CN105264200A - 废热回收的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种构造成将废热转换成机械能和/或电能的新颖兰金循环系统。由本发明提供的系统包括常规的兰金循环系统的构件的新颖构造；管道、导管、加热器、膨胀器、换热器、冷凝器和泵，以提供从废热源的更有效的能量回收。一方面，兰金循环系统构造成使得三个不同的冷凝工作流体流用在废热回收循环中的各种阶段处。第一冷凝工作流体流(24)由膨胀的第一汽化工作流体流(22)汽化，第二冷凝工作流体流(28)吸收来自膨胀的第二汽化工作流体流(26)的热，且第三冷凝工作流体流(27)直接从含有废热的流(17)除去热。兰金循环系统适于使用超临界二氧化碳作为工作流体。

Description

废热回收的系统和方法
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)第一加热器，其构造成使热从第一含有废热的流传递至第一工作流体流以产生第一汽化工作流体流和第二含有废热的流；(b)第一膨胀器，其构造成接收第一汽化工作流体流以由此产生机械能和膨胀的第一汽化工作流体流；(c)第一换热器，其构造成使热从膨胀的第一汽化工作流体流传递至第一冷凝工作流体流以由此产生第二汽化工作流体流；(d)第二膨胀器，其构造成接收第二汽化工作流体流以由此产生机械能和膨胀的第二汽化工作流体流；(e)第二换热器，其构造成使热从膨胀的第二汽化工作流体流传递至第二冷凝工作流体流，以由此产生具有大于第二冷凝工作流体流的焓的工作流体的第一流；(f)第二加热器，其构造成使来自含有废热的流的热传递至第三冷凝工作流体流以产生具有大于第三冷凝工作流体流的焓的工作流体的第二流；以及(g)工作流体流组合器，其构造成将具有大于第二冷凝工作流体流的焓的工作流体的第一流与具有大于第三冷凝工作流体流的焓的工作流体的第二流组合来产生第一工作流体流。
在备选实施例中，本发明提供了一种兰金循环系统，包括：(a)第一加热器，其构造成使热从第一含有废热的流传递至第一工作流体流以产生第一汽化工作流体流和第二含有废热的流；(b)第一膨胀器，其构造成接收第一汽化工作流体流以由此产生机械能和膨胀的第一汽化工作流体流；(c)第一换热器，其构造成使热从膨胀的第一汽化工作流体流传递至第一冷凝工作流体流以由此产生第二汽化工作流体流和第一热耗尽的工作流体流；(d)第二膨胀器，其构造成接收第二汽化工作流体流以由此产生机械能和膨胀的第二汽化工作流体流；(e)第二换热器，其构造成使热从膨胀的第二汽化工作流体流传递至第二冷凝工作流体流，以由此产生具有大于第二冷凝工作流体流的焓的工作流体的第一流以及第二热耗尽的工作流体流；(f)第一工作流体流组合器，其构造成使第一热耗尽的工作流体流与第二热耗尽的工作流体流组合来由此产生合并的热耗尽的工作流体流；(g)冷凝器，其构造成接收合并的热耗尽的工作流体流且由此产生第一合并的冷凝工作流体流；(h)工作流体泵，其构造成加压第一合并的冷凝工作流体流且由此产生第二合并的冷凝工作流体流；(i)至少一个工作流体流分流器，其构造成将第二合并的冷凝工作流体流分成至少三个冷凝工作流体流；(j)第二加热器，其构造成将来自含有废热的流的热传递至第三冷凝工作流体流来由此产生具有大于第三冷凝工作流体流的焓的工作流体的第二流；以及(k)第二工作流体流组合器，其构造成将具有大于第二冷凝工作流体流的焓的工作流体的第一流与具有大于第三冷凝工作流体流的焓的工作流体的第二流组合来由此产生第一工作流体流。
在另一个实施例中，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)使热从第一含有废热的流传递至第一工作流体流以由此产生第一汽化工作流体流和第二含有废热的流；(b)使第一汽化工作流体流膨胀以由此产生机械能和膨胀的第一汽化工作流体流；(c)使热从膨胀的第一汽化工作流体流传递至第一冷凝工作流体流以由此产生第二汽化工作流体流和第一热耗尽的工作流体流；(d)使第二汽化工作流体流膨胀以由此产生机械能和膨胀的第二汽化工作流体流；(e)使热从膨胀的第二汽化工作流体传递至第二冷凝工作流体流，以由此产生具有大于第二冷凝工作流体的焓的工作流体的第一流以及第二热耗尽的工作流体流；(f)使来自含有废热的流的热传递至第三冷凝工作流体流以由此产生具有大于第三冷凝工作流体流的焓的工作流体的第二流；以及(g)将具有大于第二冷凝工作流体流的焓的工作流体的第一流与具有大于第三冷凝工作流体流的焓的工作流体的第二流组合来由此产生第一工作流体流。
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；以及
图7表示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。
"可选"或"可选地"意思是随后描述的事件或情形可发生或可不发生，且该描述包括事件发生的情形和其不发生的情形。
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，包括两个或更多个发电机的兰金循环系统，或包括发电机和交流发电机的兰金循环系统。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潜能转换成机械能，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第一汽化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US2011-0120129 A1中公开的管道，该专利申请通过引用以其整体并入本文中。工作流体可借助于管系与含有废热的流热接触，该管系布置在管道内且提供管路，工作流体行进穿过管路而不与含有废热的流直接接触。流动的工作流体在第一工作流体温度下进入管道内的管系，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18)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已经图6中所示的标号的系统构件38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36合适，但作为如本文限定的"加热器"不合适，尽管该换热器36构造成将热从含有废热的流19(图5和图6)和膨胀的第一汽化工作流体流22传递至第一冷凝工作流体流24。
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。
尽管兰金循环系统基本上为闭环，其中工作流体不同地加热、膨胀、冷凝和加压；但有用的是认为工作流体由各种工作流体流构成，作为确定兰金循环系统的总体构造的手段。因此，第一工作流体流进入加热器，在该处，其从废热源获得废热，且从第一工作流体流转变成第一汽化工作流体流。
短语"汽化工作流体"在应用于高度挥发性工作流体(诸如在518 kPa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"在应用于工作流体时不必包含处于液态的工作流体。在工作流体(诸如二氧化碳)的情况下，冷凝的工作流体简单地表示已经穿过冷凝器单元的工作流体流，这里有时称为工作流体冷凝器。因此，用语"冷凝的工作流体"在一些实施例中可实际上指的是处于气态或超临界状态的工作流体。可根据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穿过膨胀器的通路的情况。如本领域的普通技术人员将认识到的那样，包含在汽化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。齿轮箱可用于使膨胀装置与发电机/交流发电机连接。另外，变压器和逆变器可用于调节由发电机/交流发电机产生的电流。
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。
参看图1，该图表示由本发明提供的兰金循环系统10的关键构件，该系统的突出特征在于存在三个不同的冷凝工作流体流；第一冷凝工作流体流24；第二冷凝工作流体28和第三冷凝工作流体流27。在所示实施例中，第一工作流体流20被引入第一加热器32，在该处，其与第一含有废热的流16热接触。第一工作流体流20从较热的第一含有废热的流16获得热，且通过其穿过加热器转变成第一汽化工作流体流21，该流21然后出现在第一膨胀器34。第一含有废热的流16类似地转变成较低能量的第二含有废热的流17，其引导至第二加热器33，第二加热器33构造成使第二含有废热的流17与第三冷凝工作流体流27热接触。第一汽化工作流体流21中包含的能量的至少一部分在膨胀器中转换成机械能。流出第一膨胀器的膨胀的第一汽化工作流体流22然后引入第一换热器36，在该处，来自膨胀的第一汽化工作流体流22的余热传递至兰金循环系统10中的其他地方产生的第一冷凝工作流体流24。膨胀的第一汽化工作流体流22在换热器36中转变成第一热耗尽的工作流体流57。
仍参看图1，从工作流体流22获取热的第一冷凝工作流体流24在换热器36中转变成第二汽化工作流体流25。在一个或更多个实施例中，第二汽化工作流体流25的特征在于相比第一汽化工作流体流21较低的温度。第二汽化工作流体流25然后出现在第二膨胀器35以产生机械能，且由于其穿过第二膨胀器35的通道而转变成膨胀的第二汽化工作流体流26。第二换热器37构造成接收膨胀的第二汽化工作流体流26，在该处，工作流体流26中含有的余热传递至兰金循环系统中的其他地方产生的第二冷凝工作流体流28。第二冷凝工作流体流28转变成具有大于第二冷凝工作流体流28的焓的工作流体流29。膨胀的第二汽化工作流体流26在第二换热器37中转变成第二热耗尽的工作流体流56。在本发明的一个或更多个实施例中，第一冷凝工作流体流24和第二冷凝工作流体流28从兰金循环系统内产生的共同冷凝工作流体流产生。
仍参看图1，第二含有废热的流17引导至第二加热器33，在该处，其将热让给第三冷凝工作流体流27。当第三冷凝工作流体流27从含有废热的流17获得热时，其转变成特征为焓大于第三冷凝工作流体流27的工作流体流31。类似地，已将至少一些自身的热传递至第三冷凝工作流体流27的第二含有废热的流17在第二加热器33中转变成热排尽的第二含有废热的流18。本文中有时工作流体流29和31分别称为："具有大于第二冷凝工作流体流的焓的工作流体的第一流"和"具有大于第三冷凝工作流体流的焓的工作流体的第二流"。
仍参看图1，工作流体流31在工作流体流组合器49处与工作流体流29组合，以产生出现在第一加热器32的第一工作流体流20，由此完成废热回收循环，且设置附加循环的级。
参看图2，该图表示由本发明提供的且如图1中构造的兰金循环系统10，但增加了发电机42，其构造成利用由膨胀器34和35中的一者或两者产生的机械能。
参看图3，该图表示由本发明提供的且如图1和图2构造的兰金循环系统10，但增加了发电机42，其经由公共传动轴46机械地联接到膨胀器34和35两者。
参看图4，该图表示由本发明提供的且如图1中构造的兰金循环系统10，且还示出了热耗尽的流57和56合并成合并的热耗尽的流58，其被转变成第一、第二和第三冷凝工作流体流24、28和27。因此，热耗尽的流57和56在第一工作流体流组合器49处组合以提供合并的工作流体流58，其通过冷凝器/冷却器60的作用转变成第一合并的冷凝工作流体流61，工作流体流61通过工作流体泵62加压以提供第二合并的冷凝工作流体流64。工作流体流64然后出现在工作流体流分流器48，其将流64转换成第一冷凝工作流体流24、第二冷凝工作流体流28、和第三冷凝工作流体流27。
参看图5，该图表示由本发明提供的兰金循环系统10。该系统包括与图3和图4中所示的实施例一样的构件，但还包括导管加热器44，其可用于将第二含有废热的流17转变成热增强的第二含有废热的流19。在所示实施例中，含有废热的流19从导管加热器44引导至第一换热器36，在该处，包含在含有废热的流19中的热的至少一部分传递至第一冷凝工作流体流24，以便产生第二汽化的工作流体流25。附加的热由膨胀的第一汽化工作流体流22提供。导管加热器44的存在提供了使用兰金循环系统的附加灵活性。例如，导管加热器允许流的温度升高，直到其等于其在加热器下游汇合的第二流的温度。以此方式调节流温度使具有不同温度的两股或更多股流的结合引起的能量损失极小化。
仍参看图5，该图示出了第一工作流体流20与第一加热器32中的第一排出气流16热接触来产生第一汽化工作流体流21和第二排出气流17。第一汽化工作流体流21在第一膨胀器34中膨胀，第一膨胀器34由公共传动轴46连结到第二膨胀器35和发电机42两者上。膨胀的工作流体流22和热增强的第二含有废热的流19引入第一换热器36中，在该处，热传递至第一冷凝工作流体流24来产生第二汽化的工作流体流25、热耗尽的第二含有废热的流18，以及热耗尽的工作流体流57，本文中有时称为"第一热耗尽的工作流体流57"。在所示实施例中，第一冷凝工作流体24、第二冷凝工作流体流28和第三冷凝工作流体流27由如下的冷凝工作流体流64产生。冷凝工作流体流64出现在单个工作流体流分流器48，其将冷凝的工作流体流64分流成三个单独的冷凝工作流体流(24,28和27)。在备选实施例(未示出)中，流64出现在第一工作流体流分流器，其将工作流体流64转变成第一冷凝工作流体流24和中间冷凝工作流体流。中间冷凝工作流体流然后出现在第二工作流体流分流器48，其中中间冷凝工作流体流分流成第二冷凝工作流体流28和第三冷凝工作流体流27。冷凝工作流体流27引入第二加热器33，在该处，其从热耗尽的第二含有废热的流18获得热，且转变成较高焓的工作流体流31。热耗尽的流18通过其穿过加热器33的通道进一步冷却，且流出加热器为另一热耗尽的流18a。工作流体流29和31在第二工作流体流组合器49处组合来提供第一工作流体流20。
仍参看图5，膨胀的第二汽化工作流体流26被引入第二换热器37，在该处，其将热传递至第二冷凝工作流体流28，其自身从工作流体流分流器48处的合并的冷凝工作流体流64产生。流出第二换热器37的工作流体流29通过其在第二工作流体流组合器49处与工作流体流31组合来主动地转变。如本文使用的用语"主动转变"是指已经经历一个步骤的含有废热的流或工作流体流，在该步骤中，含有废热的流或工作流体流分成两个或更多个流，与一个或更多个流组合，受热、汽化、膨胀、冷凝、加压、冷却或经历两个或更多个前述转变操作的一些组合。使热传递至第二冷凝工作流体流28，工作流体流26从第二换热器37显现作为第二热耗尽的工作流体流56。
参看图6，该图表示由如图5中构造的本发明提供的兰金循环系统，但还包括第三换热器38，其用于获得存在于第一热耗尽的工作流体流57中的余热。在所示实施例中，热耗尽的流57出现在阀80，阀80可被促动以允许全部的工作流体流57、工作流体流57的一部分穿过第三换热器38，或没有工作流体流57穿过第三换热器38。第二阀82可被促动以允许仅另外的热耗尽的工作流体流57a穿过，允许流57和57a的组合穿过，或仅允许流57穿过。为了方便起见，在阀82的下游但在工作流体流组合器49的上游的工作流体称为流57/57a。
各种系统构件是本领域的普通技术人员公知的，例如：工作流体流分流器、工作流体流组合器、工作流体泵和工作流体冷凝器，且是市售的。
除了提供兰金循环系统之外，本发明提供了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由图1-图6示出。因此，在一个实施例中，该方法包括(a)使热从第一含有废热的流16传递至第一工作流体流20以由此产生第一汽化工作流体流21和第二含有废热的流17；(b)使第一汽化工作流体流膨胀以由此产生机械能和膨胀的第一汽化工作流体流22；(c)使热从膨胀的第一汽化工作流体流22传递至第一冷凝工作流体流24以由此产生第二汽化的工作流体流25和第一热耗尽的工作流体流57；(d)使第二汽化工作流体流25膨胀以由此产生机械能和膨胀的第二汽化工作流体流26；(e)使热从膨胀的第二汽化工作流体流26传递至第二冷凝工作流体流28，以由此产生具有大于第二冷凝工作流体流28的焓的工作流体流29和第二热耗尽的工作流体流56；(f)将来自含有废热的流(例如，16,17,18或19)的热传递至第三冷凝工作流体流27，以由此产生具有大于第三冷凝工作流体流27的焓的第二工作流体流31；以及(g)将具有大于第二冷凝工作流体流28的焓的工作流体的第一流29与具有大于第三冷凝工作流体流27的焓的工作流体的第二流31组合来由此产生第一工作流体流20。
在一个或更多个实施例中，由本发明提供的方法还包括步骤(h)：使第一热耗尽的工作流体流57与第二热耗尽的工作流体流56组合以由此产生合并的热耗尽工作流体流58。
在一个或更多个实施例中，由本发明提供的方法还包括步骤(i)：使合并的热耗尽的工作流体流58冷凝以由此产生第一合并的冷凝工作流体流61。
在一个或更多个实施例中，由本发明提供的方法还包括步骤(j)：加压第一合并的冷凝工作流体流61以由此产生第二合并的冷凝工作流体流64。
在一个或更多个实施例中，由本发明提供的方法还包括步骤(k)：分开第二合并的冷凝工作流体流64以由此产生至少三个冷凝工作流体流。
在一个或更多个实施例中，由本发明提供的方法使用二氧化碳作为工作流体，且其中二氧化碳在至少一个方法步骤的至少一部分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
构造和测试了实验规模的兰金循环系统，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图4中那样构造，只是第一膨胀器34和第二膨胀器35由膨胀阀替换，且流61分开并传送至第一工作流体泵和第二工作流体泵以分别提供第一冷凝工作流体流24和第二冷凝工作流体流28。实验系统并未提供第三冷凝工作流体流27或第二加热器33。另外，兰金循环系统不使用第一含有废热的流16，而改为依靠电加热元件来加热第一工作流体流20。工作流体为二氧化碳。使热从第二含有废热的流17或热增强的第二含有废热的流19传递至第一换热器36的递增效应可通过将加热元件添加至换热器36来模拟。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-Chart Software(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Aspen HYSYS获得，其是可从AspenTech获得的全面过程建模系统。
由本发明提供且如图4中构造的兰金循环系统使用二氧化碳的Spann-Wagner状态方程的EES软件模型来估计(示例1)。示例1的兰金循环系统与三个其它兰金循环系统相比较。第一个(比较示例1)为包括单个膨胀器和单个换热器但规模合适的简单兰金循环系统，以便可作出与示例1和比较示例2和3的有意义的比较。第二比较(比较示例2)是关于如图7中构造的兰金循环系统。比较示例2的兰金循环系统不包括第二加热器33，也不提供第三冷凝工作流体流27。此外，比较示例2的兰金循环系统构造成使得第二合并工作流体流64出现在第二换热器37，且此后，流出第二换热器37的工作流体流29由工作流体流分流器48转变成第一工作流体流20和第一冷凝工作流体流24。第三比较(比较示例23)利用如图4中构造的兰金循环系统进行，只是工作流体流分流器48仅产生第一冷凝工作流体流24和第二冷凝工作流体流28，没有第三冷凝工作流体流27，且因此没有第二加热器33，没有工作流体流31，且没有构造成组合流29和31的工作流体流组合器49。表1中呈现的数据示出了由本发明提供的兰金循环系统相对于备选兰金循环系统构造的优点。
示例1的兰金循环系统和比较示例1-3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(其使用实验规模的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。
数据在以下的表1中呈现，其将本发明(示例1)提供的兰金循环系统的功率输出与常规兰金循环系统(比较示例1)以及具有类似复杂性的两个备选构造的兰金循环系统(比较示例2-3)相比较。
表1：示例1对比比较示例1-3
最低CO2 温度 ˚C 示例1功率输出 (kW) 比较示例1功率输出(kW) 比较示例2功率输出(kW) 比较示例3功率输出 (kW) 示例1优点*
12.76 7083 6571 6652 7083 6.5%
14.14 7041 6438 6588 7041 6.9%
16.9 6955 6167 6456 6955 7.7%
19.66 6865 5889 6317 6865 8.7%
22.41 6773 5604 6171 6773 9.8%
25.17 6675 5309 6018 6675 10.9%
26.55 6624 5156 5938 6624 11.6%
29.31 6505 4827 5769 6420 12.8%
32.07 6371 4453 5566 6062 14.5%
34.83 6232 4113 5336 5713 16.8%
37.59 6091 3811 5044 5381 20.8%
38.97 6022 3674 4893 5222 23.1%
41.72 5890 3425 4610 4920 27.8%
44.48 5762 3208 4352 4641 32.4%
47.24 5638 3025 4119 4386 36.9%
50 5517 2877 3912 4156 41.0%
示例1如图4中构造；比较示例1=基本兰金循环构造，比较示例2如图7中构造，*示例1优点相对于比较示例2。
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1)和具有类似复杂性的备选构造的兰金循环系统(比较示例2-3)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)第一加热器，其构造成使热从第一含有废热的流传递至第一工作流体流以产生第一汽化工作流体流和第二含有废热的流；
(b)第一膨胀器，其构造成接收所述第一汽化工作流体流以由此产生机械能和膨胀的第一汽化工作流体流；
(c)第一换热器，其构造成使热从所述膨胀的第一汽化工作流体流传递至第一冷凝工作流体流以由此产生第二汽化工作流体流；
(d)第二膨胀器，其构造成接收所述第二汽化工作流体流以由此产生机械能和膨胀的第二汽化工作流体流；
(e)第二换热器，其构造成使热从所述膨胀的第二汽化工作流体流传递至第二冷凝工作流体流，以由此产生具有大于所述第二冷凝工作流体流的焓的工作流体的第一流；
(f)第二加热器，其构造成使来自含有废热的流的热传递至第三冷凝工作流体流以产生具有大于所述第三冷凝工作流体流的焓的所述工作流体的第二流；以及
(g)工作流体流组合器，其构造成将具有大于所述第二冷凝工作流体流的焓的所述工作流体的所述第一流与具有大于所述第三冷凝工作流体流的焓的所述工作流体的所述第二流组合来产生所述第一工作流体流。
2. 根据权利要求1所述的兰金循环系统，其特征在于，所述第二加热器构造成将来自所述第二含有废热的流的热传递至所述第三冷凝工作流体流。
3. 根据权利要求1所述的兰金循环系统，其特征在于，所述第二加热器构造成将来自热耗尽的第二含有废热的流的热传递至所述第三冷凝工作流体流。
4. 根据权利要求1所述的兰金循环系统，其特征在于，所述第二加热器构造成将来自热增强的第二含有废热的流的热传递至所述第三冷凝工作流体流。
5. 根据权利要求1所述的兰金循环系统，其特征在于，还包括发电机。
6. 根据权利要求1所述的兰金循环系统，其特征在于，还包括机械地联接到所述第一膨胀器和所述第二膨胀器上的发电机。
7. 根据权利要求1所述的兰金循环系统，其特征在于，该系统构造成容纳单个工作流体。
8. 根据权利要求7所述的兰金循环系统，其特征在于，所述工作流体为二氧化碳。
9. 根据权利要求1所述的兰金循环系统，其特征在于，所述系统构造成容纳超临界二氧化碳。
10. 根据权利要求1所述的兰金循环系统，其特征在于，还包括构造成加热所述第二含有废热的流的至少一个导管加热器。
11. 根据权利要求1所述的兰金循环系统，其特征在于，所述系统构造成由共同的冷凝工作流体流产生所述第一冷凝工作流体流、所述第二冷凝工作流体流和所述第三冷凝工作流体流。
12. 根据权利要求1所述的兰金循环系统，其特征在于，还包括工作流体冷凝器。
13. 根据权利要求12所述的兰金循环系统，其特征在于，所述系统包括单个工作流体冷凝器。
14. 根据权利要求1所述的兰金循环系统，其特征在于，还包括第三换热器。
15. 一种兰金循环系统，包括：
(a)第一加热器，其构造成使热从第一含有废热的流传递至第一工作流体流以产生第一汽化工作流体流和第二含有废热的流；
(b)第一膨胀器，其构造成接收所述第一汽化工作流体流以由此产生机械能和膨胀的第一汽化工作流体流；
(c)第一换热器，其构造成使热从所述膨胀的第一汽化工作流体流传递至第一冷凝工作流体流以由此产生第二汽化工作流体流和第一热耗尽的工作流体流；
(d)第二膨胀器，其构造成接收所述第二汽化工作流体流以由此产生机械能和膨胀的第二汽化工作流体流；
(e)第二换热器，其构造成使热从所述膨胀的第二汽化工作流体流传递至第二冷凝工作流体流，以由此产生具有大于第二冷凝工作流体流的焓的所述工作流体的第一流，以及第二热耗尽的工作流体流；
(f)第一工作流体流组合器，其构造成使所述第一热耗尽的工作流体流与所述第二热耗尽的工作流体流组合来由此产生合并的热耗尽的工作流体流；
(g)冷凝器，其构造成接收所述合并的热耗尽的工作流体流且由此产生第一合并的冷凝工作流体流；
(h)工作流体泵，其构造成加压所述第一合并的冷凝工作流体流且由此产生第二合并的冷凝工作流体流；
(i)至少一个工作流体流分流器，其构造成将所述第二合并的冷凝工作流体流分成至少三个冷凝工作流体流；
(j)第二加热器，其构造成将来自含有废热的流的热传递至第三冷凝工作流体流来由此产生具有大于所述第三冷凝工作流体流的焓的所述工作流体的第二流；以及
(k)第二工作流体流组合器，其构造成将具有大于所述第二冷凝工作流体流的焓的所述工作流体的所述第一流与具有大于所述第三冷凝工作流体流的焓的所述工作流体的所述第二流组合来由此产生所述第一工作流体流。
16. 根据权利要求15所述的兰金循环系统，其特征在于，所述工作流体流分流器提供所述第一冷凝工作流体流、所述第二冷凝工作流体流和所述第三冷凝工作流体流。
17. 根据权利要求15所述的兰金循环系统，其特征在于，还包括机械地联接到所述第一膨胀器和所述第二膨胀器中的至少一者上的发电机。
18. 根据权利要求15所述的兰金循环系统，其特征在于，还包括构造成加热所述第二含有废热的流的导管加热器。
19. 根据权利要求18所述的兰金循环系统，其特征在于，还包括第三换热器。
20. 一种使用兰金循环系统回收热能的方法，包括：
(a)使热从第一含有废热的流传递至第一工作流体流以由此产生第一汽化工作流体流和第二含有废热的流；
(b)使所述第一汽化工作流体流膨胀以由此产生机械能和膨胀的第一汽化工作流体流；
(c)使热从所述膨胀的第一汽化工作流体流传递至第一冷凝工作流体流以由此产生第二汽化工作流体流和第一热耗尽的工作流体流；
(d)使所述第二汽化工作流体流膨胀以由此产生机械能和膨胀的第二汽化工作流体流；
(e)使热从所述膨胀的第二汽化工作流体传递至第二冷凝工作流体流，以由此产生具有大于所述第二冷凝工作流体的焓的工作流体的第一流，以及第二热耗尽的工作流体流；
(f)使来自含有废热的流的热传递至第三冷凝工作流体流以由此产生具有大于所述第三冷凝工作流体流的焓的所述工作流体的第二流；以及
(g)将具有大于所述第二冷凝工作流体流的焓的所述工作流体的所述第一流与具有大于所述第三冷凝工作流体流的焓的所述工作流体的所述第二流组合来由此产生所述第一工作流体流。
21. 根据权利要求20所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
(h)使所述第一热耗尽的工作流体流与所述第二热耗尽的工作流体流组合以由此产生合并的热耗尽的工作流体流。
22. 根据权利要求21所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
(i)使所述合并的热耗尽的工作流体流冷凝以由此产生第一合并的冷凝工作流体流。
23. 根据权利要求22所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
(j)加压所述第一合并的冷凝工作流体流以由此产生第二合并的冷凝工作流体流。
24. 根据权利要求23所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
(k)分开所述第二合并的冷凝工作流体流以由此产生至少三个冷凝工作流体流。
25. 根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述工作流体在至少一个方法步骤的至少一部分期间为超临界状态的二氧化碳。
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