CN107690508A - 热力发动机、用于提供加压制冷剂的系统以及相关方法 - Google Patents

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Abstract

从热源发电的方法包括：将处于液相的制冷剂与润滑油混合，加热混合物以蒸发制冷剂，将加热的混合物与处于过热相的附加制冷剂混合，并雾化润滑油以将润滑油分散在制冷剂内。雾化的润滑油和制冷剂通过减压器而产生电流。制冷剂可以是沸点低于约‑35℃的有机材料。也公开了相关的系统和热力发动机。

Description

热力发动机、用于提供加压制冷剂的系统以及相关方法
优先权要求
本申请要求2015年6月2日提交的题为“热力发动机、用于提供加压制冷剂的系统以及相关方法(HEAT ENGINES，SYSTEMS FOR PROVIDING PRESSURIZED REFRIGERANT，ANDRELATED METHODS)”的美国临时专利申请序列号62/169,971的申请日的权益。
技术领域
本公开的实施例总体上涉及用于发电和涉及压缩制冷剂的其他过程的系统和方法。例如，该系统和方法可以用于从热源发电。
背景技术
朗肯循环(Rankine)是一种热力循环，在该热力循环中热量被转换成功。热量从外部供应到闭环，通常以水作为工作流体。朗肯循环产生全世界使用的所有电力的80％左右，并被太阳能发电站、生物质发电站、煤炭发电站和核电站所使用。朗肯循环电力系统通常将热能转换成电能。常规朗肯循环动力系统采用以下四个基本步骤：(1)在锅炉中使用热能将水转化成蒸汽；(2)蒸汽通过涡轮机传送，进而驱动发电机；(3)通过将蒸汽中的剩余热能排放到环境中，将蒸汽冷凝成水；(4)冷凝物被抽回锅炉。在理想的朗肯循环中，膨胀是等熵的(即处于恒定的熵)，而蒸发和冷凝过程是等压的(即在恒定的压力下)。但是，实际过程中的不可逆性会降低循环效率。这些不可逆性主要归因于两个因素：在循环的步骤(2)期间在工作流体的膨胀期间将一些能量转化为热量；步骤(1)和(3)中热交换器压力下降造成的效率低下。
朗肯循环的效率是工作流体的物理性质的函数。压力没有达到工作流体的超临界水平的情况下，循环可以运行的温度范围是相当小的。例如，传统的涡轮机入口温度极限约为565℃(不锈钢的蠕变极限)，冷凝器温度约为30℃。与现代燃煤电站的实际效率42％相比，这给出了约63％的理论卡诺效率。涡轮机入口温度低(与内燃式燃气轮机相比)是朗肯循环经常用作联合循环燃气轮机发电站的后置循环的原因。朗肯循环中的工作流体遵循一个闭合回路并不断被重复使用。虽然许多工作流体可以并且已经用于朗肯循环，但是水通常是选择的流体，因为它丰富、廉价、无毒、通常是非反应性的，并且具有有利的热力学性质。有机朗肯循环(ORC)已经被开发出来以实现从较低温度来源(例如工业废热、地热、太阳能池等)回收能量。ORC中的工作流体是在比给定压力下的水-蒸汽相变更低的温度下具有液-气相变(即，沸点)的有机高分子量流体。使用ORC，来自较低温度来源的热量可以被转化为可用于发电的有用功。
ORC技术可以用来从废热中回收能量。例如，该技术可应用于热电厂、工业和农业工艺(例如有机产品发酵)，来自烤炉或炉的热排气、烟气冷凝、车辆废气、压缩机的中冷以及动力循环的冷凝器。ORC技术还可用于从生物质、地热源、太阳能领域等中提取有用的能源。
2014年8月14日公开的标题为“改进的有机朗肯循环减压热力发动机(ImprovedOrganic Rankine Cycle Decompression Heat Engine)”的国际专利公开第WO 2014/124061号中描述了ORC，其全部公开内容通过引用结合于此。
发明内容
在一些实施方案中，一种方法包括：将润滑油与处于液相的制冷剂的第一部分混合以形成混合物，并加热润滑油与制冷剂的第一部分的混合物以形成加热的混合物，其中制冷剂的第一部分的至少一部分处于气相。该方法包括：将加热的混合物与处于过热相的制冷剂的第二部分混合，并将润滑油雾化以将润滑油分散在制冷剂内。制冷剂可表现出低于约-35℃的沸点。在一些实施例中，制冷剂可以包括有机材料。
在其他实施例中，热力发动机包括：高压区，该高压区构造成将来自至少一个热源的热量传递到制冷剂并且构造成容纳处于气相的制冷剂的第一部分；低压区，所述低压区构造成将热量从所述制冷剂传递到至少一个散热源并且构造成容纳处于液相的所述制冷剂的第二部分；旁路区，所述旁路区构造成将处于的液相的制冷剂的第三部分与润滑油混合；以及包括混合介质的雾化器，所述混合介质构造成雾化所述润滑油并且将所述润滑油分散在所述制冷剂的所述第一部分和第三部分内。制冷剂表现出低于约-35℃的沸点。制冷剂的基本闭环路径包括高压区、低压区和旁路区。
在一些实施例中，用于提供加压制冷剂的系统包括：泵，其被构造成使处于液相的制冷剂的第一部分移动通过管道；混合装置，用于将润滑油与处于液相的制冷剂的第一部分混合；至少一个热源，所述至少一个热源被构造成将热量传递至处于液相的所述制冷剂的第一部分；另一混合装置，用于将处于气相的制冷剂的第二部分与润滑油和制冷剂的第一部分混合；以及混合介质，该混合介质构造成使润滑油雾化并将润滑油分散在制冷剂内。制冷剂表现出低于约-35℃的沸点。该至少一个热源被构造成蒸发制冷剂的第一部分。
附图说明
图1是示出根据本公开的用于提供加压制冷剂的系统的简化示意性框图；
图2是示出包括图1所示的系统的热力发动机的简化示意性框图；
图3是示出可以用在图2所示的热力发动机中的歧管的简图；且
图4是示出图2所示的热力发动机中的制冷剂如何可以与其他设备一起使用的简化示意性框图。
具体实施方式
以下描述提供了诸如材料类型、组成、材料厚度和处理条件的具体细节，以便提供本公开的实施例的全面描述。然而，本领域的普通技术人员将理解，可以在不采用这些具体细节的情况下实践本公开的实施例。实际上，本公开的实施例可以结合本行业中采用的常规技术来实践。另外，下面提供的描述不构成用于提供加压流体或运行热力发动机的完整的工艺流程。下面将仅详细描述理解本公开的实施例所必需的那些处理动作和结构。本领域的普通技术人员将理解，本文固有地公开了一些过程部件(例如，管道、管线过滤器、阀门、温度检测器、流量检测器、压力检测器等)，并且添加各种常规过程部件和动作将与本公开内容一致。可以通过向所公开的那些添加常规元素来提供额外的动作或材料。
如本文所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式“一”，“一个”和“所述/该”旨在也包括复数形式。
如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个所列项目的任何和所有组合。
如本文所使用的，为了清楚和方便理解本公开和附图，使用诸如“第一”，“第二”，“顶部”，“底部”，“上”，“下”，“在...之上”，“在...之下”等关系词，除了上下文另外清楚地指出之外，不暗示或取决于任何特定的偏好、取向或顺序。
如本文所使用的，关于给定的参数、性质或条件的术语“基本上”是指本领域的普通技术人员将理解给定的参数、性质或条件满足小的差异程度(如在可接受的制造公差范围内)的程度。
图1是示出用于提供加压制冷剂的系统100的简化示意框图。系统100可用于将加压制冷剂提供给热力发动机、制冷系统、热泵或使用加压制冷剂的任何其它系统。在一些实施例中，系统100可使用有机朗肯循环(ORC)将加压制冷剂提供给热力发动机。
如图1所示，系统100可以包括止回阀102，止回阀102构造成使制冷剂仅在一个方向上流动。泵104可构造成接收来自止回阀102的制冷剂并提供驱动制冷剂通过系统100的力。泵104可以是例如变速循环泵。泵104可以比常规用于提供加压制冷剂的泵显著小，因为泵104不需要显著地增加制冷剂的压力。相反，制冷剂压力可以通过加热而增加，如下面进一步详细解释的。
制冷剂可以是沸点低于约-35℃的有机材料。这样的制冷剂可以用于从具有相对较低温度(例如，低于约82℃)的热源中提取能量，并且比传统系统中的制冷剂更高效地将该能量转换成电力。例如，制冷剂可以是二氟甲烷和五氟乙烷的近共沸混合物R-410A，其沸点约为-51℃。也可以使用其他制冷剂，例如本领域已知的那些制冷剂，如R-22、R-502、R-507、R-13、R-503、R-23、R-717(氨)或R-744(二氧化碳(CO2))。这种制冷剂例如可以从美国佐治亚州劳伦斯维尔的Airgas Refrigerants公司购得。
混合装置106可构造成在有机制冷剂通过泵104之后将润滑油与有机制冷剂混合。混合装置106可包括例如混合三通、混合室、吸气器或任何其它用于混合流体的装置。润滑油可以是配制成在制冷过程的操作条件下保持液相并且具有有益的润滑和稳定性的有机材料。例如，润滑油可以包括矿物油(例如萘二甲酸)或合成油(例如二元醇、酯、烷基苯、多元醇酯等)。在一些实施方案中，润滑油还可以包括润滑性增强剂，例如美国密苏里州圣路易斯的Nu-Calgon以商品名A/C Re-New出售的添加剂包。润滑性增强剂可以配制成具有比润滑油更高的润滑性。
系统100可以进一步包括在图1中被描绘为热交换器的一个或多个热源108。一个或多个热源108可以包括冷凝器、加热线圈或任何其它热源。一个或多个热源108可以包括至少一个壁，热量可以通过该壁传递到有机制冷剂和润滑油。尽管在图1中描绘了一个热源108，系统100可以包括任何数量的热源，诸如一个、两个、三个、四个等等。一个或多个热源108可以被配置为蒸发有机制冷剂以形成气体。例如，一个或多个热源108可以包括蒸发器或过热器。
系统100可以进一步包括雾化器112，雾化器112被构造成将有机制冷剂和润滑油与有机制冷剂的另一部分混合，并将润滑油雾化。雾化器112可以包括其中具有混合和雾化装置114的主体。例如，雾化器112可以包括混合叶片、金属网(例如，烧结的不锈钢网，例如具有约1,000微米的网孔尺寸的316L不锈钢网材料，其由美国得克萨斯州斯普林斯的Dorstener Wire Tech出售，名称为)、填料介质或用于混合和/或雾化的任何其他结构。在一些实施例中，雾化器112可以进一步包括过滤介质(其可以是可替换的)或防止未雾化的液体油离开雾化器112的其他装置。雾化器112可以被配置为以最小的限制进行操作，使得在雾化器112内的压降是小的或可忽略的。
系统100可以用来提供加压的、加热的制冷剂。制冷剂122可以通过止回阀102传递到泵104，泵104将制冷剂122泵送通过系统100。在一些实施例中，泵104可以提供用于使制冷剂122循环的唯一装置。离开泵104的制冷剂122可以进入混合装置106并与润滑油124混合以形成混合物126。然后，可以在热源108中加热混合物126。热源108可以接收温度小于约80℃、小于约70℃、小于约60℃或甚至小于约50℃的热流体128。来自热流体128的热量被传递到混合物126，使得冷却的流体130(包含有作为热流体128进入热源108的材料)和加热的混合物132(包含有作为混合物126进入热源108的材料)离开热源108。由于制冷剂122的蒸发，加热的混合物132的体积流率可以大于混合物126的体积流率。
在一些实施例中，混合物126可以暴露于额外的热源。将热量从热源108传递到混合物126可涉及增加混合物126的比体积。
热源108可以包括例如废热源、废气、压缩机中冷器、生物质、地热源、太阳能电池阵列或任何其它热源。热源108的温度不需要像常规系统那样高，因此系统100可以用于从传统上不用于发电的热源提取能量。
加热的混合物132(其包括与制冷剂122混合的润滑油124)和气态或过热的制冷剂140的另一部分可以在雾化器112内混合以形成过热混合物141。可选地，加热的混合物132和制冷剂140可以在进入雾化器112之前被混合以形成过热混合物141，诸如在混合三通、混合室、吸气器或用于混合流体的任何其它装置中。制冷剂140通常可以具有与制冷剂122相同的组成。制冷剂140可以处于或接近其临界温度。在雾化器112内，润滑油可能变得雾化而形成可分散在制冷剂内的细雾。例如，过热混合物141可以穿过金属网。在一些实施例中，润滑油124可以近似均匀地分散在整个制冷剂中。制冷剂和润滑油可作为雾化混合物142离开雾化器112。在一些实施例中，雾化混合物142可被过滤或以其他方式处理以增强雾化混合物142的均匀性。
在一些实施例中，雾化混合物142(即，加压制冷剂和雾化润滑油)可以用在ORC热力发动机中。例如，图2是示出包括图1所示的系统100的热力发动机200的简化示意性框图(注意，为了简化，在图2中省略了图1中示出的用于一些材料流的附图标记)。热力发动机200通常包括高压区、低压区和旁路区。当热力发动机200运行时，高压区内的工作制冷剂的压力大致恒定，沿着流动路径的温度有变化。类似地，在低压区内，工作制冷剂的压力大致恒定(但处于比高压区低的压力下)。旁路区中的制冷剂处于与高压大致相同的压力下。因为高压区和低压区各自处于大致恒定的压力下，所以如果期望或需要额外的热传递，则制冷剂可以通过一个或多个外部回路，如下面讨论的和图3所示的。
热力发动机200包括用于容纳制冷剂的储存罐202。加压制冷剂248从储存罐202行进到蒸发器204和过热器206，蒸发器204和过热器206通常可以被称为热源204,206。热源204,206可以各自包括至少一个壁，通过该壁可以将热量从热流体240传递到制冷剂248。尽管在图2中描绘了两个热源204,206，热力发动机200可以包括任何数量的热源，例如一个，两个，三个，四个等。热源204,206中的一个可以被配置为蒸发加压的制冷剂248以形成气体，该气体可以对应于图1所示的制冷剂140。在制冷剂140离开过热器206之后，制冷剂140可以处于或接近其临界温度。
热源204,206可接收具有小于约80℃、小于约70℃、小于约60℃、小于约50℃或甚至小于约40℃的温度的热流体240。来自热流体240的热量被传递到制冷剂248。热流体240可以作为流体244离开热源204,206以便处置或用于其他用途。
然后，制冷剂140可以与已经在热源108中预热的制冷剂和油的加热混合物132混合(也参见图1)。在雾化器112内，润滑油可以变得雾化而形成细雾，其可以如雾化混合物142那样分散在制冷剂内，如上面所讨论并且在图1中更详细地示出的。
雾化混合物142然后可以进入歧管207，歧管207具有膨胀装置208，该膨胀装置208耦合到发电机209并构造成驱动发电机209。膨胀装置208可以包括容积式减压器，其构造成提供压力梯度，处于气相体的有机制冷剂通过该压力梯度从高压区连续流动到低压区。膨胀装置208可构造成保持高压区和低压区之间的压力差在约10巴和约100巴之间，并且可构造成由于压力梯度而提取机械能。例如，膨胀装置208可构造成保持高压区和低压区之间的压力差在约20巴和约42巴之间。
在一些实施例中，膨胀装置208可以是被配置为旋转发电机209的一部分的涡轮机、减压器、双螺杆膨胀器或任何其他适当的装置。例如，膨胀装置208可以包括轨道涡旋减压器。膨胀装置208可以包括配制成经受住操作条件的材料。例如，膨胀装置208可以包括不锈钢。离开膨胀装置208的混合物250可以处于比进入膨胀装置208的雾化混合物142相对较低的压力和相对较高的温度。因此，热力发动机200的高压区可以被限定为包括储存罐202、热源204,206、雾化器112和膨胀装置208。
歧管207可以构造成接收来自雾化器112的雾化混合物142，并且以比雾化混合物142更低的压力和更高的温度提供混合物250。歧管207可以被配置为使用来自雾化混合物142的热量来帮助从混合物250中分离油。混合物250可以通过孔口或钢网在歧管207内垂直升起。这可能促使倾向于更重的油从制冷剂分离。油可能倾向于回落到下面的发电机209中，在发电机209中油可以重新用于密封和润滑。
如图3所示，歧管207可以包括制冷剂入口302，雾化混合物142(图2)可以通过制冷剂入口302被接收。雾化混合物142可以经由突起304进入膨胀装置208。离开膨胀装置208的制冷剂(即，如图2所示，作为混合物250)通过开口306进入歧管207。制冷剂行进通过分离区域308，其中油从制冷剂中除去以形成混合物250(图2)，该混合物250经由制冷剂出口310离开歧管207。被除去的油可以经由排油装置312回流到膨胀装置208和/或发电机209。
组合制冷剂入口302和制冷剂出口310可以简化热力发动机200的安装，并且可以提供使用来自进入的雾化混合物142的一些热量来辅助油分离的装置。歧管207可以包括构造成促进进入和离开的制冷剂之间的热传递的流动路径。
此外，歧管207可以包括一个或多个曲折路径，制冷剂在离开歧管207之前可以通过该曲折路径。例如，开口306可以包括一个或多个钻孔或孔口，其可以可选地用钢网或其他具有高表面积的材料压紧。迫使排气蒸汽通过这样的路径垂直升高可以增强油与制冷剂的分离(例如，因为油可能比制冷剂重)。
排气蒸气可以在歧管207内垂直升高，然后在尖锐边缘周围流动，然后再次向下流动，由此促进较重的油的分离，较重的油可以基于重力通过开口306从分离区域308向下排放回到膨胀装置208。
突起304可以被构造成使得进入膨胀装置208的雾化混合物142不会破坏经由分离区域308的雾化混合物142的流动。例如，突起304可以从歧管207的中心向下延伸，从而不允许进入膨胀装置208的雾化混合物142容易地迫使离开膨胀装置208的任何混合油进入开口306。也就是说，离开膨胀装置308的制冷剂可通过开口306经由突起304进入歧管207，并可能保留一些油。这样的布置还可以促进进入和离开的制冷剂之间的热传递，这可以增强油分离。
发电机209可以是被配置为将从膨胀装置208中的制冷剂提取的机械能转换成电能的任何装置，诸如具有转子和定子的交流发电机。膨胀装置208可以垂直地位于发电机209的上方或下方。在一些实施例中，膨胀装置208和发电机209可以被集成到单个装置中。
润滑油124的至少一部分可以在分离器211中从制冷剂254中提取出，分离器211可以是例如捕集器、过滤器等。润滑油124可以经由泵218以及混合装置106返回到制冷剂122。热的低压制冷剂254可以进入冷凝器210，在该处冷凝器210可以被散热源242冷却以冷凝制冷剂254，从而形成冷凝制冷剂258。散热源242可以是冷水(例如，烹饪用水、井水等)。散热源242可以处于大致环境温度或室温。例如，散热源242可以在从大约5℃到大约35℃，例如从大约15℃到大约25℃的温度下进入冷凝器210。离开冷凝器210的散热源246可以比散热源242高大约1℃至大约15℃，该温度差可以取决于散热源242和制冷剂254的流率及温度。制冷剂254可以在冷凝器210中部分或完全冷凝。
冷凝的制冷剂258可以被转移到液体制冷剂罐212，在那里冷凝的制冷剂258可以可选地被一个或多个另外的散热源220进一步冷却以形成冷却的制冷剂260。散热源220可以是例如冷水、热膨胀阀(TXV)、热电装置或任何其他能够吸收或传递热量的材料或装置。热力发动机200可以可操作以使用不同类型、不同温度的多个散热源220。可以增加散热源220以与其他过程平衡热负荷。在一些实施例中，经冷凝的制冷剂258或其一部分可通过管道270从热力发动机200循环到外部散热源以冷却，并随后通过另一管道272回到热力发动机200(例如回到液体制冷剂罐212)。在这样的实施例中，制冷剂可被认为具有包括热力发动机200和外部散热源的基本闭环路径。
压力控制系统214可调节来自制冷剂罐212的经冷却的制冷剂260的流量和压力。压力控制系统214可包括止回阀、压力调节器、湿润室、手动或电子控制器、和/或任何其他选定的控制设备。
在经过压力控制系统214之后，热源222,224可以可选地预热冷却的制冷剂260以形成预热的制冷剂262。热源222,224可以是例如废热源、废气、压缩机中冷器、生物质、地热源、太阳能电池阵列或能够产生或传递热量的任何其他材料或装置。在一些实施例中，替代热源222,224或者除热源222,224之外，冷却的制冷剂260或其一部分可以通过管道274从热力发动机200循环到外部热源以进行加热，并且随后通过另一管道276返回到热力发动机200。在这样的实施例中，制冷剂可以被认为具有包括热力发动机200和外部热源的基本闭环路径。因此，热力发动机200可以是可操作的以使用不同类型和不同温度下的多个热源222,224。可以添加热源222,224以与其他过程平衡热负荷。
循环泵216可以将预热的制冷剂262返回到储存罐202，并且可以将低压区与高压区分开。因此，热力发动机200的低压区可以被限定为包括分离器211、冷凝器210、制冷剂罐212和压力控制系统214。循环泵216可以提供处于液相的预热的制冷剂262从低压区连续流动到高压区中。循环泵216可以是例如容积式液压泵。循环泵216可以构造成作为液压增压泵运行，当预热的制冷剂262移动通过热力发动机200时，增加预热的制冷剂262的压力。泵送处于液相的预热的制冷剂262可以是比泵送气相制冷剂相对更高效地增加压力的方式。储存罐202可以可选地由另一个热源226进一步预热。热源226可以是例如废热源、排气、压缩机中冷器、生物质、地热源、太阳能电池阵列或任何其他能够产生或传递热量的材料或装置。使用多个热源222,224,226来预热制冷剂(除了热源204,206之外)可以通过增加循环中传递到制冷剂的总热量来增加能量产生量。
热力发动机200包括旁路区，其中相对少量的制冷剂122与润滑油124混合。旁路区可被限定为包括止回阀102、泵104、混合装置106和热源108。
润滑油124可帮助密封膨胀装置208以限制或防止膨胀装置208的移动部件滑动。润滑油124还可增加作为雾化混合物142进入膨胀装置208的制冷剂的密度。然而，如果润滑油124以块的形式通过膨胀装置208，则润滑油124可能例如由于阻塞制冷剂的流动而使膨胀装置208停转。因此，在旁路区中，润滑油124可以与制冷剂122的一部分预混合以改善分散。上面关于图1描述了旁路区中的单元(具体来说，止回阀102、泵104、混合装置106和热源108)的操作。雾化器112可以进一步促进润滑油124在制冷剂中的分散，使得润滑油124能够有效地润滑膨胀装置208的移动部件而不阻碍制冷剂的流动。因此，润滑油124可以(通过减少膨胀装置208中的摩擦损失)提高热力发动机200的效率并且增加其预期的使用寿命。
热力发动机200可以包括这样的装置，该装置用于在来自过热器206的制冷剂140和来自旁路区的制冷剂122以及润滑油124在进入雾化器112(例如在混合三通、混合室、吸气器或用于混合流体的任何其他装置中)之前混合这些材料。在一些实施例中，这些材料可以在雾化器112内或在也包含雾化器112的主体内混合。
进入膨胀装置208的雾化混合物142以质量计可以为约0.01％至约10％(即，制冷剂122,140的质量流率与润滑油124的质量流率之间的比例可以在约10:1和约10,000:1之间)。例如，雾化混合物142以质量计可以为大约0.1％至大约1.0％(即，制冷剂122,140的质量流率与润滑油124的质量流率之比可以在大约100：1和约1，000：1之间)。雾化混合物142以质量计可以是大约5.0％(即，制冷剂122,140的质量流率与润滑油124的质量流率之比可以是大约20:1)。
用于从热源发电的方法包括：将处于液相的制冷剂的一部分与润滑油混合；加热混合物以蒸发制冷剂的一部分；将加热的混合物与制冷剂的过热部分混合；将润滑油雾化，并使雾化的润滑油和制冷剂通过与发电机耦合的减压器以产生电流。然后，可以将润滑油的至少一部分从制冷剂中分离出来，并且制冷剂可以冷凝回到液体形式。
可以在不使用压缩机的情况下发电，并且因此，功率输出可以高于具有相同输入的传统热力发动机的功率输出。也就是说，热力发动机在能量转换方面可能比传统系统更有效率。
在热力发动机200中，热量流入热源204,206中的制冷剂。热量被转换成机械功，并且在膨胀装置208和发电机209中转换成电力。废热通过冷凝器210从热力发动机200除去。消耗少量的能量来泵送制冷剂、润滑油以及热源和热沉(例如水)，但是热力发动机200不需要压缩机来产生加压的制冷剂140(图1)。因此，热力发动机200可以比传统热力发动机更高效地运转。
制冷剂可从热力发动机200中提取出，用于另一装置或操作中，并返回热力发动机200。例如，并且如图4所示，液体形式的制冷剂402可以进入热膨胀装置404。制冷剂402可以被转化为气态制冷剂406。线圈408可以被用作用于制冷或空气调节的散热源。
气态制冷剂406可以进入变速压缩机410，其可以产生适合返回到热力发动机200的加压热气态制冷剂412(图2)。代替气态制冷剂406或除气态制冷剂406之外，另一种气态制冷剂414也可以在变速压缩机410中被压缩。运行变速压缩机410使得加压热气态制冷剂412可以返回到热力发动机200所需的能量可能小于运行常规冷却设备所需的能量。
回到图2，液体形式的制冷剂402可与制冷剂248(在热源204之前或之后)或热力发动机200中的任何其他选定点分离。气态形式的制冷剂414可从制冷剂254、制冷剂258或热力发动机200中的任何其他选定点分离。加压热气态制冷剂412可以在循环泵216之后、在储存罐202之后或在任何其他适当的位置处返回到热力发动机200。由于热力发动机200具有高压区和低压区，所以制冷剂的抽出或添加点可以在每个区内的任何点上。也就是说，通过匹配压力，制冷剂可以流动并与热力发动机200中的制冷剂混合，而不需要额外的调节。
示例
预言示例1：数学建模的热力发动机
类似于图2所示的热力发动机200的热力发动机使用R-410A制冷剂、17.0℃的冷水源，从69.0℃的热水源中预计将产生9.88kW的电力。膨胀装置208是轨道涡旋器，市场上可买到的设计用于空气调节的涡旋压缩机，型号为SH380，其可从丹麦Nordborg的丹佛斯公司(Danfoss A/S)购得，以1517RPM运转。压缩机以其预期用途的相反取向运行，因此其作为膨胀机而不是压缩机运行。
计算出的制冷剂和冷、热水供应的压力和温度如表1所示。
表1：工作压力和温度
表2中显示了额外的操作参数。
表2：其他工作参数
制冷剂质量流量 304.5g/s
热水流量 282l/min
冷水流量 482l/min
从热水到制冷剂的热传递 113.4kW
从制冷剂到冷水的热传递 112.0kW
卡诺效率 15.20％
最大做功输出 17.23kW
来自涡旋器的总做功输出 11.14kW
总效率 9.83％
卡诺效率的总百分比 64.7％
泵(油泵、制冷剂泵和水泵)消耗的功率 1.27kW
产生的净电力 9.88kW
净效率 8.71％
卡诺效率的净百分比 57.3％
示例2：以1500RPM运行的热力发动机
运行类似于图2所示的热力发动机200的热力发动机，使用R-410A制冷剂，冷水源温度约为16.3℃，从约68.9℃的热水源中产生约11kW的电力。膨胀装置208是轨道涡旋器，市场上可买到的设计用于空气调节的涡旋压缩机，型号为SH380，来自丹佛斯公司(DanfossA/S)，以大约1500RPM运行。所观察到的选定工作参数如表3所示。
表3：观察到的操作参数
蒸发器热水，入口 68.9℃
蒸发器热水，出口 61.8℃
热水流 260l/min
冷凝器冷却水，入口 16.3℃
冷凝器冷却水，出口 12.7℃
冷水流 485l/min
卡诺效率(理论最大值) 15.3％
产生的净电力 11kW
净效率 8.8％
卡诺效率的净百分比 57.5％
示例3：热力发动机以1121RPM运行
运行类似于图200中所示的热力发动机2的热力发动机，使用R-410A制冷剂，冷水源温度约为15.5℃，从约58.1℃的热水源中产生约6kW的电力。膨胀装置208是轨道涡旋器，市场上可买到的设计用于空气调节的涡旋压缩机，型号为SH380，可从丹佛斯公司(DanfossA/S)获得，以约1121RPM运行。所观察到的选定的工作参数如表4所示。
表4：观察到的工作参数
下面描述本公开的另外的非限制性的示例实施例。
实施例1：一种方法包括：将润滑油与处于液相的制冷剂的第一部分混合以形成混合物，并加热润滑油与制冷剂的第一部分的混合物以形成加热的混合物，其中制冷剂的第一部分的至少一部分处于气相。该方法包括：将加热的混合物与处于过热相的制冷剂的第二部分混合，并将润滑油雾化以将润滑油分散在制冷剂内。
实施例2：根据实施例1的上述方法，其中雾化润滑油包括使润滑油和制冷剂通过金属网。
实施例3：根据实施例1或实施例2所述的方法，还包括：在将润滑油与制冷剂的第一部分混合之前，通过管道泵送制冷剂的第一部分。
实施例4：根据实施例1至3中任一项所述的方法，其中加热润滑油和制冷剂的第一部分的混合物以形成加热的混合物包括将热量从选自以下组成的组的至少一种来源传递到混合物中：废热源、废气、压缩机中冷器、生物质、地热源和太阳能电池阵列。
实施例5：根据实施例1至4中任一项上述的方法，其中所述制冷剂表现出低于约-35℃的沸点。
实施例6：根据实施例1至5中任一项所述的方法，还包括：将雾化的润滑油和制冷剂通过与发电机可操作地关联的减压器，以降低制冷剂的压力并产生电流；从制冷剂中分离至少一部分润滑油；以及冷凝制冷剂的至少一部分以重新形成制冷剂的第一部分。
实施例7：根据实施例6所述的方法，其中冷凝制冷剂的至少一部分以形成制冷剂的第一部分包括：将来自制冷剂的热量传递至第一散热源和第二散热源中的每一个。
实施例8：根据实施例1至7中任一项所述的方法，其中加热润滑油和制冷剂的第一部分的混合物以形成加热的混合物包括增加混合物的比体积。
实施例9：根据实施例1至8中任一项所述的方法，还包括使雾化的润滑油和制冷剂通过可更换的过滤器。
实施例10：根据实施例1至9中任一项所述的方法，其中雾化润滑油包括将润滑油和制冷剂维持在近似恒定的压力。
实施例11：根据实施例1至10中任一项所述的方法，还包括将添加剂与所述混合物混合，所述添加剂表现出比所述润滑油更高的润滑性。
实施例12：根据实施例1至11中任一项所述的方法，其中将润滑油与制冷剂的第一部分混合以形成混合物包括：将处于液相的制冷剂的第一部分与循环制冷剂的第一部分的泵下游的润滑油混合。
实施例13：一种热力发动机，包括高压区，所述高压区构造成将来自至少一个热源的热量传递给制冷剂，并且构造成容纳处于气相的制冷剂的第一部分；低压区，所述低压区构造成将热量从所述制冷剂传递到至少一个散热源并且构造成容纳处于液相的制冷剂的第二部分；旁路区，所述旁路区构造成将处于液相的制冷剂的第三部分与润滑油混合；以及包括混合介质的雾化器，所述混合介质构造成雾化所述润滑油并且将所述润滑油分散在制冷剂的第一部分和第三部分内。制冷剂表现出低于约-35℃的沸点。制冷剂的基本闭环路径包括高压区、低压区和旁路区。
实施例14：根据实施例13所述的热力发动机，其中，所述热力发动机构造成使所述制冷剂在朗肯循环中循环。
实施例15：根据实施例13或实施例14所述的热力发动机，还包括混合装置，所述混合装置被配置成将所述润滑油与处于液相的制冷剂的第三部分混合。
实施例16：根据实施例13至15中任一项所述的热力发动机，其中所述高压区域包括至少一个热源的至少一个壁，所述至少一个壁被配置为将来自所述至少一个热源的热量传递到处于液相的制冷剂的第一部分，其中所述至少一个热源被构造成蒸发制冷剂的第一部分。
实施例17：根据实施例13至16中任一项所述的热力发动机，还包括容积式减压器，所述容积式减压器构造成提供压力梯度，处于气相的制冷剂通过所述压力梯度连续地从高压区流向低压区，容积式减压器被配置成保持高压区和低压区之间的压力差在约20巴和约42巴之间，容积式减压器被配置为提取由于压力梯度引起的机械能。
实施例18：根据实施例17所述的热力发动机，还包括发电机，所述发电机耦合到所述容积式减压器并且被配置为将所提取的机械能转换成电能。
实施例19：根据实施例18所述的热力发动机，还包括容积式液压泵，用于提供处于液相的制冷剂从低压区到高压区的连续流动。
实施例20：根据实施例13至19中任一项所述的热力发动机，其中，所述至少一个热源包括具有小于约60℃的温度的材料。
实施例21：根据实施例13至20中任一项所述的热力发动机，其中制冷剂循环通过闭环路径吸收额外的热量，而不通过压缩机。
实施例22：根据实施例13至21中任一项所述的热力发动机，其中制冷剂在循环通过闭环路径的同时吸收或排出热量，而不通过压缩机。
实施例23：根据实施例13至22中任一项所述的热力发动机，其中制冷剂的第一部分和第三部分的总和的质量流率与润滑油的质量流率的比率在约10：1和约100：1之间。
实施例24：根据实施例13至23中任一项所述的热力发动机，其中所述基本闭环路径还包括在所述热力发动机外部的至少一个热传递管道。
实施例25：一种用于提供加压制冷剂的系统，包括：泵，其被配置为使处于液相的制冷剂的第一部分移动通过管道；混合装置，用于将润滑油与处于液相的制冷剂的第一部分混合；至少一个热源，所述至少一个热源被构造成将热量传递至处于液相的所述制冷剂的第一部分；另一混合装置，用于将处于气相的制冷剂的第二部分与润滑油和制冷剂的第一部分混合；以及混合介质，该混合介质构造成使润滑油雾化并将润滑油分散在制冷剂内。制冷剂表现出低于约-35℃的沸点。该至少一个热源被构造成蒸发制冷剂的第一部分。
实施例26：根据实施例25所述的系统，其中混合介质包括金属网。
实施例27：根据实施例1至26中任一项所述的方法、系统或热力发动机，其中制冷剂包括有机制冷剂。
实施例28：根据实施例1至26中任一项所述的方法、系统或热力发动机，其中制冷剂包括氨。
实施例29：根据实施例1至26中任一项所述的方法、系统或热力发动机，其中制冷剂包括二氧化碳。
尽管已经在本文中关于某些说明性实施例描述了本公开，但是本领域的普通技术人员将认识并理解到，本发明不限于此。相反，可以对所示实施例进行许多添加、删除和修改，包括其法定等同物，而不背离以下所要求保护的本发明的范围。另外，来自一个实施例的特征与另一个实施例的特征的组合仍被包括在本发明人所设想的本公开的范围内。此外，本公开的实施例对于各种类型的热力发动机都具有实用性。

Claims (26)

1.一种方法，包括：
将润滑油与制冷剂的第一部分混合以形成混合物，所述制冷剂的所述第一部分处于液相；
加热所述润滑油和所述制冷剂的所述第一部分的所述混合物以形成加热的混合物，其中所述制冷剂的所述第一部分的至少一部分处于气相；
将所述加热的混合物与所述制冷剂的第二部分混合，所述制冷剂的所述第二部分处于过热相；以及
雾化所述润滑油以将所述润滑油分散在所述制冷剂内。
2.如权利要求1所述的方法，其中雾化所述润滑油包括使所述润滑油和所述制冷剂穿过金属网。
3.如权利要求1所述的方法，还包括在将润滑油与所述制冷剂的所述第一部分混合之前，通过管道泵送所述制冷剂的所述第一部分。
4.根据权利要求1所述的方法，其中加热所述润滑油和所述制冷剂的所述第一部分的所述混合物以形成加热的混合物包括将热量从选自以下组成的组的至少一种来源传递到所述混合物：废热源、废气、压缩机中冷器、生物质、地热源和太阳能电池阵列。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述制冷剂表现出低于约-35℃的沸点。
6.如权利要求1所述的方法，还包括：
使雾化的润滑油和制冷剂通过与发电机可操作地关联的减压器，以降低所述制冷剂的压力并产生电流；
从所述制冷剂中分离所述润滑油的至少一部分；以及
冷凝所述制冷剂的至少一部分以重新形成所述制冷剂的所述第一部分。
7.根据权利要求6所述的方法，其中冷凝所述制冷剂的至少一部分以形成所述制冷剂的所述第一部分包括：将来自所述制冷剂的热量传递至第一散热源和第二散热源中的每一个。
8.根据权利要求1所述的方法，其中加热所述润滑油和所述制冷剂的所述第一部分的所述混合物以形成加热的混合物包括增加所述混合物的比体积。
9.如权利要求1所述的方法，还包括使雾化的润滑油和制冷剂通过可更换的过滤器。
10.根据权利要求1所述的方法，其中雾化所述润滑油包括将所述润滑油和所述制冷剂维持在近似恒定的压力。
11.根据权利要求1所述的方法，还包括将添加剂与所述混合物混合，所述添加剂表现出比所述润滑油更高的润滑性。
12.根据权利要求1所述的方法，其中将润滑油与制冷剂的第一部分混合以形成混合物包括：将处于液相的所述制冷剂的所述第一部分与循环所述制冷剂的所述第一部分的泵的下游的润滑油混合。
13.一种热力发动机，包括：
高压区，所述高压区构造成将来自至少一个热源的热量传递到制冷剂并且构造成容纳处于气相的所述制冷剂的第一部分，所述制冷剂表现出低于约-35℃的沸点；
低压区，所述低压区构造成将热量从所述制冷剂传递到至少一个散热源并且构造成容纳处于液相的所述制冷剂的第二部分；
旁路区，所述旁路区构造成将所述制冷剂的第三部分与润滑油混合，所述制冷剂的所述第三部分和所述润滑油处于液相；和
雾化器，所述雾化器包括混合介质，所述混合介质构造成雾化所述润滑油并将所述润滑油分散在所述制冷剂的所述第一部分和第三部分内；
其中所述制冷剂的基本闭环路径包括所述高压区、所述低压区和所述旁路区。
14.根据权利要求13所述的热力发动机，其中，所述热力发动机构造成使所述制冷剂在朗肯循环中循环。
15.根据权利要求13所述的热力发动机，进一步包括混合装置，所述混合装置构造成将所述润滑油与处于液相的所述制冷剂的所述第三部分混合。
16.根据权利要求13所述的热力发动机，其中所述高压区包括所述至少一个热源的至少一个壁，所述至少一个热源的至少一个壁被构造成将来自所述至少一个热源的热量传递到处于所述液相的所述制冷剂的所述第一部分，其中所述至少一个热源被构造成蒸发所述制冷剂的所述第一部分。
17.根据权利要求13所述的热力发动机，还包括容积式减压器，所述容积式减压器构造成提供压力梯度，处于气相的所述制冷剂通过所述压力梯度连续地从所述高压区流向所述低压区，所述容积式减压器构造成保持所述高压区与所述低压区之间的压力差在约20巴与约42巴之间，所述容积式减压器被配置为提取由于所述压力梯度引起的机械能。
18.根据权利要求17所述的热力发动机，还包括发电机，所述发电机耦合到所述容积式减压器并且构造成将所提取的机械能转换成电能。
19.根据权利要求18所述的热力发动机，还包括容积式液压泵，用于提供处于液相的制冷剂从所述低压区到所述高压区的连续流动。
20.根据权利要求13所述的热力发动机，其中，所述至少一个热源包括具有小于约60℃的温度的材料。
21.根据权利要求13所述的热力发动机，其中所述制冷剂循环通过所述闭环路径吸收额外的热量，而不通过压缩机。
22.根据权利要求13所述的热力发动机，其中，所述制冷剂在通过所述闭环路径循环的同时吸收或排出热量，而不通过压缩机。
23.根据权利要求13所述的热力发动机，其中，所述制冷剂的所述第一部分和第三部分的总和的质量流率与所述润滑油的质量流率之比在约10:1和约100:1之间。
24.根据权利要求13所述的热力发动机，其中，所述基本闭环路径进一步包括所述热力发动机外部的至少一个热传递管道。
25.一种用于提供加压制冷剂的系统，所述系统包括：
泵，其构造成使制冷剂的第一部分移动通过管道，所述制冷剂表现出低于约-35℃的沸点，所述制冷剂的所述第一部分处于液相；
混合装置，用于将润滑油和处于液相的所述制冷剂的所述第一部分混合；
至少一个热源，所述至少一个热源被配置为将热量传递到处于所述液相的所述制冷剂的所述第一部分，其中所述至少一个热源被配置为蒸发所述制冷剂的所述第一部分；
另一混合装置，用于将所述制冷剂的第二部分与所述润滑油和所述制冷剂的所述第一部分混合，所述制冷剂的所述第二部分处于气相；和
混合介质，其构造成使所述润滑油雾化并将所述润滑油分散在所述制冷剂内。
26.根据权利要求25所述的系统，其中所述混合介质包括金属网。
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