本申请要求于2014年2月26日提交的美国临时申请No.61/966,574的优先权和权益，该申请的全部内容通过参引并入本申请中。
技术领域
本公开涉及利用超临界流体的动力生成系统和相关方法，并且具体地涉及超临界流体的一部分被回收的动力生成系统和相关方法。
背景技术：
传统地，热力学动力生成循环比如布雷顿(Brayton)循环采用理想气体比如大气空气。这种循环通常是敞开式的，具体地，在空气流动穿过循环的部件之后，空气以相对较高的温度被排回到大气中，使得由燃料燃烧所产生的大量的热量从循环耗散。捕获以及利用布雷顿循环中的余热的常用方法是利用回收换热器(recuperator)以从涡轮废气提取热量并且经由热交换器将所述热量传递至从压缩机排出的空气。由于这种热传递使进入燃烧室的空气的温度升高，所以实现期望的涡轮入口温度需要较少的燃料。因此提高了整个热力学循环的热效率。然而，甚至在这种回收循环中，热效率由于下述事实而受到限制：涡轮废气温度从未被冷却到压缩机排出空气的温度以下，这是因为热量仅可以从高温源流动到低温散热器。最近，越来越关注超临界流体比如超临界二氧化碳(SCO2)在封闭热力学动力生成循环中的用途。在图1中示出了一个这样的现有技术系统1。
如图1中所示，现有技术动力生成系统1包括布置在第一布雷顿循环402和第二布雷顿循环404中的压缩机、涡轮、燃烧室和热交换器，其中，在第一布雷顿循环402中工作流体是超临界流体，并且在第二布雷顿循环404中工作流体是环境空气。因此，系统1包括SCO2循环流动路径406和空气呼吸循环流动路径423，SCO2循环流动路径406和空气呼吸循环流动路径423可以彼此分开。
在图1中，SCO2沿着流动路径406的流动如下。首先，超临界流体流A被供给至压缩机408的入口。超临界流体在其已被冷却并膨胀至接近其临界点的温度和压力之后进入压缩机408的入口。超临界流体通过超临界流体源431补充。在压缩机408中压缩之后，SCO2流B在连接至SCO2流动路径406和空气呼吸流动路径423的交叉循环热交换器410中被加热。接着，经加热的SCO2流C从热交换器410被引导至涡轮412的入口，在涡轮412中，SCO2经膨胀并产生了轴动力，所述轴动力通过轴417驱动SCO2压缩机408和输出装置416两者。输出装置416可以是涡轮螺旋桨发动机、扇涡轮、变速箱或发电机。在涡轮412中膨胀之后，SCO2流D在也连接至SCO2流动路径406和空气呼吸流动路径423的第二交叉循环热交换器418中被冷却。经冷却的SCO2流A经由流动路径406返回至压缩机408的入口。在空气呼吸布雷顿循环404中，首先，环境空气411被供给至压缩机420。接着，来自压缩机420的经压缩的空气流E在热交换器418中通过来自在SCO2在涡轮412中已膨胀之后的SCO2的热量的传递而被加热。经加热的压缩空气流F随后被引导至燃烧室424。燃烧室424接纳诸如喷气燃料、柴油机燃料、天然气或生物燃料之类的燃料流427，所述燃料流427通过燃料控制器428被引入并且在空气中燃烧以产生热燃烧气体。燃烧气体流G从燃烧室424被引导至热交换器410，在热交换器410中，热量被传递至SCO2，如上面所论述的。在离开热交换器410之后，燃烧气体流H在涡轮426中膨胀，这产生了用以经由轴421驱动空气压缩机420的动力。在涡轮426中膨胀之后，燃烧气体I被排出至大气。
虽然图1中示出的超临界环境流体循环动力生成系统1可能是有利的，但是在超临界流体循环与空气循环之间传递热量所需的热交换器可能大且昂贵，并且实施起来不切实际。对流动循环进行更有效的管理可以提高采用超临界流体循环的动力生成系统的热传递效率。
技术实现要素：
本公开的一方面是一种用于在包括超临界流体循环和空气呼吸循环的系统中产生动力的方法，其中，超临界流体循环具有流动穿过超临界流体循环的超临界流体，空气呼吸循环具有流动穿过空气呼吸循环且不与超临界流体流混合的空气。该方法包括沿着空气呼吸循环引导空气流动穿过多个热交换器的步骤。该方法包括沿着超临界流体循环在超临界流体压缩机中对超临界流体进行压缩并且将从超临界流体压缩机排出的超临界流体分流成第一排出压缩超临界流体流和第二排出压缩超临界流体流，使得第一排出压缩超临界流体流流动穿过回收热交换器。该方法包括使从回收热交换器排出的超临界流体与第二排出压缩超临界流体流混合并且引导压缩超临界流体的混合流穿过布置的多个热交换器中的一个热交换器并使所述压缩超临界流体的混合流进入到超临界流体涡轮的入口，使得来自沿着空气呼吸循环的空气的热量被传递至压缩超临界流体的混合流。该方法包括将从超临界流体涡轮排出的超临界流体分流成第一排出膨胀超临界流体流和第二排出膨胀超临界流体流，使得第一排出膨胀超临界流体流流动穿过回收热交换器以加热第一排出压缩超临界流体流。此外，该方法包括使从回收热交换器排出的膨胀超临界流体与第二排出膨胀超临界流体流混合。膨胀超临界流体的混合流被朝向超临界压缩机的入口引导，其中，来自膨胀超临界流体的混合流的热量被传递至空气呼吸循环的空气，从而将膨胀超临界流体的混合流冷却至接近其临界点。
本公开的另一方面是一种构造成产生动力的系统。该系统包括超临界流体循环。所述超临界流体循环包括超临界流体压缩机、超临界流体涡轮和回收热交换器，其中，超临界流体压缩机构造成接纳超临界流体并对超临界流体进行压缩，超临界流体涡轮构造成接纳超临界流体并使超临界流体膨胀，回收热交换器构造成接纳来自超临界流体压缩机和超临界流体涡轮的排出流。该系统还包括空气呼吸循环，该空气呼吸循环构造成对沿着该空气呼吸循环流动的空气进行加热。该系统还包括多个热交换器，所述多个热交换器布置成使得来自超临界流体循环的超临界流体和来自空气呼吸循环的空气穿过所述多个热交换器但不混合。该系统构造成：1)将从超临界流体压缩机排出的超临界流体分流成第一排出压缩超临界流体流和第二排出压缩超临界流体流，使得a)第一排出压缩超临界流体流流动穿过回收热交换器，并且b)第二排出压缩超临界流体流流动穿过所述多个热交换器中的一组热交换器；以及2)将从超临界流体涡轮排出的超临界流体分流成第一排出膨胀超临界流体流和第二排出膨胀超临界流体流，使得a)第一排出膨胀超临界流体流流动穿过回收热交换器，并且b)第二排出膨胀超临界流体流流动穿过所述多个热交换器中的不同的一组热交换器。来自第一排出膨胀超临界流体流的热量在回收热交换器中被传递至第一排出压缩超临界流体流。
本公开的另一方面是一种构造成产生动力的系统。该系统包括超临界流体循环。该超临界流体循环包括超临界流体压缩机、超临界流体涡轮和回收热交换器，其中，超临界流体压缩机构造成接纳超临界流体并对超临界流体进行压缩，超临界流体涡轮构造成接纳超临界流体并使超临界流体膨胀，回收热交换器构造成接纳来自超临界流体压缩机和超临界流体涡轮的排出流。该系统还包括空气呼吸循环，该空气呼吸循环构造成对沿着该空气呼吸循环流动的空气进行加热。该系统还包括多个热交换器，所述多个热交换器布置成使得来自超临界流体循环的超临界流体和来自空气呼吸循环的空气穿过所述多个热交换器但不混合，其中，所述多个热交换器中的第一热交换器设置成向超临界流体涡轮的入口进行供给，并且所述多个热交换器中的第二热交换器设置成向超临界流体压缩机的入口进行供给。第一热交换器具有第一热容率并且第二热交换器具有与第一热容率完全不同的第二热容率。此外，该系统构造成：1)将从超临界流体压缩机排出的超临界流体分流成第一排出压缩超临界流体流和第二排出压缩超临界流体流，使得a)第一排出压缩超临界流体流流动穿过回收热交换器，并且b)第二排出压缩超临界流体流流动穿过所述多个热交换器中的第一热交换器；以及2)将从超临界流体涡轮排出的超临界流体分流成第一排出膨胀超临界流体流和第二排出膨胀超临界流体流，使得a)第一排出膨胀超临界流体流流动穿过回收热交换器，并且b)第二排出膨胀超临界流体流流动穿过所述多个热交换器中的第二热交换器。
附图说明
当结合附图阅读时，上述发明内容以及下面关于一方面的详细描述能够被更好地理解。出于对本发明进行说明的目的，附图示出了目前是优选的方面。然而，本发明不限于附图中公开的具体方式。在附图中：
图1是结合有超临界流体的现有技术动力生成系统的示意图；
图2是根据本公开的一方面的动力生成系统的示意图；
图3是根据本公开的另一方面的动力生成系统的示意图；
图4是根据本公开的另一方面的动力生成系统的示意图；
图5是示出了根据图1中所示的现有技术动力生成系统的超临界流体和空气的热交换器热容率比的曲线图；
图6是示出了根据图1中示出的现有技术系统的作为散热片(fin)位置的函数的从入口到出口沿着热交换器的超临界流与空气流之间的Δ温度的曲线图；
图7是示出了根据本公开的一方面的作为第一热交换器中的散热片位置的函数的温度的曲线图；
图8是示出了根据本公开的一方面的作为沿着部分回收循环的第三热交换器中的散热片位置的函数的温度的曲线图。
具体实施方式
图2是根据本公开的一方面的动力生成系统100的示意图。动力生成系统100包括封闭式的第一布雷顿循环102和开放式的第二布雷顿循环104，其中，在封闭式的第一布雷顿循环102中，工作流体可以是超临界流体，在开放式的第二布雷顿循环104中，工作流体可以是环境空气。第一布雷顿循环102和第二布雷顿循环104分别包括超临界流体流动路径106和空气流体流动路径108。在一方面中，流动路径106和108分开使得在两个流动路径106与108之间在超临界流体与空气之间几乎不产生混合或者完全不产生混合。
动力生成系统100包括压缩机、涡轮、一个或更多个燃烧室和沿着流动路径106和108连接的多个热交换器。热交换器包括多个交叉循环热交换器132、134、136和138。如本文中所使用的，术语“交叉循环热交换器”指的是下述热交换器：所述热交换器接纳来自空气呼吸循环104的空气或者空气和燃烧气体两者以及来自超临界流体循环102的超临界流体，并且在这两个循环中的流体之间传递热量。此外，动力生成系统100包括沿着超临界流体流动路径106的回收热交换器130。如在本文中所使用的，术语“回收热交换器”涉及超临界流体循环102中的从SCO2涡轮排出的超临界流体与从SCO2压缩机排出的超临界流体之间的热传递。动力生成系统100还可以包括阀122、流量计140、混合汇合器124以及构造成对系统100的运行进行控制的一个或更多个控制器。
首先，超临界流体流2被供给至压缩机110的入口，压缩机110可以是轴流式压缩机、径流式压缩机、往复式压缩机或类似类型的压缩机。压缩机110可以被称为第一SCO2压缩机110。压缩机110包括轴112，轴112以可操作的方式连接至涡轮114。涡轮114可以被称为第一SCO2涡轮114。沿着流2的流量计140测量被供给至压缩机入口的超临界流体的流量。流量计140有助于控制超临界流体循环102中的总SCO2质量以及瞬时流动行为。在一方面中，如下面所论述的，超临界流体在其已被冷却并膨胀至接近其临界点的温度和压力之后进入SCO2压缩机110的入口。术语“超临界流体”指的是下述流体：在所述流体中，不存在明显的液相和气相，并且术语超临界流体的“临界点”指的是物质可以被认为处于超临界状态中所处的最低温度和最低压力。术语“临界温度”和“临界压力”指的是处于临界点的温度和压力。对于二氧化碳而言，临界点是大约304.2°K和7.35Mpa。在一方面中，进入压缩机110的超临界流体被冷却到其临界点的至少±2°K以内。在另一方面中，进入压缩机110的超临界流体被冷却到其临界点的±1°K以内。在又一方面中，进入压缩机110的超临界流体被冷却到其临界点的±0.2°K以内。
在SCO2压缩机110中压缩之后，超临界流体的排出流4被分流成第一部分和第二部分比如第一排出流6和第二排出流8。流6和8在本文中可以被称为压缩机排出流6和8。这种分流允许来自压缩机110的排出流4的第一部分被回收并且允许剩余部分通过一系列热交换器134和132借助于循环穿过流动路径108的空气流体而被直接加热。如示出的，排出流4经由可以与控制器(未示出)进行电子通信的阀122a而被分流。该控制器根据需要对阀122a进行操作或致动以引导流穿过流动路径106。在一方面中，阀122a配置成将排出流4的55％到大约75％引导到第一排出流6中。排出流4的其余流被引导至第二排出流8。在另一方面中，阀122a被配置成将排出流4的大约67％引导到第一排出流6中。
超临界流体的第一排出流6被引导至回收热交换器130，在回收热交换器130中，热量被从离开涡轮116的经加热的SCO2传递至第一排出流6。从回收热交换器130排出的经加热的SCO2流19被引导至汇合器124a并与离开交叉循环热交换器134的经加热的SCO2流10混合。
来自SCO2压缩机110的第二排出流8被引导至交叉循环热交换器134。在交叉循环热交换器134中，来自流动路径108中的燃烧气体的热量被传递至SCO2的第二排出流8。从热交换器134排出的流10与来自回收热交换器130的SCO2流19在汇合器124a处混合，如上面所论述的。汇合器124a可以是连接至导管的接头或者汇合器124a可以包括混合装置。
混合流12被供给至交叉循环热交换器132。在交叉循环热交换器132中，热量被从流动路径108中的燃烧气体传递至SCO2混合流。交叉循环热交换器132将经加热的SCO2流14排出。
来自热交换器132的经加热的SCO2流14被引导至第一SCO2涡轮114的入口。第一SCO2涡轮114可以是轴流式涡轮、径流式涡轮、混合流式涡轮或类似类型的涡轮。第一SCO2涡轮114使SCO2膨胀并产生经由轴112驱动SCO2压缩机110的轴动力。在第一SCO2涡轮114中膨胀之后，流15循环穿过第二SCO2涡轮116，第二SCO2涡轮116产生经由轴118用于发电机120的轴动力。发电机120可以向系统100提供输出电力。在替代方面中，循环102可以包括一个涡轮114，所述一个涡轮114具有连接至涡轮114和发电机120的轴118。在这种方面中，排出流16将从涡轮114排出到阀122b中。
来自第二SCO2涡轮116的排出流16可以被分流成第一部分和第二部分比如排出流22和排出流18。排出流22和排出流18可以被称为第一排出流22和第二排出流18。如所示的，阀122b将排出流16分流成第一排出流22和第二排出流18。控制器对阀122b进行操作或致动。在一个方面中，阀122b被配置成将排出流16的70％到大约90％引导到第一排出流22中。排出流16的其余流被引导至第二排出流18。在另一方面中，阀122b被配置成将排出流16的大约80％引导到第一排出流22中。不管SCO2涡轮排出流16如何被分流，第二排出流18都被引导至交叉循环热交换器136并且通过沿着流动路径108穿过热交换器136的空气流而被冷却。
第一排出流22被引导至回收热交换器130，在回收热交换器130中，来自排出流22的热量被传递至来自SCO2压缩机110的第一排出流6。换言之，回收热交换器130对SCO2排出流22进行冷却。来自回收热交换器130的经冷却的SCO2排出流24与来自热交换器136的进入流20在汇合器124b处混合。混合流26从汇合器124b被引导至交叉循环热交换器138(交叉循环热交换器138可以是可选的)。例如，混合流26可以被直接引导至压缩机110。如上面指出的，在交叉循环热交换器138中，来自SCO2混合流26的热量被传递至空气循环104的流动路径108。经冷却的SCO2流28被引导穿过冷却器126(冷却器126可以是可选的)并作为流2返回至SCO2压缩机110的入口。来自供给部119的额外SCO2可以被引入到引导至SCO2压缩机110的SCO2流2中以补偿SCO2从系统的任何泄露。在任何情况下，SCO2流2返回至压缩机110的入口并且重复压缩-加热-膨胀-冷却的步骤。
继续参照图2，整个系统100的空气呼吸循环104部分形成开放式流动路径108。首先，环境空气101被供给至空气呼吸压缩机150，空气呼吸压缩机150可以是轴流式压缩机、径流式压缩机、往复式压缩机或类似类型的压缩机。压缩机150包括以可操作的方式连接至涡轮154的轴152。来自压缩机150的经压缩的空气流30随后在热交换器138(热交换器138可以是可选的)中通过来自从涡轮116排出并经由热交换器130和136的SCO2混合流26的热量的传递而被加热，如上面所论述的。经加热的压缩空气流32随后被引导至热交换器136，在热交换器136中，来自SCO2流18(来自SCO2涡轮116)的热量被传递至压缩空气流32。排出流34被引导至燃烧室158。燃烧室158使压缩空气流34的温度升高到涡轮154的涡轮入口处所需的温度以上。压缩机150可以经由由涡轮154供以动力的轴152运行。燃烧室158可以接纳诸如化石燃料或其他类型的燃料之类的燃料103流。燃烧室158可以借助于太阳能收集器或核反应器或者一些可以对废料、生物燃料或生物衍生燃料进行燃烧来产生热量的其他热源而运行以产生系统热量。来自燃烧室158的燃烧气体的排出流36可以被引导至涡轮154，排出流36在涡轮154中膨胀。膨胀的热燃烧气体流40被引导至热交换器132，在热交换器132中，热量被从热燃烧气体传递至上面所论述的SCO2混合流12。在离开热交换器132之后，热燃烧气体流41被引导至热交换器134，在热交换器134中，如上面所论述的，热量被从热燃烧气体传递至来自SCO2压缩机110的SCO2排出流8。热交换器134的排出流107可以被排放到大气中。
在运行时，将参照预知的结果对动力生成系统100进行描述。例如，热容率可以通过质量流率乘以比热容Cp或mdot*Cp来确定。热交换器136和134具有失配的热容率，因为它们在下述温度状态下运行：在该温度状态下，超临界流体比如SCO2具有更线性且平直的比热容Cp曲线。例如参见图4。由于这些位置处的热容率未能较好地匹配，所以空气呼吸循环104中的空气质量流率与图1中示出的现有技术系统1相比可能更低。本公开的方面包括通过创建温度范围差较大的两个流并且使热容率失配而存储热量，这可以避免与现有技术系统相关联的热夹点问题。在一个示例中，动力生成系统100中的超临界流体循环102可以具有介于大约30Kg/秒与35Kg/秒之间的质量流率。动力生成系统100中的空气循环104可以具有介于大约7.5Kg/秒与大约16.0Kg/秒之间的质量流率。然而，本文中所陈述的质量流率不被认为是限定性的。质量流率可以比所提供的范围高或低。此外，动力生成系统100构造成使得空气质量流率与超临界流体质量流率的比介于大约0.25与0.50之间。在一个方面中，质量流率的比是大约0.30。因此，空气呼吸循环104中的空气的质量流率与典型的动力生成系统相比通常更低。在仅一个示例中，空气质量流率低于现有技术动力生成系统1比如图1中所示的上述方面中的空气质量流率的约75％。减小的空气质量流可以导致热交换器尺寸、占地面积、成本、重量、寄生功率要求等显著减小。
转至图3，图3是根据本公开的另一方面的构造成产生动力和热量的动力生成系统200的示意图。动力生成系统200与图2中所示的方面类似，并且动力生成系统200包括第一循环或超临界流体循环202和第二循环或空气呼吸循环204。第一循环202和第二循环204分别包括超临界流体流动路径206和空气流体流动路径208，超临界流体流动路径206和空气流体流动路径208在一个方面中彼此分开，使得超临界流体和空气不混合。此外，动力生成系统200包括压缩机、涡轮、一个或更多个燃烧室、至少一个回收热交换器230、多个交叉循环热交换器232、234、236和238以及阀222、流量计、混合汇合器224和构造成对系统的运行进行控制的一个或更多个控制器。
首先，超临界流体流42被供给至压缩机210的入口。压缩机210——有时被称为第一SCO2压缩机210——包括以可操作的方式连接至第一涡轮214的轴212，第一涡轮214也被称为第一SCO2涡轮214。可以使用可选的流量计(未示出)来测量供给至压缩机入口的流体的流量。超临界流体流42在其已被冷却并膨胀至接近其临界点的温度和压力之后进入压缩机210的入口。
在压缩机210中压缩之后，超临界流体流44被分流成第一部分和第二部分比如流46和流48。流46和流48可以分别被称为第一排出流46和第二排出流48。阀222a可以将流44分流成第一排出流46和第二排出流48。超临界流体的第一排出流46被供给至回收热交换器230。在回收热交换器230中，热量被从自涡轮216排出的经加热的SCO2传递至来自SCO2压缩机210的第一排出流46。从热交换器230排出的经加热的SCO2流50被引导至汇合器224a并且与来自交叉循环热交换器234的经加热的SCO2流74混合。
第二排出流48被引导至阀222b，阀222b引导流70穿过可选的热交换器233并进入到交叉循环热交换器234中。交换器233可以用于捕获来自安装在移动平台像飞行器、水上船只等中的电子设备和武器系统的废热。系统200可以在每个应用或实施中不包括热交换器233。在交叉循环热交换器234中，热量被从流动路径208中的燃烧气体传递至SCO2的排出流70。从热交换器234排出的流74与流50在汇合器224a处混合。汇合器224a可以是接头或者可以包括混合装置。流51被供给至另一汇合器224b并且与来自冷却器219的排出流72结合。阀222b还可以将第二排出流48的一部分引导至沿着轴218设置的冷却器219。来自冷却器219的排出流72被输送至汇合器224b并与流51结合成混合流52。混合流52被供给至交叉循环热交换器232。在交叉循环热交换器232中，来自流动路径108中的燃烧气体的热量被传递至混合流52。来自交叉循环热交换器232的经加热的SCO2的排出流54被引导至第一SCO2涡轮214的入口。
第一SCO2涡轮214使SCO2膨胀并产生经由轴212驱动SCO2压缩机210的轴动力。在第一SCO2涡轮214中膨胀之后，流56循环穿过第二SCO2涡轮216，第二SCO2涡轮216产生经由轴218用于发电机220的轴动力。发电机220可以向系统200提供输出电力。替代性地，流56可以绕过涡轮216。如所示的，阀222c将流56分成流57和流58，其中，流57被朝向涡轮216引导，流58被朝向热交换器230和热交换器236引导。从涡轮216排出的流59流动至汇合器224c并与流58结合以限定排出流60。
排出流60被引导至阀222d，阀222d将来自涡轮216的排出流60分流成第一排出流66和第二排出流62。第二排出流62被引导至交叉循环热交换器236并且通过沿着流动路径208穿过热交换器236的空气流而被加热。从热交换器236排出的排出流64被朝向热交换器238引导。SCO2的第一排出流66被引导至回收热交换器230，在回收热交换器230中，第一排出流66的热量被传递至来自SCO2压缩机210的SCO2的第一排出流46。来自回收热交换器230的排出流68与来自热交换器236的排出流64在汇合器224d处混合，从而形成混合流69。SCO2的混合流69被引导至热交换器238，在热交换器238中，来自SCO2流体的热量被传递至沿着空气循环204的流动路径208的压缩空气。经冷却的SCO2流28被引导穿过冷却器226(冷却器226可以是可选的)并经由流动路径206返回至SCO2压缩机210的入口。水输入部225a可以向冷却器226供给水。冷却器226的输出流225b是可以被用作热源的经加热的水。来自供给部207的额外的SCO2可以被引入到被引导至压缩机210的SCO2流42中以补偿SCO2从系统的任何泄露。在任何情况下，SCO2流202返回至压缩机210的入口并且重复压缩-加热-膨胀-冷却的步骤。在替代方面，沿着流68布置有另一热交换器239a。水输入部239b可以向交换器239a供给水。热交换器239a的输出流239c是经加热的水，所述经加热的水可以用作用于区域供热的热源。区域供热通常需要180华氏度或更高的水温，与包括仅冷却器226的系统200相比，包括热交换器239a可以有助于确保大约180华氏度或更高的输出流温度。因此，系统200可以包括冷却器226或热交换器239a。在又一替代方式中，系统200可以包括冷却器226和热交换器239a两者。
继续参照图3，整个系统200的空气呼吸循环104部分形成开放式流动路径208。首先，环境空气201被供给至送风机250，送风机250可以是轴流式压缩机、径流式压缩机、往复式压缩机或类似类型的压缩机。送风机250由通过动力源254供以动力的轴252驱动。动力源254可以是马达。来自送风机250的压缩空气流80随后在热交换器238中通过来自SCO2的混合流69(从涡轮216排出并且在热交换器230和236中被冷却)的热量的传递而被加热。经加热的压缩空气的空气流82随后被引导至热交换器236，在热交换器236中，来自经加热的SCO2的第二排出流62的热量被传递至空气流82。空气流84被供给至燃烧室258，燃料203(比如化石燃料、被供应的来自太阳能导体、核反应器的热量等)通过燃料控制器被引入到燃烧室258中并在空气中燃烧以产生热燃烧气体。来自燃烧器258的燃烧气体流86被引导至热交换器232，在热交换器232中，热量被从热燃烧气体流86传递至上面所论述的SCO2的混合流52。热燃烧气体流88被引导至热交换器234，在热交换器234中，如上面所论述的，热量被从热燃烧气体传递至经压缩的SCO2流74。热交换器234的排出流90可以被引导至引风机260，引风机260可以是压缩机。引风机260可以连接至通过动力源264比如马达被供以动力的轴262。气体流可以从引风机260排出至大气。送风机250和引风机260两者的目的是用于驱动流穿过热交换器和燃烧室并用于克服与热交换器和燃烧室相关联的压力下降。应当理解的是，基于在燃烧室中燃烧的燃料的类型，可以不需要送风机250。例如，在燃烧区希望在燃烧生物质的情况下处于亚大气压下时，送风机250是有用的，在燃烧生物质时，燃料通过打开的门引入。然而，如果燃烧室可以被加压——比如在燃烧化石燃料的情况下，则引风机260不是必要的。
在运行时并且如上面关于系统100所描述的，热交换器236和热交换器234具有失配的热容率，这是因为它们都在下述温度状态下运行：在该温度下，超临界流体具有更线性且平直的热容率曲线。由于这些位置处的热容率未能较好地匹配，所以空气呼吸循环204中的空气质量流率与图1中所示的现有技术系统1相比可能更低。本公开的方面包括通过创建温度范围差较大的两个流并且使热容率失配而存储热量，这可以避免与现有技术系统相关联的热夹点问题。在一个示例中，动力生成系统200中的超临界流体循环202可以具有介于大约30Kg/秒与35Kg/秒之间的质量流率。动力生成系统200中的空气循环204可以具有介于大约7.5Kg/秒与大约16.0Kg/秒之间的质量流率。然而，本文中所陈述的质量流率不被认为是限定性的。本文中所陈述的质量流率可以比所提供的范围高或低。此外，动力生成系统200构造成使得空气质量流率与超临界流体质量流率的比介于大约0.25与0.50之间。在一方面中，质量流率的比是大约0.30。因此，空气呼吸循环204中的空气的质量流率通常与典型的动力生成系统相比更低。在仅一个示例中，空气质量流率低于现有技术动力生成系统1中的空气质量流率的大约75％。
转至图4，图4是根据本公开的另一方面的动力生成系统300的示意图。动力生成系统300与图2中所示的上述动力生成系统100大致类似。下面的描述将利用相同的附图标记来标识在动力生成系统100与动力生成系统300之间共有的元件。因此，动力生成系统300包括超临界流体循环302和空气呼吸循环304。此外，动力生成系统300包括压缩机、涡轮、一个或更多个燃烧室和沿着流动路径306和流动路径308连接的多个热交换器。热交换器包括沿着流动路径308的多个交叉循环热交换器132、134、136以及沿着超临界流体流动路径306的回收热交换器130。动力生成系统300还可以包括阀122、流量计140、混合汇合器124和构造成对系统300的运行进行控制的一个或更多个控制器。如上面指出的，动力生成系统300以与动力生成系统100大致类似的方式运行。
然而，根据本公开的替代方面，动力生成系统300不包括朝向压缩机110的入口排放流28的末端热交换器138(见图2)。根据动力生成系统300，阀122b将来自第二SCO2涡轮116的排出流16分成第一排出流322和第二排出流318。在一方面中，控制器对阀122b进行操作或使阀122b致动以将排出流16的70％到大约90％引导到第一排出流322中。排出流16的其余流被引导至第二排出流318。在另一方面中，阀122b构造成将排出流16的大约80％引导到第一排出流322中。不管SCO2涡轮排出流16如何被分流，第二排出流318都被引导至交叉循环热交换器136并且通过沿着流动路径308穿过热交换器136的空气流而被冷却。
第一排出流322被引导至回收热交换器130，在回收热交换器130中，来自排出流322的热量被传递至来自SCO2压缩机110的第一排出流6。来自回收热交换器130的经冷却的SCO2的排出流324与来自热交换器136的进入流20在汇合器124b处混合。混合流328从汇合器124b被引导至压缩机110。如示出的，经冷却的SCO2流328被引导穿过冷却器126(冷却器126可以是可选的)并作为流2返回至SCO2压缩机110的入口。在任何情况下，SCO2流2返回至压缩机110的入口并且重复压缩-加热-膨胀-冷却的步骤。
继续参照图4，整个系统300的空气呼吸循环304部分形成开放式流动路径308。首先，环境空气101被供给至空气呼吸压缩机150。来自压缩机150的经压缩的空气流30被引导至热交换器136并通过来自从涡轮116排出的SCO2流318的热量的传递而被加热。排出流34被引导至燃烧室158。来自燃烧室158的燃烧气体排出流36可以被引导至涡轮154并在涡轮154中膨胀。经膨胀的热燃烧气体流40被引导至热交换器132，在热交换器132中，如上面所论述的，热量被从热燃烧气体传递至SCO2混合流12。在离开热交换器132之后，热燃烧气体流41被引导至热交换器134，在热交换器134中，热量被从热燃烧气体传递至来自SCO2压缩机110的SCO2排出流8。热交换器134的排出流107可以排放到大气中。
动力生成系统300相比于本公开的其他方面需要较少的交叉循环热交换器。此外，应当理解的是，动力生成系统200可以在不需要热交换器238的情况下实施。在这种示例中，流69被直接引导至可选的冷却器并随后被引导至压缩机210的入口。此外，对于空气呼吸循环204，排出流80被引导到热交换器136中并且该循环如以上所描述的那样继续运行。
上述的动力生成系统100、200和300相比于典型的超临界动力生成系统和/或其他基于非超临界流体的系统而具有若干优势。减小的热交换器尺寸、提高的热效率以及在排放时的较低的热特征是一些显著的改进。替代性热交换器流动策略——其中，来自SCO2压缩机的SCO2排出流和来自SCO2涡轮的SCO2排出流被分流——减轻了现有技术系统1中的所谓的热交换器“夹点”。更具体地，现有技术系统1在位于低压侧的热交换器418(图1)处具有可变的热容失配。可变失配基于在热交换器418中交换热量的空气和SCO2流的热容率之间的失配。例如，如图5中所示，热交换器418中的空气在其运行温度范围内具有相当线性的热容率曲线。然而，超临界流体在热交换器418的SCO2排出端运行时所处的较低温度范围内的热容率中具有尖峰。图6中示出了热容率中的所述尖峰的影响。图6显示了作为距SCO2入口的S-fins的函数的在热交换器418的入口端与出口端之间的SCO2流与空气流的Δ温度(ΔT)。不同的曲线是不同型号的热交换器。例如，和与“50-Sfin Hx”曲线相关联的热交换器相比，曲线“100-Sfin Hx”将表示较大的热交换器。如上面所指出的，在SCO2排出端处的处于较低温度的SCO2的尖峰热容率表明热交换器长度应当增大以建立有效的热传递。但如图6中所示，对于100-Sfin Hx曲线而言，相对于热交换器的SCO2入口端从50-fins位置到大约100-fins位置观察到相对较低的ΔT。这表明了进行最少量热传递的热交换器的部段实际上更长。结果是现有技术系统1需要相当大的热交换器，该热交换器具有受限的或者较低的性能并且有时具有较大的压力损失，这对系统性能不利。此外，在热交换器418的任一端处的较大的接近温度说明大量的热量未被传递。
如上所述，动力生成系统100、200、300将来自SCO2压缩机110、210的SCO2排出流和来自SCO2涡轮116、216的SCO2排出流分流至：A)回收热交换器130、230，和B)向SCO2涡轮和SCO2压缩机的相应的入口进行供给的热交换器。该分流结合空气呼吸循环104、204、304的布置导致了在SCO2涡轮的入口侧的空气流(见图2和图4中的流40以及图3中的流86)的温度比在SCO2涡轮114、214的入口处的SCO2流的期望温度高。此外，SCO2涡轮排出流和SCO2压缩机排出流的分流允许如图2中的热交换器138与热交换器132处以及图3中的热交换器238与热交换器232处的热容率有意失配。对于图4中所示的动力生成系统300而言，热容率的有意失配将处于热交换器136与热交换器132之间。这又允许图2中的热交换器132的热端和热交换器138的冷端处以及图3中的热交换器232的热端和热交换器238的冷端处以及图4中的热交换器136的冷端处具有较高的接近温度。较高的接近温度减轻了如在现有技术系统中所使用的这些特定热交换器的“夹点”问题。然而，对于图2和图3中所示的动力生成系统100和200而言，热交换器134、234以及热交换器136、236具有匹配相当好的热容率，因为它们在SCO2具有更线性的Cp曲线的范围内运行。在任何情况下，热交换器132、232以及热交换器138、238处的较高的接近温度使热交换器的每单位面积所交换的热量增大，并进一步使热交换器尺寸减小。并且在至少一些情况下如在图4中所示的动力生成系统300中允许去除热交换器138、238。
可以借助于化石燃料的燃烧、太阳能收集器、核反应器和/或类似的热源来添加系统热，从而使空气流的温度升高到大于SCO2涡轮的入口处所需的较高温度的值。此外，因为经加热的燃烧气体经由热交换器134、234和热交换器132、232将其大部分热量传递至SCO2流，所以导致非常低的排出气体温度并且因此导致对于比如军事应用之类的应用而言的热特征的减小，在所述应用中，热特征的减小是重要的。并且由于与超临界流体相关联的较低的压缩因数，所以来自SCO2压缩机的排出温度相对较低并且因此对于接纳位于热交换器134、234处的经加热的燃烧气体的热能以及位于回收热交换器130、230处的SCO2排出流的热能是理想的。这些属性实现该系统的高热效率。
在替代方面中，动力生成系统包括多于一个的超临界流体循环。在一个示例中，动力生成系统可以包括第一超临界流体循环和第二超临界流体循环，其中，第一超临界流体循环和第二超临界流体循环中的一者或两者将从SCO2涡轮和SCO2压缩机排出的SCO2分流至：A)回收热交换器130、230，和B)与SCO2涡轮的入口和SCO2压缩机的入口相连的相应的热交换器。在又一替代方面中，动力生成系统包括一个或更多个空气呼吸循环。在又一方面中，空气呼吸循环可以包括一个或更多个再加热循环。在又一方面中，动力生成系统包括具有一个或更多个SCO2循环的真空循环。在又一方面中，动力生成系统包括蒸汽喷射。在又一方面中，动力生成系统包括利用热交换130、230的低压排出蒸汽作为热源的底循环。
此外，动力生成系统100、200、300可以包括与本文中所描述的替代的流动策略结合的如在美国专利申请公开No.2013/0180259(259公开)中所公开的多种SCO2循环和空气呼吸循环。259公开中的与上述流动策略不一致的SCO2循环和空气呼吸循环的公开内容通过参引全部并入本文中。
在另一替代方面中，如本文中所描述的动力生成系统100、200包括SCO2涡轮组件，SCO2涡轮组件包括如在259公开中所公开的涡流扭矩耦合件。259公开中的该涡流扭矩耦合件的公开内容通过参引全部并入本申请中。
动力生成系统100、200、300的应用包括但不限于飞行器发动机(比如，涡轮风扇、涡轮螺旋桨或涡轮轴发动机)、基于地面的发电机、船只推进系统、地面运输发动机等。此外，其他应用可以包括动力生成和热生成特征比如蒸汽和热水。该系统可以用于需要轴动力的任何其他应用。
提供上述说明用于解释的目的而不应理解为限制本发明。尽管已参考优选方面或优选方法对本发明进行了描述，但是应当理解的是，本文所使用的词语是说明和例示的词语，而非限制的词语。此外，虽然在本文中已经参照特殊的结构、方法和方面对本发明进行了描述，但是本发明并不意在限于本文中所公开的细节，因为本发明扩展到所附权利要求范围内的所有结构、方法和用途。那些获得本说明书的教导的益处的相关领域技术人员可以对本文中所描述的本发明实施许多改型，并且可以在不脱离本发明的由所附权利要求限定的范围和精神的情况下作出改变。