廢熱回收的系統和方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及用于從消耗燃料的人類活動中產生的廢熱回收能量的系統和方法。具 體而言，本發明涉及從利用不足的諸如燃氣渦輪排出氣體的廢熱源回收熱能。
【背景技術】
[0002] 人類焚燒燃料的活動在幾世紀以來已經是人類文明發展及其延續的中心特征。然 而，燃料可轉換成能量的效率仍是長期存在的問題；因為燃料焚燒時產生的大部分能量不 可做有用功且作為廢能量失去，例如廢熱。
[0003] 蘭金（Rankine)和其它熱回收循環已經創造性地用于回收存在于由燃料的燃燒 產生的廢熱中的能量的至少一些，且迄今已經實現了較大的發展。盡管過去已取得成果，但 需要進一步加強的蘭金循環廢熱回收系統和方法。

【發明內容】

[0004] 在一個實施例中，本發明提供了一種蘭金循環系統，包括：(a)加熱器，其構造成 使熱從第一含有廢熱的流傳遞至第一工作流體流以產生第一汽化工作流體流和第二含有 廢熱的流；(b)第一膨脹器，其構造成接收第一汽化工作流體流以由此產生機械能和膨脹 的第一汽化工作流體流；（c)第一換熱器，其構造成使熱從膨脹的第一汽化工作流體流和 第二含有廢熱的流傳遞至第一冷凝工作流體流以由此產生第二汽化工作流體流；（d)第二 膨脹器，其構造成接收第二汽化工作流體流以由此產生機械能和膨脹的第二汽化工作流體 流；以及（e)第二換熱器，其構造成使熱從膨脹的第二汽化工作流體流傳遞至第二冷凝工 作流體流，以由此產生具有大于第二冷凝工作流體的焓的工作流體的流。
[0005] 在備選實施例中，本發明提供了一種蘭金循環系統，包括：(a)加熱器，其構造成 使熱從第一含有廢熱的流傳遞至第一工作流體流以產生第一汽化工作流體流和第二含有 廢熱的流；(b)第一膨脹器，其構造成接收第一汽化工作流體流以由此產生機械能和膨脹 的第一汽化工作流體流；（c)第一換熱器，其構造成使熱從膨脹的第一汽化工作流體流和 第二含有廢熱的流傳遞至第一冷凝工作流體流以由此產生第二汽化工作流體流、熱耗盡的 含有廢熱的流和第一熱耗盡的工作流體流；（d)第二膨脹器，其構造成接收第二汽化工作 流體流且由此產生機械能和膨脹的第二汽化工作流體流；（e)第二換熱器，其構造成使熱 從膨脹的第二汽化工作流體流傳遞至第二冷凝工作流體流以由此產生具有大于第二冷凝 工作流體流的焓的工作流體的流以及第二熱耗盡的工作流體流；（f)工作流體流組合器， 其構造成使第一熱耗盡的工作流體流與第二熱耗盡的工作流體流組合，以由此產生合并的 熱耗盡的工作流體流；(g)冷凝器，其構造成接收合并的熱耗盡的工作流體流且由此產生 第一合并的冷凝工作流體流；(h)工作流體栗，其構造成加壓第一合并的冷凝工作流體流 且由此產生第二合并的冷凝工作流體流；以及（i)至少一個工作流體流分流器，其構造成 將第二合并的冷凝工作流體流分成至少兩個冷凝工作流體流。
[0006] 在另一個實施例中，本發明提供了一種使用蘭金循環系統回收熱能的方法，包括： (a)使熱從第一含有廢熱的流傳遞至第一工作流體流以由此產生第一汽化工作流體流和第 二含有廢熱的流；(b)使第一汽化工作流體流膨脹以由此產生機械能和膨脹的第一汽化工 作流體流；（c)使熱從膨脹的第一汽化工作流體流和第二含有廢熱的流傳遞至第一冷凝工 作流體流以由此產生第二汽化工作流體流、熱耗盡的第二含有廢熱的流和第一熱耗盡的工 作流體流；（d)使第二汽化工作流體流膨脹以由此產生機械能和膨脹的第二汽化工作流體 流；以及（e)使熱從膨脹的第二汽化工作流體流傳遞至第二冷凝工作流體流，以由此產生 具有大于第二冷凝工作流體的焓的工作流體的流以及第二熱耗盡的工作流體流。
【附圖說明】
[0007] 當參照附圖閱讀以下詳細描述時，本發明的各種特征、方面和優點將變得更好理 解，其中相似的標號可表示附圖各處相似的部分。除非另外指出，則本文提供的附圖意圖示 出本發明的關鍵創造性特征。這些關鍵創造性特征被認作適用于包括本發明的一個或更多 個實施例的多種系統中。因此，附圖不意圖包括實施本發明所需的本領域的普通技術人員 已知的所有常規特征。
[0008] 圖1表不本發明的第一實施例； 圖2表示本發明的第二實施例； 圖3表示本發明的第三實施例； 圖4表示本發明的第四實施例； 圖5表不本發明的第五實施例； 圖6表示本發明的第六實施例；以及 圖7表示備選構造的蘭金循環系統。
【具體實施方式】
[0009] 在以下說明書和隨后的權利要求中，將提到一定數目的用語，這些用語應限定為 具有以下意義。
[0010] 單數形式的〃一〃、〃一個〃和〃這個〃包括多個指示物，除非上下文另外明確地 規定。
[0011] 〃可選〃或〃可選地〃意思是隨后描述的事件或情形可發生或可不發生，且該描述 包括事件發生的情形和其不發生的情形。
[0012] 如本文在說明書和權利要求各處使用的近似語言可用于改變任何定量的表示，在 不導致其涉及的基本功能的變化的情況下其可容許改變。因此，由一個或更多個諸如"大 約〃和〃大致〃這樣的用語修飾的值不限于指定的精確值。在至少一些情況中，近似語言 可對應于用于測量值的儀器的精度。這里以及說明書和權利要求各處，范圍限制可組合和 /或互換，這樣的范圍被認為且包括其中包含的所有子范圍，除非上下文或語言另外指出。
[0013] 如本文使用的短語〃構造成〃描述了實現特定結果所需的蘭金循環系統的兩個或 更多個構件的物理布置。因此，短語〃構造成〃可與短語〃布置成使得〃互換使用，且擁有 本領域普通技術且閱讀了本公開內容的技術人員將認識到旨在基于所述結果的性質的蘭 金循環系統構件的各種布置。關于蘭金循環系統的工作流體的短語"構造成容納"意思是 蘭金循環系統由在操作期間組合時可安全地包含工作流體的構件構成。
[0014] 如本文所述，在一個實施例中，本發明提供了一種可用于從廢熱源（例如，來自燃 氣渦輪的載熱排出氣流）回收能量的蘭金循環系統。蘭金循環系統將存在于廢熱源中的熱 能的至少一部分轉換成可在各種方式下使用的機械能。例如，由廢熱產生的機械能可用于 驅動發電機、交流發電機或能夠將機械能轉換成電能的其它適合的裝置。在一個或更多個 實施例中，由本發明提供的蘭金循環系統包括構造成將由蘭金循環系統產生的機械能轉換 成電能的多個裝置，例如，包括兩個或多個發電機的蘭金循環系統，或包括發電機和交流發 電機的蘭金循環系統。在備選實施例中，由本發明提供的蘭金循環系統將工作流體中包含 的潛能轉換成機械能，且使用產生的機械能的至少一部分對系統的構件（例如，用于加壓 工作流體的栗）提供動力。
[0015] 在一個或更多個實施例中，由本發明提供的蘭金循環系統包括加熱器，其構造成 將熱從第一含有廢熱的流傳遞至第一工作流體流以產生第一汽化工作流體流和第二含有 廢熱的流。含有廢熱的流可為任何含有廢熱的氣體、液體、流化固體或可從其回收熱的多相 流體。如本文使用的用語"加熱器"描述了一種裝置，其使廢熱源（諸如含有廢熱的流） 與蘭金循環系統的工作流體熱接觸，使得熱從廢熱源傳遞至工作流，而不使廢熱源與工作 流體直接接觸，即，廢熱源不與工作流體混合。此加熱器是市售的，且是本領域的普通技術 人員已知的。例如，該加熱器可為含有廢熱的流可穿過的管道，諸如2009年11月24日提 交的美國專利申請US A1中公開的管道，該專利申請通過引用以其整體并入 本文中。工作流體可借助于管系與含有廢熱的流熱接觸，該管系布置在管道內且提供管路， 工作流體行進穿過管路而不與含有廢熱的流直接接觸。流動的工作流體在第一工作流體溫 度下進入管道內的管系，從流過管道的含有廢熱的流接收熱，且在第二工作流體溫度下流 出管道內的管系，第二工作流體溫度高于第一工作流體溫度。含有廢熱的流在第一含有廢 熱的流的溫度下進入管道，且將其熱能的至少一部分傳遞至工作流體，在第二含有廢熱的 流的溫度下流出管道，第二含有廢熱的流的溫度低于第一含有廢熱的流的溫度。
[0016] 如本文使用的用語〃加熱器〃專用于這樣的裝置，其構造成將熱從廢熱源（諸如 含有廢熱的流）傳遞至工作流體，且不構造成在第一工作流體流與第二工作流體流之間交 換熱。加熱器在此與換熱器區分開，換熱器構造成允許第一工作流體流與第二