CN105164411B - 冷却otec工作流体泵马达的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
描述了在OTEC系统中的冷却系统和方法,其中来自工作流体泵出口的过冷的工作液体用于通过与辅助流体的热交换来直接或间接地冷却工作流体泵马达。在工作流体流入蒸发器以前来自马达的热量被抵制进入工作流体,这有助于降低在蒸发器中的热负荷,其意味着蒸发器更可能来产生能量。而且,因为两相蒸发器,例如在OTEC系统中的那些,比单相加热处的单相热交换器效率更低,工作流体的此预热将充分有助于蒸发器性能。
Description
技术领域
本公开涉及海洋热能转换(OTEC)系统,以及涉及冷却在OTCE系统中所使用的工作流体泵马达。
背景技术
在常规的OTEC系统中,许多部件位于水位线下面。一种此类部件是工作流体冷凝器热交换器。由于所需的净正吸入压头,工作流体泵必须位于冷凝器下面,并且因此工作流体泵也必须位于水位线下面。
商业现货(COTS)工作流体泵对于浸没在水中是不可用的。因此,工作流体泵必须位于压力容器内以将泵从海洋环境和压差隔离开。这使热耗散复杂化。来自马达的热量必须被耗散以保持主要的工作部件,例如马达绕组、密封、轴承、润滑剂和冷却。
马达的低效率(额定地5%)将直接以热的方式转化为机械功。这些热量必须按它产生的速率被抽出。此外,马达温度不能超过一定温度,通常40摄氏度。一种解决方案是用海水环绕压力容器作为散热器。令人遗憾地是,压力容器不会提供足够的表面积以依靠在压力容器内侧上的空气对流和在压力容器外侧上的自然海水的对流。即使当迫使水在容器周围流动以产生强制对流,同时循环空气以产生压力容器内侧上的强制对流时,也不会足够快地耗散足够的热量使得充分冷却马达。
另一个选项是使用海水,其被泵送通过位于压力容器内侧或位于压力容器外侧的热交换器,以便于冷却马达。令人遗憾地是,此选项需要海水入口和海水出口(在内部热交换器的情况下),或者至热交换器(在外部热交换器的情况下)的额外的工作流体入口和工作流体出口,海水过滤器(故障点),额外的泵(故障点),额外的密封(故障点),并且直接使用海水,其高度腐蚀(增加了故障的可能性)。
发明内容
描述了在OTEC系统中的冷却系统和方法,其中来自工作流体泵出口的过冷工作液体用于直接或间接通过与辅助流体的热交换来冷却工作流体泵马达。
在一种实施例中,直接冷却能够包括使工作流体通过马达的护套,用于直接的强制对流冷却,如图3所示。在一种实施例中,间接冷却能够包括工作流体到空气的热交换或者工作流体到辅助流体(例如淡水)的热交换器。使用空气,热交换器将交换在压力容器中的空气与工作流体之间的热量。使用辅助液体,热交换器将交换通过马达水护套的辅助液体与工作流体之间的热量,如图2中所示。
用于冷却的工作流体将从工作流体泵出口的高压侧,经过热交换器或直接被带到马达,以及然后再引入到泵出口以继续至具有一定量的解除过冷却的蒸发器,或者工作流体在至泵入口前能被引入返回到冷却环路。解除过冷却的选项将允许一定量的过冷却被带出工作流体,由此减少否则会来自蒸发器的热量。而且,因为蒸发器设计成两相热交换器,具有更少过冷却的工作流体更有效地蒸发。因此,否则会浪费在系统的两侧上的热量返回到系统中用于产生净效益。
在一种实施例中,提供了一种泵系统,其包括压力容器,该压力容器限定了包含空气或惰性气体(例如,氮气)的内部空间、进入内部空间的流体入口和从内部空间的流体出口。泵设置在内部空间内,其中该泵具有流体连接到压力容器的流体入口的入口和流体连接到压力容器的流体出口的出口。此外,马达设置在内部空间中,并且连接到泵用于驱动该泵。马达冷却流路径设置在内部空间中,并且与马达处于热交换关系。马达冷却流路径包括流体连接到泵出口以接收来自泵出口的流体的入口部分和流体连接到泵出口或者泵入口的出口部分。
在另一种实施例中,提供了一种海洋热能转换系统,其包括工作流体回路,其包括冷凝器,蒸发器,工作流体泵和使冷凝器,蒸发器和工作流体泵互连的闭环管道。两相工作流体在工作流体回路中。工作流体泵,蒸发器和冷凝器设置在水体表面的下方,并且工作流体泵设置在压力容器中,该压力容器限定包含空气或惰性气体(例如氮气)的内部空间、进入内部空间且流体连接到闭环管道的流体入口以及从内部空间且流体连接到闭环管道的流体出口。泵具有流体连接到压力容器的流体入口的入口和流体连接到压力容器的流体出口的出口。马达设置在内部空间中,并且连接至泵用于驱动该泵。此外,马达冷却流路径设置在内部空间中,并且与马达处于热交换关系。马达冷却流路径包括流体连接至泵出口以接收来自泵出口的工作流体的入口部分和流体连接至泵出口或者泵入口的出口部分。
在另一种实施例中,在海洋热能转换系统中,提供冷却泵马达的方法,该泵马达驱动泵,其中泵和泵马达设置在压力容器的内部空间中,压力容器设置在水体表面下方,并且该泵泵送两相工作流体。在本方法中,在压力容器的内部空间中,来自泵的出口的工作流体被引导来与泵马达进行热交换,并且在与泵马达热交换后,工作流体被引导返回至泵出口或进入泵的入口中。
附图说明
图1图示了OTEC系统,其能采用此文中所描述的泵马达冷却系统。
图2图示了间接的泵马达冷却系统的示例。
图3图示了直接的泵马达冷却系统的示例。
具体实施方式
描述了在OTEC系统中的冷却系统和方法,其中来自工作流体泵出口的过冷的工作流体用于或直接地或间接地通过与辅助流体的热交换来冷却工作流体泵马达。
图1是OTEC发电系统100的布局的示意图。OTEC系统的整体构造和运行对本领域普通技术人员而言是众所周知的。OTEC系统100能够部署在任何合适的水体中,例如海洋、海、盐水湖或淡水湖等。
在此实施例中,系统100包括近海平台102、涡轮发电机104、工作流体回路,该工作流体回路包括蒸发器110-1、冷凝器110-2、工作流体泵114和使冷凝器、蒸发器和工作流体泵流体互连的闭环工作流体管道106,并且其还延伸穿过涡轮发电机104。两相的工作流体108,例如但是不限于氨,包含在工作流体回路中。系统100还包括海水泵116和124,以及流体管道120、122、128和130。
如图1中所示,工作流体泵114、蒸发器110-1和冷凝器110-2设置在水体的表面112下方,其中水体能够是海洋、海、淡水湖及类似的。
蒸发器110-1能够具有常规构造,并且包括热交换器,该热交换器配置成将来自于表面区域处热海水的热量传送到工作流体108中,由此引起工作流体蒸发。冷凝器110-2也能够具有常规构造,并且包括热交换器,该热交换器配置成将来自蒸发的工作流体108中的热量传送到来自深海区域的冷海水,由此引起蒸发的工作流体108冷凝回到液体形式。
参照图2,工作流体泵114设置在压力容器10中,其限定包含空气或惰性气体(例如氮气)的内部空间12。容器10包括进入内部空间12的工作流体入口14,且带有在容器内侧的流体管道16,其流体连接闭环管道106和泵的入口。入口14和流体管道16引导低压工作流体从冷凝器110-2进入容器10和泵入口中。另外,容器10包括从内部空间的工作流体出口18,且带有在容器内侧的流体管道20,其流体连接至闭环管道106和泵的出口。出口18和流体管道20引导高压工作流体从泵进入闭环管道106中,它在闭环管道106中流向蒸发器110-1。
工作流体泵马达22设置在内部空间12中,并且连接到泵114用于驱动泵。在图2中示出的实施例中,马达冷却流路径24设置在内部空间12中,并且与马达22处于间接热交换关系。马达冷却流路径24包括经由流体管道20流体连接泵出口以接收来自泵出口的工作流体的入口部分26和经由流体管道20流体连接至泵出口的出口部分28。马达冷却流路径24延伸穿过热交换器30,其带有引导工作流体至热交换器30的入口部分26和引导来自热交换器30的工作流体的出口部分28。
在此示例中,热交换器30是设置在压力容器10中的液体冷却回路32的一部分。冷却回路32包括在热交换器30和马达22的内部之间的闭环冷却液体流路径34,其包含冷却液体,例如净水。在流路径34中的液体吸取来自需要冷却的马达部件的热量。然后加热的液体被引导至热交换器30中,在此处液体与流路径24中的工作流体进行热交换。然后冷却的液体返回至马达22中以继续循环。
经由出口部分28返回的工作流体在热交换器30中被加热。因为正好在蒸发器110-1之前,热量被抵制进入工作液体,在蒸发器中的热负荷被降低,其意味着蒸发器更可能产生能量。而且,因为两相的蒸发器,例如在OTEC系统中的那些,比单相加热处的单相的HX效率低,在蒸发器之前对工作流体的预热将充分有助于蒸发器性能。
如图2中的虚线28′所示的,出口部分28能够通过管道16使工作流体返回至泵114的入口,而不是出口部分28使工作流体返回至泵出口。
此外,虽然图2中工作流体被描述和阐述成在具有液体冷却回路32的热交换器中进行热交换,但是其它的冷却选项也是可能的,例如,能够省去液体冷却回路32,以及流过热交换器30的工作流体能够与容器的内部空间12中的空气或惰性气体进行热交换。来自马达22的热量能通过与容器中的空气或惰性气体的强制循环/对流来耗散。然后通过热交换器30冷却加热的空气/惰性气体。
图3示出了一个实施例,其包括马达冷却流路径40,其设置在内部空间12中,并且与马达22处于直接热交换关系。马达冷却流路径40包括经由流体管道20流体连接至泵出口以接收来自泵出口的工作流体的入口部分42和经由流体管道20流体连接至泵出口的出口部分44。在此实施例中,入口部分42引导工作流体直接至马达中,在此处工作流体用于直接冷却马达部件。出口部分44使工作流体返回至泵出口,在此处工作流体继续至蒸发器。
如图3中虚线44′所示的,出口部分能够使工作流体管道16返回到泵114的入口,而不是出口部分44使工作流体返回到泵出口。
在本申请中所公开的示例在所有方面被视为说明性的而不是限制性的。本发明的范围通过随附的权利要求来指定,而不是通过先前的描述;并且落入权利要求的等同意义和范围内的所有改变均旨在包含于其中。
Claims (11)
1.一种提高两相蒸发器性能的方法,所述两相蒸发器使由泵马达驱动的泵泵送至所述两相蒸发器的两相工作流体蒸发,所述方法包括:
引导来自所述泵的出口的两相工作流体的一部分穿过热交换器以与设置在压力容器中的液体冷却回路进行热交换,且使所述两相工作流体与所述泵马达处于直接热交换关系,所述泵和所述泵马达设置在所述压力容器的内部空间中,所述压力容器设置在水体表面下方;以及
在与所述泵马达的热交换之后,在所述两相工作流体流到所述两相蒸发器之前,引导所述两相工作流体的所述部分返回至所述泵的所述出口或者至所述泵的泵入口中,使得到达所述两相蒸发器的所述两相工作流体的温度升高。
2.如权利要求1所述的方法,其中所述蒸发器是海洋热能转换系统的一部分。
3.如权利要求2所述的方法,其中所述两相工作流体是氨。
4.如权利要求2所述的方法,其包括
在与所述马达的热交换后,引导所述两相工作流体返回至所述泵出口中。
5.一种泵系统,其包括:
压力容器,其限定包含空气或惰性气体的内部空间、进入所述内部空间的流体入口和从所述内部空间的流体出口;
泵,其设置在所述内部空间中,所述泵具有流体连接到所述压力容器的所述流体入口的泵入口和流体连接到所述压力容器的所述流体出口的泵出口;
马达,其设置在所述内部空间中,并且连接到所述泵用于驱动所述泵;以及
马达冷却流路径,其设置在所述内部空间中并且与所述马达处于间接热交换关系,所述马达冷却流路径包括流体连接到所述泵出口以接收来自所述泵出口的流体的入口部分和流体连接到所述泵出口或者所述泵入口的出口部分。
6.如权利要求5所述的泵系统,其中所述压力容器设置在水体表面下方,并且所述泵配置来泵送两相流体。
7.如权利要求6所述的泵系统,其中所述两相流体是氨。
8.如权利要求5所述的泵系统,其还包括设置在所述压力容器中的液体冷却回路,所述液体冷却回路包括热交换器,其与所述马达冷却流路径处于热交换关系。
9.如权利要求5所述的泵系统,其还包括在所述压力容器中的热交换器,其与在所述压力容器内部的空气或惰性气体处于热交换关系,并且来自所述马达的热量耗散进入空气或惰性气体中。
10.一种海洋热能转换系统,其包括:
工作流体回路,其包括:
压力容器,其限定包含空气或惰性气体的内部空间、进入所述内部空间的流体入口和从所述内部空间的流体出口;
泵,其设置在所述内部空间中,所述泵具有流体连接到所述压力容器的所述流体入口的泵入口和流体连接到所述压力容器的所述流体出口的泵出口;
马达,其设置在所述内部空间中,并且连接到所述泵用于驱动所述泵;以及
马达冷却流路径,其设置在所述内部空间中并且与所述马达处于间接热交换关系,所述马达冷却流路径包括流体连接到所述泵出口以接收来自所述泵出口的流体的入口部分和流体连接到所述泵出口或者所述泵入口的出口部分;
冷凝器;
蒸发器;和
使所述冷凝器、所述蒸发器和所述泵互连的闭环管道;
在所述工作流体回路中的两相工作流体;
所述泵、所述蒸发器和所述冷凝器设置在水体表面下方;以及
所述流体入口通过所述闭环管道流体连接到所述冷凝器,并且所述流体出口通过所述闭环管道直接流体连接到所述蒸发器。
11.如权利要求10所述的海洋热能转换系统,其中所述蒸发器是两相蒸发器。
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