废热回收的系统和方法
【专利说明】
[0001 ] 相关申请
[0002] 本案是2013年5月30日提交的具有申请号13/905897,13/905923和13/905811的美 国专利申请中的每一个的继续申请，它们中的每一个都通过引用而全部并入本文。
技术领域
[0003] 本发明涉及用于从消耗燃料的人类活动中产生的废热回收能量的系统和方法。具 体而言，本发明涉及从利用不足的诸如燃气涡轮排出气体的废热源回收热能。
【背景技术】
[0004] 人类焚烧燃料的活动在几世纪以来已经是人类文明发展及其延续的中心特征。然 而，燃料可转换成能量的效率仍是长期存在的问题；因为燃料焚烧时产生的大部分能量不 可做有用功且作为废能量失去，例如废热。
[0005] 兰金(Rankine)和其它热回收循环已经创造性地用于回收存在于由燃料的燃烧产 生的废热中的能量的至少一些，且迄今已经实现了较大的发展。尽管过去已取得成果，但需 要进一步加强的兰金循环废热回收系统和方法。
【发明内容】
[0006] 在一个实施例中，本发明提供了一种兰金循环系统，包括：（a)包括第一工作流体 流的第一闭环热能回收循环；（b)包括第二工作流体流的第二闭环热能回收循环；（c)第一 换热器，其配置成将热量从第一工作流体流传递至第二工作流体流；（d)第二换热器，其配 置成将热量从第二工作流体流传递至第一工作流体流;其中第一闭环热能回收循环还包 括：（i)加热器，其配置成将热量从第一含有废热的流传递至第一工作流体流，以产生汽化 的第一工作流体流和第二含有废热的流；（ii)第一膨胀器，其配置成接收汽化的第一工作 流体流并由此产生机械能和膨胀的第一工作流体流；（iii)第一冷凝器，其配置成冷却热耗 尽的第一工作流体流并由此产生冷凝的第一工作流体流；以及（iv)栗，其配置成加压冷凝 的第一工作流体流;其中第二闭环热能回收循环还包括：（v)第二膨胀器，其配置成使汽化 的第二工作流体流膨胀并由此产生机械能和膨胀的第二工作流体流；（vi)第二冷凝器，其 配置成冷却热耗尽的第二工作流体流并由此产生冷凝的第二工作流体流；以及(vii)栗，其 配置成加压冷凝的第二工作流体流;其中第一换热器配置成产生汽化的第二工作流体流和 热耗尽的第一工作流体；以及其中第二换热器配置成产生热增强的第一工作流体流和热耗 尽的第二工作流体流。
[0007] 在备选的实施例中，本发明提供了一种兰金循环系统，包括：（a)包括第一工作流 体流的第一闭环热能回收循环；（b)包括第二工作流体流的第二闭环热能回收循环；（C)第 一换热器，其配置成将热量从第一工作流体流传递至第二工作流体流；（d)第二换热器，其 配置成将热量从第二工作流体流传递至第一工作流体流;其中第一闭环热能回收循环还包 括：（i)加热器，其配置成将热量从第一含有废热的流传递至第一工作流体流，以产生汽化 的第一工作流体流和第二含有废热的流；（ii)第一膨胀器，其配置成接收汽化的第一工作 流体流并由此产生机械能和膨胀的第一工作流体流；（iii)第一冷凝器，其配置成冷却热耗 尽的第一工作流体流并由此产生冷凝的第一工作流体流；以及（iv)栗，其配置成加压冷凝 的第一工作流体流;其中第二闭环热能回收循环还包括：（v)第二膨胀器，其配置成使汽化 的第二工作流体流膨胀并由此产生机械能和膨胀的第二工作流体流；（vi)第二冷凝器，其 配置成冷却热耗尽的第二工作流体流并由此产生冷凝的第二工作流体流；（vii)栗，其配置 成加压冷凝的第二工作流体流；（viii)第二工作流体流分流器，其配置成将膨胀的第二工 作流体流分成膨胀的第二工作流体流的第一部分和膨胀的第二工作流体流的第二部分；以 及(ix)第二工作流体流合流器，其配置成将热耗尽的第二工作流体流的第一部分与热耗尽 的第二工作流体流的第二部分组合;其中第一换热器配置成产生汽化的第二工作流体流、 热耗尽的第一工作流体和热耗尽的第二工作流体流的第一部分；以及其中第二换热器配置 成产生热增强的第一工作流体流和热耗尽的第二工作流体流的第二部分。
[0008] 在备选的实施例中，本发明提供了一种兰金循环系统，包括：（a)包括第一工作流 体流的第一闭环热能回收循环；（b)包括第二工作流体流的第二闭环热能回收循环；（C)第 一换热器，其配置成将热量从第一工作流体流传递至第二工作流体流；（d)第二换热器，其 配置成将热量从第二工作流体流传递至第一工作流体流;其中第一闭环热能回收循环还包 括：（i)加热器，其配置成将热量从第一含有废热的流传递至第一工作流体流，以产生汽化 的第一工作流体流和第二含有废热的流；（ii)第一膨胀器，其配置成接收汽化的第一工作 流体流并由此产生机械能和膨胀的第一工作流体流；（iii)第一冷凝器，其配置成冷却热耗 尽的第一工作流体流并由此产生冷凝的第一工作流体流；以及（iv)栗，其配置成加压冷凝 的第一工作流体流；（V)至少一个工作流体流分流器，其配置成将冷凝的第一工作流体流分 成第一部分和第二部分；（vi)第二加热器，其配置成将热量从第二含有废热的流传递至第 一工作流体流的第一部分，以产生第一工作流体流的热增强的第一部分和第三含有废热的 流；以及(vii)至少一个工作流体流合流器，其配置成将第一工作流体的两个热增强的流组 合;其中第二闭环热能回收循环还包括第二膨胀器，其配置成使汽化的第二工作流 体流膨胀并由此产生机械能和膨胀的第二工作流体流；（ix)第二冷凝器，其配置成冷却热 耗尽的第二工作流体流并由此产生冷凝的第二工作流体流；以及(X)栗，其配置成加压冷凝 的第二工作流体流;其中第一换热器配置成产生汽化的第二工作流体流和热耗尽的第一工 作流体；以及其中第二换热器配置成产生热增强的第一工作流体流的第二部分和热耗尽的 第二工作流体流。
[0009] 在又一个实施例中，本发明提供了一种使用兰金循环系统回收热能的方法，包括： (a)将热量从第一含有废热的流传递至被包含在第一闭环热能回收循环内的第一工作流体 流，以由此产生汽化的第一工作流体流和第二含有废热的流；（b)使汽化的第一工作流体流 膨胀以由此产生机械能和膨胀的第一工作流体流；（c)将热量从膨胀的第一汽化的工作流 体流传递至被包含在第二闭环热能回收循环内的第二工作流体流，以由此产生汽化的第二 工作流体流和热耗尽的第一工作流体流；（d)使汽化的第二工作流体流膨胀，以由此产生机 械能和膨胀的第二工作流体流；以及(e)将热量从膨胀的第二工作流体流传递至冷凝的第 一工作流体流，以由此产生热增强的第一工作流体流和第二热耗尽的第二工作流体流。
【附图说明】
[0010]当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的各种特征、方面和优点将变得更好理 解，其中相似的标号可表示附图各处相似的部分。除非另外指出，则本文提供的附图意图示 出本发明的关键创造性特征。这些关键创造性特征被认作适用于包括本发明的一个或更多 个实施例的多种系统中。因此，附图不意图包括实施本发明所需的本领域的普通技术人员 已知的所有常规特征。
[0011]图1表不本发明的第一实施例；
[0012]图2表示本发明的第二实施例；
[0013]图3表示本发明的第三实施例；
[0014]图4表示本发明的第四实施例；
[0015]图5表示本发明的第五实施例；
[0016]图6表示本发明的第六实施例；
[0017]图7表示本发明的第七实施例；
[0018]图8表示本发明的第八实施例；
[0019] 图9表示本发明的第九实施例；
[0020] 图10表示在以本发明为基础的研究中使用的实验室兰金循环系统；以及
[0021] 图11表示比较示例1的备选构造的兰金循环系统。
【具体实施方式】
[0022] 在以下说明书和随后的权利要求中，将提到一定数目的用语，这些用语应限定为 具有以下意义。
[0023] 单数形式的〃一〃、〃一个〃和〃这个〃包括多个指示物，除非上下文另外明确地规定。
[0024] 如本文在说明书和权利要求各处使用的近似语言可用于改变任何定量的表示，在 不导致其涉及的基本功能的变化的情况下其可容许改变。因此，由一个或更多个诸如〃大 约〃和〃大致〃这样的用语修饰的值不限于指定的精确值。在至少一些情况中，近似语言可对 应于用于测量值的仪器的精度。这里以及说明书和权利要求各处，范围限制可组合和/或互 换，这样的范围被认为且包括其中包含的所有子范围，除非上下文或语言另外指出。
[0025] 如本文使用的短语〃构造成〃描述了实现特定结果所需的兰金循环系统的两个或 更多个构件的物理布置。因此，短语〃构造成〃可与短语〃布置成使得〃互换使用，且拥有本领 域普通技术且阅读了本公开内容的技术人员将认识到旨在基于所述结果的性质的兰金循 环系统构件的各种布置。关于兰金循环系统的工作流体的短语〃构造成容纳〃意思是兰金循 环系统由在操作期间组合时可安全地包含工作流体的构件构成。
[0026] 如本文所述，在一个实施例中，本发明提供了一种可用于从废热源(例如，来自燃 气涡轮的载热排出气流）回收能量的兰金循环系统。兰金循环系统将存在于废热源中的热 能的至少一部分转换成可在各种方式下使用的机械能。例如，由废热产生的机械能可用于 驱动发电机、交流发电机或能够将机械能转换成电能的其它适合的装置。在一个或更多个 实施例中，由本发明提供的兰金循环系统包括构造成将由兰金循环系统产生的机械能转换 成