CN105102772A - 具有超临界工作流体的热机系统及其处理方法 - Google Patents

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Abstract

在此公开的本发明的各方面整体提供了用于发电的热机系统和方法。在一种构造中，热机系统包括工作流体回路，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(例如超临界CO2)。该系统还包括：构造成用以将热能转换成机械能的动力涡轮；构造成用以将机械能转换成电能的电动发电机；以及泵，所述泵构造成用以使工作流体在工作流体回路中循环。该系统还包括：构造成用以将热能从热源流转移到工作流体的换热器；同流换热器，所述同流换热器构造成用以将热能从工作流体回路的低压侧转移到工作流体回路的高压侧；以及冷凝器(例如气冷式或液冷式)，所述冷凝器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。

Description

具有超临界工作流体的热机系统及其处理方法
相关申请的交叉引用
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(HeatEngineSystemwithaSupercriticalWorkingFluidandProcessesThereof)”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(HeatEngineSystemwithaSupercriticalWorkingFluidandProcessesThereof)”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
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。
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。
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。
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。
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
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；和泵，所述泵联接到动力涡轮或与动力涡轮相联。泵可以通过泵入口流体联接到工作流体回路的低压侧，所述泵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，泵可以通过泵出口流体联接到工作流体回路的高压侧，所述泵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，并且泵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。
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泵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泵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。
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)。
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，并且泵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泵之间，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泵或与动力涡轮和泵相联。
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泵和动力涡轮。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。
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：泵，所述泵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泵和动力涡轮。
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：泵，所述泵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泵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泵的出口流体连通；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。
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。
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泵、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，泵、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。
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泵，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
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。
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。
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。
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。
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。
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
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。
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。
在一个或多个实施例中，在热机系统90和100中使用的工作流体可以包含二氧化碳或者含有二氧化碳的混合物，工作流体回路102的至少一部分包括处于超临界状态的工作流体(例如超临界CO2)。在示范性实施例中，工作流体回路102包括工作流体，所述工作流体完全是二氧化碳或基本是二氧化碳并且以超临界状态使用工作流体。应当注意的是，使用的术语二氧化碳(CO2)、超临界二氧化碳(sc-CO2)或次临界二氧化碳(sub-CO2)并不旨在受限于任何特殊类型、来源、纯度或等级的二氧化碳。例如，在不背离本公开的范围的前提下可以在工作流体中包括工业级的二氧化碳或者可以将工业级的二氧化碳用作工作流体。
在其它实施例中，工作流体可以是二元、三元或其它的工作流体混合物。例如，能够针对由热回收系统例如热机系统90和100内的工作流体组合所具备的特定属性来选择工作流体组合物。一种这样的流体组合物包括液体吸收剂和二氧化碳的混合物，其使得能够较之压缩气态二氧化碳所需的能量以更少的能量将组合物以液态泵送至高压。在其它示例中，工作流体可以是二氧化碳和一种或多种其它互溶流体的组合物或混合物。在另一个示例中，在不背离本公开的范围的前提下，工作流体可以是二氧化碳和丙烷的组合物或者二氧化碳和氨或其它类似气体的组合物。
图1和图2通过用实线代表高压侧和用点划线代表低压侧而示出了热机系统90和100的工作流体回路102的高压侧和低压侧，正如在一个或多个实施例中所述的那样。使用术语“工作流体”并不旨在限制工作流体或工作流体组分的物质状态或物相。例如，在热机系统90和100或热力循环中任意的一个或多个位置处，工作流体或工作流体的各部分可以是液相、气相、超临界状态、次临界状态或任何其它的相或状态。在一个或多个实施例中，工作流体在热机系统90和100的工作流体回路102的某些部分(例如高压侧)处于超临界状态而在热机系统90和100的工作流体回路102的其它部分(例如低压侧)处于次临界状态。在其它实施例中，整个热力循环可以操作成使得工作流体在整个工作流体回路102中都保持处于超临界状态或处于次临界状态。
热机系统90和100通常包括换热器104例如废热换热器，所述换热器104与热源Qin热连通。一个换热器或多个换热器可以被用作换热器104。当工作流体流经换热器104时，工作流体的温度升高，并且将热能从热源Qin转移到工作流体回路102内的工作流体。热源Qin可以从多种高温源获得热能。例如，热源Qin可以是废热流，例如但不局限于燃气涡轮机排气、处理流排气或其它燃烧产物排气流譬如炉或锅炉的排气流。因此，热机系统90和100可以构造成用以将废热转换成电能以用于各种应用，包括燃气涡轮机中的底部循环、固定式柴油发电机组、工业废热回收(例如在精炼厂和压缩站中)以及内燃机的混合动力替代装置。
在其它实施例中，热源Qin可以从可再生的热能来源获得能量，所述可再生的热能来源例如但不局限于太阳能和地热源。尽管热源Qin自身可以是高温源的流体流，但是在其它实施例中热源Qin可以是与高温源接触的热流体。热流体可以将热能输送到换热器104，以便将能量转移到工作流体回路102内的工作流体。在很多示例中，换热器104是废热换热器，以使废热流或废热源流经换热器104并且向工作流体回路102内的工作流体提供热能。
除了换热器104之外，热机系统90和100通常具有动力涡轮106和泵110。在一个实施例中，热机系统90还包括单芯冷凝换热器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，如图1所示。在另一个实施例中，热机系统100还包括同流换热器114，但是作为液冷式冷凝器116的替代方案(例如在热机系统90中)，热机系统100具有气冷式冷凝器136，如图2所示。在高压侧101，来自泵110的加压工作流体可以提供给同流换热器114，在所述同流换热器114中，可以由来自动力涡轮106的低压工作流体对加压工作流体进行预加热。此后，预加热的工作流体可以提供给换热器104，在所述换热器104中，可以由热源Qin进一步加热工作流体。
对于两种热机系统90和100而言，动力涡轮106接收从换热器104排出的被加热的工作流体并使之膨胀。动力涡轮106可以是任何类型的膨胀装置，例如，膨胀器、涡轮或涡轮机并且通过轴112可旋转地联接到电动发电机108(例如，电动交流发电机/直流发电机)和泵110。动力涡轮106使工作流体膨胀以驱动电动发电机108和泵110。同流换热器114可以用于将热能从离开动力涡轮106的低压高温的工作流体转移到来自泵110的高压低温的工作流体。
图1示出了热机系统90，其中工作流体回路102的低压侧使得来自动力涡轮106的膨胀的工作流体被排放到单芯冷凝换热器118的同流换热器114中。在通过同流换热器114之后，工作流体流经单芯冷凝换热器118的液冷式冷凝器116。在液冷式冷凝器116中，冷却介质回路120可以用于进一步从工作流体转移热量并且将工作流体冷凝成液体。冷却介质回路120可以包括水、乙二醇、水和乙二醇的混合物、溶剂(例如有机溶剂)、超临界流体、次临界流体、空气、二氧化碳、氮或任何其它适当的冷却介质。泵110从液冷式冷凝器116接收冷凝的工作流体并且循环重新开始。
图2示出了热机系统100中的管道134，所述管道134流体联接在同流换热器114和气冷式冷凝器136之间，如在本文中公开的一个或多个实施例中描述的那样。在一些示例中，气冷式冷凝器136包括：一个或多个风扇或鼓风装置(图示为风扇138)；和多个散热片139，所述散热片139与管道134热接触或热连通。风扇138可以用于吹送空气或另一种气体通过多个散热片139并与多个散热片139相接触。热能可以通过气冷式冷凝器136从工作流体转移并消散或者以其它方式转移到在散热片139上流动的空气或其它气体中。因此，可以从工作流体回路102内的工作流体中移除热能。散热片139或其它散热器通常具有包括相对较大的表面积和高导热系数这样的特性，以使得能够以相对高的速率吸收和释放热能。在一些示例中，用作散热片139的翅片管模块可以暴露于从风扇138例如强制通风风扇吹送的空气。气冷式冷凝器136可以用于通过从流经同流换热器114下游的管道134的工作流体中移除热能来冷凝工作流体(例如CO2)。另外，管道132可以在热机系统100内流体联接在气冷式冷凝器136和泵110之间。因此，冷凝的工作流体可以从气冷式冷凝器136通过管道132流至泵110。
在热机系统90或100的系统启动期间，可以向电动发电机108供电，以使其用作操作泵110的电机，从而使工作流体循环通过工作流体回路102。当工作流体循环时，包含在工作流体中的能量水平增加至使得由动力涡轮106提供的能量足以经由轴112为泵110提供动力的水平。一旦能量足以为泵110提供动力，则还可以经由轴112驱动电动发电机108，并且将电动发电机108用作产生净电力的发电机。
在另一个实施例中，热机系统90(图1)和热机系统100(图2)可以包括：腔室或壳体，例如壳体113，所述壳体113至少部分地、基本地或完全地包围泵110；电动发电机108；动力涡轮106；和/或轴112。热机系统100可以构造成用以将气体或流体例如干式气(drysealgas)、含尘气体、工作流体的一部分、空气、其它气体、或其组合物提供或输送到壳体113中，以用于冷却动力涡轮106的一个或多个部分。在多个示例中，可以在壳体113中使用工作流体(例如sc-CO2)的一部分。壳体113还可以用于防止或捕获来自泵110、电动发电机108、动力涡轮106和/或沿着轴112布置的密封组件(未示出)的任何气体(例如工作流体)的泄漏。
在另一个实施例中，如图1所示，热机系统90包括密封气体系统204，所述密封气体系统204可以用于向电动发电机108以及其它部件例如动力涡轮106和/或轴112提供加压密封气体或流体。密封气体系统204可以是加压气体/流体系统并且可以位于工作流体回路102和/或热机系统90之外。密封气体或流体可以通过密封气体入口206转移到电动发电机108或壳体113中，回收的密封气体可以通过密封气体出口208从电动发电机108或壳体113移出。密封气体入口206和密封气体出口208可以布置在壳体113和/或泵110、电动发电机108、动力涡轮106和/或轴112的外壳或其它部分上。密封气体系统204可以通过管道205流体联接到密封气体入口206并且可以通过管道207流体连接到密封气体出口208。保持电动发电机108内的足够的密封气体压力能够有助于防止工作流体从泵110或动力涡轮106迁移到电动发电机108中。密封气体可以包含二氧化碳、氮气、氩气、空气或其组合，并且密封气体可以处于气态、液态、超临界状态或次临界状态。在一些示范性实施例中，密封气体可以包括工作流体中的包含在密封气体系统204内的部分。在一个示例中，密封气体包含从工作流体回路102移除的二氧化碳。
在另一个实施例中，如图2所示，热机系统100具有泄漏回收系统150，所述泄漏回收系统150可以用于回收泄漏并被捕获的气体。泄漏回收系统150可以构造成用以使泄漏并被捕获的气体或流体从壳体113流动或转移回到工作流体回路102中。管道154可以流体联接到并且流体联接在壳体113和压缩机152之间，以及流体联接到并且流体联接在压缩机152和管道103上的位于同流换热器114上游和动力涡轮106的出口下游的某一位置之间。压缩机152可以用于从壳体113移除泄漏并被捕获的气体或流体，以便为泄漏并被捕获的气体例如气体、液体、次临界流体和/或超临界流体加压并使其流入到工作流体回路102中。
压缩机152可以用于从电动发电机外壳(未示出)移除泄漏并被捕获的气体或流体，所述电动发电机外壳可以位于壳体113内或作为壳体113的一部分。电动发电机外壳可以是完全或部分地包围电动发电机108的外壳、壳体等。在一些示例中，电动发电机外壳的压力可以主动地保持在从大约0.5MPa至大约10MPa的范围内，更确切地保持在从大约0.8MPa至大约5MPa的范围内，更加确切地保持在从大约1MPa至大约3MPa的范围内。工作流体(例如sc-CO2或sub-CO2)的加压状态减小了工作流体的密度，由此使得电动发电机转子处的风阻或流体摩擦阻力最小化。
在其它实施例中，包括计算机系统184的过程控制系统182通常操作性地连接到热机系统90和100。过程控制系统182可以构造成用以控制和操作热机系统90和100中的每一个部件，所述部件包括动力涡轮106、电动发电机108、泵110和其它部件以及整个工作流体回路102中的任何一个阀和传感器。过程控制系统182可以构造成用以通过控制和调节热机系统90和100中的每一个部件来监测和调节整个工作流体回路102中的温度和压力。在一个实施例中，过程控制系统182能够运动、调节、操纵或以其他方式控制至少一个阀或多个阀，以用于调节或控制整个工作流体回路102中的工作流体的流动。通过控制工作流体的流动，过程控制系统182还可操作用于调节整个工作流体回路102中的温度和压力。
图1和图2示出的动力涡轮截止阀122和旁通阀124可以独立地用于在系统启动处理期间减小或停止工作流体的流动。动力涡轮截止阀122操作性地联接到管道218，所述管道218从换热器104的出口沿着工作流体回路102的高压侧延伸至动力涡轮106的入口。动力涡轮截止阀122构造成用以控制工作流体流经管道218的流动。旁通阀124操作性地联接到管道即旁通管线126，所述旁通管线126从位于泵110的出口下游和同流换热器114的入口上游的某一位置处沿着工作流体回路102的高压侧延伸至管道218。旁通阀124构造成用以控制工作流体流经旁通管线126的流动。动力涡轮截止阀122和旁通阀124可以部分或完全地关闭/打开或者在变化的打开/关闭位置之间进行调节，以便控制进入到动力涡轮106中的工作流体的流动。经由动力涡轮截止阀122和旁通阀124对工作流体的循环的控制来提供要加热到期望温度以及加压到期望压力以用于驱动动力涡轮106的工作流体。可以独立地手动控制或者可以经由过程控制系统182自动地控制动力涡轮截止阀122和旁通阀124。
在某些实施例中，在热机系统90和100或其它在本文中描述的热机系统的操作期间，泵110能够以一定的压力和流速提供包含在工作流体回路102内的工作流体(例如CO2)，所述压力处于从大约2MPa至大约23Mpa的范围内，更确切地处于从大约17MPa至大约23MPa的范围内，所述流速处于从大约1kg/s(千克/秒)至大约15kg/s的范围内，更确切地处于从大约2kg/s至大约12kg/s的范围内，更确切地处于从大约4kg/s至大约7kg/s的范围内。进入到同流换热器114中的工作流体例如CO2的温度可以处于从大约-10℃至大约70℃的范围内，更确切地处于从大约30℃至大约50℃的范围内，并且离开同流换热器114的工作流体的温度可以处于从大约50℃至大约180℃的范围内，更确切地处于从大约100℃至大约130℃的范围内。
因为热源Qin可以从各种高温源获得热能，所以热源Qin的温度和来自热源Qin的可用能量也会变化。通常，热源Qin的温度可以处于从大约100℃至大约1,000℃的范围内或大于1,000℃，并且在一些示例中，处于从大约100℃至大约800℃的范围内，更确切地处于从大约150℃至大约600℃的范围内，更确切地处于从大约200℃至大约550℃的范围内。热源Qin可以提供的可用能量处于从大约1500kWth(千瓦热量)至大约2600kWth的范围内，以使流经换热器104并提供给动力涡轮106的工作流体的温度升高。当工作流体流经换热器104时工作流体的温度升高并且将热能从热源Qin转移到工作流体回路102内的工作流体。在一些示范性实施例中，流经换热器104的工作流体可以具有升高的温度，所述升高的温度处于从大约170℃至大约550℃的范围内，更确切地处于从大约190℃至大约350℃的范围内。相应地，一旦从热源Qin流中移除一部分热能，则热源Qin流的回复温度可以处于从大约50℃至大约250℃的范围内，更确切地处于从大约70℃至大约190℃的范围内，更确切地处于从大约80℃至大约170℃的范围内。
动力涡轮106可以使包含二氧化碳的工作流体膨胀并且可以操作电动发电机以便以一定的功率水平发电，所述功率水平通常小于1MW(或在1MW以下)，例如处于从大约10kW至大约950kW的范围内，更确切地处于从大约50kW至大约800kW的范围内，更确切地处于从大约100kW至大约500kW的范围内，更确切地处于从大约150kW至大约375kW的范围内，例如约为300kW。一旦离开动力涡轮106，工作流体可以流至单芯冷凝换热器118(图1)或气冷式冷凝器136(图2)并且具有一定的温度，所述温度处于从大约140℃至大约350℃的范围内，更确切地处于从大约180℃至大约260℃的范围内，更确切地处于从大约200℃至大约230℃的范围内。一旦包含二氧化碳的工作流体流过单芯冷凝换热器118或气冷式冷凝器136，即可以一定的温度将工作流体提供给泵110，所述温度处于从大约-20℃至大约40℃的范围内，更确切地处于从大约10℃至大约20℃的范围内。图2示出了热机系统100，所述热机系统100构造成具有气冷式冷凝器136。包含二氧化碳的工作流体的温度可以处于从大约5℃至大约75℃的范围内，更确切地处于从大约25℃至大约75℃的范围内，更确切地处于从大约50℃至大约70℃的范围内，所述工作流体离开同流换热器114并且被提供给或输送到气冷式冷凝器136。
图3示出了热机系统200的示范性实施例，所述热机系统200在某些方面可以类似于热机系统90或100，并且因此可以参照图1和图2更好地理解，其中相同的附图标记对应于在此将不再赘述的相同元件。热机系统200具有动力单元202，所述动力单元202包括动力涡轮106、电动发电机108和泵110。动力涡轮106、电动发电机108和泵110中的每一个均可联接到中心轴(未示出)并且集成到单个或一体的单元中。在一些构造中，中心轴可以与轴112类似或相同。而且，动力涡轮106和泵110以及其它部件(例如换热器104、同流换热器114和单芯冷凝换热器118)可以流体联接到工作流体回路102。
在某些实施例中，动力单元202可以包括用于将电动发电机108与动力涡轮106和泵110隔离的密封气体系统(未示出)。可与密封气体系统204相同或类似的密封气体系统可以是位于热机系统200以外的加压系统，其通过密封气体入口206向电动发电机108提供加压密封气体或流体并且从密封气体出口208回收密封气体或流体。在可选实施例中，密封气体入口206和密封气体出口208可以减少成位于电动发电机外壳(例如外壳、壳体或护罩226)的中心处的单个端口。所述单个端口可以是泄漏回收系统的一部分，所述泄漏回收系统与图2中示出且在下文讨论的泄漏回收系统150相类似。
可以通过管道210将来自泵110的加压工作流体提供给同流换热器114，所述同流换热器114是单芯冷凝换热器118的一部分。在同流换热器114中，通过从动力涡轮106经由管道212提供的低压工作流体对加压的工作流体进行加热。然后通过工作流体供应装置214将预加热的工作流体提供给废热换热器(未示出)。工作流体由废热换热器(未示出)加热并经由工作流体返回装置216返回到热机系统200。
在进入动力涡轮106之前，加热的高压工作流体通过管道218，所述管道218可以包括过滤器220和动力涡轮截止阀122。膨胀的工作流体从动力涡轮106经由管道212转移到单芯冷凝换热器118。旁通阀124经由旁通管线126提供管道218和管道212之间的选择性流体连通。
可以将流经或通过管道212的工作流体排放到单芯冷凝换热器118中。同流换热器114作为单芯冷凝换热器118的一部分可操作用以将热能从离开动力涡轮106的低压高温工作流体转移到来自泵110的高压低温工作流体。在一个实施例中，例如在水冷式构造或液冷式构造中，在工作流体流经同流换热器114之后，工作流体流经液冷式冷凝器116，所述液冷式冷凝器116与冷却介质回路120流体连通并且用于进一步从工作流体移除热量，正如在热机系统90(图1)和热机系统200(图3)中所示的那样。冷却介质回路120可以包括冷却水供应装置224和冷却水返回装置225，冷却流体、水或其它流体可以在其中循环。在另一个实施例中，例如在气冷式构造中，在工作流体流经同流换热器114之后，工作流体流经管道134到达气冷式冷凝器136，正如在热机系统100(图2)中示出的那样。气冷式冷凝器136构造成用以进一步将热量从工作流体转移到热机系统100以外的空气中。泵110经由管道222从液冷式冷凝器116或气冷式冷凝器136接收冷凝的工作流体并且重新开始循环。
热机系统200可以被包含在外壳或护罩226中，所述外壳或护罩226还为系统提供了便捷的便携性，如图3所示。在某些示范性实施例中，护罩226可以具有这样的占地面积，所述占地面积的尺寸是大约6英尺×大约10英尺并且高度为大约8英寸，从而允许将热机系统200定位成紧邻废热源或其它热源例如热源Qin。在其它实施例中，本文公开的任何一种废热系统都可以布置在滑轨或其它支撑装置上。废热系统100可以布置在支撑装置或滑轨180上，如图2所示。类似地，废热系统200可以布置在支撑装置或滑轨280上，如图3所示。在一个示例中，气冷式冷凝器136可以连同多个散热片139和/或风扇一起定位成偏离滑轨180。
在一些实施例中，电动发电机108可以是发电机、交流发电机(例如永磁交流发电机)或用于发电(例如将来自轴112和动力涡轮106的机械能转换为电能)的其它装置。图2示出了电力输出端170，所述电力输出端170经由线缆176与电动发电机108、电力电子系统172和电网174电联接。电力输出端170可以构造成用以经由线缆176将产生的电能从电动发电机108转移到电力电子系统172和电网174。而且，电力输出端170可以构造成用以在某些操作步骤期间通过电力电子系统172接收来自电网174的电力并将电力传输到电动发电机108，例如用于使电动发电机108运行以驱动泵110。
线缆176可以是电线或电缆并且用于将电力传输至电动发电机108、电力输出端170、电力电子系统172和电网175以及从电动发电机108、电力输出端170、电力电子系统172和电网175传输电力。电力电子系统172可以构造成用以通过改变电性质例如电压、电流或频率而将电力转换成所需形式的电力。电力电子系统172可以包括变流器或整流器、换流器、变压器、调节器、控制器、开关、电阻、蓄电装置以及其它的电力电子部件和装置。电网174可以是或者可以包括输电网络、电气总线(例如工厂总线)、其它的电路或其组合。电网174通常包括至少一条交流总线、交流电网、交流电路或其组合。
在一些示范性实施例中，当由动力涡轮106驱动电动发电机108时，电动发电机108可以用作发电机，以便发电并且经由线缆176通过电力输出端170和电力电子系统172将电力输送到电网174。在其它的示范性实施例中，当电动发电机108倚靠电力提供动力来驱动泵110时，电动发电机108可以用作电动马达，以经由线缆176通过电力输出端170和电力电子系统172从电网174接收电力。
在一些实施例中，当工作流体包含超临界二氧化碳时，在泵110处的入口压力或吸入压力能够影响热机系统的总效率和最终产生的功率水平。为了最小化或调节泵110的吸入压力，热机系统100可以结合使用质量管理系统(MMS)140，如图2所示。质量管理系统140通过调节在工作流体回路102中的关键位置(例如整个热机系统100中的接入点、入口/出口、阀或管道)处进入和/或离开热机系统100的工作流体量来控制泵110的入口压力。结果，通过最大程度地增加泵110的压力比而使热机系统100变得更加高效。
质量管理系统140包括至少一个容器或箱例如存储容器(譬如工作流体存储容器)、填充容器和/或质量控制箱(譬如质量控制箱142)，所述容器或箱通过一条或多条管道和一个或多个阀(例如管道144a、144b和144c中的一条或多条管道以及阀146a、146b和146c中的一个或多个阀)流体联接到工作流体回路102的低压侧。阀146a、146b和146c在部分打开、完全打开和/或关闭时可运动，以便经由管道144a、144b和144c从工作流体回路102移除工作流体或者将工作流体加入工作流体回路102。
在一种示范性构造中，管道144a可以流体联接到工作流体回路102的高压侧，使得管道144a的一个端部在设于泵110下游和同流换热器114上游的位置处流体联接到工作流体回路102，而管道144a的另一个端部流体联接到质量控制箱142上的入口。阀146a能够可操作地连接至且流体联接至管道144a，并且构造成用以控制工作流体从工作流体回路102的高压侧经过管道144a流至质量控制箱142的流动。管道144b可以流体联接到工作流体回路102的高压侧，使得管道144b的一个端部在设于换热器104下游和动力涡轮106上游的位置处流体联接到工作流体回路102，而管道144b的另一个端部流体联接到质量控制箱142上的入口。阀146b能够可操作地连接至且流体联接至管道144b，并且构造成用以控制工作流体从工作流体回路102的高压侧经过管道144b流至质量控制箱142的流动。管道144c可以流体联接到工作流体回路102的低压侧，使得管道144c的一个端部流体联接到质量控制箱142上的出口，而管道144c的另一个端部在设于冷却器或冷凝器(例如，图1中的单芯冷凝换热器118和/或图2中的气冷式冷凝器136)下游和泵110上游的位置处流体联接到工作流体回路102。阀146c能够可操作地连接至且流体联接至管道144c，并且构造成用以控制工作流体从质量控制箱142经过管道144c流至工作流体回路102的低压侧的流动。
除了阀146a、146b和146c之外，质量管理系统140还可以包括多个连接点。阀146a、146b、146c和/或连接点中的每一个均可以与质量控制箱142流体连通。可以认为阀146a、146b和146c是终结点，在所述终结点处，质量管理系统140操作性地连接到热机系统100。连接点和阀146a、146b、146c可以构造成用以为质量管理系统140提供出口以用于释放过量的工作流体或压力，或者为质量管理系统140提供来自外部源例如流体填充系统的附加/补充的工作流体。
在一些实施例中，质量控制箱142可以构造成作为用于附加/补充的工作流体的局部存储箱，所述局部存储箱可以在需要时加入热机系统100中，以用于调节工作流体回路102中的工作流体的压力和温度或者补充逸出的工作流体。通过控制或操作阀146a、146b和146c，质量管理系统140在需要泵或不需要泵的情况下将工作流体添加到热机系统100中和/或从热机系统100移除工作流体，由此削减系统成本、降低复杂度和减少维护。在2011年10月21日提交的申请号为13/278,705且公开号为US2012-0047892的美国专利申请中可以找到质量管理系统140及其变化范围的示范性实施例，通过以与本申请相一致的方式进行全文引用而将其并入本文。
在本文公开的一个或多个实施例中，如图1至3所示，热机系统90、100和200可以用于从多种热源例如废热源产生机械能和/或电能。热机系统90、100和200的工作流体回路102包括工作流体并且具有高压侧和低压侧。工作流体回路102的至少一部分包括处于超临界状态的工作流体例如超临界二氧化碳。热机系统90、100和200还包括动力涡轮106，所述动力涡轮106布置在工作流体回路102的高压侧和低压侧之间，流体联接到工作流体且与工作流体热连通，并且构造成用以通过工作流体在工作流体回路102的高压侧和低压侧之间流过或流动的压降而将热能转换成机械能。
热机系统90、100和200还包括：电动发电机108，所述电动发电机108联接到动力涡轮106并且构造成用以将机械能转换成电能；联接到动力涡轮106的泵110。泵110可以通过泵110的泵入口流体联接到工作流体回路102的低压侧，所述泵入口构造成用以接收来自工作流体回路102的低压侧的工作流体。而且，泵110可以通过泵110的泵出口流体联接到工作流体回路102的高压侧，所述泵出口构造成用以将工作流体释放到工作流体回路102的高压侧。泵110还可以构造成用以使工作流体在工作流体回路102内循环和/或加压工作流体；因此，泵110可以用于增加或降低工作流体的流速以及工作流体在工作流体回路102中所保持的压力。
热机系统90、100和200还包括换热器104，所述换热器104流体联接到工作流体回路102的高压侧并与高压侧热连通，所述工作流体回路102构造成用以流体联接到热源流例如热源Qin并与之热连通，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90、100和200还包括同流换热器114，所述同流换热器114在工作流体回路102的低压侧串联地流体联接到冷凝器(例如液冷式冷凝器116(图1和图3)或气冷式冷凝器130(图2))。同流换热器114可以在工作流体回路102的高压侧流体联接到泵110下游和换热器104上游的工作流体回路102，在工作流体回路102的低压侧流体连接到动力涡轮106下游和冷凝器116或136上游的工作流体回路102，并且构造成用以将热能从工作流体回路102低压侧的工作流体转移到工作流体回路102高压侧的工作流体。冷凝器116或136可以在工作流体回路102的低压侧流体联接到同流换热器104下游和泵110上游的工作流体回路102，并且构造成用以从工作流体回路102低压侧的工作流体移除热能。
在一个实施例中，如图1所示，液冷式冷凝器116联接到冷却介质回路120和工作流体回路102并与之热连通。冷却介质回路120通常可以包括循环冷却水或另一种液体介质。在另一个实施例中，如图2所示，气冷式冷凝器136通常包括散热片139或散热器，散热片139或散热器可以定位成和/或构造成用以从一个或多个风扇138接收气流。在本文公开的多个示例中，布置在热机系统90、100和200中的工作流体回路102内的工作流体包括CO2(例如sc-CO2)。
对于热机系统90、100和200而言，电动发电机108可以通过轴112联接到动力涡轮106或与动力涡轮106互联，泵110也可以通过轴112或独立轴(未示出)联接到动力涡轮106或与动力涡轮106互联。电动发电机108通常布置在动力涡轮106和泵110之间，并且电动发电机108可以通过独立轴或一根共用轴例如轴112联接到动力涡轮106和泵110或者与动力涡轮106和泵110互联。在一些示例中，泵110、动力涡轮106和电动发电机108通过轴112可旋转地联接在热机系统90、100和200内。
在一些实施例中，如图2所示，热机系统100还包括电力输出端或电力电子系统172，所述电力输出端或电力电子系统172电联接到电动发电机108并且构造成用以将电能从电动发电机108传输到电网174。在其它实施例中，质量管理系统140可以经由质量控制箱142流体连接到工作流体回路102。质量控制箱142构造成用以从工作流体回路102接收工作流体或从工作流体回路102移除工作流体、存储工作流体以及分配工作流体回到工作流体回路102中。在一个示范性构造中，质量控制箱142可以流体联接到工作流体回路102的高压侧并且构造成用以从高压侧接收工作流体。而且，质量控制箱142可以流体联接到工作流体回路102的低压侧并且构造成用以将工作流体分配到低压侧。
热机系统90和100可以包括壳体113，以便至少部分地包围泵110、电动发电机108和动力涡轮106，如图1和图2所示。类似地，图3示出了热机系统200，所述热机系统200包括电动发电机108、动力涡轮106和单芯冷凝换热器118，所述单芯冷凝换热器118布置在支撑结构例如滑轨280上并且被壳体或护罩226部分包围、基本包围或全部包围。
在本文公开的另一个实施例中，热机系统90可以用于发电并包括单芯冷凝换热器118。通常，单芯冷凝换热器118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114的入口和出口为同流换热器114提供了通过单芯冷凝换热器118的流动通道并且提供了与工作流体流动通道的热连通。而且，冷凝器入口和冷凝器出口提供了通过单芯冷凝换热器118的冷凝器流动通道并且提供了与工作流体流动通道的热连通。
热机系统90、100和200还包括泵110，所述泵110具有与工作流体出口流体连通的入口以及与同流换热器114的入口流体连通的出口。动力涡轮106具有与同流换热器114的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。电动发电机108能够可旋转地联接到泵110和动力涡轮106。
在本文公开的另一个实施例中，如图1和图3所示，热机系统90和200可以用于发电并且包括：泵110，所述泵110可旋转地联接到电动发电机108；动力涡轮106，所述动力涡轮106可旋转地联接到电动发电机108；和单芯冷凝换热器118，所述单芯冷凝换热器118具有与动力涡轮106的出口流体连通的工作流体入口以及与泵110的入口流体连通的工作流体出口。
热机系统90和200还包括：同流换热器114的入口，所述入口布置在单芯冷凝换热器118上并且与泵110的出口流体连通；同流换热器114的出口，所述出口布置在单芯冷凝换热器上并且与动力涡轮106的入口流体连通；以及冷凝器入口和冷凝器出口，所述冷凝器入口和冷凝器出口布置在单芯冷凝换热器118上。换热器104(例如废热换热器)可以布置成与同流换热器114的出口和动力涡轮106的入口流体连通。热机系统90和200还包括与冷凝器入口和冷凝器出口流体连通的冷凝器回路例如冷却介质回路120。热机系统90和200具有旁通阀124，所述旁通阀124在动力涡轮106的入口和出口之间提供选择性的流体连通。在一些示例中，单芯冷凝换热器118包括多块平行板或多个翅片。
在本文公开的另一个实施例中，热机系统90和200可以用于实施发电的方法，所述方法包括操作电动发电机108以驱动泵110，使工作流体从工作流体回路102的低压侧循环或输送到工作流体回路102的高压侧，通过在单芯冷凝换热器118中输送工作流体与工作流体回路102低压侧的工作流体热连通而加热工作流体回路102高压侧的工作流体，通过输送工作流体与废热源例如热源Qin热连通而加热工作流体回路102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106以将高压工作流体转换成低压工作流体并产生旋转能量，以使动力涡轮106旋转地联接到电动发电机108。所述方法还包括将工作流体从动力涡轮106排放到单芯冷凝换热器118中，在单芯冷凝换热器118中，首先通过输送工作流体与工作流体回路102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例如冷却介质回路120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124，以便选择性地控制工作流体流至动力涡轮106的流动，例如用于操作动力涡轮106和电动发电机108发电。
在本文公开的另一个实施例中，热机系统100可以用于实施发电的方法，所述方法包括操作电动发电机108以驱动泵110，使工作流体从工作流体回路102的低压侧循环或输送到工作流体回路102的高压侧，通过使工作流体流经热联接到热源Qin的换热器104而将热能从热源Qin(例如废热源或热源流)转移到工作流体回路102的高压侧。所述方法还包括通过使工作流体流经同流换热器114而将热能从工作流体回路102的低压侧转移到高压侧。
所述方法还包括将工作流体引入到动力涡轮106中并且将高压工作流体转换成低压工作流体并产生机械能或旋转能量。通过动力涡轮106形成的机械能或旋转能量可以用于旋转或操作电动发电机108以用于发电，以及用于旋转或操作泵110以用于使工作流体回路102内的工作流体循环并且为其加压。
所述方法还包括通过同流换热器114从动力涡轮106排放工作流体，在所述通流换热器114处，首先通过输送工作流体与工作流体回路102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气冷式冷凝器136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124以选择性地控制工作流体流至动力涡轮106的流动，例如用于操作动力涡轮106和电动发电机108发电。
图4示出了示范性的单芯冷凝换热器300，所述单芯冷凝换热器300包括同流换热器302和冷凝器304。单芯冷凝换热器300可以包括工作流体入口306和工作流体出口316，所述工作流体入口306和工作流体出口316提供了通过单芯冷凝换热器300的工作流体流动通道。同流换热器302可以包括同流换热器入口308和同流换热器出口314，所述同流换热器入口308和所述同流换热器出口314提供了同流换热器流动通道，所述同流换热器流动通道与工作流体流动通道热连通。冷凝器304可以包括冷凝器入口310和冷凝器出口312，所述冷凝器入口310和所述冷凝器出口312提供了与工作流体流动通道热连通的冷凝器流动通道。单芯冷凝换热器300可以根据特定处理要求包括另外的同流换热器和/或冷凝器。在一些实施例中，单芯冷凝换热器300和单芯冷凝换热器118可以具有相同的部件或者可以构造成具有不同的部件。作为用于单芯冷凝换热器118的替代方案，在热机系统90和200中可以使用单芯冷凝换热器300。
单芯冷凝换热器300可以构造成使用各种类型的换热器中的任何一种，其包括但不局限于管壳式换热器、板式换热器、板翅式换热器和螺旋式换热器。图5示出了单芯冷凝换热器400的分解图，其由多块薄金属板构成并包括形成在薄金属板的一侧或两侧上的流动通道。在某些实施例中，板的厚度可以介于大约0.5毫米至大约5.0毫米之间，更确切地介于大约1.0毫米至大约3.5毫米之间，更确切地介于大约1.6毫米至大约2.0毫米之间。可以通过多种工艺(例如机械加工、化学蚀刻、光刻或冲压)以及其它的技术或工艺在板上形成流动通道。
换热器400可以包括一块或多块纵向流动板402，所述纵向流动板402与一块或多块横向流动板404交错。每块纵向流动板402均可以包括形成工作流体流动通道的流动通道以引导从工作流体入口306到工作流体出口316的流动。每块横向流动板404均可以包括同流换热器流动通道406以在同流换热器入口308和同流换热器出口314之间形成同流换热器流动通道。每块横向流动板404还可以包括冷凝器流动通道408以在冷凝器入口310和冷凝器出口312之间形成冷凝器流动通道。
纵向流动板402和横向流动板404布置在相对的盖板410之间并且形成为整体结构(如图5所示)。各板(例如盖板410、纵向流动板402和横向流动板404)可以通过钎焊或焊接处理或者在扩散焊炉中形成一体结构，所述扩散焊炉在致使相邻板中的晶粒结构结合的条件下将板压合在一起。随后，集管和/或喷嘴在入口306、308和310和出口312、314和316处从每个流动通道或流动通道组联接到换热器400。
应当理解的是，本公开描述了若干示范性实施例以用于实施本公开的不同特征、结构或功能。本文描述了部件、布置和构造的示范性实施例以简化本公开；然而，这些示范性实施例仅作为示例而非旨在限制本发明的范围。另外，本公开在本文提供的各个示范性实施例和附图中可能有重复的附图标记和/或字符。这种重复是为了简化和清楚且其自身并不表示各个示范性实施例和/或在各个附图中讨论的构造之间的关系。而且，在本公开的第二特征上面或上方形成第一特征可以包括这样的实施例，在所述实施例中，第一和第二特征形成为直接接触，也可以包括这样的实施例，在所述实施例中可以在第一和第二特征之间插置地形成其它特征，使得第一和第二特征不直接接触。最后，可以以任何方式组合在本文中公开的示范性实施例，例如，在不背离本公开的范围的前提下一个示范性实施例的任何元件可以应用在任何其它示范性实施例中。
另外，在撰写的说明书和权利要求中使用的特定术语指的是特定部件。正如本领域技术人员所理解的那样，不同的实体可以通过不同的名称指代相同的部件，因此，对于本文描述的元件的命名约定并不旨在限制本公开的范围，除非在本文中另有特殊说明。此外，在此使用的命名约定并不旨在名称不同而非功能不同的部件之间加以区分。此外，在撰写的说明书和权利要求书中，以开放式的方式使用术语“具有”、“包含”、“包括”，并且因此应当涵盖“包括但不限于”的意义。本公开中的全部数值均可以是精确值或近似值，除非明确说明。因此，本公开的各个实施例均可以在不背离预期范围的前提下偏离本文中公开的数量、数值和范围。此外，当在权利要求书或说明书中使用时，术语“或”旨在涵盖排除和包括的情况，即，“A”或“B”旨在与“A和B中的至少一个”同义，除非在本文中另有明确说明。
以上概述了若干实施例的特征，以使本领域技术人员可以更好地理解本公开。本领域技术人员应当理解，他们可以容易地使用本公开作为设计或修改其它处理和结构的基础，以用于实施与本文中引入的实施例相同的目的和/或实现相同的优点。本领域技术人员还应当认识到，这样的等价构造并未背离本公开的精神和范围，并且本领域技术人员在不背离本公开的精神和范围的前提下可以实施各种变形方案、替代方案和变更方案。

Claims (20)

1.一种用于发电的热机系统，包括：
工作流体回路，所述工作流体回路包括工作流体并且具有高压侧和低压侧，其中，工作流体包括二氧化碳并且所述工作流体回路的至少一部分包含处于超临界状态的工作流体；
动力涡轮，所述动力涡轮布置在所述工作流体回路的高压侧和低压侧之间，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所述工作流体回路的高压侧和低压侧之间流动的工作流体中的压降而将热能转换成机械能；
电动发电机，所述电动发电机联接到所述动力涡轮并且构造成用以将机械能转换成电能；
联接到所述动力涡轮的泵，所述泵通过泵入口流体联接到所述工作流体回路的低压侧，所述泵入口构造成用以接收来自所述工作流体回路的低压侧的工作流体，所述泵通过泵出口流体联接到所述工作流体回路的高压侧，所述泵出口构造成用以将工作流体释放到所述工作流体回路的高压侧，并且所述泵构造成用以使工作流体在所述工作流体回路中循环以及对工作流体加压；
换热器，所述换热器流体联接到所述工作流体回路的高压侧并与高压侧热连通，构造成用以流体联接到热源流并与所述热源流热连通，并且构造成用以将热能从所述热源流转移到工作流体；和
同流换热器，所述同流换热器在所述工作流体回路的低压侧串联地流体联接到冷凝器，其中：
所述同流换热器在所述工作流体回路的高压侧并且在所述泵的下游和所述换热器的上游流体联接到所述工作流体回路，在所述工作流体回路的低压侧并且在所述动力涡轮的下游和所述冷凝器的上游流体联接到所述工作流体回路，并且构造成用以将热能从所述工作流体回路的低压侧的工作流体转移到所述工作流体回路的高压侧的工作流体；并且
所述冷凝器在所述工作流体回路的低压侧并且在所述同流换热器的下游和所述泵的上游流体联接到所述工作流体回路，并且构造成用以从所述工作流体回路的低压侧的工作流体中移除热能。
2.根据权利要求1所述的热机系统，其中，所述冷凝器是气冷式冷凝器。
3.根据权利要求2所述的热机系统，其中，所述气冷式冷凝器包括散热片或散热器，所述散热片或散热器构造成用以从一个或多个风扇接收气流。
4.根据权利要求1所述的热机系统，其中，所述冷凝器是液冷式冷凝器。
5.根据权利要求1所述的热机系统，还包括：轴，所述轴联接到所述动力涡轮、所述电动发电机和所述泵，其中，所述电动发电机沿着所述轴布置在所述动力涡轮和所述泵之间。
6.根据权利要求1所述的热机系统，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所述电动发电机并且构造成用以将电能从所述电动发电机转移到电网。
7.根据权利要求1所述的热机系统，还包括过程控制系统，所述过程控制系统操作性地连接到所述热机系统，其中，所述过程控制系统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。
8.根据权利要求1所述的热机系统，还包括质量管理系统，所述质量管理系统流体联接到所述工作流体回路，其中，所述质量管理系统包括质量控制箱，所述质量控制箱构造成用以接收、存储和分配工作流体。
9.根据权利要求8所述的热机系统，其中，所述质量控制箱构造成用以从所述高压侧接收工作流体并且构造成用以将工作流体分配到所述低压侧。
10.根据权利要求1所述的热机系统，还包括壳体和泄漏回收系统，其中，所述壳体至少部分地包围所述泵和所述动力涡轮，所述泄漏回收系统构造成用以在所述同流换热器的上游和所述动力涡轮的出口的下游的位置处将从所述壳体捕获的气体或流体通过压缩机转移到所述工作流体回路中。
11.一种热机系统，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所述同流换热器出口提供了通过所述单芯冷凝换热器并且与所述工作流体流动通道热连通的同流换热器流动通道；
冷凝器入口和冷凝器出口，所述冷凝器入口和所述冷凝器出口提供了通过所述单芯冷凝换热器并且与所述工作流体流动通道热连通的冷凝器流动通道；
泵，所述泵具有与所述工作流体出口流体连通的入口以及与所述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所述同流换热器出口流体连通的入口以及与所述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所述泵和所述动力涡轮。
12.根据权利要求11所述的热机系统，还包括废热换热器，所述废热换热器布置成与所述同流换热器出口和所述动力涡轮入口流体连通。
13.根据权利要求11所述的热机系统，还包括旁通阀，所述旁通阀在所述动力涡轮入口和所述动力涡轮出口之间提供选择性的流体连通。
14.根据权利要求11所述的热机系统，其中，所述单芯冷凝换热器包括多块平行板。
15.根据权利要求11所述的热机系统，其中，所述单芯冷凝换热器包括同流换热器，所述同流换热器具有所述同流换热器入口和所述同流换热器出口。
16.根据权利要求11所述的热机系统，其中，所述单芯冷凝换热器包括冷凝器，所述冷凝器具有所述冷凝器入口和所述冷凝器出口。
17.一种用于发电的方法，包括：
操作电动发电机以驱动泵，用于将工作流体从工作流体回路的低压侧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；
通过输送工作流体以与热源流热连通而加热工作流体回路的高压侧的工作流体；
将工作流体引入动力涡轮，同时将高压工作流体转换成低压工作流体并产生旋转能量，其中，所述动力涡轮旋转地联接到所述电动发电机；和
将工作流体从所述动力涡轮排放到所述单芯冷凝换热器中，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。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括操作旁通阀以选择性地控制工作流体向所述动力涡轮的流动。
19.根据权利要求17所述的方法，还包括操作所述电动发电机以发电。
20.根据权利要求17所述的方法，其中，所述热源流源于废热源，废热换热器流体联接到所述热源流并与所述热源流热连通。
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