具有超临界工作流体的热机系统及其处理方法

具有超临界工作流体的热机系统及其处理方法
【专利说明】具有超临界工作流体的热机系统及其处理方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求在2013年10月10日提交的、申请号为14/051，432且发明名称为“具有超临界工作流体的热机系统及其处理方法(Heat Engine System with a SupercriticalWorking Fluid and Processes Thereof) ”的美国实用申请以及在2012年10月12日提交的、申请号为61/712，929且发明名称为“具有超临界工作流体的热机系统及其处理方法(Heat Engine System with a Supercritical Working Fluid and Processes Thereof)，，的美国临时申请的权益，通过以与本申请相一致的方式进行全文引用而将上述两篇文献并入本文。
【背景技术】
[0003]废热通常作为工业处理方法的副产品而产生，在所述工业处理方法中，必须努力将流动的高温液体、气体或流体流排放到环境中或者以某种方式移除，以便保持工业处理装备的操作温度。某些工业处理方法利用换热器装置收集废热并经由其它的处理流将废热回收到处理中。然而，通过利用高温或者具有不足的质量流量或其它的不利条件的工业处理方法来收集和回收废热通常是不可行的。
[0004]能够通过采用热力学方法例如郎肯循环的各种涡轮发电机或热机系统将废热转换成有效能量。郎肯循环和类似的热力学方法通常是基于蒸汽的处理方法，所述基于蒸汽的处理方法回收并利用废热以产生用于驱动涡轮机、涡轮或连接到发电机的其它扩展设备的蒸汽。
[0005]在传统的郎肯循环期间，有机郎肯循环利用低沸点工作流体来代替水。示范性的低沸点工作流体包括烃类例如轻质烃(譬如丙烷或丁烷)和卤代烃譬如氢化含氯氟烃(HCFCs)或氢氟碳化物(HFCs)(譬如R245fa)。近来，鉴于例如低沸点工作流体的热不稳定性、毒性、可燃性和生产成本等因素，已经将某些热力循环改进为用非烃类的工作流体例如氨进行循环。
[0006]多种热机系统设计成与特定的热源一起工作，而在与任意的随机热源一起使用时通常都很低效。在现有的设备中使用的热机系统还可能受限于有限的可用空间或者有限的对废热源的利用能力。
[0007]因此，需要一种热机系统和一种用于回收能量的方法，所述的热机系统和方法具有用于热回收动力循环的优化操作范围、最小的复杂度以及从各种热源例如废热源产生机械能和/或电能的最高效率。

【发明内容】

[0008]本发明的实施例主要提供了用于例如通过由热能产生机械能和/或发电而回收能量的热机系统和方法。在本文公开的一个实施例中，提供了一种用于发电的热机系统，其包括工作流体回路，所述工作流体回路具有高压侧和低压侧并且包括工作流体，使得工作流体回路的至少一部分包括处于超临界状态的工作流体。热机系统还包括布置在工作流体回路的高压侧和低压侧之间的动力涡轮，所述动力涡轮流体联接到工作流体并与工作流体热连通，并且构造成用以通过在工作流体回路的高压侧和低压侧之间通过或以其他方式流动的工作流体的压降而将热能转换成机械能。热机系统还包括:电动发电机，所述电动发电机联接到动力涡轮或与动力涡轮相联并且构造成用以将机械能转换成电能；和栗，所述栗联接到动力涡轮或与动力涡轮相联。栗可以通过栗入口流体联接到工作流体回路的低压侧，所述栗入口构造成用以接收来自工作流体回路的低压侧的工作流体，栗可以通过栗出口流体联接到工作流体回路的高压侧，所述栗出口构造成用以将工作流体释放到工作流体回路的高压侧，并且栗构造成用以使工作流体在工作流体回路中循环以及对工作流体加压。
[0009]热机系统还包括换热器，所述换热器流体联接到工作流体回路的高压侧并与高压侧热连通，所述换热器构造成用以流体联接到热源流并与热源流热连通，并且构造成用以将热能从热源流转移到工作流体。热机系统还包括同流换热器，所述同流换热器在工作流体回路的低压侧串联地流体联接到冷凝器(例如气冷式或液冷式)。同流换热器可以在工作流体回路的高压侧并且在栗的下游和换热器的上游流体联接到工作流体回路，在工作流体回路的低压侧并且在动力涡轮的下游和冷凝器的上游流体联接到工作流体回路，并且构造成用以将热能从工作流体回路的低压侧的工作流体转移到工作流体回路的高压侧的工作流体。冷凝器可以在工作流体回路的低压侧并且在同流换热器的下游和栗的上游流体联接到工作流体回路，并且构造成用以从工作流体回路的低压侧的工作流体中移除热能。
[0010]在一个实施例中，冷凝器是气冷式冷凝器并且气冷式冷凝器通常包括散热片或散热器，所述散热片或散热器可以定位成和/或构造成用以从一个或多个风扇接收气流。在另一个实施例中，冷凝器是联接到冷却介质回路的液冷式冷凝器。冷却介质回路通常包含循环冷却水。在多个示例中，工作流体包含二氧化碳(例如超临界CO2)。
[0011]电动发电机可以通过轴联接到动力涡轮或与动力涡轮相联，并且栗也可以通过相同的轴或不同的轴联接到动力涡轮或与动力涡轮相联。在某些构造中，电动发电机可以布置在动力涡轮和栗之间，并且电动发电机可以通过多根独立的轴或通过一根共用轴联接到动力涡轮和栗或与动力涡轮和栗相联。
[0012]在某些实施例中，热机系统还包括电力输出端或电力电子系统，所述电力输出端或电力电子系统电联接到电动发电机并且构造成用以将电能从电动发电机转移到电网。在其它实施例中，热机系统还包括过程控制系统，所述过程控制系统操作性地连接到热机系统。过程控制系统可以构造成用以监测和调节整个工作流体回路中的温度和压力。在其它实施例中，热机系统还包括质量管理系统(MMS)，所述质量管理系统流体联接到工作流体回路。质量管理系统具有质量控制箱，所述质量控制箱构造成用以接收、存储和分配工作流体。在一个示例中，质量控制箱可以流体联接到工作流体回路的高压侧并且构造成用以从高压侧接收工作流体，也可以流体联接到工作流体回路的低压侧并且构造成用以将工作流体分配到低压侧。在其它实施例中，热机系统还包括壳体，所述壳体至少部分地包围栗和动力涡轮。在其它实施例中，热机系统还包括泄漏回收系统，所述泄漏回收系统构造成用以在同流换热器的上游和动力涡轮的出口的下游的位置处将从壳体捕获的气体或流体通过压缩机转移到工作流体回路中。
[0013]在本文公开的另一个实施例中，提供了一种用于发电的热机系统，其包括:单芯冷凝换热器，所述单芯冷凝换热器具有提供了工作流体流动通道的工作流体入口和工作流体出口 ；同流换热器入口和同流换热器出口，所述同流换热器入口和同流换热器出口提供了通过单芯冷凝换热器并且与工作流体流动通道热连通的同流换热器流动通道。单芯冷凝换热器还包括冷凝器入口和冷凝器出口，所述冷凝器入口和冷凝器出口提供了通过单芯冷凝换热器并且与工作流体流动通道热连通的冷凝器流动通道。热机系统还包括:栗，所述栗具有与工作流体出口流体连通的入口以及与同流换热器入口流体连通的出口 ；动力涡轮，所述动力涡轮具有与同流换热器出口流体连通的入口以及与工作流体入口流体连通的出口；和电动发电机，所述电动发电机可旋转地联接到栗和动力涡轮。
[0014]在本文公开的另一个实施例中，提供了一种用于发电的热机系统，其包括:栗，所述栗可旋转地联接到电动发电机；动力涡轮，所述动力涡轮可旋转地联接到电动发电机；和单芯冷凝换热器，其具有与动力涡轮的出口流体连通的工作流体入口以及与栗的入口流体连通的工作流体出口。热机系统还包括:同流换热器入口，所述同流换热器入口布置在单芯冷凝换热器上并且与栗的出口流体连通；同流换热器出口，所述同流换热器出口布置在单芯冷凝换热器上并且与动力涡轮的入口流体连通；以及布置在单芯冷凝换热器上的冷凝器入口和冷凝器出口。
[0015]在一些实施例中，单芯冷凝换热器的位于热机系统内的一部分可以是同流换热器，所述同流换热器包括同流换热器入口、同流换热器出口和同流换热器流动通道。类似地，在其它实施例中，单芯冷凝换热器的位于热机系统内的一部分可以是冷凝器，所述冷凝器包括冷凝器入口、冷凝器出口和冷凝器流动通道。热机系统还可以包括冷凝器回路，所述冷凝器回路与冷凝器入口和冷凝器出口流体连通。
[0016]在各种构造中，热机系统还包括至少一个换热器，而且可以包括多个换热器例如废热换热器，其布置成与同流换热器出口和动力涡轮入口流体连通。而且，热机系统包括旁通阀，所述旁通阀提供动力涡轮入口和动力涡轮出口之间的选择性流体连通。热机系统还包括轴，所述轴联接到涡轮机械部件，使得通过轴可旋转地联接栗、动力涡轮和电动发电机。在一些示例中，单芯冷凝换热器包括多块平行板。在一些示例中，栗、电动发电机、动力涡轮和单芯冷凝换热器布置在热机系统的支撑结构或壳体内。
[0017]在本文公开的另一个实施例中，提供了一种用于发电的方法，所述方法包括:操作电动发电机以驱动栗，使得工作流体从工作流体回路的低压侧循环或以其他方式转移到工作流体回路的高压侧，通过输送工作流体以在单芯冷凝换热器中与工作流体回路的低压侧的工作流体热连通而加热工作流体回路的高压侧的工作流体，并且通过输送工作流体以与废热源热连通而加热工作流体回路的高压侧的工作流体。所述方法还包括:将工作流体引入动力涡轮以将高压工作流体转换成低压工作流体并产生旋转能量，使得动力涡轮旋转地联接到电动发电机。所述方法还包括:将工作流体从动力涡轮排放到单芯冷凝换热器中，在所述单芯冷凝换热器中，首先通过输送工作流体与工作流体回路的高压侧热连通而冷却工作流体，然后通过输送工作流体与冷凝器回路热连通而进一步冷却工作流体。所述方法还包括:操作旁通阀以选择性地控制工作流体向动力涡轮的流动。
【附图说明】
[0018]当结合附图阅读时，根据以下的详细描述可以理解本公开的实施例。根据产业标准实践，要强调的是各种特征不一定是按比例绘制。实际上，为了讨论的明确性，可以随意地增大或减小各种特征的尺寸。
[0019]图1图解了根据本文公开的一个或多个实施例的一种示范性热机系统。
[0020]图2图解了根据本文公开的一个或多个实施例的另一种示范性热机系统。
[0021]图3图解了根据本文公开的一个或多个实施例的另一种示范性热机系统。
[0022]图4图解了根据本文公开的一个或多个实施例的单芯冷凝换热器。
[0023]图5图解了根据本文公开的一个或多个实施例的单芯冷凝换热器的分解图。
【具体实施方式】
[0024]本发明的实施例主要提供了热机系统和用于发电的方法。图1和图2分别示出了热机系统90、100的简化示意图，所述热机系统90和100也可以称作热机、动力发电装置、热或废热回收系统和/或热电系统。在一个实施例中，热机系统90具有单芯冷凝换热器118，所述单芯冷凝换热器118包括同流换热器114和液冷式冷凝器116，所述液冷式冷凝器116用于冷凝工作流体回路102内的工作流体，如图1所示。在另一个实施例中，热机系统100包括同流换热器114和气冷式冷凝器136，所述气冷式冷凝器136用于冷凝工作流体回路102内的工作流体，如图2所示。热机系统90和100可以包含一个或多个郎肯热力循环元件，其构造成用以由多种热源产生动力。如本文所用的术语“热力机”或“热机”通常指的是执行本文所述的各种热力循环的机组。术语“热回收系统”通常指的是这样的热机，所述热机与其它设备相配合以将热量输送到热机和/或从热机移除热量。
[0025]热机系统90和100可以在闭环热力循环中操作，所述闭环热力循环使工作流体在整个工作流体回路102中循环。工作流体回路102包括各种管道和阀，所述管道和阀适于互连热机系统90和100的各种部件。尽管热机系统90和100可以具体地是闭环循环系统，但是热机系统90和100中的每一个整体上可以密封，也可以不密封，只要能防止工作流体泄漏到周围环境中即可。