具有润滑回路的有机朗肯循环系统的制作方法
【专利说明】具有润滑回路的有机朗肯循环系统
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求在2013年I月28日提交的、名称为“HEAVY DUTY ROOT EXPANDER HEATENERGY RECOVERY”的美国临时申请序列号61/757，533的优先权，该申请的全部内容通过引用合并在此。
[0003]政府许可权利
[0004]本发明根据由美国能源部的能源效率和可再生能源办公室出资的国家能源技术实验室授予的合同号N0.DE-EE0005650在政府资助下完成。政府对本发明拥有一定权利。
技术领域
[0005]本发明涉及一种用于回收余热的系统。更具体地，本发明涉及一种有机朗肯循环系统。
【背景技术】
[0006]朗肯循环是一种将热能转化为机械功的发电循环。朗肯循环通常用于热发动机中，并且通过使工作物质从较高温度状态转到较低温度状态来完成上述转化。经典的朗肯循环是基于蒸汽机的操作的基本热力学过程。
[0007]朗肯循环通常采用单独的子系统，如冷凝器、流体栗、诸如沸腾器的换热器、以及膨胀器涡轮。栗常常用于加压作为液体而不是气体从冷凝器中接收的工作流体。来自栗的加压液体在换热器中加热并且用于驱动膨胀器涡轮以便将热能转化为机械功。当离开膨胀器涡轮时，工作流体返回到对任何剩余的蒸汽进行冷凝的冷凝器。之后，冷凝的工作流体返回到栗并且重复该循环。
[0008]经典的朗肯循环的一个变型是有机朗肯循环(ORC)，其命名是由于使用有机高分子质量流体，并具有比水-汽的相变更低的温度下发生的液-汽相变或沸点。这样，作为经典的朗肯循环中的水和蒸汽的替代，在ORC中的工作流体可以是溶剂，例如正戊烷或甲苯。ORC工作流体允许从较低温度源的朗肯循环热量回收，如从生物质燃烧、工业废热、地热、太阳池等。低温热量然后可被转化为有用功，该有用功继而可被转化为电力。
[0009]期望进一步改进这些朗肯循环系统。
【发明内容】
[0010]本发明的一方面涉及包括朗肯循环工作回路和润滑回路的闭环有机朗肯循环系统。在某些示例中，朗肯循环工作回路和润滑回路具有彼此重合的部分。在某些示例中，朗肯工作回路和润滑回路共用共同的液压栗。在某些示例中，允许来自润滑回路的润滑剂和来自朗肯循环工作回路的工作流体彼此混合。在某些示例中，润滑回路是对用于润滑机械膨胀器的组件(例如，轴承、正时齿轮等)的润滑剂进行冷却的冷却回路，机械膨胀器从朗肯循环工作回路中提取能量/功。在某些示例中，来自润滑回路的润滑剂与朗肯循环工作回路的工作流体混合并且为驱动流经朗肯循环工作回路和朗肯工作回路的液压栗提供润滑剂。
[0011]本发明的各方面允许用于减少密封问题和减少栗送组件的简化朗肯循环系统。在某些示例中，在朗肯循环工作流体于换热器处蒸发之前，分离器用于将朗肯循环工作流体与润滑剂分离。在某些示例中，朗肯循环系统用于从来自原动机(如内燃机、燃料电池或类似组件)的余热中重获能量。在某些示例中，朗肯循环系统用于从来自车辆的原动机的余热中重获能量。
[0012]在以下说明中将提及附加方面的各种变化。这些方面可以涉及单个特征并且涉及特征的组合。应当理解，前述的一般性描述和以下详细的描述仅是示例性和解释性的目的并且不是对本文所公开的实施例所基于的宽泛概念进行限制。
【附图说明】
[0013]图1是根据本发明的原理的、具有作为创造性方面的示例的、采用朗肯循环工作回路和润滑回路的朗肯循环系统的示意图；
[0014]图2是示出图1所示的系统所采用的朗肯循环的图表；
[0015]图3是用于从图1的系统中提取机械能的罗茨式膨胀器的剖视图；
[0016]图4是图3的罗茨式膨胀器的示意图；
[0017]图5是示出图3的罗茨式膨胀器的正时齿轮的剖视图；
[0018]图6示出能够在图1的朗肯循环系统中使用的分离器的示例性构造；并且
[0019]图7示意性示出根据本发明的原理的包括朗肯循环系统的车辆。
【具体实施方式】
[0020]参照附图，其中在全部多个视图中相同的附图标记对应于相同或类似的组件。
[0021]本发明大体关于利用来自热源的热量产生有用功的朗肯循环系统(例如，有机朗肯循环系统)。在一个示例中，热源是来自如原动机(例如，内燃机(如柴油发动机或火花点火式发动机)、燃料电池等)的装置的余热。在一个示例中，机械装置(如旋转式膨胀器)用于从朗肯循环系统中提取机械能。在一个示例中，朗肯循环系统是将朗肯循环工作流体(例如，如乙醇、正戊烷、甲苯的溶剂或其它溶剂)加热到等于或大于275摄氏(C)度的有机朗肯循环系统。
[0022]这样高的温度会恶化用于润滑机械装置(例如，旋转式膨胀器)的运动组件(例如，轴承、齿轮等)的润滑油，该机械装置用于从朗肯循环回路中提取能量。在该方面，就可流动润滑油而言，期望使用使润滑剂维持在可接受的温度的润滑冷却回路。由于形成朗肯循环工作流体的溶剂可引起脱脂，所以润滑脂通常不是有效的。此外，润滑脂在高温下将会恶化。当无效密封(例如，在机械组件处如膨胀器、栗或具有需要润滑的运动部件的其它组件)使得这些油与朗肯循环工作流体混合时，润滑油可能存在问题。例如，朗肯循环工作流体内的润滑剂由于污染蒸发器旋管所以对蒸发过程是不利的。
[0023]本发明的各方面涉及包括朗肯循环工作回路和润滑回路的闭环有机朗肯循环系统。在某些示例中，朗肯循环工作回路和润滑回路构造为使得有意地将来自润滑回路的润滑剂与朗肯循环工作流体混合。以这种方式，朗肯循环工作回路和润滑回路具有彼此重合的部分。在某些示例中，朗肯循环工作回路和润滑回路共用共同的液压栗。在某些示例中，润滑剂和朗肯循环工作流体在栗的低压侧的上游处混合，并且在栗的高压侧和蒸发器之间分离器将朗肯循环工作流体与润滑剂分离。在某些示例中，润滑回路是对用于润滑机械膨胀器的组件(例如，轴承、正时齿轮等)的润滑剂进行冷却的冷却回路，该机械膨胀器从朗肯循环工作回路中提取能量/功，并且来自润滑回路的润滑剂与朗肯循环工作回路的工作流体混合并对液压栗提供润滑，该液压栗驱动流经朗肯循环工作回路和润滑回路两者。润滑剂与冷凝冷却的工作流体相混合将热量从在膨胀器组件润滑期间获取的润滑剂中去除。在某些示例中，朗肯循环系统用于从余热中获取热量。
[0024]图1示出根据本发明的原理的有机朗肯循环系统100。有机朗肯循环系统100构造为将来自热源(如，发动机116)的热量转化为机械能。有机朗肯循环系统100构造为使朗肯循环工作流体(例如，如乙醇、正戊烷、甲苯的溶剂或其它溶剂)反复循环通过闭环有机朗肯循环。如图1所示，有机朗肯循环系统100包括具有冷凝区104、加热区106和机械能提取区108的朗肯循环工作回路102。液压栗110用于使工作流体运动通过朗肯循环回路102。栗110包括与冷凝区104流体连通的低压侧112以及与加热区106流体连通的高压侧114。机械能提取区10