的多相流 體。如本文使用的用語"加熱器"描述了一種裝置，其使廢熱源（諸如含有廢熱的流）與 蘭金循環(huán)系統(tǒng)的工作流體熱接觸，使得熱從廢熱源傳遞至工作流，而不使廢熱源與工作流 體直接接觸，即，廢熱源不與工作流體混合。此加熱器是市售的，且是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員已知的。例如，該加熱器可為含有廢熱的流可穿過的管道，諸如2009年11月24日提交 的美國(guó)專利申請(qǐng)US2011-0120129A1中公開的管道，該專利申請(qǐng)通過引用W其整體并入本 文中。工作流體可借助于管系與含有廢熱的流熱接觸，該管系布置在管道內(nèi)且提供管路，工 作流體行進(jìn)穿過管路而不與含有廢熱的流直接接觸。流動(dòng)的工作流體在第一工作流體溫度 下進(jìn)入管道內(nèi)的管系，從流過管道的含有廢熱的流接收熱，且在第二工作流體溫度下流出 管道內(nèi)的管系，第二工作流體溫度高于第一工作流體溫度。含有廢熱的流在第一含有廢熱 的流的溫度下進(jìn)入管道，且將其熱能的至少一部分傳遞至工作流體，在第二含有廢熱的流 的溫度下流出管道，第二含有廢熱的流的溫度低于第一含有廢熱的流的溫度。
[0016] 如本文使用的用語"加熱器"專用于該樣的裝置，其構(gòu)造成將熱從廢熱源（諸如 含有廢熱的流）傳遞至工作流體，且不構(gòu)造成在第一工作流體流與第二工作流體流之間交 換熱。加熱器在此與換熱器區(qū)分開，換熱器構(gòu)造成允許第一工作流體流與第二工作流體流 之間的熱交換。該差別在本公開內(nèi)容的圖5中示出，其中加熱器32和33使熱從含有廢熱 的流（分別為含有廢熱的流16和18)分別傳遞至工作流體流20和72。本領(lǐng)域的普通技 術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到圖5中所示的標(biāo)號(hào)的系統(tǒng)構(gòu)件36和37已經(jīng)圖6中所示的標(biāo)號(hào)的系統(tǒng)構(gòu)件 38構(gòu)造成在第一工作流體流與第二工作流體流之間交換熱，且作為如本文限定的換熱器