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CN105637184A - 废热回收的系统和方法 - Google Patents

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CN105637184A
CN105637184A CN201480043350.4A CN201480043350A CN105637184A CN 105637184 A CN105637184 A CN 105637184A CN 201480043350 A CN201480043350 A CN 201480043350A CN 105637184 A CN105637184 A CN 105637184A
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stream
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Abstract

提供了一种用于将废热转换成机械能和/或电能的兰金循环系统。该系统的特征在于一种新颖的构造，其中包括第一工作流体流第一闭环热能回收循环(1)与包括第二工作流体流的第二闭环热能回收循环(2)相互作用但不混合。两个热能回收循环经由换热器相互热作用，第一换热器(36)配置成将热量从第一工作流体流传递至第二工作流体流，且第二换热器(37)配置成将热量从第二工作流体流传递至第一工作流体流。在一个或更多个实施例中，兰金循环系统适合于使用超临界的二氧化碳作为工作流体。

Description

废热回收的系统和方法
相关申请
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
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
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。
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
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)泵，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)泵，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。
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)泵，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)泵，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。
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)泵，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：(viii)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)泵，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。
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
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。
图1表示本发明的第一实施例；
图2表示本发明的第二实施例；
图3表示本发明的第三实施例；
图4表示本发明的第四实施例；
图5表示本发明的第五实施例；
图6表示本发明的第六实施例；
图7表示本发明的第七实施例；
图8表示本发明的第八实施例；
图9表示本发明的第九实施例；
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
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
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。
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。
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。
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。
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电能的多个装置，例如，由本发明提供的兰金循环系统可包括两个或更多个发电机的兰金循环系统，或发电机和交流发电机。在备选实施例中，由本发明提供的兰金循环系统将工作流体中包含的热能转换成机械能，且使用产生的机械能的至少一部分对系统的构件(例如，用于加压工作流体的泵)提供动力。
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加热器，其构造成将热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。含有废热的流可为任何含有废热的气体、液体、流化固体或可从其回收热的多相流体。如本文使用的用语″加热器″描述了一种装置，其使废热源(诸如含有废热的流)与兰金循环系统的工作流体热接触，使得热从废热源传递至工作流，而不使废热源与工作流体直接接触，即，废热源不与工作流体混合。此加热器是市售的，且是本领域的普通技术人员已知的。例如，该加热器可为含有废热的流可穿过的管道，诸如2009年11月24日提交的美国专利申请US2011-0120129A1中公开的管道，该专利申请通过引用以其整体并入本文中。工作流体可借助于工作流体经过的管系与含有废热的流热接触，该管系设置在管道内。流动的工作流体在第一工作流体温度下进入设置在管道内的管系的部分，从流过管道的含有废热的流接收热，且在第二工作流体温度下流出管道内的管系，第二工作流体温度高于第一工作流体温度。含有废热的流在第一含有废热的流的温度下进入管道，且将其热能的至少一部分传递至工作流体，在第二含有废热的流的温度下流出管道，第二含有废热的流的温度低于第一含有废热的流的温度。
如本文使用的用语″加热器″专用于这样的装置，其构造成将热从废热源(诸如含有废热的流)传递至工作流体，且不构造成在第一工作流体流与第二工作流体流之间交换热。加热器在此与换热器区分开，换热器构造成允许第一工作流体流与第二工作流体流之间的热交换。该差别在本公开内容的图5和其它位置中示出，其中加热器32和33使热从含有废热的流(分别为含有废热的流16和17)分别传递至工作流体流20和27。本领域的普通技术人员将认识到图5中所示的标号的系统构件36和37构造成在第一工作流体流与第二工作流体流之间交换热，且作为如本文限定的换热器合适，但作为如本文限定的″加热器″不合适。
可根据本发明的一个或更多个实施例使用的适合的加热器包括如本文所述的管道加热器、流化床加热器、壳管式加热器、板式加热器、翅片-板式加热器和翅片-管式加热器。
可根据本发明的一个或更多个实施例使用的适合的换热器包括壳管类型的换热器、印刷电路换热器、板-翅式换热器和成形板换热器。在本发明的一个或更多个实施例中，兰金循环系统包括印刷电路类型的至少一个换热器。
根据本发明的一个或更多个实施例的工作流体可为适合用于兰金循环系统中的任何工作流体，例如，二氧化碳。额外的适合工作流体包括水、氮、碳氢化合物(诸如环戊烷)、有机卤素化合物，以及稳定的无机流体(诸如SF6)。在一个实施例中，工作流体为二氧化碳，其在兰金循环系统内的一个或更多个位置处可处于超临界状态。
本发明所提供的兰金循环系统包括两个有区别的闭环热能回收循环，每个循环被配置成容纳工作流体。第一闭环热能回收循环配置成容纳第一工作流体流，且第二闭环热能回收循环被配置成容纳第二工作流体流。在每个闭环热能回收循环内，工作流体被多样化地加热、膨胀、冷凝、和加压。在换热器中，热量在第一闭环热能回收循环所含的第一工作流体流和第二闭环热能回收循环所含的第二工作流体流之间交换，这有利于在第一换热器中从第一工作流体流到第二工作流体流的热量流动，以及在第二换热器中的逆流(即第二工作流体流加热第一工作流体流)。尽管第一工作流体流和第二工作流体流是被包含在两个独立的闭环循环内的基本单一的流体流，但是将每个工作流体流认为是由在作为阐述兰金循环系统的总体方案用的系统内展现工作流体的各种状态(例如汽化、膨胀、冷凝、加压、热耗尽、热增强、分流、合流)的多个流构成是有用的。因此，例如第一工作流体流进入加热器，在那里它从废热源获取废热，并从第一工作流体流转变为第一汽化的工作流体流。
短语″汽化的工作流体″在应用于高度挥发性工作流体(诸如在518kPa下具有-56℃的沸点的二氧化碳)时简单地表示比其穿过加热器或换热器之前更热的气态工作流体。然后，如本文使用的用语汽化不必包含工作流体从液态到气态的转变。汽化的工作流体流可处于超临界状态，该状态在其穿过由本发明提供的兰金循环系统的加热器和/或换热器时产生。
类似地，用语″冷凝的″或“加压的”在应用于工作流体时不意味着液态的工作流体。在诸如二氧化碳的工作流体的上下文下，冷凝的工作流体只是已经经过流体冷凝器单元的工作流体流。类似地，加压的工作流体流只是已经经过流体加压装置(诸如泵或压缩机)的工作流体流。因此，用语″冷凝的工作流体流″和“加压的工作流体流”在一些实施例中可能实际上是指处于气态或超临界状态的工作流体。可按照本发明的一个或更多个实施例使用的适合的冷凝或冷却单元包括翅片-管式冷凝器和板-翅片冷凝器/冷却器。在一个或更多个实施例中，本发明提供了包括第一闭环热能回收循环和第二闭环热能回收循环共用的单个工作流体冷凝器的兰金循环系统。在一组备选实施例中，本发明提供了包括配置成在多个闭环热能回收循环内运行的多个工作流体冷凝器的兰金循环系统。
用语″膨胀的″在应用于工作流体时描述了工作流体流顺着其通路穿过膨胀器或膨胀阀后的状态。如本领域的普通技术人员将认识到的那样，包含在汽化的工作流体内的一些能量在其穿过膨胀器时转换成机械能。可根据本发明的一个或更多个实施例使用的适合的膨胀器包括轴向和径向类型的膨胀器。
在一个或更多个实施例中，由本发明提供的兰金循环系统还包括构造成将机械能转换成电能的装置，诸如，发电机或交流发电机，其可使用膨胀器中产生的机械能来驱动。在一个或更多个备选实施例中，兰金循环系统包括构造成将膨胀器中产生的机械能转换成电力的多个装置。通过使用已知的技术可以实现膨胀器与这样的能量转换装置之间的机械联接。例如，齿轮箱和/或驱动轴可以用于将膨胀装置与一个或更多个发电机/交流发电机连接。在一个实施例中，变压器和/或逆变器可用于调节由兰金循环系统的发电机/交流发电机产生的电功率。
现在转到附图，附图表示由本发明提供的兰金循环系统的基本特征。各种流线指出了含有废热的流和工作流体流穿过兰金循环系统的各个构件的流动方向。如本领域的普通技术人员认识到的那样，含有废热的流和工作流体流适当地限制在兰金循环系统中。因此，例如，指示工作流体的流动方向的各个线表示整合到兰金循环系统中的管路。类似地，指示含有废热的流的流动的大箭头意图指示在适合的管路(未示出)内流动的流。在构造成使用二氧化碳作为工作流体的兰金循环系统中，管路和设备可选择成使用本领域中已知的兰金循环系统构件来安全地利用超临界二氧化碳。
参见图1，该图描绘了本发明所提供的兰金循环系统10的构件，其包括含有第一工作流体流(以带数字的元件20，21，22，56，61a和64a多样地表示)的第一闭环热能回收循环1和含有第二工作流体流(以带数字的元件25，26，57，61b和64b多样地表示)的第二闭环热能回收循环2。在所示的实施例中，兰金循环系统包括配置成将热从第一工作流体流传递到第二工作流体流的第一换热器36，以及配置成将热从第二工作流体流传递到第一工作流体流的第二换热器37，在每种情况下热流的方向由上方设有字母“h”的箭头表示。闭环热能回收循环1包括配置成使第一含有废热的流16与处于状态20下的第一工作流体热接触的加热器32，并由此产生第二含有废热的流17和汽化的第一工作流体流21，该汽化的第一工作流体流被引导到第一膨胀器34，该第一膨胀器配置成将汽化的工作流体流21中所含热能的至少一部分转换成机械能，该机械能可以以本领域技术人员已知的各种方式来利用。来自第一膨胀器34的第一工作流体流作为失去了部分热量的膨胀的第一工作流体流22被引到第一换热器36，同时与处于加压的第二工作流体流64b的形式的第二工作流体热接触。第一工作流体流作为热耗尽的第一工作流体流56离开第一换热器，被引到第一冷凝器60a以提供冷凝的第一工作流体流61a，它在第一泵62a中被加压以生成加压的第一工作流体流64a。然后工作流体流64a被引到第二换热器37，在那里它从第二工作流体流获得热量，并成为热增强的工作流体流20，然后被返回第一加热器32并完成热能回收循环。
仍然参见图1，第二闭环热能回收循环2包括配置成使汽化的第二工作流体流25膨胀并由此产生有用的机械能和膨胀的第二工作流体流26的第二膨胀器35。膨胀的第二工作流体流26被引到第二换热器37，在那里它将热释放给第一工作流体流并成为热耗尽的第二工作流体流57，然后在第二冷凝器60b中冷却以产生冷凝的第二工作流体流61b，然后在第二泵62b中加压以产生加压的第二工作流体流64b，然后被引入第一换热器36，在那里它转变成汽化的第二工作流体流25，并完成该热能回收循环。
仍然参见图1，本领域技术人员将明白，换热器36和37被第一闭环热能回收循环1和第二闭环热能回收循环2所共享。为了清楚以及便于描述本发明，这两个换热器被当做独立的兰金循环系统构件处理，即使每个换热器都同时被集成到第一闭环热能回收循环1和第二闭环热能回收循环2中。
参见图2，该图描绘了如图1中的兰金循环系统10，并还包括配置成将第二膨胀器35所产生的机械能转换成电能的机械能转换装置42。在所示实施例中，机械能经由驱动轴46从第二膨胀器35传递到装置42。在一个实施例中，机械能转换装置是交流发电机。在备选实施例中，机械能转换装置是发电机。转换装置42所产生的电能可用于各种用途，包括给兰金循环系统的其他构件供电，例如泵62a和62b，以及包括电驱制冷单元的冷凝器。
参见图3，该图描绘了配置为如图1中的兰金循环系统10，并还包括经由机械联接件47联接到第一膨胀器34和第二膨胀器35中的每一个的机械能转换装置42。机械联接件47可以是任何合适的传递机械能的装置，诸如齿轮箱、驱动轴、皮带、或链条。在所示实施例中，机械能再次通过机械联接件47提供给第一和第二泵62a和62b。
参见图4，该图描绘了如图1中配置的兰金循环系统10，且还包括经由共同驱动轴46联接到第一膨胀器34和第二膨胀器35两者的机械能转换装置42。
参见图5，该图描绘了如图4中配置的兰金循环系统10，且还包括作为第一闭环热能回收循环1的构件的第二加热器33、工作流体流分流器48以及工作流体流合流器49。额外的加热器33的存在允许从第二含有废热的流17中额外的热量的获取，以及该额外热量为有用的电能的转换。因此，第一工作流体流20在第一加热器32中蒸发，并在第一膨胀器34中膨胀，从而产生机械能，机械能通过驱动轴46传递给机械能转换装置42，在那里转换成电能。膨胀的第一工作流体流22包括充足的热量，从而通过在第一换热器36中将热量传递给加压的第二工作流体流64b来产生汽化的第二工作流体流25。第一工作流体流作为热耗尽的第一工作流体流56离开换热器36，然后在第一冷凝器60a中进一步冷却并在第一泵62a中加压。所得的冷凝的、加压的第一工作流体流64a然后在工作流体分流器48处分为冷凝的、加压的工作流体流的第一部分27和第二部分28。第一部分27在第二加热器33中与第二含有废热的流17热接触，在该处获得热量并成为热增强的第一工作流体流31。第二部分28被引入第二换热器37，在该处其从膨胀的第二工作流体流获取热量并成为热增强的第一工作流体流29。热增强的工作流体流29和31在工作流体流合流器49处合流以提供第一工作流体流20，其被重新引入第一加热器32并完成热能回收循环。
参见图6，该图描绘了如图5中配置的兰金循环系统10，区别在于闭环热能回收循环1的第一冷凝器60a和闭环热能回收循环2的第二冷凝器60b合并成单个的冷凝器单元60c，其配置成在保持第一工作流体流和第二工作流体流分离的同时提供单个的散热装置，例如配置成在不混合两种流的前提下，从热耗尽的第一工作流体流56和热耗尽的第二工作流体57流中移除热量的单个制冷器单元。在一个实施例中，冷凝器单元60c包括一个或更多个流动通道，热耗尽的第一工作流体流56可以从中流过，同时与第一制冷剂热接触，从而产生冷凝的第一工作流体流61a。热耗尽的第二流体流57被引导穿过冷凝器单元60c的一组独立的流动通道，在那里第二工作流体流将额外的热量传递给第一制冷剂，然后作为冷凝的第二工作流体流61b离开冷凝器单元60c。虽然形式上合并成单个的冷凝器单元60c，但是第一闭环热能回收循环1和第二闭环热能回收循环2的每一个都限定为包括冷凝器单元，在本文中有时也分别被称为第一冷凝器单元和第二冷凝器单元。
参见图7，该图描绘了如图6中配置的兰金循环系统，另一个区别在于第一闭环热能回收循环1的第一泵62a和第二闭环热能回收循环2的第二泵62b合并成单个泵单元62c，其配置成在不导致两种流混合的前提下泵送第一工作流体流和第二工作流体流两者。这种能独立地泵送两种或更多种工作流体的多通道泵是本领域技术人员已知的。在一个实施例中，热耗尽的第一工作流体流56在组合的冷凝器单元60c的第一组流动通道中冷却，从而产生冷凝的第一工作流体流61a，它被引入组合的泵单元62c的第一泵送通道，它在其中加压以产生加压的第一工作流体流64a。同时，热耗尽的第二工作流体流57在组合的冷凝器单元60c的第二组流动通道中独立地冷却，从而产生冷凝的第二工作流体流61b，它被引入组合的泵单元62c的第二泵送通道以产生加压的第二工作流体流64b。虽然形式上合并成单个泵单元62c，但是第一闭环热能回收循环1和第二闭环热能回收循环2的每一个都限定为包括泵单元，在本文中有时也分别被称为第一泵和第二泵。
参见图8，该图描绘了如图1中配置的兰金循环系统10，区别在于第二闭环热能回收循环已经通过增加了配置成将膨胀的第二工作流体流26分成第一部分12和第二部分14的分流器48，以及配置成将热耗尽的工作流体流13(由第一部分12产生)和热耗尽的工作流体流15(由第二部分14产生)合流的工作流体流合流器49来修改。在所示实施例中，在第一换热器36中产生的汽化的第二工作流体流25在第二膨胀器35中膨胀，从而产生膨胀的第二工作流体流26，其被工作流体流分流器48分成第一部分12和第二部分14。第一部分被引回第一换热器36，在那里第一部分12中的额外的热量通过与加压的第二工作流体流64b的热接触被提取，从而产生热耗尽的第二工作流体流13和汽化的第二工作流体流25。同时，第二部分14被引回第二换热器37，在那里它将热量传递给加压的第一工作流体流64a，从而产生热增强的第一工作流体流20和热耗尽的第二工作流体流。
参见图9，该图描绘了如图8中配置的兰金循环系统10，它具有机械地联接到第一膨胀器34的额外的机械能转换装置42。此外，第二膨胀器配置成经由机械联接件47驱动第二泵62b。
参见图10，该图描绘了用于在本发明下进行研究的实验室级兰金循环系统100。该系统被建造在德国慕尼黑的GEGlobalResearchCenter，并采用二氧化碳作为工作流体，二氧化碳在单独的闭环热能回收循环中的一个或更多个位置处处于超临界状态。该系统运行在从大约环境温度到大约550℃范围内的温度下，在从大约50到大约250巴范围内的压力下。实验室级兰金循环系统包括电加热器32以产生温度在500到550℃范围内、压力在大约200到大约250巴的范围内、以及流量在大约200到大约330克每秒范围内的汽化的第一工作流体流21。在第一组试验条件下，电加热器运行以产生温度524℃、压力250巴、且流量280克每秒的汽化的第一工作流体流。实验室级兰金循环系统采用膨胀阀34和35取代膨胀器。工作流体流过膨胀阀前后的工作流体特质(温度、压力和流量)用于计算系统的功率输出。离开第一膨胀阀34的膨胀的工作流体流22的温度范围是从大约350到大约540℃，压力范围是从大约50到大约80巴，流量范围是从大约200到大约330克每秒。在第一组试验条件下，离开第一膨胀阀的工作流体是512℃、80巴以及280克每秒流量。膨胀的第一工作流体流22被引入第一换热器36，在那里它与加压的第二工作流体流64b接触，从而产生热耗尽的第一工作流体流56和第二汽化的工作流体流25。热耗尽的工作流体流56如下面所述那样与热耗尽的第二工作流体流57合流。离开第一换热器36的第二汽化的工作流体流25的温度范围是从大约300到大约490℃，压力范围是从大约200到大约250巴，流量范围是从大约200到大约330克每秒。在第一组试验条件下，离开第一换热器的汽化的第二工作流体流25是489℃、250巴以及流量220克每秒。
仍参见图10，第二汽化的工作流体流25通过第二膨胀阀35被膨胀，从而产生温度在大约290到大约480℃范围内、压力在大约50到大约80巴的范围内、以及流量在大约200到大约330克每秒范围内的膨胀的第二工作流体流26。在第一组试验条件下，离开第二膨胀器35的膨胀的第二工作流体流26处于475℃、80巴以及220克每秒流量。膨胀的第二工作流体流26被引入第二换热器37，在那里它与加压的第一工作流体流64a热接触，从而产生热耗尽的第二工作流体流57和被返回加热器32的热增强的第一工作流体流20。热增强的第一工作流体流20以大约240到大约430℃范围内的温度、大约200到大约250巴的范围内的压力、以及大约200到大约330克每秒范围内的流量被重新引入加热器32。在第一组试验条件下，热增强的第一工作流体流20以266℃的温度、250巴的压力以及280克每秒的流量被重新引入加热器32。
离开第二换热器37的热耗尽的第二工作流体流57与热耗尽的第一工作流体流56在工作流体流合流器49处合流，从而产生温度在大约80到大约100℃的范围内、压力在大约50到大约80巴的范围内、以及流量在大约200到大约650克每秒的范围内的合并的热耗尽的工作流体流58。在第一组试验条件下，离开工作流体流合流器48的合并的热耗尽的工作流体流58处于82℃、80巴以及500克每秒流量。
合并的工作流体流58然后被引入冷凝器60c，在那里它被冷却到大约20到大约40℃范围内的温度、大约50到大约80巴的范围内的压力、以及大约200到大约650克每秒范围内的流量。在第一组试验条件下，离开冷凝器的冷凝的工作流体流61处于30℃和80巴，在500克每秒的流量下。
仍然参见图10，冷凝的工作流体流61然后在工作流体流分流器48处被分成两个冷凝的工作流体流61a和61b，它们在第一泵62a和第二泵62b中独立地加压。第一泵的输出(加压的第一工作流体流64a)呈现于第二换热器37，如之前所述。在第一组试验条件下，离开第一泵62a的加压的工作流体流64b处于59℃和250巴，以280克每秒的流量。第二泵的输出(加压的第二工作流体流64b)呈现于第一换热器36，如之前所述。在第一组试验条件下，离开第二泵62b的加压的工作流体流64b处于59℃和250巴，以220克每秒的流量。
参见图11，该图描绘了复杂程度与本发明的兰金循环系统相当的备选兰金循环系统200，它只包括一个闭环热能回收循环。该兰金循环系统配置成利用第一含有废热的流16加热热增强的第一工作流体流20，从而产生第二含有废热的流17和汽化的第一工作流体流21，该汽化的第一工作流体流在第一膨胀器34中膨胀以产生机械能和膨胀的第一工作流体流22。膨胀的第一工作流体流22然后被引入第一换热器36，在其中热量从流22被传递给第二热增强的工作流体流24，由此产生热耗尽的第一工作流体流56和汽化的第二工作流体流25，该汽化的第二工作流体流在第二膨胀器35中膨胀以产生膨胀的第二工作流体流26。膨胀的第二工作流体流26然后被引入第二换热器37，在其中热量从流26传递给合并的加压的工作流体流64，从而产生热增强的合并的工作流体流23，该热增强的合并的工作流体流23在工作流体流分流器48处被分成工作流体流20和24。
仍然参见图11，热耗尽的第二工作流体流57离开第二换热器37并在工作流体流合流器49处与热耗尽的第一工作流体流56合流，从而提供合并的热耗尽的工作流体流58。流58然后在冷凝器60中冷却，从而提供冷凝的工作流体流61，该冷凝的工作流体流在泵62中加压以产生合流的加压的工作流体流64。
各种兰金循环系统构件是本领域技术人员已知的，例如，工作流体流分流器、工作流体流合流器、工作流体泵和工作流体冷凝器，它们也是市售的。
除了提供兰金循环系统，本发明提供一种使用兰金循环系统回收热能的方法。该方法的一个或更多个实施例通过图1-9示出。因此，在一个实施例中，该方法包括：(a)将热量从第一含有废热的流传递给被包含在第一闭环热能回收循环中的第一工作流体流，从而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工作流体流传递到被包含在第二闭环热能回收循环内的第二工作流体流，从而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，从而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到冷凝的第一工作流体流，从而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。
在方法的一个实施例中，第一工作流体和第二工作流体中的至少一个是在至少一个方法步骤中的至少一部分运行期间处于超临界状态下的二氧化碳。
在方法的一个实施例中，第一工作流体和第二工作流体都是二氧化碳。
在方法的一个实施例中，第一工作流体和第二工作流体的至少一个在方法步骤(a)-(e)的至少一个中的至少一部分运行期间处于超临界状态。
在一个或更多个实施例中，由本发明提供的方法和系统可用于获得和使用来自含有废热的流的热，该流为由燃气涡轮产生的排出气流。
实验部分
构造和测试了实验室级兰金循环系统，以便演示超临界二氧化碳兰金循环系统的可操作性并检验由其制造者建议的兰金循环系统的独立构件的性能特征，例如，印刷电路换热器的有效性。实验兰金循环系统如本文中图10那样构造为单个闭环热能回收循环。实验室级兰金循环系统的性能特征用于预测由本发明提供的兰金循环系统的性能特征。将图10中所示的实验室级兰金循环系统与图1中所示的本发明所提供的兰金循环系统相比，应当注意以下：第一膨胀器34和第二膨胀器35由膨胀阀34和35替换，热耗尽的工作流体流56和57在工作流体流合流器49中合流，以提供合并的热耗尽的工作流体流58，其在合并的冷凝器单元60c中冷却。冷凝器单元60c的输出(冷凝的工作流体流61)在工作流体流分流器48处分成冷凝的工作流体流61a和61b，且分别被提供给泵62a和62b，以分别产生加压的冷凝的工作流体流64a和64b。实验室级兰金循环系统不利用第一含有废热的流16，而是依靠电加热元件来加热第一工作流体流20。工作流体是二氧化碳。从第二含有废热的流17或热增强的第二含有废热的流到第一换热器36的传热增强效果可以通过将加热元件增加至换热器36来接近。实验系统提供了用于下文论述的额外的模拟研究的构架。具体而言，实验上获得的数据可用于确认和/或推导本发明的实施例的预计性能。
两个软件模型用于预测由本发明提供的兰金循环系统的性能。可从F-ChartSoftware(麦迪逊，威斯康星州)获得的这些软件模型″EES″(工程方程解算机)中的第一个是基于方程的计算系统，其允许在系统状态点处证实的兰金循环系统操作状态的预计优化以用于最佳的总体性能。如何最佳操作兰金循环系统的进一步了解使用AspenHYSYS获得，其是可从AspenTech获得的全面过程建模系统。
由本发明提供且分别如图1、图8、和图5中构造的兰金循环系统的三个实施例使用二氧化碳的Spann-Wagner状态方程的EES软件模型来估计(示例1-3)。在表1中提供了数据的三个实施例(示例1-3)在热力学上相当于在本文第一段中所提及的且在通过引用并入本文中的本发明人的申请号为13/905923，13/905897和13/905511的专利申请中所披露的三个备选的兰金循环系统构造。因此，本文的表1中的示例1在热力学上相当于前面被提及的每一个专利申请中的对比示例3。本文的表1中的示例2在热力学上相当于申请号为13/905897的美国专利申请的示例1。本文的表1中的示例3在热力学上相当于申请号为13/905923的美国专利申请的示例1。示例1-3的兰金循环系统与两个其他的兰金循环系统进行比较。第一(对比示例1)是复杂程度相似且按照图11配置的兰金循环系统，使得合并的工作流体流64呈现于第二换热器37，然后离开第二换热器37的热增强的工作流体流23由工作流体流分流器48分成第一部分(工作流体流20)和第二部分23。对比示例2的兰金循环系统包括单个膨胀器和单个换热器，但是被适当地按比例调整，使得能够做出示例1-3与对比示例1的有意义的比较。表1中所给出的数据展现了本发明所提供的兰金循环系统相比备选兰金循环系统方案的优点。
示例1-3的兰金循环系统和比较示例1-2在一组十六个不同稳态条件下模拟，各个稳态特征为最低系统CO2工作流体温度，其从第一稳态中的大约10℃变为第十六稳态中的大约50℃。兰金循环系统的预计性能取决于环境温度，且还在其流出系统时经历含有废热的流的大约130℃的最低可允许温度。该温度下限与从诸如燃气涡轮这样的燃烧发动机的排出流的废热回收的典型设计方针一致，用于防止排出管道内的腐蚀性酸性气体的冷凝。模型兰金循环系统的功率输出还可使用实验测量的状态点(其使用实验室级兰金循环系统作为计算机模拟工具的输入)来估计。各个兰金循环系统的功率输出表明随最低系统CO2工作流体温度升高的稳定下降。
表1：示例1-3对比比较示例1-2
示例1如图1中配置；示例2如图8中配置；示例3如图5中配置；对比示例1如图11中配置，对比示例2＝基本兰金循环构造。
续表1：与对比示例1和2的比较
*示例1-3相对比较示例1和2的优势按以下方式计算：(示例功率输出值-比较示例功率输出值)/(比较示例功率输出值)。
表1中呈现的数据示出了由本发明提供的兰金循环系统的功率输出关于基准的标准兰金循环构造(比较示例2)和具有类似复杂性的备选构造的兰金循环系统(比较示例1)的显著改善。
前述示例仅为说明性的，用于示出本发明的仅一些特征。所附权利要求旨在如构想那样广泛地对本发明进行权利保护，且本文呈现的示例说明了多种所有可能实施例中的选择实施例。因此，申请人的意图在于，所附权利要求不由用于示出本发明的特征的示例的选择限制。如权利要求中使用的词语″包括″和其语法上的变体逻辑上还针对和包括变化和不同程度的短语，例如，诸如不限于″基本上构成″或″构成″。在必要之处，提供了范围，那些范围包括其间的所有子范围。预期这些范围中的变型将启发本领域的普通技术人员，且在未贡献给公众的情况下，那些变型在可能的情况下应认作由所附权利要求覆盖。还预期科技的发展将产生由于语言的不准确而目前未构思的可能的等同方案和置换方案，且这些变型在可能的情况下应当认作由所附权利要求覆盖。

Claims (25)

1.一种兰金循环系统，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，其配置成将热量从所述第一工作流体流传递至所述第二工作流体流；
(d)第二换热器，其配置成将热量从所述第二工作流体流传递至所述第一工作流体流；
其中所述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所述第一工作流体流，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，其配置成接收所述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)泵，其配置成加压所述冷凝的第一工作流体流；
其中所述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)泵，其配置成加压所述冷凝的第二工作流体流；
其中所述第一换热器配置成产生所述汽化的第二工作流体流和所述热耗尽的第一工作流体；以及
其中所述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。
2.根据权利要求1所述的兰金循环系统，其特征在于，还包括发电机。
3.根据权利要求2所述的兰金循环系统，其特征在于，所述发电机机械地联接至所述第一膨胀器。
4.根据权利要求2所述的兰金循环系统，其特征在于，所述发电机机械地联接至所述第二膨胀器。
5.根据权利要求1所述的兰金循环系统，其特征在于，还包括机械地联接至所述第一膨胀器和所述第二膨胀器的发电机。
6.根据权利要求5所述的兰金循环系统，其特征在于，所述第一膨胀器和第二膨胀器共享共同的驱动轴。
7.根据权利要求1所述的兰金循环系统，其特征在于，第一工作流体和第二工作流体是基本上相同的。
8.根据权利要求1所述的兰金循环系统，其特征在于，系统配置成容纳超临界的二氧化碳。
9.根据权利要求1所述的兰金循环系统，其特征在于，所述第一工作流体和所述第二工作流体都是二氧化碳。
10.根据权利要求1所述的兰金循环系统，其特征在于，所述第一冷凝器和所述第二冷凝器合并成单个冷凝器单元。
11.根据权利要求1所述的兰金循环系统，其特征在于，第一泵和第二泵合并成单个泵单元。
12.根据权利要求1所述的兰金循环系统，其特征在于，第一闭环热能回收循环和所述第二闭环热能回收循环中的至少一个包括工作流体流分流器。
13.根据权利要求12所述的兰金循环系统，其特征在于，所述第一闭环热能回收循环包括工作流体流分流器和第二加热器。
14.根据权利要求12所述的兰金循环系统，其特征在于，所述第二闭环热能回收循环包括工作流体流分流器。
15.根据权利要求1所述的兰金循环系统，其特征在于，还包括第二加热器。
16.一种兰金循环系统，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，其配置成将热量从所述第一工作流体流传递至所述第二工作流体流；
(d)第二换热器，其配置成将热量从所述第二工作流体流传递至所述第一工作流体流；
其中所述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所述第一工作流体流，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，其配置成接收所述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)泵，其配置成加压所述冷凝的第一工作流体流；
其中所述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)泵，其配置成加压所述冷凝的第二工作流体流；
(viii)第二工作流体流分流器，其配置成将所述膨胀的第二工作流体流分成所述膨胀的第二工作流体流的第一部分和所述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所述第二工作流体流的第一部分与热耗尽的所述第二工作流体流的第二部分组合；
其中所述第一换热器配置成产生所述汽化的第二工作流体流、所述热耗尽的第一工作流体和热耗尽的所述第二工作流体流的第一部分；以及
其中所述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所述第二工作流体流的第二部分。
17.根据权利要求16所述的兰金循环系统，其特征在于，包括至少一个板-翅片冷凝器。
18.根据权利要求16所述的兰金循环系统，其特征在于，包括至少一个印刷电路冷凝器。
19.根据权利要求16所述的兰金循环系统，其特征在于，至少一个膨胀器配置成驱动至少一个泵。
20.根据权利要求16所述的兰金循环系统，其特征在于，还包括配置成由一个或更多个膨胀器驱动的发电机。
21.一种兰金循环系统，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，其配置成将热量从所述第一工作流体流传递至所述第二工作流体流；
(d)第二换热器，其配置成将热量从所述第二工作流体流传递至所述第一工作流体流；
其中所述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所述第一工作流体流，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，其配置成接收所述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)泵，其配置成加压所述冷凝的第一工作流体流；
(v)至少一个工作流体流分流器，其配置成所述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，其配置成将热量从所述第二含有废热的流传递至所述第一工作流体流的所述第一部分，以产生所述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；
其中所述第二闭环热能回收循环还包括：
(viii)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)泵，其配置成加压所述冷凝的第二工作流体流；
其中所述第一换热器配置成产生所述汽化的第二工作流体流和所述热耗尽的第一工作流体；以及
其中所述第二换热器配置成产生热增强的所述第一工作流体流的第二部分和热耗尽的第二工作流体流。
22.一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)使所述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)使所述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)将热量从所述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。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，第一工作流体和第二工作流体中的至少一个是在至少一个方法步骤的至少一部分期间处于超临界状态的二氧化碳。
24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述第一工作流体和所述第二工作流体都是二氧化碳。
25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，所述第一工作流体和所述第二工作流体中的至少一个在至少一个方法步骤的至少一部分期间处于超临界状态。
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